導電陶瓷是陶瓷材料中具備離子導電、電子和空穴導電的一種新型功能材料。它既具有金屬態導電性，同時又具有陶瓷的結構特性、機械特性和獨有的物理化學性質，如抗氧化、抗腐蝕、抗輻射、耐高溫，因而具有廣闊的應用前景，受到越來越多人的關註和研究。

柔性鋰離子導電陶瓷織物

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

1.電子導電陶瓷

電子導電陶瓷的載流子為電子或電子空穴，根據導電陶瓷的不同性質，可應用於高溫發熱體、冶金工業電極材料、電池用電極材料、半導體陶瓷材料等方面。

587da5f35e1242ff0d118afcce6f0e62碳化矽高溫發熱體

（1）金屬基導電陶瓷

金屬基導電陶瓷既具有金屬材料特有的高韌性，優異的導電性，還具備陶瓷材料超高的化學穩定性、熱穩定性、耐高溫及耐腐蝕等優點，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合材料就是一種典型的金屬基陶瓷材料，材料內的金屬相是富含Cu的Cu-Ag合金或Ni2Fe合金，陶瓷相則是NiFe2O4+NiO、NiXFe3-XO4和ZnO+ZnFe2O4。這類材料既有合金的良好導電性，又兼具陶瓷材料的耐腐蝕性，易於與陽極導桿連接，並且其抗熱震性能比陶瓷材料更好。

（2）簡單氧化物電子導電陶瓷

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

（3）氮化物、硼化物、碳化物電子導電陶瓷

氮化物、硼化物、碳化物電子導電陶瓷是第IV、VB副族金屬與氮、硼、碳形成氮化物、硼化物、碳化物，該類材料電子導電性良好，鍵合強度較大，擴散系數低，硬度高，熔點高，比傳統鋁銅及其合金更適合用於電子器件。該類物質典型的有WC、TiC、NbC、Cr3C2、Mo2C、VC、ZrC、SiC等。部分碳化物的電阻率如下表：

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2. 離子導電陶瓷

離子導電陶瓷的載流子為離子，導電行為依靠離子的運動，因此導電會伴隨著物質的轉移，在相界面多有化學反應發生，其導電率通常隨溫度的升高而增大。固態物質在一定的條件下，或本身具有可形成某些特定離子的通道的特殊結構，使得其離子電導率可以達到熔融鹽或電解質水溶液的水平時（通常至少應該大於10-3S/cm數量級）這類固態物質就成瞭離子導體，稱為固體電解質、快離子導體或超離子導體。

（1）氧離子導電陶瓷

氧離子固體電解質可在一定的條件下形成氧離子傳導特性，氧離子電解質材料可廣泛應用於固體氧化物燃料電池（Solid oxide fuel cell，SOFC）、氧傳感器、氧分離膜等電化學領域，研究較多的氧離子電解質材料按其晶體結構主要有螢石、鈣鈦礦及類鈣鈦礦結構等。

其中，ZrO2是最出名的螢石結構氧離子導電陶瓷材料，但純ZrO2的氧離子電導率很低而且隻有在2300 ℃以上才是立方螢石結構。通過在A位摻雜低價金屬離子，如Ca2+、Y3+等，可將立方螢石結構穩定在低溫，同時可大幅提高材料的氧空位濃度，以增強氧離子電導率。

b7b14005869d447603efa47b50e23338基於ZrO2的氧傳感器

（2）質子導體

以質子為電荷載流子的快離子導體稱為質子導體，無機質子導體因其傳輸特性，可廣泛應用於SOFC、氫傳感器、合成氨、氫能及薄膜反應器等高溫電化學裝置。現在研究的無機質子導體可大體分為五類：水合型；β-Al2O3型；氫鍵型；氫插入化合物型；晶格缺陷型。

3. 離子-電子混合導電陶瓷

離子-電子混合導電（Mixed Ionic-electronic conducting，MIEC）陶瓷材料是既能傳導離子又能傳導電子載流子（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，可稱為混合導電型透氧膜，將其應用於高溫氧化反應的膜反應器，如甲烷部分氧化制合成氣（POM）反應、氧化偶聯（OCM）反應動態提供氧，具有可簡化操作過程、降低操作費用的優勢。

固體氧化物燃料電池

（1）復相混合導電陶瓷材料

復相混合導電陶瓷材料主要是以離子導電陶瓷材料為主體，通過摻雜一定量的金屬或電子導體氧化物如Ni、Cu、Ag、Pt等，使其可在材料中形成連續第二相的復相混合導體陶瓷材料。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，主要用於SOFC電極材料和氧傳感器等方面。此外，也有以鈣鈦礦型Sr CeO3基質子導體為主體，通過摻雜Ni等制成質子-電子混合導體用作H2分離膜。

（2）單相混合導電陶瓷材料

單相混合導電陶瓷材料是指同時具有良好的離子導電性和電子導電性的陶瓷材料，該類材料在高溫下可在同一相中同時導通電子和離子，而且對一定元素具有選擇透過性，具有混合導電性的單相陶瓷材料主要有鈣鈦礦結構和類鈣鈦礦結構兩種。現階段研究較多的材料主要集中在鈣鈦礦型混合導電陶瓷材料，其中包括可用於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-電子混合導電陶瓷材料及可用於透氫膜的質子-電子混合導電陶瓷材料。

參考資料

1.郭銀濤。新型鋁酸鹽基導電陶瓷的制備與性能研究（江蘇科技大學）

2.李亞玲。MoO2基材料的導電與電化學性質研究。（中南大學材料物理與化學）

3.皮陳炳。ZrO2陶瓷的摻雜及其導電性研究（深圳大學材料科學與工程學院）

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