功能陶瓷第三章介電陶瓷

功能陶瓷第三章介電陶瓷裴立宅lzpei1977@163.,lzpei@

安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2009-8-251安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院功能陶瓷第三章介電陶瓷共27頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁!介電陶瓷和絕緣陶瓷在本質(zhì)上屬于同一類陶瓷，但是與絕緣陶瓷不同的是，主要利用介電性能的陶瓷稱為介電陶瓷或者說，介電陶瓷是通過控制陶瓷的介電性質(zhì)，使之具有較高的介電常數(shù)、較低的介質(zhì)損耗和適當(dāng)?shù)慕殡姵?shù)溫度系數(shù)的一類陶瓷2009-8-252安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院功能陶瓷第三章介電陶瓷共27頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁!3.1極化與介電常數(shù)

設(shè)想在平行板電容器的兩板上，充以一定的電荷，當(dāng)兩板間存在電介質(zhì)時，兩板的電位差總是比沒有電介質(zhì)存在（真空）時低，在介質(zhì)表面上會出現(xiàn)感應(yīng)電荷，如下圖所示。這些感應(yīng)電荷部分屏蔽了板上自由電荷所產(chǎn)生的靜電場，這種感應(yīng)電荷不能自由遷移，稱為束縛電荷。電介質(zhì)在電場作用下產(chǎn)生感應(yīng)電荷的現(xiàn)象，稱為電極化。電介質(zhì)極化示意圖電介質(zhì)：一切絕緣體統(tǒng)稱為電介質(zhì)，或者是在外電場的作用下內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，并且反過來影響外電場的物質(zhì)。

2009-8-253安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院功能陶瓷第三章介電陶瓷共27頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁!在電場作用下，電介質(zhì)以正、負(fù)電荷重心不重合的電極化方式來傳遞并記錄電的影響。從微觀上看，電極化是由于組成介質(zhì)的原子（或離子）中的電子殼層在電場作用下發(fā)生畸變，以及由于正負(fù)離子的相對位移而出現(xiàn)感應(yīng)電矩。電極化是電介質(zhì)最基本和最主要的性質(zhì)，介電常數(shù)是綜合反映介質(zhì)內(nèi)部電極化行為的一個主要的宏觀物理量。

2009-8-254安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院功能陶瓷第三章介電陶瓷共27頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁!2009-8-255安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院功能陶瓷第三章介電陶瓷共27頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁!實際用的絕緣材料，其電阻不可能無窮大，在外電場作用下，總有一些帶電質(zhì)點會發(fā)生移動而引起漏導(dǎo)損耗。一切介質(zhì)在電場中均會呈現(xiàn)出極化現(xiàn)象，除電子、離子的彈性位移極化基本上不消耗能量外，其他緩慢極化（如松弛極化、空間電荷極化等）在極化緩慢建立的過程中都會因克服阻力而引起能量的損耗，這種介質(zhì)損耗一般稱為極化損耗。tgδ的倒數(shù)Q（Q=1/tgδ）稱為介電陶瓷材料的電學(xué)品質(zhì)因數(shù)，這也是介電陶瓷重要的特征評價參數(shù)。2009-8-256安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院功能陶瓷第三章介電陶瓷共27頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁!3.3介電陶瓷材料及其應(yīng)用介電陶瓷主要用于陶瓷電容器和微波介質(zhì)元件。陶瓷電容器是現(xiàn)代電子線路中必不可少的元件，每個電視機或錄像機中都含有100-200個陶瓷電容器，由于陶瓷的介電特性好，可制成體積小、容量大的電容器。電視機超高頻（UHF）的頻率為300MHz，通訊衛(wèi)星的頻率大于10000MHz，只有陶瓷電容器才能在1000MHz以上的頻率有效的工作。在微波應(yīng)用中，當(dāng)使用空腔共振器的過濾器時，體積很大，而采用介電陶瓷，則可使微波通信和其他微波設(shè)備小型化。陶瓷電容器陶瓷濾波器2009-8-257安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院功能陶瓷第三章介電陶瓷共27頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁!根據(jù)所用陶瓷材料的特性，陶瓷電容器一般可以分為溫度補償（I型）、溫度穩(wěn)定（II型）、高介電常數(shù)（III型）和半導(dǎo)體系（IV型），各自的特征如下表：陶瓷電容器的分類和特征2009-8-258安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院功能陶瓷第三章介電陶瓷共27頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁!2009-8-259安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院功能陶瓷第三章介電陶瓷共27頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁!

