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導(dǎo)電陶瓷的分類有哪些？

日期：2022-04-22 瀏覽次數(shù)：次

導(dǎo)電陶瓷是陶瓷材料中具備離子導(dǎo)電、電子和空穴導(dǎo)電的一種新型功能材料。它既具有金屬態(tài)導(dǎo)電性，同時又具有陶瓷的結(jié)構(gòu)特性、機(jī)械特性和獨(dú)有的物理化學(xué)性質(zhì)，如抗氧化、抗腐蝕、抗輻射、耐高溫，因而具有廣闊的應(yīng)用前景，受到越來越多人的關(guān)注和研究。

柔性鋰離子導(dǎo)電陶瓷織物

我們都知道陶瓷的導(dǎo)電性是很差的，大多數(shù)陶瓷是絕緣體。譬如，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(yùn)動。但是，陶瓷的導(dǎo)電性可以通過以下兩種方法來進(jìn)行改善。第一種是摻入導(dǎo)電相形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)提高導(dǎo)電性能，期間沒有發(fā)生原子替代，故而沒有產(chǎn)生新的載流子。第二種是摻入適合的非導(dǎo)電相通過發(fā)生離子替代進(jìn)而產(chǎn)生新的離子或電子，通過這些載流子的遷移來導(dǎo)電。還有一種方式是以上兩種導(dǎo)電方式的復(fù)合，那就是載流子導(dǎo)電和導(dǎo)電相導(dǎo)電同時發(fā)生。但從導(dǎo)電機(jī)理上來看，摻入導(dǎo)電相后，也是通過導(dǎo)電相中的電子遷移來導(dǎo)電的。所以按導(dǎo)電機(jī)理來分類，可分為電子導(dǎo)電陶瓷、離子導(dǎo)電陶瓷、電子-離子混合導(dǎo)電陶瓷。

1.電子導(dǎo)電陶瓷

電子導(dǎo)電陶瓷的載流子為電子或電子空穴，根據(jù)導(dǎo)電陶瓷的不同性質(zhì)，可應(yīng)用于高溫發(fā)熱體、冶金工業(yè)電極材料、電池用電極材料、半導(dǎo)體陶瓷材料等方面。

碳化硅高溫發(fā)熱體

（1）金屬基導(dǎo)電陶瓷

金屬基導(dǎo)電陶瓷既具有金屬材料特有的高韌性，優(yōu)異的導(dǎo)電性，還具備陶瓷材料超高的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、耐高溫及耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，是惰性陽極材料研究的首選。以合金和尖晶石型氧化物陶瓷為原料制備出的復(fù)合材料就是一種典型的金屬基陶瓷材料，材料內(nèi)的金屬相是富含Cu的Cu-Ag合金或Ni₂Fe合金，陶瓷相則是NiFe₂O₄+NiO、Ni_XFe_3-XO₄和ZnO+ZnFe₂O₄。這類材料既有合金的良好導(dǎo)電性，又兼具陶瓷材料的耐腐蝕性，易于與陽極導(dǎo)桿連接，并且其抗熱震性能比陶瓷材料更好。

（2）簡單氧化物電子導(dǎo)電陶瓷

簡單氧化物電子導(dǎo)電陶瓷可以分為N型、P型、兩性半導(dǎo)體材料。N型半導(dǎo)體也稱為電子型半導(dǎo)體，即自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度的雜質(zhì)半導(dǎo)體，如V₂O₅、Ag₂S、TiO₂、Nb₂O₅、CdO、CsO、MoO₃、CdS、WO₃、BaO、SnO₂、Ta₂O₅、BaTiO₃、PbCrO₄、ZnO、ZnF₂、Fe₂O₃；P型半導(dǎo)體也稱為空穴型半導(dǎo)體，即空穴濃度遠(yuǎn)大于自由電子濃度的雜質(zhì)半導(dǎo)體，如Cr₂O₃、MnO、Ag₂O、CoO、NiO、Cu₂O、SnO、Pr₂O₃、CuI、Te、Sb₂S₃、Se、Hg₂O、MoO₂；兩性半導(dǎo)體有SiC、UO₂、PbTe、Ge、Si、Co₃O₄、TiS₂、Mn₃O₄、PbSe等。

（3）氮化物、硼化物、碳化物電子導(dǎo)電陶瓷

氮化物、硼化物、碳化物電子導(dǎo)電陶瓷是第IV、VB副族金屬與氮、硼、碳形成氮化物、硼化物、碳化物，該類材料電子導(dǎo)電性良好，鍵合強(qiáng)度較大，擴(kuò)散系數(shù)低，硬度高，熔點(diǎn)高，比傳統(tǒng)鋁銅及其合金更適合用于電子器件。該類物質(zhì)典型的有WC、TiC、NbC、Cr₃C₂、Mo₂C、VC、ZrC、SiC等。部分碳化物的電阻率如下表：

