通常陶瓷不導電，是良好的絕緣體。例如在氧化物陶瓷中，原子的外層電子通常受到原子核的吸引力，被束縛在各自原子的周圍，不能自由運動。所以氧化物陶瓷通常是不導電的絕緣體。然而，某些氧化物陶瓷加熱時，處於原子外層的電子可以獲得足夠的能量，以便克服原子核對它的吸引力，而成為可以自由運動的自由電子，這種陶瓷就變成導電陶瓷。
基本介紹
- 中文名：導電陶瓷
- 外文名：Conductive ceramic
- 原理：克服原子核對它的吸引力
- 種類：電子電導的氧化物、離子電導陶瓷
- 常見導電陶瓷：氧化鋯、鉻酸鑭
- 套用：燃料電池陶瓷高溫發熱體
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陶瓷導電機理
材料的總電導率由電子電導率δe和離子電導率δi兩部分組成，即δ=δe+δi。當電流通過材料時，電子可以有兩種方式通過晶格運動來完成電荷輸運過程：①電子脫離原子成為自由電子，在晶格中運動，形成所謂的電子導電；②電子與原子核一起移動產生所謂的離子導電。對金屬來說，電子導電是其導電的主要方式，相比之下，離子導電幾乎可忽略不計。但對多晶陶瓷或非晶態玻璃等材料來說，由於離子電導活化能比較低(一般在0.5eV以下)，離子導電已不容忽視，甚至是這些材料中的主要導電方式。
快離子導電理論
離子導電性可以認為是離子電荷載流子在電場(電勢梯度)或化學勢場(化學勢梯度)作用下,通過間隙或空位在材料中發生長距離的遷移，電荷載流子或遷移離子一定是材料中最易移動的離子，它可以是陽離子，也可以是陰離子，如SiO2基體矽化物玻璃中的一價陽離子。在單晶或多晶體中，離子遷移時有它特有的通道，按其傳輸通道類型可分為一維、二維和三維傳導3大類。一維傳導是指晶體結構中的離子傳輸通道都是同一指向的，都出現於具有鏈狀結構的化合物(如LiAlSiO4)中；二維傳導是指離子在晶體結構中的某一個面上遷移，它多出現於層狀結構的化合物中，如二維缺陷傳導的β-Al2O3(Na2O·11Al2O3)；三維傳導是指離子可以在某些骨架結構化合物的三維方向上遷移，其傳導性能基本上是各向同性的，如三維無序、離子輸運的Na3Zr2Si2PO12。與晶態物質相比，非晶體離子導體的結構網路內沒有明確、特定的離子傳輸通道，其傳導性能是各向同性的。從結構概念理論上推測，晶格缺陷或無序性對提高晶態離子導體的電導率有重要作用，故本身具有很大無序度的非晶態物質應當大大有利於離子傳導過程，但並未發現離子傳導性超越晶態物質的非晶體離子導體。事實上，正常離子化合物的電導率並不是很高，而固體電解質的電導率要比它高出幾個數量級，故通常把固體電解質稱為快離子導體或最佳離子導體或超離子導體。
快離子導體的單晶體難以製成所需要的各種形狀和尺寸，因此該領域中有實用價值的主要是多晶材料，即快離子導體陶瓷材料。由於離子總是循著所需能量最低的通道遷移，在多晶體內離子最低能量傳輸通道在晶界處受阻,故多晶體的電導率通常低於單晶體的電導率。與金屬材料類似，陶瓷材料的電阻率也包括晶內電阻率和晶界電阻率兩部分，晶粒和晶界的電導率和電導活化能是不同的。在低溫區，晶界電阻通常較大，陶瓷的離子傳導過程由晶界控制，其電導率主要取決於晶界導電；而在高溫區，晶界電阻變小，陶瓷的離子傳導過程變成由晶粒控制，其電導率主要取決於晶粒電導。陶瓷材料的導電性質與它的化學組成、晶體結構、相組成和顯微結構有密切關係。當某些化合物在不同溫度下分解為傳導性不同的晶相時，常採用摻雜方法使高傳導相在寬的溫度範圍內都能穩定，以獲得較好的離子傳導和其他性質，故大多數快離子導體的化學組成不低於三元。
導電陶瓷的特徵
快離子導體材料的晶體結構具有4個特徵：①結構主體由一類占有特定位置的離子構成；②具有數量遠高於可移動離子數的大量空位，在無序的亞晶格里總是存在可供遷移離子占據的空位；③亞晶格點陣之間具有近乎相等的能量和相對低的激活能；④在點陣間總是存在通路，以至於沿著有利的路徑可以平移。對於某些快離子導體，特別是滿足化學計量化的化合物，在低溫下存在傳導離子有序結構；而在高溫下亞晶格結構變成如同液體的無序，離子運動十分容易。
常見快離子導體陶瓷材料
常見的快離子導電陶瓷材料分為3類：
①銀、銅的鹵族和硫族化合物，金屬原子在化合物中鍵合位置相對隨意；
②具有β-Al2O3結構的高遷移率單價陽離子氧化物；
③具有氟化鈣( CaF2)結構的高濃度缺陷的氧化物，如CaO·ZrO2、Y2O3·ZrO2
快離子導體(固體電解質)陶瓷材料是一種新型且有特殊功能的儀器儀表材料，由於每種快離子導體都有一種起主宰作用的遷移離子，故它們具有很好的離子選擇性。根據離子傳導性對周圍物質的活度(濃度或分壓)、溫度、濕度、壓力的敏感性，利用快離子導體可製作多種固態離子選擇電極、氣(液、濕、熱、壓)敏感測器、高純物質提取裝置等；利用快離子導體內某些離子的氧化-還原著色效應可製作電色顯示器等。利用快離子導體充、放電特性可製作庫侖計、可變電阻器、電化學開關、電積分器、記憶元件等多種離子器件，因此該材料有著廣泛的套用範圍及很好的套用前景。
