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导(dao)电(dian)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)是(shi)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)材料(liao)中具备离(li)子导(dao)电(dian)、电(dian)子和(he)空穴导(dao)电(dian)的一种新(xin)型功能(neng)材料(liao)。它既具有金属态导(dao)电(dian)性(xing)，同时又(you)具有陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)的结构(gou)特性(xing)、机械特性(xing)和(he)独有的物理化学性(xing)质，如抗(kang)氧化、抗(kang)腐蚀、抗(kang)辐射(she)、耐高温，因而(er)具有广阔的应用前景，受到越来越多人的关注和(he)研究(jiu)。

柔性锂离(li)子导电陶瓷织物

我们都知道(dao)陶瓷(ci)的导电性是很差的，大(da)多(duo)数陶瓷(ci)是绝缘体(ti)。譬如，在氧(yang)化(hua)物陶瓷(ci)中，原(yuan)子的外层电子通常受到原(yuan)子核(he)的吸引(yin)力，被束缚(fu)在各自原(yuan)子的周围，不(bu)能自由运动。但是，陶瓷的导(dao)电性(xing)可以通过(guo)以下两种方法来(lai)进行改善。第一(yi)种(zhong)(zhong)是掺入(ru)(ru)导(dao)(dao)(dao)电相(xiang)(xiang)形成导(dao)(dao)(dao)电网络提高导(dao)(dao)(dao)电性能，期间没(mei)有发(fa)生(sheng)原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)替(ti)(ti)代，故(gu)而没(mei)有产生(sheng)新(xin)(xin)的(de)载(zai)流子(zi)(zi)(zi)(zi)。第二种(zhong)(zhong)是掺入(ru)(ru)适合的(de)非导(dao)(dao)(dao)电相(xiang)(xiang)通过(guo)发(fa)生(sheng)离(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)替(ti)(ti)代进(jin)而产生(sheng)新(xin)(xin)的(de)离(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)或(huo)电子(zi)(zi)(zi)(zi)，通过(guo)这些载(zai)流子(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)迁移来(lai)导(dao)(dao)(dao)电。还(hai)有一(yi)种(zhong)(zhong)方式是以上两种(zhong)(zhong)导(dao)(dao)(dao)电方式的(de)复(fu)合，那就是载(zai)流子(zi)(zi)(zi)(zi)导(dao)(dao)(dao)电和导(dao)(dao)(dao)电相(xiang)(xiang)导(dao)(dao)(dao)电同(tong)时发(fa)生(sheng)。但从(cong)导(dao)(dao)(dao)电机理上来(lai)看，掺入(ru)(ru)导(dao)(dao)(dao)电相(xiang)(xiang)后，也是通过(guo)导(dao)(dao)(dao)电相(xiang)(xiang)中(zhong)的(de)电子(zi)(zi)(zi)(zi)迁移来(lai)导(dao)(dao)(dao)电的(de)。所以按导(dao)电机理(li)来分(fen)类，可分(fen)为电子(zi)导(dao)电陶瓷、离子(zi)导(dao)电陶瓷、电子(zi)-离子混合导电陶瓷。

1.电子导电陶瓷

电(dian)(dian)(dian)子导电(dian)(dian)(dian)陶(tao)瓷(ci)的(de)载流(liu)子为电(dian)(dian)(dian)子或电(dian)(dian)(dian)子空穴，根据导电(dian)(dian)(dian)陶(tao)瓷(ci)的(de)不(bu)同(tong)性质，可应用于(yu)高温发(fa)热(re)体、冶(ye)金工业电(dian)(dian)(dian)极材料(liao)、电(dian)(dian)(dian)池(chi)用电(dian)(dian)(dian)极材料(liao)、半导体陶(tao)瓷(ci)材料(liao)等方(fang)面。

碳化硅(gui)高温发热体

（1）金属基(ji)导(dao)电陶瓷

金(jin)属(shu)基导电陶(tao)瓷既具有(you)金(jin)属(shu)材料特有(you)的(de)高(gao)韧(ren)性，优异的(de)导电性，还具备陶(tao)瓷材料超高(gao)的(de)化学稳定性、热稳定性、耐(nai)高(gao)温(wen)及耐(nai)腐蚀等优点，是惰性(xing)阳(yang)极材(cai)料研究(jiu)的首选。以(yi)合(he)金(jin)和尖(jian)晶石型(xing)氧(yang)化物陶瓷为原料(liao)(liao)制(zhi)备出的复合(he)材(cai)料(liao)(liao)就(jiu)是(shi)一种典(dian)型(xing)的金(jin)属(shu)基陶瓷材(cai)料(liao)(liao)，材(cai)料(liao)(liao)内的金(jin)属(shu)相是(shi)富含Cu的Cu-Ag合金或Ni₂Fe合金，陶瓷相(xiang)则是NiFe₂O₄+NiO、Ni_XFe_3-XO₄和ZnO+ZnFe₂O₄。这类(lei)材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)既(ji)有(you)合金的(de)良好(hao)导(dao)电性(xing)，又兼(jian)具陶瓷材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)的(de)耐腐蚀性(xing)，易于与阳极导(dao)杆连(lian)接(jie)，并且其抗热震性(xing)能比陶瓷材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)更好(hao)。

