介電陶瓷課件

特種陶瓷材料第6章介電陶瓷3/14/20231第6章介電陶瓷應(yīng)掌握的內(nèi)容：1、材料的線性介電性質(zhì)2、低介電常數(shù)介電陶瓷的分類3、氧化鋁瓷、氮化硼瓷4、中等介電常數(shù)介電陶瓷的分類5、高介電常數(shù)介電陶瓷的分類★教學(xué)目的和要求

3/14/20232材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系應(yīng)了解的內(nèi)容：1、材料的非線性介電性質(zhì)2、其他低介電常數(shù)介電陶瓷3、中等介電常數(shù)介電陶瓷的性質(zhì)4、其他高介電常數(shù)介電陶瓷第6章介電陶瓷★教學(xué)目的和要求

3/14/20233材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系6.1材料的介電性質(zhì)6.2低介電常數(shù)介電陶瓷6.3中等介電常數(shù)介電陶瓷6.4高介電常數(shù)介電陶瓷——鐵電陶瓷

第6章介電陶瓷本章內(nèi)容

3/14/20235材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系第6章介電陶瓷6.1.1材料的線性介電性質(zhì)6.1.2材料的非線性介電性質(zhì)6.1材料的介電性質(zhì)3/14/20236材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系第6章介電陶瓷6.1.1材料的線性介電性質(zhì)1介電常數(shù)2極化4介電強(qiáng)度3介電損耗6.1材料的介電性質(zhì)3/14/20237材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系Q—平行板間的電荷V—平行板兩端的電壓A

—平行板面積d

—平行板間的距離ε0

—真空介電常數(shù)：8.854×10－12

F/mC0＝Q／V第6章介電陶瓷6.1材料的介電性質(zhì)6.1.1材料的線性介電性質(zhì)1.介電常數(shù)平行板間的真空電容？

C＝Q／V表征電容器容納電荷的本領(lǐng)的物理量與平行板面積和電場(chǎng)強(qiáng)度成正比V/d＝E—電場(chǎng)強(qiáng)度＝ε0(V/d)A/V＝ε0A/d

(僅與平行板面積和間距有關(guān))真空介電常數(shù)ε0電容？3/14/20239材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系當(dāng)在兩平板之間插入一種介質(zhì)（材料）時(shí)，電容C將增加，此時(shí)電容C與真空介質(zhì)時(shí)該電容器的電容量

C0的比即為相對(duì)介電常數(shù)k：相對(duì)介電常數(shù)kk＝C/C0

＝

(εA/d)/(ε0A/d)＝

ε/ε0

第6章介電陶瓷6.1材料的介電性質(zhì)6.1.1材料的線性介電性質(zhì)1.介電常數(shù)介質(zhì)介電常數(shù)ε與真空介電常數(shù)ε0之比一些材料的室溫介電常數(shù)εP1193/14/202310材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系2.極化第6章介電陶瓷6.1材料的介電性質(zhì)6.1.1材料的線性介電性質(zhì)3/14/202311材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系電子極化是由于在電場(chǎng)作用下帶負(fù)電的電子云重心相對(duì)于帶正電的原子核發(fā)生偏移而產(chǎn)生，這種極化發(fā)生在很高的頻率下（1015Hz），即紫外線范圍內(nèi)。原子和離子極化

發(fā)生在紅外線范圍內(nèi)（1012～1013Hz），它是由于正負(fù)離子彼此位移而產(chǎn)生。第6章介電陶瓷6.1材料的介電性質(zhì)6.1.1材料的線性介電性質(zhì)3/14/202313材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系偶極子極化在外場(chǎng)下一些離子或分子偶極子定向排列而產(chǎn)生一個(gè)凈偶極矩，因此也稱之為取向極化。有兩種情況：a.含永久偶極矩的分子可以在彈性回復(fù)力的作用下在平衡位置周圍轉(zhuǎn)動(dòng)。b.偶極子在兩個(gè)相同平衡位置間的轉(zhuǎn)化，某些帶電粒子在外場(chǎng)作用下在晶格間隙位中移動(dòng)而產(chǎn)生的定向極化。第6章介電陶瓷6.1材料的介電性質(zhì)6.1.1材料的線性介電性質(zhì)3/14/202314材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系界面或空間電荷極化

