功能陶瓷复习题解答.docx

功能陶瓷复习题解答.docx

《功能陶瓷复习题解答.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《功能陶瓷复习题解答.docx（6页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

功能陶瓷复习题解答

1、举出3种以上的典型的超导陶瓷（氧化物超导体），定义及其应用。

LaBaCuo、SrBaCuo、NbBaCuo；

2、说明Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ电容器陶瓷的典型材料、性能特点和用途。

I类陶瓷主要用于高频电路中使用的陶瓷电容器。

性能特点a:

一般具有负温度系数，有时为正温度系数；b:

介电常数较高为飞铁电电容陶瓷；c:

温度系数值稳定且高频下及高温时具有低的介质损耗。

典型材料：

MgTiO3瓷。

II类陶瓷主要用于制造低频电路中使用的陶瓷电容器。

性能特点：

a:

介电常数值高（4000-8000）b:

温度稳定性好；c:

居里点在工作温度范围内且能方便的调整。

典型材料：

BaTiO3系、反铁电系。

III类陶瓷介质的半导体主要用于制造汽车、电子计算机等电路中要求体积非常小的电容器，性能特点a:

介电常数非常大7000-几十万以上b:

主要用于低频下典型材料：

半导化BaTiO3

3、何为铁电陶瓷?

BaTiO3铁电陶瓷老化的含义是什么？

是一类在某一温度范围内具有自发极化且极化强度随电场反向而反向，具有与铁磁回线相仿的电滞回线的陶瓷材料

老化意义：

铁电陶瓷烧成后其介电常数和介电损耗随时间的推移而逐渐减少

4、BaTiO3陶瓷有哪几种晶型相变？

画出BaTiO3陶瓷的介电常数-温度特性曲线示意图。

立方相、四方相、斜方相和三方相；

5、何谓移峰效应和压峰效应？

改性加入物可以有效的移动居里温度，即移动介电常数的居里峰，但对介电常数的陡度一般不呈现明显的压抑作用，这时所引起的效应为移峰效应；有的改性加入物可使介电常数的居里峰受到压抑并展宽所引起的效应为压峰效应。

6、为什么BaTiO3陶瓷最适合做低频电容器介质？

由于频率f升高，ε降低，Tanδ升高性能恶化，所以要在低频下使用由于新畴的成核与生长需要一定的时间内，所以ε和f有关。

损耗产生的原因是：

1、电畴运动：

畴壁运动是克服杂质、气孔、晶界的摩擦阻力；2、自发极化反转时。

伴随着集合形变的换向，必须克服晶胞间与晶粒间应力作用的反复过程。

都要消耗电场能，并以热的形式相空间散逸。

反转愈剧烈，次数愈频繁，则Tanδ愈大。

7、BaTiO3，PbTiO3，SrTiO3为什么具有铁电性？

它们为什么具有不同的居里温度？

其居里点分别是多少？

BaTiO3，PbTiO3，SrTiO3具有铁电性的原因：

这三种化合物都属于钙钛矿结构。

由A与O离子共同作立方密堆积，B离子处于O八面体中心，所有[BO6]八面体共顶点联结，当温度低于Tc时，B离子偏离八面体中心而产生离子位移极化，从而使B－O线上的O2－离子产生电子位移极化，互相耦合，使内电场Ei↑→[BO6]八面体沿B－O线方向伸长，另外两方向收缩，带动相邻[BO6]八面体在相同方向极化→电畴。

2）Tc是自发极化稳定程度的量度。

Tc反映了B4＋偏离氧八面体中心后的稳定程度高低，B－O间互作用能较大，需要较大的热运动能才能使B离子恢复到对称平衡位置，从而摧毁晶体的铁电性（铁电相→顺电相），因此Tc高。

反之亦然。

3）120、490、—250。

8、对BaTiO3电容器的要求如何？

在使用温度范围内，具有尽可能高的介电常数，尽可能低的介电常数变化率或容量变化率，尽可能高的Ej，尽可能低的tgδ，介电常数随交直流电场的变化尽可能小和尽可能小的老化率。

9、BaTiO3陶瓷为什么要在采用氧化气氛下烧结？

保持氧化气氛防止由于还原气氛使部分Ti4+转化为Ti3+产生氧空位从而导致BaTio3陶瓷介质的电性能恶化，损耗显着增加

10、简述BaTiO3陶瓷产生半导化途径和机理。

1）原子价控制法（施主掺杂法），用离于半径与Ba2+相近的La3+、Y3+、Sb3+等三价离子置换Ba2+离子;用离于半径与Ti4+相近的Nb5+、Ta5+等五价离子置换Ti4+离子.在室温下，上述离子电离而成为施主，向BaTiO3提供导带电子（使部分Ti4++e→Ti3+），从而ρV下降（102Ω?

