Освен че е структурна керамика с отлични показатели, циркониевата керамика е и специален функционален керамичен материал. Например, цирконият има уникални електрически свойства. Просто казано, цирконият има характеристиките на нискотемпературна изолация и високотемпературна проводимост. Една характеристика прави циркониевия оксид важно приложение в сензори, твърдотелни батерии, неорганични нагревателни елементи и др.
● Електрически свойства на ZrO2
Независимо дали е чист ZrO2 или легиран ZrO2, те са изолатори при стайна температура, с съпротивление по -голямо от 1010Ω · cm, но тяхната висока температурна проводимост е добра, с отрицателен температурен коефициент на съпротивление, съпротивлението е 104Ω · cm при 1000 ° C, 1700 ° C Когато е само 6 ～ 7Ω · cm.
Според изчисленията на първи принцип в електронната структура на ZrO2 нивата на електронната орбитална енергия на валентната зона и зоната на проводимост са различни по броя на електронните орбитали в зависимост от кристалната структура. Валентната зона на ZrO2 е пълна лента, а зоната на проводимост също е изпълнена с определено количество електрони. Изолационните характеристики на стайната температура на ZrO2 се дължат главно на прекомерната честотна лента между валентната зона и проводимостта и е невъзможно да се провежда електричество при стайна температура. . След допинг може да се образува ново енергийно ниво (донорно енергийно ниво или ниво на акцепторна енергия) в забранената лента, така че ширината на забранената лента да се намали, но все още няма проводимост при стайна температура, главно поради ZrO2 в стаята температура Електронната подвижност е твърде ниска. Следователно, независимо дали е ZrO2 с висока чистота или ZrO2, легиран, и двете проявяват високи изолационни свойства при стайна температура.
Основният проводящ механизъм на ZrO2 идва от насочената миграция на кислородните ваканции, а проводимостта се увеличава с увеличаването на температурата и разликата в парциалното налягане на кислорода. В среда, където температурата е по -висока от около 800 ° C, проводимостта на ZrO2 е значително подобрена, а проводимостта на Zr02 се променя линейно с температурата, тоест колкото по -висока е температурата, толкова по -силна е проводимостта на ZrO2.
● Ще бъде ли безкрайно подобрена проводимостта?
няма да! Немски учен GuoX посочи в преглед, че проводимите свойства на ZrO2 са различни от тези на електронната проводимост. Йон-проводящият материал ZrO2 може да постигне максимална йонна проводимост при условие на подходяща концентрация на свободни места, която е по-висока от оптималната свободна площ. Добавянето на повече свободни места въз основа на концентрацията ще доведе до намаляване на йонната проводимост. Следователно проводимостта на ZrO2 при високи температури не може да се увеличава за неопределено време. Например, намаляването на йонната проводимост на наноструктурирания ZrO2 се причинява главно от прекомерното влияние на вътрешния интерфейс, което води до намаляване на миграцията на йони. Тъй като слоят космически заряд в стабилизирания ZrO2 е около 2,5 nm, само когато размерът на наночастицата е по -малък от 5 nm, ще настъпи директна електронна миграция, причинена от ефекта на квантовия размер. Очевидно тази ситуация е трудно постижима в голям мащаб.