碳化物電阻率

2. 離子導(dǎo)電陶瓷

離子導(dǎo)電陶瓷的載流子為離子，導(dǎo)電行為依靠離子的運(yùn)動，因此導(dǎo)電會伴隨著物質(zhì)的轉(zhuǎn)移，在相界面多有化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，其導(dǎo)電率通常隨溫度的升高而增大。固態(tài)物質(zhì)在一定的條件下，或本身具有可形成某些特定離子的通道的特殊結(jié)構(gòu)，使得其離子電導(dǎo)率可以達(dá)到熔融鹽或電解質(zhì)水溶液的水平時（通常至少應(yīng)該大于10^-3S/cm數(shù)量級）這類固態(tài)物質(zhì)就成了離子導(dǎo)體，稱為固體電解質(zhì)、快離子導(dǎo)體或超離子導(dǎo)體。

（1）氧離子導(dǎo)電陶瓷

氧離子固體電解質(zhì)可在一定的條件下形成氧離子傳導(dǎo)特性，氧離子電解質(zhì)材料可廣泛應(yīng)用于固體氧化物燃料電池（Solid oxide fuel cell，SOFC）、氧傳感器、氧分離膜等電化學(xué)領(lǐng)域，研究較多的氧離子電解質(zhì)材料按其晶體結(jié)構(gòu)主要有螢石、鈣鈦礦及類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)等。

其中，ZrO₂是最出名的螢石結(jié)構(gòu)氧離子導(dǎo)電陶瓷材料，但純ZrO₂的氧離子電導(dǎo)率很低而且只有在2300 ℃以上才是立方螢石結(jié)構(gòu)。通過在A位摻雜低價金屬離子，如Ca²⁺、Y³⁺等，可將立方螢石結(jié)構(gòu)穩(wěn)定在低溫，同時可大幅提高材料的氧空位濃度，以增強(qiáng)氧離子電導(dǎo)率。

基于ZrO2的氧傳感器

基于ZrO₂的氧傳感器

（2）質(zhì)子導(dǎo)體

以質(zhì)子為電荷載流子的快離子導(dǎo)體稱為質(zhì)子導(dǎo)體，無機(jī)質(zhì)子導(dǎo)體因其傳輸特性，可廣泛應(yīng)用于SOFC、氫傳感器、合成氨、氫能及薄膜反應(yīng)器等高溫電化學(xué)裝置?，F(xiàn)在研究的無機(jī)質(zhì)子導(dǎo)體可大體分為五類：水合型；β-Al₂O₃型；氫鍵型；氫插入化合物型；晶格缺陷型。

3. 離子-電子混合導(dǎo)電陶瓷

離子-電子混合導(dǎo)電（Mixed Ionic-electronic conducting，MIEC）陶瓷材料是既能傳導(dǎo)離子又能傳導(dǎo)電子載流子（自由電子和/或電子空穴）的材料，該系列材料可以用作鋰電池、固體氧化物燃料電池（SOFC）和氧傳感器的電極材料；也可用作從含氧混合氣中選擇性分離氧的膜材料，可稱為混合導(dǎo)電型透氧膜，將其應(yīng)用于高溫氧化反應(yīng)的膜反應(yīng)器，如甲烷部分氧化制合成氣（POM）反應(yīng)、氧化偶聯(lián)（OCM）反應(yīng)動態(tài)提供氧，具有可簡化操作過程、降低操作費(fèi)用的優(yōu)勢。

固體氧化物燃料電池

（1）復(fù)相混合導(dǎo)電陶瓷材料

復(fù)相混合導(dǎo)電陶瓷材料主要是以離子導(dǎo)電陶瓷材料為主體，通過摻雜一定量的金屬或電子導(dǎo)體氧化物如Ni、Cu、Ag、Pt等，使其可在材料中形成連續(xù)第二相的復(fù)相混合導(dǎo)體陶瓷材料。該系列比較常見的材料主要有以螢石型ZrO₂基、CeO₂基、Bi₂O₃基等固體電解質(zhì)材料為主體，使用具有催化功能過渡金屬Ni、Cu、Pt、Ag 等，主要用于SOFC電極材料和氧傳感器等方面。此外，也有以鈣鈦礦型Sr CeO₃基質(zhì)子導(dǎo)體為主體，通過摻雜Ni等制成質(zhì)子-電子混合導(dǎo)體用作H₂分離膜。

（2）單相混合導(dǎo)電陶瓷材料

單相混合導(dǎo)電陶瓷材料是指同時具有良好的離子導(dǎo)電性和電子導(dǎo)電性的陶瓷材料，該類材料在高溫下可在同一相中同時導(dǎo)通電子和離子，而且對一定元素具有選擇透過性，具有混合導(dǎo)電性的單相陶瓷材料主要有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)和類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)兩種?，F(xiàn)階段研究較多的材料主要集中在鈣鈦礦型混合導(dǎo)電陶瓷材料，其中包括可用于SOFC電極材料和氧分離膜的 Ln(Co,Fe)O₃基、LaMnO₃基、SrTiO₃基及LaCrO₃基氧離子-電子混合導(dǎo)電陶瓷材料及可用于透氫膜的質(zhì)子-電子混合導(dǎo)電陶瓷材料。