cm），成为半导瓷。

2）强制还原法，BaTiO3陶瓷在真空、惰性气氛或还原气氛中烧成时，将生成氧空位而使部分Ti4+→Ti3+，可制得ρv为102~106Ω·cm的半导体陶瓷。

3）AST法，当材料中含有Fe、K等受主杂质时，不利于晶粒半导化。

加入SiO2或AST玻璃（Al2O3·SiO2·TiO2）可以使上述有害半导的杂质从晶粒进入晶界，富集于晶界，从而有利于陶瓷的半导化。

4）对于工业纯原料，原子价控制法的不足，对于工业纯原料，由于含杂量较高，特别是含有Fe3+、Mn3+（或Mn2+）、Cu+、Cr3+、Mg2+、Al3+（K+、Na+）等离子，它们往往在烧结过程中取代BaTiO3中的Ti4+离子而成为受主，防碍BaTiO3的半导化。

11、高频电容器陶瓷产生高介电系数的原因。

金红石型和钙钛矿型结构的陶瓷具有特殊的结构，离子位移极化后，产生强大的局部内电场，并进一步产生强烈的离子位移极化和电子位移极化，使得作用在离子上的内电场得到显着加强，故ε大。

钛酸锶铋也是利用SrTiO3钙钛矿型结构的内电场，而加入钛酸铋等，使之产生锶离子空位，产生离子松弛极化，从而使ε增大。

12、说明金红石电容器陶瓷在生产和使用中应该注意的问题。

1、防止sio2杂质的引入2、由于Tio2可塑性差，坯料还需要适当的陈腐时间，是氧化钛水解提高了可塑性3、严格控制烧结温度4、严格控制气氛保证氧化气氛烧结因为tio2高温下发生分解，Nb5+/Sb5+存在会是Tio2还原5、Tio2陶瓷电容器使用银电极且长期在高温和直流电场下工作时会发生电化学反应使Ti4+被还原为Ti3+（直流老化）是金红石陶瓷性能恶化。

