导电陶瓷是陶瓷材料中具备离子导电、电子和空穴导电的一种新型功能材料。它既具有金属态导电性，同时又具有陶瓷的结构特性、机械特性和独有的物理化学性质，如抗氧化、抗腐蚀、抗辐射、耐高温，因而具有广阔的应用前景，受到越来越多人的关注和研究。

柔性锂离子导电陶瓷织物

我们都知道陶瓷的导电性是很差的，大多数陶瓷是绝缘体。譬如，在氧化物陶瓷中，原子的外层电子通常受到原子核的吸引力，被束缚在各自原子的周围，不能自由运动。但是，陶瓷的导电性可以通过以下两种方法来进行改善。第一种是掺入导电相形成导电网络提高导电性能，期间没有发生原子替代，故而没有产生新的载流子。第二种是掺入适合的非导电相通过发生离子替代进而产生新的离子或电子，通过这些载流子的迁移来导电。还有一种方式是以上两种导电方式的复合，那就是载流子导电和导电相导电同时发生。但从导电机理上来看，掺入导电相后，也是通过导电相中的电子迁移来导电的。所以按导电机理来分类，可分为电子导电陶瓷、离子导电陶瓷、电子-离子混合导电陶瓷。

1.电子导电陶瓷

电子导电陶瓷的载流子为电子或电子空穴，根据导电陶瓷的不同性质，可应用于高温发热体、冶金工业电极材料、电池用电极材料、半导体陶瓷材料等方面。

碳化硅高温发热体

（1）金属基导电陶瓷

金属基导电陶瓷既具有金属材料特有的高韧性，优异的导电性，还具备陶瓷材料超高的化学稳定性、热稳定性、耐高温及耐腐蚀等优点，是惰性阳极材料研究的首选。以合金和尖晶石型氧化物陶瓷为原料制备出的复合材料就是一种典型的金属基陶瓷材料，材料内的金属相是富含Cu的Cu-Ag合金或Ni₂Fe合金，陶瓷相则是NiFe₂O₄+NiO、Ni_XFe_3-XO₄和ZnO+ZnFe₂O₄。这类材料既有合金的良好导电性，又兼具陶瓷材料的耐腐蚀性，易于与阳极导杆连接，并且其抗热震性能比陶瓷材料更好。

（2）简单氧化物电子导电陶瓷

简单氧化物电子导电陶瓷可以分为N型、P型、两性半导体材料。N型半导体也称为电子型半导体，即自由电子浓度远大于空穴浓度的杂质半导体，如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）氮化物、硼化物、碳化物电子导电陶瓷

氮化物、硼化物、碳化物电子导电陶瓷是第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，比传统铝铜及其合金更适合用于电子器件。该类物质典型的有WC、TiC、NbC、Cr₃C₂、Mo₂C、VC、ZrC、SiC等。部分碳化物的电阻率如下表：

2. 离子导电陶瓷

离子导电陶瓷的载流子为离子，导电行为依靠离子的运动，因此导电会伴随着物质的转移，在相界面多有化学反应发生，其导电率通常随温度的升高而增大。固态物质在一定的条件下，或本身具有可形成某些特定离子的通道的特殊结构，使得其离子电导率可以达到熔融盐或电解质水溶液的水平时（通常至少应该大于10^-3S/cm数量级）这类固态物质就成了离子导体，称为固体电解质、快离子导体或超离子导体。

（1）氧离子导电陶瓷

氧离子固体电解质可在一定的条件下形成氧离子传导特性，氧离子电解质材料可广泛应用于固体氧化物燃料电池（Solid oxide fuel cell，SOFC）、氧传感器、氧分离膜等电化学领域，研究较多的氧离子电解质材料按其晶体结构主要有萤石、钙钛矿及类钙钛矿结构等。

其中，ZrO₂是最出名的萤石结构氧离子导电陶瓷材料，但纯ZrO₂的氧离子电导率很低而且只有在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，可将立方萤石结构稳定在低温，同时可大幅提高材料的氧空位浓度，以增强氧离子电导率。

基于ZrO₂的氧传感器

（2）质子导体

以质子为电荷载流子的快离子导体称为质子导体，无机质子导体因其传输特性，可广泛应用于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；氢键型；氢插入化合物型；晶格缺陷型。

3. 离子-电子混合导电陶瓷

离子-电子混合导电（Mixed Ionic-electronic conducting，MIEC）陶瓷材料是既能传导离子又能传导电子载流子（自由电子和/或电子空穴）的材料，该系列材料可以用作锂电池、固体氧化物燃料电池（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，可称为混合导电型透氧膜，将其应用于高温氧化反应的膜反应器，如甲烷部分氧化制合成气（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。

固体氧化物燃料电池

（1）复相混合导电陶瓷材料 

复相混合导电陶瓷材料主要是以离子导电陶瓷材料为主体，通过掺杂一定量的金属或电子导体氧化物如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基等固体电解质材料为主体，使用具有催化功能过渡金属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基质子导体为主体，通过掺杂Ni等制成质子-电子混合导体用作H₂分离膜。

（2）单相混合导电陶瓷材料

单相混合导电陶瓷材料是指同时具有良好的离子导电性和电子导电性的陶瓷材料，该类材料在高温下可在同一相中同时导通电子和离子，而且对一定元素具有选择透过性，具有混合导电性的单相陶瓷材料主要有钙钛矿结构和类钙钛矿结构两种。现阶段研究较多的材料主要集中在钙钛矿型混合导电陶瓷材料，其中包括可用于SOFC电极材料和氧分离膜的 Ln(Co,Fe)O₃基、LaMnO₃基、SrTiO₃基及LaCrO₃基氧离子-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。新型铝酸盐基导电陶瓷的制备与性能研究（江苏科技大学）

2.李亚玲。MoO₂基材料的导电与电化学性质研究。（中南大学材料物理与化学）

3.皮陈炳。ZrO₂陶瓷的掺杂及其导电性研究（深圳大学材料科学与工程学院）

 

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