當(dāng)帶電載流子因物理勢(shì)壘影響而阻礙了電荷遷移時(shí)發(fā)生的極化。

第6章介電陶瓷6.1材料的介電性質(zhì)6.1.1材料的線性介電性質(zhì)物理勢(shì)壘如內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷、晶界、電極界面。

幾種極化機(jī)制與頻率之間的關(guān)系P121圖6.3？四種極化機(jī)制各發(fā)生在什么頻率范圍？3/14/202315材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系3介電損耗當(dāng)一個(gè)正弦交變電場(chǎng)V＝V0expiωt施加于一介電體上時(shí)，電荷隨時(shí)間而變化而產(chǎn)生了電流Ic，Ic在無損耗時(shí)比V超前90°。但實(shí)際是有損耗的。有損耗時(shí)，總電流超前電壓不再是90°而是90°-δ。δ由損耗引起故稱損耗角。第6章介電陶瓷6.1材料的介電性質(zhì)6.1.1材料的線性介電性質(zhì)總電流損耗電流無損耗電流損耗角體現(xiàn)了材料在交流電場(chǎng)作用下的動(dòng)態(tài)損耗3/14/202317材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系損耗來自兩方面：①有一些帶電質(zhì)點(diǎn)在外場(chǎng)作用移動(dòng)而引起漏導(dǎo)。②與偶極子轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)相關(guān)的能量損耗。第6章介電陶瓷6.1材料的介電性質(zhì)6.1.1材料的線性介電性質(zhì)即：實(shí)際電容器并不是理想的純電容電路，極板間電介質(zhì)總會(huì)有一些漏電，因此實(shí)際的電容器相當(dāng)于一個(gè)電容與電阻的串聯(lián)電路，其電壓與電流之間相位差的余角δ為損耗角dielectriclossangle.3/14/202318材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系由圖可得(式推導(dǎo)詳見P122)I1／Ic＝tanδ

損耗角的正切值正好是損耗電流與無損耗電流相比的結(jié)果，所以反映了材料的損耗與電荷儲(chǔ)存能力的關(guān)系，或者反映了為儲(chǔ)存一定量的電荷所需消耗的能量，稱為介電損耗系數(shù)（因子/因數(shù)）。第6章介電陶瓷6.1材料的介電性質(zhì)6.1.1材料的線性介電性質(zhì)無損耗電流損耗電流3/14/202319材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系

介質(zhì)損耗因子的作用在絕緣設(shè)計(jì)時(shí)，須注意絕緣材料的tanδ。tanδ過大會(huì)引起發(fā)熱，使絕緣加速老化，甚至可能導(dǎo)致熱擊穿。測(cè)tanδ可判斷電氣設(shè)備劣化的進(jìn)程，故tanδ的測(cè)量是電氣設(shè)備絕緣試驗(yàn)中的一個(gè)基本項(xiàng)目。研究溫度對(duì)tanδ的影響，可使工作溫度下tanδ值最小。極化損耗隨頻率升高而增大，當(dāng)電源中出現(xiàn)高次（如3次、5次）諧波時(shí)，就很容易造成電容器絕緣材料因過熱而擊穿。第6章介電陶瓷6.1材料的介電性質(zhì)6.1.1材料的線性介電性質(zhì)3/14/202321材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系4介電強(qiáng)度介電擊穿：在一定電壓降下電流穿過材料發(fā)生短路而使材料失效的過程。介電強(qiáng)度：引起擊穿的電壓降（單位為V/cm），即單位厚度的絕緣材料在擊穿之前能夠承受的最高電壓。