13、什么是介电常数的温度系数αε？

说明高频电容器陶瓷介电系数的温度系数不同的原因。

何谓温度补偿电容器陶瓷和温度稳定电容器陶瓷，有何应用？

为什么在高频稳定电容器陶瓷钛酸镁瓷加入钛酸钙可以调节αε？

有什么实际意义？

1）介电常数温度系数：

在一定温度范围内，温度每升高一摄氏度时介电常数的相对平均变化率。

2）实际意义：

正钛酸镁和偏钛酸镁都有小的正αε，其与负的αε，晶相钛酸钙适当配比，制的具有系列αε，的瓷料

14、微波介质陶瓷的性能要求如何？

有何意义？

按其介电常数分类有哪些？

列出以上典型的陶瓷材料体系，说明其应用背景。

微波介质陶瓷（MWDC）：

是指应用于微波频段（主要是UHF/SHF频段，300MHz—300GHz）电路中作为介质材料并完成一种或多种功能的陶瓷。

它在微波器中作介质谐振器。

15、性能特点：

高介电常数，高品质因数，近零的谐振频率温度系数。

工作稳定，不产生漂移。

16、介电常数分类：

（1）高介电常数，低品质因数BaO-稀土-TiO21-3GHz

（2）中介电常数，中品质因数BaO-TiO2系和Ba2Ti90203-10GHz（3）低品质因数，高品质因数。

BZT>10GHz应用背景：

高介电常数f1-3GHz用于移动通信；中介电常数f3-10GHz用于卫星基站；低介电常数f>10GHz用于卫星雷达。

17、15、说明微波介质陶瓷的低温烧结工艺的方法和特点，其说明其意义。

方法：

（1）加助烧剂（低软化点玻璃、低熔点氧化物陶瓷）

（2）湿化学方法制备超细粉纳米颗粒（3）采用燃烧温度本来就很低的燃料。

意义：

MLCC使多层陶瓷电容器，它用铅-钯做电极，成本高，是高温共烧，而为了降低成本，采用Ltcc，用纯银是低温共烧

16、何谓MLCC？

说明其特点和应用。

简述MLCC的制造工艺。

MLCC独石电容器是印有内电极的陶瓷膜以一定方式重叠形成的生胚经共同烧结后形成一个整体的“独石结构”。

特点：

体积小、比容大、等效串联电阻小、无极性、固有电感小、抗湿性好、可靠性高等优点。

可有效缩小电子信息终端产品（尤其是便携式产品）的体积和重量，提高产品可靠性，顺应了IT产业小型化、轻量化、高性能、多功能的发展方向。

应用：

大量用于混合集成电路中作为贴装元件和其他对可靠性要求较高的小型化电子设备中。

MLCC独石电容器生产工艺：

17、简述含铋层状结构化合物系的MLCC的性能特点。

18、分析添加PbTiO3和Bi2O3的Pb（Mg1/3Nb2/3）O3系陶瓷的组成和性能。

19、什么是PZT陶瓷？

何谓PZT压电陶瓷准同型相界（MPB）?

PZT陶瓷：

PbZrO3和PbTiO3的结构相同，Zr4+与Ti4+的半径相近，两者可形成无限固溶体，可表示为Pb（ZrxTi1-x）O3，简称PZT瓷。

PZT压电陶瓷准同型相界（MPB）：

四方铁电相和三方铁电相的共存区域，其电畴的极化方向为两相极化方向之和。

20、为什么PZT压电陶瓷中PbZrO3含量在53％mol时（Zr/Ti=53/47）时，压电性能最好？

三元系压电陶瓷PMN-PT-PZ的组成如何？

相对于二元系压电陶瓷，有何特点？

随着Zr含量的增加，铁电相变得越来越不稳定，当Zr含量超过一定限度是（Ti大于53/47）就发生了质变，出现了菱面结构。

同样，随着Ti含量的增加，菱面结构显得越来越不稳定。

在Zr/Ti小于53/47便出现四方结构。

所以说在Zr/Ti=53/47时，PZT压电陶瓷的压电性能最好。

三元系电陶瓷PMN-PT-PZ的组成为Pb（Mg1/3Nb2/3）瓷相比，其易烧结，铅挥发少，相界由PZT的点扩展为线，性能可有更大的选择余地。

21、何谓软性添加物和硬性添加物？

它们对材料的性能和烧结工艺有哪些影响？

“软性”添加物是指加入这些添加物后能使矫顽场强EC↓，因而在电场或应力作用下，材料性质变“软”。

“硬性”添加物是指加入这些添加物后能使陶瓷的介电常数，介电损耗，体积电阻率，弹性柔性系数和压电性能能降低。

“软件”添加物对材料的性能和烧结工艺的影响：

ε、s、tgδ、ρυ和Kp增大。

Qm和Ec变小，电滞回线近于矩形。

老化性能好。

颜色浅，多为黄色。

“硬性”添加物对材料的性能和烧结工艺的影响：

使ε、tgδ、ρv、s和压电性能Kp↓；使Qm↑，Ec↑，极化和去极化作用困难且颜色较深。

22、压电陶瓷制备工艺中为什么要人工极化?

对于铁电陶瓷来说，虽然各晶粒都有较强的压电效应，但由于晶粒和电畴分布无一定规则，各方向几率相同，使∑P=0，因而不显压电效应，故必须经过人工预极化处理，使∑P≠0，才能对外显示压电效应。

