Токопроводящая керамика — современные промышленные материалы, которые благодаря изменениям в своей структуре служат проводниками электричества.
Помимо хорошо известных физических свойств керамических материалов — твердости, прочности на сжатие, хрупкости — существует свойство электрического сопротивления. Большинство керамических материалов сопротивляется прохождению электрического тока, и по этой причине такие керамические материалы, как фарфор, традиционно изготавливаются в качестве электроизоляторов. Однако некоторые виды керамики являются отличными проводниками электричества. Большинство таких проводников — это усовершенствованная керамика, современные материалы, свойства которых изменяются благодаря точному контролю за их изготовлением из порошка в изделие. Свойства и производство усовершенствованной керамики описаны в статье Усовершенствованная керамика. В этой статье представлен обзор свойств и областей применения нескольких электропроводящих усовершенствованных керамик.
Причины возникновения удельного сопротивления в большинстве керамик описаны в статье Состав и свойства керамики. Для целей этой статьи можно кратко объяснить происхождение электропроводности в керамике. Электропроводность в керамике, как и в большинстве материалов, бывает двух типов: электронная и ионная. Электронная проводимость — это прохождение свободных электронов через материал. В керамике ионные связи, удерживающие атомы вместе, не допускают свободных электронов. Однако в некоторых случаях в материал могут быть включены примеси различной валентности (то есть обладающие различным числом связанных электронов), которые могут выступать в качестве доноров или акцепторов электронов. В других случаях в состав материала могут быть включены переходные металлы или редкоземельные элементы различной валентности; эти примеси могут выступать в качестве центров для поляронов — видов электронов, создающих небольшие области локальной поляризации при переходе от атома к атому. Электропроводящая керамика используется в качестве резисторов, электродов и нагревательных элементов.
Ионная проводимость заключается в перемещении ионов (атомов с положительным или отрицательным зарядом) от одного участка к другому через точечные дефекты, называемые вакансиями в кристаллической решетке. При обычных температурах окружающей среды происходит очень мало ионных прыжков, поскольку атомы находятся в относительно низких энергетических состояниях. Однако при высоких температурах вакансии становятся подвижными, и некоторые виды керамики демонстрируют так называемую быструю ионную проводимость. Такая керамика особенно полезна в газовых сенсорах, топливных элементах и батареях.
