电子陶瓷总复习

电子陶瓷总复习

第一章

陶瓷的定义：用粘土以外的其他原料，依陶瓷制造的工艺方法制成的制品

陶瓷的发展大致经历了陶器、瓷器、现代先进陶瓷、纳米陶瓷4个发展阶段。

陶器(从公元前24000年开始)

瓷器 (从公元250年开始)

现代先进陶瓷 (从20世纪40年代开始)

纳米陶瓷 (从20世纪90年代开始)

1、陶器阶段用黏土制成毛坯，经过高温(~1000 °C) 烧结而成，是原始人类制成的最重要的物品之一

2、瓷器阶段发明了釉、发现并使用高铝质瓷土、高温技术的发展（>1200 °C ）

3、现代先进陶瓷阶段原料纯化——从天然矿物原料为主发展到高纯人工合成原料为主

4、纳米陶瓷阶段原料纳米化、陶瓷内部晶粒纳米化、性能高度优化、正在深入研究，预期将引起重要变化。

第二章

电子陶瓷的性质与其结构有密切的关系。结构可以分为：

Electronic Structure；电子结构

Atomic Structure；原子结构

Microscopic Structure；显微结构

Macroscopic structure宏观结构

材料科学与工程是研究材料组成、结构、生产过程、材料性能与使用性能以及他们之间关系的学科。因而把组成与结构、合成与生产过程、性质以及使用效能称之为材料科学与工程的四个基本要素。

上述四个要素是基本的，缺一不可的，对材料科学与工程的发展来说，这四个要素必须是整体的。材料的四要素反映了材料科学与工程研究的共性问题，其中合成和加工、使用性能是两个普遍的关键要素，这是在这四个要素上，各种材料相互借鉴、相互补充、相互渗透。

混合键实际材料中，特别是陶瓷、半导体等往往是由离子键和共价键混合形成的键结。

确定AB组成的化合物中共价键的比例p可由下式决定：

p=exp[-(Ea-Eb)²/4)]

Ea,Eb分别为A,B元素的负电性(electronegativity)

泡令原则

1)负离子配位多面体原则（Pauling’s 1st Rule）

在正离子周围形成负离子配位多面体；正、负离子间距与离子半径之和有关；配位数与正、负离子的半径之比有关。负离子组成多面体，正离子占据间隙位置

2)电价原则（Pauling’s 2nd Rule）

Z+、Z-为正、负离子的电价

CN+ 、CN-为正、负离子的配位数

3)共用原则（Pauling’s 3rd Rule）

当配位体共用顶点、棱或面时，稳定性会降低。正离子的电价越高、配位数越低，此效应越明显。

4)共顶点原则（Pauling’s 4th Rule ） CNZCNZ含有一种以上的正离子晶体中，电价大、配位数小的正离子周围的负离子配位多面体总趋于共顶点结合

5)类型原则（ Pauling’s 5th Rule ）

晶体中的配位体的类型总是尽可能地最少

第三章

相变是指在温度或压强等外界条件发生变化时:

（1）物质的晶体结构发生了变化；

（2）物质的化学成分发生不连续变化，如固溶体的脱溶分解；

（3）某些反映长程序物理性质的出现或消失

二级相变二级相变时热力学量（自由能）的改变是连续的，体积、熵等热力学函数没有突变，但它们的一级微商有突变，材料的等压热容（Cp）、热膨胀系数（α）和压缩系数（κ）有突变。或者说两相的自由能对温度或压力的一阶导数相等，而二阶导数不相等。

二级及以上相变统称连续相变。

κ和α分别为材料的等温体压缩系数和等压体膨胀系数

一级相变特点:两种相的自由能对温度或压力的一阶导数不相等，即其热力学函数，如体积、TCTSTGppp22kTTVpVpG22VTVpTGp2)(dd,,mmpmpTVCCTpppmmpTTTSTC22,熵等在相变点发生不连续改变或突变。

铁电相变

PbTiO3-PbZrO3假二元系固溶体相图。Pc——顺电立方相，Ar——反铁电四方相，A0——反铁电正交相，FR——铁电三角相，FT——铁电四方相

第四章

了解电子陶瓷的力学、热学、电学、磁学、声学及光学等性质与其组成、结构的关系；

重点掌握电子陶瓷的电学性能

材料的理论断裂强度。奥罗万（Orowan）计算的理论强度为:

式中γ为断裂表面能，是材料断裂形成单位面积新表面所需的能量。

平面应力状态裂纹扩展的临界应力为式中c为裂纹的半长度

电学性能I=SJV=LE电场E, 电流密度J 如IV为体积电流，IS为表面电流, VTHVSTpddaEthcEc2EESRLJRVI为表面电阻为体积电阻SSVVSVIVRIVRIII离子电导

式中A、B为与化学组成、晶体结构有关的常数。W为电导激活能，包括缺陷形成能和迁移能。k=1.38×10-23J/K=0.86×10-4eV/K。T为绝对温度。

陶瓷电导混合法则

设陶瓷材料有两个均匀的相A,B组成，则有：

VA、VB为两相的体积分数；ζA、ζB为两相的电导率。 n为状态指数。

电子陶瓷的介电性能

介电常数对电介质材料，在电场E中，有电感应矢量D：

0为真空介电常数，r为相对介电常数

真空的相对介电常数为1, 其他材料的相对介电常数均大于1。

对于平行平板电容器，有：

式中，C为试样的电容量；d为试样厚度或电极距离；S为电极面积；ε0为SI单位制中真空的介电常数，ε0=8.85×10-12 F/cm

电介质的极化点电荷q对某一定点的电矩为：

多点系统：

介质内质点的正负电荷重心分离可形成偶极子：产生偶极矩：

方向从负电荷指向正电荷，单位（C•m）或Debye, 1D=3.3310-30(C • m)