23、简述锂离子电池的结构。

锂离子电池有哪些特性？

24、目前锂离子电池的正极材料有哪几类？

各有什么优缺点？

锂离子电池的正极材料可分为：

层状结构材料（LiCoO2），其特点为：

合成方法比较简单；工作电压高，充放电电压平稳，循环性能好；实际容量较低，只有理论容量的一半；钴资源有限，价格昂贵；钴毒性较大，环境污染大。

层状结构材料（LiNiO2），其特点为：

相对于LiCoO2而言，镍的储量比钴大，价格便宜，而且环境污染小。

缺点：

制备困难；结构不稳定，易生成Li1-yNi1+yO2。

使得部分Ni位于Li层中，降低了Li离子的扩散效率和循环性能。

尖晶石结构材料（LiMn2O4），其特点为：

电化学性能好、成本低、资源丰富以及无毒性。

橄榄石型结构材料（LiFePO4），其特点为：

（1）优异的安全性能

（2）优异的循环稳定性，8000次高倍率充放电循环，不存在安全问题。

（3）适于大电流放电。

温度越高材料的比容量越大。

（4）成本低，环保。

（5）较高的动力学和热力学稳定性。

存在的主要问题

（1）结构中没有连续直接的锂离子通道，使得离子迁移率低。

（2）结构中没有连续的FeO6八面体网络，电子只能依靠Fe-O-Fe传导，导电率低

25、什么是PTC陶瓷？

简述BaTiO3陶瓷产生PTC效应的条件和半导化途径。

PTC陶瓷：

是指陶瓷的电阻率随温度升高而增加的陶瓷。

BaTiO3陶瓷产生PTC效应的条件：

只有晶粒充分半导化，晶界具有适当绝缘性的BaTiO3系陶瓷才有显着的PTC效应。

半导化途径：

采用施主掺杂半导化，使晶粒充分半导化；采用氧化性气氛烧结，使晶界及其附近氧化，呈现适当的绝缘性。

26、什么是压敏陶瓷？

简要说明ZnO压敏陶瓷的压敏机理。

压敏陶瓷是指电阻值与外加电压成显着的非直线性关系的陶瓷。

压敏机理：

半导化ZnO压敏陶瓷中德掺杂物（氧化物）使晶界有深能级陷阱，即表面态能级。

27、SnO2气敏陶瓷为什么希望获得超细的粉料？

说出4种制备超细SnO2方法。

因为SnO2粉料越细，其比表面就越大，对待测气体就越敏感。

制备超细SnO2方法：

用锡盐制SnO2；在空气中加热Sn，氧化而成SnO2；利用气态Sn和等离子氧反应制超细SnO2；利用SnCl4水解制SnO2。

28、说明氧化锆导电陶瓷的导电机理。

简述其氧气敏原理及应用。

导电机理：

氧浓差电池?

二价或者三价金属离子置换四价锆离子，产生氧空位，氧空位的产生是氧空位作为载流子形成电导。

氧气敏基本原理：

形成氧浓差，在氧气扩散的条件下氧空位作为载流子形成电导；应用：

在工业中使用可燃气体作原料时常用它报警和实施控制，如ZrO2/TiO2，传感器可检测汽车发动机和发电厂锅炉排气中氧的浓度，以控制空气燃料比（空燃比A/F）等用途

29、何谓SOFC？

画简图说明SOFC的结构，简述SOFC的工作原理。

SOFC：

固体氧化物燃料电池；SOFC的结构：

主要有固体电解质、阳极和阴极组成。

工作原理：

当空气穿过阴极材料时，由于受到催化发应发生电化学反应：

1/2O2+2e﹣→O2-所产生的阳离子电导的固体电解质材料传到阳极，在界面上发生电化学反应，从而产生电子，电子经阳极经外循环电路传输到阴极，从而产生电流。

30、SOFC的结构对材料有何性能要求？

其常用材料有哪些？

有何性能特点？

性能要求：

要求其具有非常高德阳离子电导率，而电子电导率应极小，要有开放式的结构，必须是致密的，具有高度的气密性。

常用材料：

电极材料、连接体材料和密封材料。

性能特点：

1）电极材料：

很好的电子电导率；多孔性；不与电解质材料反应，热膨胀系数要尽可能接近；阴极材料应具有一定的离子导电率，对O2具有良好的电化学活性;2）连接体材料：

具有很好的抗高温氧化性和良好的导电性及匹配的热膨胀系数；3）高温无机密封材料：

具备高温下密封性好、稳定性高以及与固体电解质和连接板材料热膨胀兼容性好等特点。

31、软磁铁氧体有哪些特性？

常见材料有哪些体系？

硬磁铁氧体有哪些特性？

常见材料有哪些体系？

制备各向异性的硬磁铁氧体有什么意义？

如何制备？

软磁铁氧体的特性：

品种最多，应用最广；在较弱的磁场作用下，很容易被磁化也容易被退磁；起始磁导率μ0高，相同电感量的线圈体积缩小；磁导率温度系数要小；矫顽力Hc要小；比损耗因素tgδ/μ0要小，电阻率要高，减少损耗，适用于高频下使用。

体系：

尖晶石结构和平面型六角晶体结构磁铅石型的甚高频铁氧体。

硬磁铁氧体的特性：

被磁化后不易退磁，能长期保留磁性。

残留磁感应强度Br较高（0.3~0.5T），矫顽力Hc高（0.1~0.4T）；磁能积（BH）max高（6000~40000J/m3），高于高碳钢。

材料体系：

钡铁氧体、思铁氧体。

32、铁氧体的晶体结构主要有哪些?

尖晶石、磁铅石、石榴石、钙钛矿型结构

33、铁氧体粉料制备工艺有哪几种?