陶瓷用于工程中做絕緣、電容器、封裝等材料要耐受一定的電壓強(qiáng)度，若電壓高于某值（介電強(qiáng)度）時(shí)材料發(fā)生短路（介電擊穿，有本征擊穿、熱擊穿、雪崩擊穿各類），材料即失效（電解質(zhì)在電場(chǎng)中遭到破壞）第6章介電陶瓷6.1材料的介電性質(zhì)6.1.1材料的線性介電性質(zhì)電擊穿是瞬時(shí)完成的，10-7～10-8秒；3/14/202322材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系4介電強(qiáng)度影響介電強(qiáng)度的因素：介質(zhì)厚度、結(jié)構(gòu)的均勻性、孔隙率、晶體定向性、非晶體的組成以及溫度、電極形狀和組成、表面形態(tài)、電場(chǎng)頻率及波形等。陶瓷和玻璃材料的介電強(qiáng)度：P123第6章介電陶瓷6.1材料的介電性質(zhì)6.1.1材料的線性介電性質(zhì)哪種材料的介電強(qiáng)度高？3/14/202323材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系6.1.2材料的非線性介電性質(zhì)第6章介電陶瓷6.1材料的介電性質(zhì)鐵電體介電常數(shù)很大并隨外電場(chǎng)變化的物質(zhì)。在很多方面和鐵磁質(zhì)相似。外電場(chǎng)足夠時(shí)，極化達(dá)到飽和。在撤去外磁場(chǎng)后，極化不為零，顯示電滯。因與鐵磁質(zhì)在磁化過程中的磁滯現(xiàn)象類似，故稱之為鐵電體。鈦酸鋇、酒石酸鉀鈉（NaKC4H4O6·4H2O—羅謝耳或羅息鹽－RS）等都是重要的鐵電體。何謂鐵磁質(zhì)？電滯回線——1920年法國(guó)人Valasek發(fā)現(xiàn)羅息鹽（酒石酸鉀鈉）具有特異的介電性3/14/202325材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系羅息鹽于1665年由法國(guó)藥劑師薛格涅特在羅息之地第一次制備法國(guó)小鎮(zhèn)-羅息LaRochelle26電疇可利用以下方法觀測(cè)電子顯微術(shù)（SEM、TEM）偏光顯微鏡液晶法化學(xué)腐蝕法粉末沉淀法6.1.2材料的非線性介電性質(zhì)第6章介電陶瓷6.1材料的介電性質(zhì)3/14/202329材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系6.1.2材料的非線性介電性質(zhì)第6章介電陶瓷6.1材料的介電性質(zhì)3/14/202330材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系a移除電場(chǎng)后晶界處的殘余電疇SEMbTGS晶體的疇結(jié)構(gòu)c疇壁abc3/14/202331材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系鐵電理論——Curie－Weiss定律著名的居里—韋斯定律χ＝3Tc／（T—Tc）

χ—極化率在居里溫度Tc下，材料發(fā)生自發(fā)極化，所有偶極子都有同一取向，極化率χ無窮大.6.1.2材料的非線性介電性質(zhì)第6章介電陶瓷6.1材料的介電性質(zhì)3/14/202332材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系Curie－Weiss定律另一種表示當(dāng)溫度高于居里點(diǎn)時(shí)，鐵電體的介電常數(shù)與溫度的關(guān)系服從居里-外斯定律：C為居里-外斯常數(shù)；T為絕對(duì)溫度；T0為順電居里溫度或居里-外斯溫度。6.1.2材料的非線性介電性質(zhì)第6章介電陶瓷6.1材料的介電性質(zhì)33鐵電體晶體結(jié)構(gòu)鐵電體的產(chǎn)生，也就是偶極子的自發(fā)定向，與晶體的相變緊密相關(guān)。當(dāng)晶體從有對(duì)稱中心的非極化晶格轉(zhuǎn)變?yōu)闊o對(duì)稱中心的極化晶格時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)鐵電性。如BaTiO3從順電體向鐵電體的相變即為這種轉(zhuǎn)變的典型。6.1.2材料的非線性介電性質(zhì)第6章介電陶瓷6.1材料的介電性質(zhì)BaTiO3

ABO3——鈣鈦礦結(jié)構(gòu)3/14/202334材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系產(chǎn)生自發(fā)極化（011）（111）6.1.2材料的非線性介電性質(zhì)第6章介電陶瓷6.1材料的介電性質(zhì)自發(fā)極化是在有外電場(chǎng)時(shí)產(chǎn)生的嗎？3/14/202335材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系6.1.2材料的非線性介電性質(zhì)第6章介電陶瓷6.1材料的介電性質(zhì)若中心的Ti移位后，此結(jié)構(gòu)還存在對(duì)稱嗎？晶體極化后其對(duì)稱性消失!3/14/202336材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系

鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的一個(gè)結(jié)構(gòu)單元鈣鈦礦ABO3型鐵電體是為數(shù)最多的一類鐵電體鐵電體的晶體結(jié)構(gòu)ABO3(ABF3)AB：A2+B4+