极化机制有电子极化、离子极化、偶极子转向极化、界面极化、谐振式极化、自发极化等多种极化机制。

重点掌握电子极化、离子极化、偶极子转向极化等三种极化机制。

电子位移式极化

离子位移极化

偶极子转向极化 )exp()exp(111TBAkTWAsnBBnAAnTVVBBAATVVlnlnlnEEDr0ShCr0rqiiirqlq3034RekqMqi220*20kTa320多相陶瓷材料的介电性能

a)、混合物法则

由成分、结构、化学组成等不同的晶体所组成的多相陶瓷材料. 设只有两相组成陶瓷：

介电常数的温度系数介电常数的温度系数——介电常数随温度变化而产生的相对变化率：

第五章

电子陶瓷的制备过程大致可分为:备料计算、粉料加工、成型、排胶、烧结、机械加工、表面金属化等基本工序。

配料计算：设原料的摩尔数为X1、X2、X3…，原料的分子量（或以克为单位的摩尔质量）为M1、M2、M3…，则原料重量为:

原料的重量百分比即为

若考虑实际原料的纯度P，则实际原料的重量应为

第六章

晶体的压电性

压电效应—当晶体受外力作用发生形变时，在晶体的某些表面出现电荷积累的现象称为正压电效应。

逆压电效应—当晶体受电场作用时，晶体会发生形变的现象称为逆压电效应。（如果电场是交变的，就会引起晶体的振动）

应变S和电场E之间的关系为：dt仍称为压电常数。

晶体是否有压电性，是由晶体的结构对称性所决定的。

在32种点群中，有11种点群具有对称中心，没有压电性；有21种点群没有对称中心，可能有压电性。在21种没有对称中心的点群中，点群432因为具有较高的对称性，也没有压电性。具有压电性的点群为20种。

晶体对称性对压电常数的影响 kkkxx22112211lnlnlnxxdTdTK1iiiMXWMXWMXW;;;222111%100%;100%;1002211iiiiiiiiWWgWWgWWgPWWii'TdDEdSt压电常数dijk是描述晶体物理性质的一种张量，因此将受到晶体对称性的制约。晶体的对称性越高，dijk的非零独立分量的个数越少。

正、逆压电效应的张量和矩阵表示法如表所示：

机电耦合系数k的定义为：

机电耦合系数 k 一般的通式为：

对机电耦合系数k的证明：

式中：Uc为机电相互作用能Ue为弹性能Up为极化能

对于单位体积的压电体, 有：

机电耦合系数是一个小于1的无量纲的数。 输入的总能量机电转换获得的能量2kETiiiisdk22pecUUUk)6,...2,1;3,2,1(21)3,2,1,(21)6,...2,1,(21iTEdUjiEEUTTsUiicjiTijpEejiTijEiipecEETTsTEdkUUUk212121ETiiiiiTiiEiisdkEETTsTEdkji2121;令：ETiiiisdk22钛酸钡（BaTiO3）压电陶瓷

结构特点：BaO-TiO2系统的相平衡图可知，钛酸钡（BaTiO3）是一致熔融化合物，其熔点为1618℃。

在此温度以下，1460℃以上结晶出来的BaTiO3属于非铁电的六方晶系6/mmm点群。

在1460～120℃之间BaTiO3转变为立方钙钛矿型结构。

相变特征

复合钙钛矿结构

ABO3的钙钛矿结构要求：

A位离子平均电价为+2、摩尔数为1 B位离子平均电价为+4、摩尔数为1

如果A，B位置有多种不同电价的离子，它们的电价和摩尔数应满足上述关系。

第七章

微波的定义：在电磁波的全频谱中，一般将甚高频（30~300 MHz）至近红外（750 GHz）波段称为微波。

微波器件的分类：将300 MHz~3000 GHz定义为微波波段，其中又可划四个波段：

微波应用的特点：微波信号因为其频率极高、波长极短，具有以下特点： 1、频率高、信息容量大，目前可应用的微波波段数已经超过长、中、短波段的1000倍以上。

2、可进行直线传播、具有很强的传播方向性。波束能量高、金属目标对微波信号有强反射，可用于雷达、导航等3、对不同介质具有强穿透和强吸收的能力，可以穿透高空电离层实现卫星通信、微波治疗、微波探伤等。4、微波设备的数字化可实现保密通信

四种主要的微波陶瓷：

1.BaO-TiO2系微波陶瓷BaO-TiO2体系中含有多种化合物，其介电性能随TiO2含量的变化而变化。

2. BaO-Ln2O3-TiO2系统这类材料的介电系数ε位居微波介质陶瓷体系之首，且随着组成的变动，ε可在20~90（或更高）相当大的范围内变化，Ln3+可以是镧系元素中任一元素或它们之间的复合，Ba可以部分用Sr，Pb，Bi2O3置换，或全部用CaO，Li2O取代或CaO-Li2O复合取代。

3.复合钙钛矿系A（B‘1/3B‘‘2/3）O3系

（A＝Ba，Sr；B‘＝Mg，Zn，Co，Ni，Mn；B‘‘＝Nb，Ta）