铁氧体单晶制备工艺有哪几种?

粉料：

化学共沉淀法、氧化物球磨混合法、电解共沉淀法、盐类分解法、喷雾煅烧法；单晶：

布里兹曼法熔盐法、提拉法、水热合成法、熔融法

34、低介装置瓷对性能有何要求？

说明其典型材料和应用。

要求：

1）绝缘电阻高（室温,ρv＞1012Ω·cm）和高介电强度＞10kv／mm。

以减少漏导损耗和承受较高的电压。

2）εr小（＜9），可减少不必要的分布电容值，避免在线路中产生恶劣的影响。

εr越小，tgδ也越小。

（低介装置瓷）。

3）高频电场下的tgδ要小（2~90）×10-4，tgδ大会造成材料发热和附加的衰减现象。

4）较高的机械强度:

ζbb=45~300MPa；ζb=400~2000MPa5）良好的化学稳定性。

6）特殊要求：

高频装置瓷要求膨胀系数小，热导率高，抗热冲击。

集成电路基片要求高导热系数，合适的膨胀系数、平整、高表面光洁度及易镀膜或表面金属化。

典型材料：

氧化物（单元和多元）和非氧化物（氮化物为主）。

多晶和单晶（人工合成云母、人造蓝宝石、尖晶石、BeO及石英）矿物：

块滑石、高铝瓷、钡长石、莫来石瓷、镁橄榄石瓷、堇青石瓷等。

应用：

电子陶瓷领域的结构陶瓷，用于电子技术、微电子技术和光电子技术中起绝缘、支撑、保护作用的陶瓷装置零件、陶瓷基片以及多层陶瓷封装等的瓷料。

35、说明滑石瓷生产和使用中容易出现的问题和原因。

问题：

老化、开裂、烧结温区过窄；老化的原因：

原顽辉石≡斜顽辉石→{密度↑体积↓}→内应力↑→微裂纹、白斑→老化；开裂的原因：

内因层状结构?

各向异性[收缩各向异性外因成型过程中的定向排列晶粒结构定向排列密度各向异性

36、高导热晶体应具备哪些结构特点？

典型材料有哪些？

说明AlN瓷的性能特点和应用。

结构特点：

共价键很强;结构基元的种类较少（单质晶体或二元化合物），原子量或平均原子量较低;非层状结构;高纯和足够致密的材料，同时晶粒应发育良好，并把结构缺陷降到最低限度.典型材料：

金刚石（昂贵）、石墨（电子电导）、六方BN（昂贵）、SiC（难烧结，需热压）、BP（对杂质敏感）、BeO、AlN。

性能特点：

Al-N共价键强，平均原子量20.49,热导率高；热膨胀系数与半导体Si接近具有高的绝缘电阻和抗电强度

介电常数低，介质损耗小；机械强度高；适合于流延成型工艺；AlN陶瓷的毒性不如BeO瓷。

应用：

在集成电路、光发射二极管、激光二极管、激光器、电力电子模块、磁流体发电等领域获得广泛的应用

37、陶瓷透明化的措施有哪些？

1）采用活性高、细，烧结性好的高纯粉料，常用化学共沉法制备。

2）适当的添加物：

晶界偏析，抑制晶界迁移，排除气孔；液相烧结，促进陶瓷致密化；3）烧结（温度、时间、气氛）：

气孔的消除；4）减小光学各向异性：

将居里温度降至室温

38、传统氧化铝陶瓷基片的问题有哪些？

说明LTCC基片的优点和基本特性。

说明LTCC的材料体系。

问题氧化铝瓷烧结温度高，只能选择难熔金属Mo、W等作为电极，易导致下列问题：

①需在还原气氛中烧结②Mo、W电阻率较高，布线电阻大，信号传输易造成失真，增大损耗，布线微细化受到限制③介电常数偏大（约9.6），增大信号延迟④热膨胀系数（7.0×10-6/℃）与硅（3.5×10-6/℃）不匹配。

优点：

不仅可以与Au、Ag、Cu等低电阻率金属同时烧结，且有利于将电阻、电容、电感等无源元件同时制作在基板内部，使产品小型、轻量化。

基本特性：

高电阻率低介电常数低介电损耗基片的热膨胀系数接近硅的热膨胀系数，减少热应力；高的热导率，防止多层基板过热；足够高的机械强度；化学性能稳定。

LTCC的材料体系：

结晶玻璃系、玻璃陶瓷复合系、氧化铝中添加物系、单相陶瓷系