或

A1+B5+6.1.2材料的非線性介電性質(zhì)第6章介電陶瓷6.1材料的介電性質(zhì)3/14/202337材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系電滯回線k′起始介電常數(shù)飽和極化強(qiáng)度Ps剩余極化強(qiáng)度Pr矯頑電場(chǎng)Ec512346Ps為自發(fā)極化強(qiáng)度也稱飽和極化強(qiáng)度，是回線高場(chǎng)線性部分外延后與P軸的交點(diǎn)。6.1.2材料的非線性介電性質(zhì)第6章介電陶瓷6.1材料的介電性質(zhì)3/14/202338材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系鐵電(磁)體的電(磁)滯回線典型的磁滯回線典型的電滯回線剩余極化強(qiáng)度RemnantPolarization矯頑場(chǎng)CoerciveField3/14/202339材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系6.1.2材料的非線性介電性質(zhì)第6章介電陶瓷6.1材料的介電性質(zhì)電疇重新取向需要較大的能量，電疇的排列凍結(jié)了隨溫度升高，矯頑力減少居里溫度時(shí)，無回滯現(xiàn)象3/14/202340材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系6.1材料的介電性質(zhì)

6.2低介電常數(shù)介電陶瓷

K小于126.3中等介電常數(shù)介電陶瓷6.4高介電常數(shù)介電陶瓷——鐵電陶瓷

第6章介電陶瓷本章內(nèi)容

3/14/202341材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系低介電常數(shù)的介電材料（low-K材料）通常用于制作絕緣器件、基片、高頻或大電流電容器。這類陶瓷主要集中在MgO－Al2O3－SiO2三元系統(tǒng)內(nèi)。第6章介電陶瓷6.2低介電常數(shù)介電陶瓷3/14/202342材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系6.2.1滑石瓷主要原料組成：天然滑石（3MgO·4SiO2·H2O）。

滑石瓷是一種高頻裝置陶瓷。成型方式：絕大多數(shù)的滑石瓷采用干混合干壓成型，但也可以采用濕混合擠壓成型方法。燒結(jié)溫度：通常燒成溫度近1300℃。燒結(jié)體組成：由原頑火輝石、少量堇青石以及適當(dāng)?shù)牟Ａ嘟M成。第6章介電陶瓷6.2低介電常數(shù)介電陶瓷P1283/14/202343材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系6.2.2鎂橄欖石瓷

以燒滑石為主要原料，加入適量的氧化鎂、少量碳酸鋇和黏土的高頻陶瓷，其主晶相為鎂橄欖石（2MgO·SiO2）。其典型配方如下：燒滑石55％Mg（OH）235％BaCO36.4％黏土3.6％滑石瓷、鎂橄欖石瓷的特點(diǎn)和用途？P128-129第6章介電陶瓷6.2低介電常數(shù)介電陶瓷與天然滑石的區(qū)別？3/14/202344材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系6.2.3堇青石瓷主晶相為堇青石（2MgO·2Al2O3·5SiO2）。由于晶體中離子排列不夠緊密，晶格內(nèi)存在著大的空隙，因而材料很難燒結(jié)，tanδ大。主要特點(diǎn)：線膨脹系數(shù)小、耐熱沖擊性能好。缺點(diǎn)：燒成溫度范圍很窄，致密燒結(jié)溫度和軟化溫度只差幾℃，故不易致密燒結(jié)，機(jī)械性能和介電性能不好。主要用途：加熱器底板、熱電偶絕緣零件、電阻基體等。第6章介電陶瓷6.2低介電常數(shù)介電陶瓷3/14/202345材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系6.2.4氧化鋁瓷96氧化鋁熱傳導(dǎo)率變化范圍很寬。熱傳導(dǎo)率由晶格振動(dòng)能決定，而晶格中的缺陷會(huì)阻礙這一過程，因此通常雜質(zhì)引入會(huì)降低熱傳導(dǎo)率。但若雜質(zhì)沒有進(jìn)入主晶相的晶格，而以孤立相的形式存在，則對(duì)不會(huì)影響熱傳導(dǎo)。因此在制備過程中只有當(dāng)用于降低燒成溫度的添加劑不進(jìn)入氧化鋁晶格時(shí)，96Al2O3陶瓷才有可能獲得高的熱傳導(dǎo)率。第6章介電陶瓷6.2低介電常數(shù)介電陶瓷要使氧化鋁的導(dǎo)(絕)熱性能好該如何做？3/14/202346材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系95氧化鋁陶瓷最重要的用途是用于制造火花塞，要有良好的抗熱震性和電學(xué)性能。通常要承受加工過程中所遇到的機(jī)械沖擊和引擎每次重復(fù)點(diǎn)火時(shí)所產(chǎn)生的熱沖擊。氧化鋁陶瓷須在1MV／m的電場(chǎng)下具有足夠的絕緣性能，且表面應(yīng)保持非常干凈，以減少打火花現(xiàn)象。第6章介電陶瓷6.2低介電常數(shù)介電陶瓷6.2.4氧化鋁瓷3/14/202347材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系有關(guān)氧化鋁陶瓷的稱謂：高鋁瓷？剛玉瓷？一般說高鋁瓷或氧化鋁瓷都包含什么瓷？第6章介電陶瓷6.2低介電常數(shù)介電陶瓷6.2.4氧化鋁瓷剛玉－莫來石瓷和剛玉瓷