（2）简单氧化物电子导电陶瓷

简单氧化物电子导电陶瓷可(ke)以分(fen)为N型、P型、两性半导体材料。N型半导体也称(cheng)为电子型半导(dao)体，即自由电子浓度远大于空穴(xue)浓度的杂质半导(dao)体，如(ru)V₂O₅、Ag₂S、TiO₂、Nb₂O₅、CdO、CsO、MoO₃、CdS、WO₃、BaO、SnO₂、Ta₂O₅、BaTiO₃、PbCrO₄、ZnO、ZnF₂、Fe₂O₃；P型半导体也称为空穴型半导体，即空穴浓度远大于自由电子浓度的杂质半导体，如Cr₂O₃、MnO、Ag₂O、CoO、NiO、Cu₂O、SnO、Pr₂O₃、CuI、Te、Sb₂S₃、Se、Hg₂O、MoO₂；两性半导体有SiC、UO₂、PbTe、Ge、Si、Co₃O₄、TiS₂、Mn₃O₄、PbSe等。

（3）氮化(hua)物(wu)、硼化(hua)物(wu)、碳化(hua)物(wu)电(dian)子导电(dian)陶(tao)瓷

氮化(hua)(hua)物(wu)、硼化(hua)(hua)物(wu)、碳化(hua)(hua)物(wu)电子导电陶瓷(ci)是第IV、VB副族金属与氮、硼、碳形成氮化物、硼化物、碳化物，该类材料电子导电性良好，键合强度较大，扩散系数低，硬度高，熔点高，比传统铝铜及其合(he)金(jin)更适(shi)合(he)用(yong)于(yu)电子器件。该(gai)类物质(zhi)典(dian)型的有WC、TiC、NbC、Cr₃C₂、Mo₂C、VC、ZrC、SiC等。部分(fen)碳(tan)化物(wu)的电(dian)阻率如下表(biao)：

2. 离子导电陶瓷(ci)

离子(zi)(zi)导(dao)电陶瓷的载流子(zi)(zi)为离子(zi)(zi)，导(dao)电行为依靠离子(zi)(zi)的运(yun)动，因此(ci)导(dao)电会伴随着(zhe)物质(zhi)的转移，在相界面多有(you)化学反应发生，其导(dao)电率(lv)(lv)通(tong)常(chang)随温(wen)度(du)的升高而增大。固态物质(zhi)在一定的条件下，或本身具有(you)可形成某(mou)些特定离子(zi)(zi)的通(tong)道的特殊(shu)结构，使得其离子(zi)(zi)电导(dao)率(lv)(lv)可以达到熔(rong)融盐(yan)或电解(jie)质(zhi)水(shui)溶液的水(shui)平时（通(tong)常(chang)至少应该大于(yu)10^-3S/cm数量级）这类固(gu)态物(wu)质(zhi)就成了离子(zi)导体，称为固(gu)体电解质(zhi)、快(kuai)离子(zi)导体或(huo)超离子(zi)导体。

（1）氧离子导电陶瓷

氧(yang)(yang)(yang)离子固(gu)(gu)体电(dian)(dian)解质(zhi)可(ke)在一定的条件下形成氧(yang)(yang)(yang)离子传导特性，氧(yang)(yang)(yang)离子电(dian)(dian)解质(zhi)材料可(ke)广泛应用于固(gu)(gu)体氧(yang)(yang)(yang)化(hua)物燃料电(dian)(dian)池（Solid oxide fuel cell，SOFC）、氧(yang)(yang)(yang)传感器、氧(yang)(yang)(yang)分离膜等电(dian)(dian)化(hua)学领(ling)域，研究较多的氧(yang)(yang)(yang)离子电(dian)(dian)解质(zhi)材料按其晶体结构主(zhu)要有(you)萤(ying)石、钙钛矿及类钙钛矿结构等。

其中，ZrO₂是最出(chu)名(ming)的萤石结构氧离子导电陶(tao)瓷材(cai)料，但纯(chun)ZrO₂的氧离子电导率很(hen)低而(er)且只有在(zai)2300 ℃以上才是立方萤石结构。通过在A位掺杂低价金属离子，如Ca²⁺、Y³⁺等(deng)，可将立方萤(ying)石结构稳(wen)定(ding)在低温，同时可大幅提高材料的(de)氧(yang)空位浓(nong)度，以增强氧(yang)离子电(dian)导率。