(2)半導(dǎo)體電容器陶瓷一般使用晶界層陶瓷電容器，這種電容器是在高介電常數(shù)施主摻雜半導(dǎo)體陶瓷的基體上涂覆金屬氧化物并在空氣中進(jìn)行熱處理，雜質(zhì)沿晶界擴展，促使半導(dǎo)體晶粒表面氧化形成一絕緣層。晶界層電容器的頻率特性優(yōu)異，可用于通訊機上作為數(shù)千兆赫的寬頻帶耦合電容。所用材料通常為BaTiO3和SrTiO3系半導(dǎo)體。2009-8-2510安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院功能陶瓷第三章介電陶瓷共27頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁!

(3)高介電常數(shù)電容器用陶瓷以BiTiO3為基體，添加其他成分，可制得介電常數(shù)很高的電容器陶瓷。BiTiO3的介電常數(shù)可高達(dá)1700，通過摻雜可在很大范圍內(nèi)改變鈦酸鋇陶瓷的特性，如加入鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的Sr、Sn和Zr的化合物，介電常數(shù)可提高到20000。在BiTiO3中加入少量SrTiO3、WO3和MnCO4，也可得到介電常數(shù)20000以上的陶瓷。這種高介電常數(shù)的陶瓷電容器已大量使用于電視機、收錄機和錄像機等電子產(chǎn)品中。2009-8-2511安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院功能陶瓷第三章介電陶瓷共27頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁!

(4)高壓電容器陶瓷鈦酸鋇陶瓷材料雖具有高介電常數(shù)，但在高壓下使用，介電常數(shù)隨電壓的變化較大。鈦酸鍶陶瓷的介電常數(shù)雖然比鈦酸鋇陶瓷的低，但其絕緣性好得多，而且其介電常數(shù)隨電壓的變化小，介質(zhì)損耗小，以SrTiO3-Bi2O3-TiO2系數(shù)為基礎(chǔ)的電容器陶瓷，其介電常數(shù)為800-3500，介電損耗為0.05-0.3%，絕緣強度為6-6.5kV，靜電容量隨電壓變化為-10~-2%kV/mm。這類電容器已廣泛應(yīng)用于電視機、雷達(dá)高壓電路及避雷器、斷路器等方面。2009-8-2512安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院功能陶瓷第三章介電陶瓷共27頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁!3.3.2微波介質(zhì)陶瓷

微波介質(zhì)陶瓷主要用于制作微波電路元件，微波電路元件要求介電陶瓷在微波頻率下具有如下性能：（1）介電常數(shù)適當(dāng)且穩(wěn)定；（2）介質(zhì)損耗??；（3）介電常數(shù)溫度系數(shù)?。唬?）熱膨脹系數(shù)小。下表為具有或接近上述性能的介電陶瓷的組成與特性：

