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导电陶瓷的原理与特征
2022年08月10日 发布 分类:粉体入门 点击量:165
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在陶瓷材料的许多应用中,导电性是重要的。半导体材料有许多特殊用途,如电阻发热元件,又如整流器、光电池、晶体管、热敏电阻、探测器以及调制器等半导体器件已成为现代电子学的一个重要组成部分。陶瓷作为电绝缘体应用具有同等的重要性,瓷和玻璃常被用于低压和高压绝缘。因此,我们对电导性能的所有内容都感兴趣。

对于这些材料的性质和特点的研究主要从两种观点出发。电气工程师们把它们视为电路中的主要元件,这些元件按照电测量的要求具有规定的性质和特点。物理学家则根据对电子和离子性状的定量了解来研究这些性能。而陶瓷工作者则必须两者兼顾,既考虑最终使用方面的问题,也要通过原子和电子性状来了解组成、结构和环境对性能的影响。

导电陶瓷的原理

在一定条件(温度、压力等)下具有电子(或空穴)电导或离子电导的陶瓷叫导电陶瓷。某些氧化物陶瓷加热时,处于原子外层的电子可以获得足够的能量,以便克服原子核对它的吸引力,而成为可以自由运动的自由电子,这种陶瓷就变成导电陶瓷。

导电陶瓷的特征

快离子导体材料的晶体结构具有4个特征:

①结构主体由一类占有特定位置的离子构成;

②具有数量远高于可移动离子数的大量空位,在无序的亚晶格里总是存在可供迁移离子占据的空位;

③亚晶格点阵之间具有近乎相等的能量和相对低的激活能;

④在点阵间总是存在通路,以至于沿着有利的路径可以平移。对于某些快离子导体,特别是满足化学计量化的化合物,在低温下存在传导离子有序结构;而在高温下亚晶格结构变成如同液体的无序,离子运动十分容易。

导电陶瓷有哪些

常见的快离子导电陶瓷材料分为3类:

①银、铜的卤族和硫族化合物,金属原子在化合物中键合位置相对随意;

②具有β-Al2O3结构的高迁移率单价阳离子氧化物;

③具有氟化钙( CaF2)结构的高浓度缺陷的氧化物,如CaO·ZrO2、Y2O3·ZrO2

快离子导体(固体电解质)陶瓷材料是一种新型且有特殊功能的仪器仪表材料,由于每种快离子导体都有一种起主宰作用的迁移离子,故它们具有很好的离子选择性。根据离子传导性对周围物质的活度(浓度或分压)、温度、湿度、压力的敏感性,利用快离子导体可制作多种固态离子选择电极、气(液、湿、热、压)敏传感器、高纯物质提取装置等;利用快离子导体内某些离子的氧化-还原着色效应可制作电色显示器等。利用快离子导体充、放电特性可制作库仑计、可变电阻器、电化学开关、电积分器、记忆元件等多种离子器件,因此该材料有着广泛的应用范围及很好的应用前景。


导电陶瓷为什么能导电

通常陶瓷不导电,是良好的绝缘体。例如在氧化物陶瓷中,原子的外层电子通常受到原子核的吸引力,被束缚在各自原子的周围,不能自由运动。所以氧化物陶瓷通常是不导电的绝缘体。然而,某些氧化物陶瓷加热时,处于原子外层的电子可以获得足够的能量,以便克服原子核对它的吸引力,而成为可以自由运动的自由电子,这种陶瓷就变成导电陶瓷。

楷体电子电导(包括空穴电导)有氧化物或碳化物半导体等。离子电导有固体电介质陶瓷,如ZrO2、β-Al2O3等。这些都是离子晶体的氧化物或复合物。在固体介质中,带电离子的运动比在液体中倍受限制,但仍然能以扩散的形式发生,从而产生离子电导。陶瓷的电导率是横穿晶界的电导率和沿表面晶体的电导率之和。离子在晶体中扩散通过取代晶格空位的方式进行,在一般情况下,这类运动取向混乱,不给出净的电荷运动,从而产生了离子导电流。


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