基于ZrO₂的氧传感器

（2）质子导体

以质子(zi)(zi)为电荷(he)载流子(zi)(zi)的快离子(zi)(zi)导体称为质子(zi)(zi)导体，无(wu)机(ji)质子(zi)(zi)导体因(yin)其传输特性，可(ke)广泛(fan)应用于SOFC、氢传感器、合成氨、氢能及薄膜反应器等高温电化学装置。现在研究的无机质子导体可大体分为五类：水合型；β-Al₂O₃型(xing)；氢(qing)键型(xing)；氢(qing)插入化合物(wu)型(xing)；晶格缺(que)陷型(xing)。

3. 离子-电子混合导电陶(tao)瓷

离子-电子混合导电（Mixed Ionic-electronic conducting，MIEC）陶瓷材料(liao)(liao)是既能传导离子(zi)又能传导电(dian)子(zi)载流子(zi)（自由电(dian)子(zi)和/或电(dian)子(zi)空穴）的材料(liao)(liao)，该系列材料(liao)(liao)可(ke)以用作锂电(dian)池、固体氧化物燃料(liao)(liao)电(dian)池（SOFC）和氧传感器的电极材料；也可用作从含氧混合气中选择性分离氧的膜材料，可(ke)称为混合导电(dian)型透氧(yang)膜，将其应(ying)用于高温氧(yang)化(hua)反应(ying)的膜反应(ying)器，如甲烷部(bu)分氧(yang)化(hua)制合成气（POM）反应、氧化偶联（OCM）反应动态提供氧，具有可简化操作过程、降低操作费用的优势。

固体氧化(hua)物(wu)燃料(liao)电(dian)池

（1）复相混合导电陶瓷材料 

复相混合导(dao)电(dian)(dian)陶(tao)瓷材(cai)料主要(yao)是以离(li)子(zi)导(dao)电(dian)(dian)陶(tao)瓷材(cai)料为主体(ti)，通(tong)过掺杂一定(ding)量的金属或电(dian)(dian)子(zi)导(dao)体(ti)氧(yang)化物(wu)如Ni、Cu、Ag、Pt等，使其可在材料中形成连续第二相的复相混合导体陶瓷材料。该系列比较常见的材料主要有以萤石型ZrO₂基、CeO₂基、Bi₂O₃基等固(gu)体电解质材料(liao)为主体，使用具有催化功能过渡(du)金属Ni、Cu、Pt、Ag 等，主要用于SOFC电极材料和氧传感器等方面。此外，也有以钙钛矿型Sr CeO₃基质子(zi)导体(ti)(ti)为主(zhu)体(ti)(ti)，通过掺(chan)杂Ni等制成质子-电子混合导体用作H₂分(fen)离(li)膜(mo)。

（2）单相(xiang)混合导电陶瓷材料

单相混(hun)合导(dao)(dao)(dao)电(dian)陶(tao)瓷(ci)材料(liao)是指同(tong)(tong)时具有(you)(you)良好(hao)的(de)(de)离(li)子(zi)导(dao)(dao)(dao)电(dian)性(xing)和(he)电(dian)子(zi)导(dao)(dao)(dao)电(dian)性(xing)的(de)(de)陶(tao)瓷(ci)材料(liao)，该类(lei)材料(liao)在(zai)高温下可在(zai)同(tong)(tong)一(yi)相中同(tong)(tong)时导(dao)(dao)(dao)通电(dian)子(zi)和(he)离(li)子(zi)，而且对一(yi)定元(yuan)素具有(you)(you)选择透过(guo)性(xing)，具有(you)(you)混(hun)合导(dao)(dao)(dao)电(dian)性(xing)的(de)(de)单相陶(tao)瓷(ci)材料(liao)主要有(you)(you)钙(gai)(gai)钛矿(kuang)(kuang)结(jie)构和(he)类(lei)钙(gai)(gai)钛矿(kuang)(kuang)结(jie)构两种。现阶(jie)段研究较多的(de)(de)材料(liao)主要集中在(zai)钙(gai)(gai)钛矿(kuang)(kuang)型混(hun)合导(dao)(dao)(dao)电(dian)陶(tao)瓷(ci)材料(liao)，其中包括可用于SOFC电极材料和氧分离膜的 Ln(Co,Fe)O₃基(ji)、LaMnO₃基、SrTiO₃基及LaCrO₃基氧离(li)子-电子混合导电陶瓷材料及可用于透氢膜的质子-电子混合导电陶瓷材料。

 

参考资料

1.郭银涛(tao)。新型铝酸盐基导电陶瓷的(de)制备(bei)与性能研究（江苏(su)科技大(da)学(xue)）

2.李(li)亚玲。MoO₂基材(cai)料(liao)的导电与(yu)电化(hua)学(xue)性质研究。（中(zhong)南大学(xue)材(cai)料(liao)物理(li)与(yu)化(hua)学(xue)）

3.皮(pi)陈炳。ZrO₂陶(tao)瓷的掺杂及(ji)其(qi)导(dao)电性研究（深圳大(da)学材(cai)料科学与工程学院）

 

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