主晶相為α－Al2O3的氧化鋁瓷氧化鋁含量大于75％的氧化鋁瓷氧化鋁性能如何？3/14/202348材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系6.2.5氧化鈹瓷氧化鈹瓷最大的特點(diǎn)是熱導(dǎo)率高，是氧化鋁陶瓷的10倍，接近于金屬鋁。主要原料:高純度工業(yè)氧化鈹（BeO）粉末第6章介電陶瓷6.2低介電常數(shù)介電陶瓷3/14/202349材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系添加劑：MgO、Al2O3、CaO和SiO2等。燒結(jié)工藝：一般的電子陶瓷工藝。因其熔點(diǎn)高達(dá)2570℃，故其燒結(jié)溫度很高。為提高制品的致密度，可采用熱壓燒結(jié)。原料氧化鈹粉末需在1800℃進(jìn)行預(yù)燒。氧化鈹瓷的燒結(jié)第6章介電陶瓷6.2低介電常數(shù)介電陶瓷6.2.5氧化鈹瓷？氧化鈹和氧化鋯的低共熔物溫度遠(yuǎn)比其他氧化物高，達(dá)2200℃，因此氧化鋯是它惟一的燒成襯墊材料。3/14/202350材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系特點(diǎn)及用途

機(jī)械強(qiáng)度比氧化鋯瓷稍低，比鎂橄欖石大。高的介電性能、優(yōu)良的導(dǎo)熱性，可用來制作大功率晶體管的管殼、管座、散熱片、大功率集成電路和微波集成電路的基片、微波輸出窗等；密度小，在空間技術(shù)中亦有使用價(jià)值；又由于它的絕緣電阻高、介電系數(shù)小，可作雷達(dá)防護(hù)罩，以使電磁波的反射減小。缺點(diǎn)粉末有劇毒，生產(chǎn)受限，生產(chǎn)需采取特殊的防護(hù)措施。第6章介電陶瓷6.2低介電常數(shù)介電陶瓷6.2.5氧化鈹瓷3/14/202351材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系6.2.6氮化硼瓷BN具有兩種結(jié)構(gòu)，即六方和立方晶型。六方氮化硼陶瓷是由細(xì)小白色鱗片狀的六方氮化硼晶體構(gòu)成，由于氮原子與硼原子之間為飽和的共價(jià)鍵結(jié)合，沒有自由電子存在，所以是很好的介電材料。它的另一個(gè)特點(diǎn)是導(dǎo)熱率高（與不銹鋼相當(dāng)）。六方氮化硼粉末狀硬度與石墨相當(dāng)，故稱白色石墨，需熱壓燒結(jié)成瓷。

一種導(dǎo)熱性很好的絕緣體。第6章介電陶瓷6.2低介電常數(shù)介電陶瓷3/14/202352材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系6.2.6氮化硼瓷氮化硼六方晶形α-BN很軟第6章介電陶瓷6.2低介電常數(shù)介電陶瓷氮化硼立方晶型β-BN很硬3/14/202353材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系6.1材料的介電性質(zhì)