2009-8-2513安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院功能陶瓷第三章介電陶瓷共27頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁!微波介質(zhì)陶瓷諧振器深圳晶科鑫實業(yè)有限公司產(chǎn)2009-8-2514安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院功能陶瓷第三章介電陶瓷共27頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁!微波介質(zhì)陶瓷濾波器2009-8-2515安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院功能陶瓷第三章介電陶瓷共27頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁!2009-8-2516安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院功能陶瓷第三章介電陶瓷共27頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁!3.2極化與介質(zhì)損耗2009-8-2517安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院功能陶瓷第三章介電陶瓷共27頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁!松弛極化：當(dāng)材料中存在弱聯(lián)系電子、離子和偶極子等松弛質(zhì)點時，熱運動使這些松弛質(zhì)點分布混亂，而電場力圖使這些質(zhì)點按電場規(guī)律分布，最后在一定溫度下發(fā)生極化。松弛極化的帶電質(zhì)點在熱運動時移動的距離，可與分子大小相比擬，甚至更大，并且質(zhì)點需要克服一定的勢壘才能移動，因此這種極化建立的時間較長（可達(dá)到10-2-10-9s），需要吸收一定的能量，是一種非可逆過程。包括電子松弛極化、離子松弛極化和偶極子松弛極化，多出現(xiàn)在晶體缺陷區(qū)或玻璃體內(nèi)?？臻g電荷極化：常發(fā)生不均勻介質(zhì)中。在電場作用下，不均勻介質(zhì)內(nèi)部的正負(fù)間隙離子分別向負(fù)、正極移動，引起介質(zhì)內(nèi)各點離子密度的變化，即出現(xiàn)電偶極矩，這種極化稱為空間電荷極化。在電極附近積聚的離子電荷就是空間電荷。隨著溫度的升高而下降，這是由于溫度升高，離子運動加劇，離子容易擴散，因而空間電荷減少?？臻g電荷的建立需要較長時間，大約幾秒到數(shù)十分鐘，甚至可達(dá)數(shù)十小時。2009-8-2518安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院功能陶瓷第三章介電陶瓷共27頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁!3.3.1陶瓷電容器

用于制造電容器的介電陶瓷，在性能上一般應(yīng)達(dá)到如下要求：（1）介電常數(shù)應(yīng)盡可能高，介電常數(shù)越高，陶瓷電容器的體積可以做得越小。（2）在高頻、高溫、高壓及其他惡劣環(huán)境下，陶瓷電容器性能穩(wěn)定可靠。（3）介電損耗要小，這樣可以在高頻電路中充分發(fā)揮作用，對于高功率陶瓷電容器，能提高無功功率。（4）比體積電阻高于1010Ω·m，這樣可保證在高溫下工作。（5）具有較高的介電強度，陶瓷電容器在高壓和高功率條件下，往往由于擊穿而不能工作，因此提高電容器的耐壓性能，對充分發(fā)揮陶瓷的功能有重要作用。2009-8-2519安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院功能陶瓷第三章介電陶瓷共27頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁!

(1)溫度補償（I型）電容器用介電陶瓷此類陶瓷初期使用MgTiO3、CaSnO3等，但由于它們的介電常數(shù)不高（14-18），熱穩(wěn)定性不太好，應(yīng)用受到限制。20世紀(jì)60年代以來，開始使用MgO-La2O3-TiO2、CaTiO3、SrTiO3、MgTiO3和LaTiO3等。2009-8-2520安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院功能陶瓷第三章介電陶瓷共27頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁!溫度補償電容器陶瓷的介電特性2009-8-2521安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院功能陶瓷第三章介電陶瓷共27頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁!半導(dǎo)體電容器具有較高介電常數(shù)、電容體積更小、電容量更大，應(yīng)用于充電器、開關(guān)電源、音響、節(jié)能燈等領(lǐng)域。

東莞偉達(dá)電子有限公司產(chǎn)2009-8-2522安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院功能陶瓷第三章介電陶瓷共27頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁!高介電常數(shù)型電容器又稱低頻陶瓷電容器，該類電容器具有介電常數(shù)高、容量大、體積小的特點，適用于旁路、耦合、隔直流和濾波等電路深圳銳取電子有限公司2009-8-2523安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院功能陶瓷第三章介電陶瓷共27頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第23頁!額定工作電壓：1-12kV高壓陶瓷電容器2009-8-2524安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院功能陶瓷第三章介電陶瓷共27頁，