6.2低介電常數(shù)介電陶瓷K小于126.3中等介電常數(shù)介電陶瓷K大于126.4高介電常數(shù)介電陶瓷——鐵電陶瓷

第6章介電陶瓷本章內(nèi)容

3/14/202354材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系介電常數(shù)k在12以上的非鐵電體陶瓷，由于其主要用于電容器制造，故亦被稱為非鐵電電容器陶瓷。電容器制造各項(xiàng)電氣性要求（1）介電常數(shù)希望高一些，利于電容器的小型化；（2）介電損耗要求小一些，以減少電容器在高頻應(yīng)用中能量損耗和發(fā)熱；（3）介電常數(shù)的溫度系數(shù)αε，關(guān)系到電容器對(duì)工作環(huán)境的適應(yīng)性和電路可靠性的重要指標(biāo)。第6章介電陶瓷6.3中等介電常數(shù)介電陶瓷3/14/202355材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系介電常數(shù)的溫度系數(shù)αε

——介電常數(shù)隨溫度的變化率第6章介電陶瓷6.3中等介電常數(shù)介電陶瓷3/14/202356材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系1、金紅石瓷2、鈦酸鈣瓷3、鈦酸鎂瓷4、錫酸鈣瓷

中等介電常數(shù)介電陶瓷包括第6章介電陶瓷6.3中等介電常數(shù)介電陶瓷3/14/202357材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系6.3.1金紅石瓷一種利用較早的高介電材料，其主晶相為金紅石（TiO2）。純金紅石瓷的電性能優(yōu)良。但因純金紅石的燒結(jié)溫度高、無可塑性，結(jié)晶能力強(qiáng)，易形成粗晶等原因，常在配方中需加入其他成分。金紅石瓷的典型配方與性能P133。第6章介電陶瓷6.3中等介電常數(shù)介電陶瓷3/14/202358材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系★中等介電常數(shù)介電陶瓷金紅石的名稱源于拉丁語(yǔ)rutilus“紅色”之意

英文名：Rutile，

膝狀雙晶RutilatedQuartzCats'sEyes含金紅石的水晶貓眼

集合體為致密塊狀，通常略帶紅色，含鐵高時(shí)顯暗紅至黑色，也有略帶黃、藍(lán)或紫色的晶體。常具完好晶形，柱面常有縱紋。膝狀雙晶和玫瑰狀雙晶常見。第6章介電陶瓷6.3中等介電常數(shù)介電陶瓷6.3.1金紅石瓷3/14/202359材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系金紅石瓷工作溫度不宜過高，一般工作溫度不超過85℃。為什么？第6章介電陶瓷6.3中等介電常數(shù)介電陶瓷6.3.1金紅石瓷3/14/202360材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系老化——電容器瓷一個(gè)普遍的問題陶瓷材料是一種不均勻的多相系統(tǒng)，這種不均勻性包括材料結(jié)構(gòu)的不均勻以及雜質(zhì)所造成的不均勻等。會(huì)在外界各種因素的長(zhǎng)期作用下，發(fā)生一系列物理、化學(xué)的不可逆變化的過程，該過程稱為老化。老化會(huì)導(dǎo)致性能發(fā)生變化（如塑料老化）。金紅石的老化原因？解決方法？P134第6章介電陶瓷6.3中等介電常數(shù)介電陶瓷6.3.1金紅石瓷3/14/202361材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系CaCO3＋TiO21280℃～1320℃CaTiO3＋CO2↑6.3.2鈦酸鈣瓷

主晶相鈦酸鈣（CaTiO3），屬鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)，其性能表6.12，CaTiO3的介電系數(shù)比金紅石大得多，達(dá)150左右。介電性能良好。為得到性能良好的鈦酸鈣瓷，通常采用方解石（CaCO3）與二氧化鈦（TiO2）按分子比來合成。它屬于CaO-TiO2二元系統(tǒng)。合成CaTiO3的化學(xué)反應(yīng)式為：第6章介電陶瓷6.3中等介電常數(shù)介電陶瓷3/14/202362材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系得到CaTiO3的配比和燒結(jié)溫度可選擇多少？第6章介電陶瓷6.3中等介電常數(shù)介電陶瓷6.3.2鈦酸鈣瓷3/14/202363材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系第6章介電陶瓷6.3中等介電常數(shù)介電陶瓷6.3.2鈦酸鈣瓷3/14/202364材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系鈦酸鈣瓷的制備分兩步：先合成CaTiO3，后配方燒結(jié)成陶瓷作用：反應(yīng)充分、結(jié)晶良好、制品尺寸較準(zhǔn)。不利因素：燒成溫度較高且燒成溫范較窄。解決方法：選用適當(dāng)?shù)闹蹌?，如ZrO2。第6章介電陶瓷6.3中等介電常數(shù)介電陶瓷6.3.2鈦酸鈣瓷3/14/202365材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系鈦酸鈣瓷的制備

ZrO2是一種很好的礦化劑，給CaTiO3配以少量的ZrO2不但可使燒結(jié)溫度降低，而且可以擴(kuò)大燒結(jié)溫度范圍，并能阻止CaTiO3的二次晶粒長(zhǎng)大，從而提高了鈦酸鈣瓷的電氣性能。

我國(guó)目前生產(chǎn)的鈦酸鈣瓷的組成大致為：

99％的CaTiO3

：1％ZrO2。

第6章介電陶瓷6.3中等介電常數(shù)介電陶瓷6.3.2鈦酸鈣瓷3/14/202366材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系鈦酸鈣瓷（CT）的ε和tanδ與溫度的關(guān)系CT－1300tanδ比金紅石瓷T－750的小。使用溫度可達(dá)150℃左右。介電系數(shù)ε較高，達(dá)150左右。CT－CaTiO3鈦酸鈣瓷T-TiO2金紅石瓷后墜數(shù)字為溫度系數(shù)如T-750的溫度系數(shù)為750×10-6℃-1第6章介電陶瓷6.3中等介電常數(shù)介電陶瓷6.3.2鈦酸鈣瓷3/14/202367材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系應(yīng)用

鈦酸鈣瓷具有較大ε和較大的負(fù)介電溫度系數(shù)的一種瓷料，它可以制成大容量、小體積的高頻陶瓷電容器，(低頻-真空管電容麥克風(fēng)、yinyue)用作容量穩(wěn)定性要求不高的高頻電容器，如耦合、旁路、儲(chǔ)能、隔直流電容器等。在工廠中往往利用它的大的負(fù)溫度系數(shù)作為材料的調(diào)節(jié)劑。

第6章介電陶瓷6.3中等介電常數(shù)介電陶瓷6.3.2鈦酸鈣瓷3/14/202368材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系6.3.3鈦酸鎂瓷特點(diǎn)：介電損耗低，αε的絕對(duì)值小，可以調(diào)節(jié)至零附近，且原料豐富，成本低廉。鈦酸鎂瓷的燒結(jié)溫度較高1450～1470℃，常在配方中加入ZnO、CaF2滑石等助熔劑，它們能與配方中其他組分形成低共熔物，有效改善燒結(jié)性能。為了防止TiO2還原，還可加人少量MnCO3。第6章介電陶瓷6.3中等介電常數(shù)介電陶瓷3/14/202369材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系正鈦酸鎂2MgO·TiO2－穩(wěn)定偏鈦酸鎂MgO·TiO2－特殊的條件下生成二鈦酸鎂MgO·2TiO2－穩(wěn)定

此系統(tǒng)通常傾向于生成正鈦酸鎂，即使當(dāng)二氧化鈦和氯化鎂按等摩爾比配合，甚至當(dāng)TiO2的含量超過MgO時(shí)亦是如此，過剩的TiO2以游離狀態(tài)存在。因此，鈦酸鎂都是以正鈦酸鎂為主晶相。

MgO－TiO2系統(tǒng)三種化合物第6章介電陶瓷6.3中等介電常數(shù)介電陶瓷6.3.3鈦酸鎂瓷3/14/202370材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系從此圖能看到什么信息？有何實(shí)際意義？第6章介電陶瓷6.3中等介電常數(shù)介電陶瓷6.3.3鈦酸鎂瓷3/14/202371材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系6.3.4錫酸鈣瓷

制備：

生產(chǎn)以錫酸鈣為主晶相的錫酸鈣瓷時(shí)，必須先合成CaSnO3燒塊，以SnO2和CaCO3為主要原料，再加人其他少量添加物而成。配方：SnO2：CaCO3：TiO2：BaCO3：SiO2

54.2％39.7％1.4％3.6％1.1％高溫下合成，反應(yīng)如下CaCO3＋SnO2—→CaSnO3＋CO2↑第6章介電陶瓷6.3中等介電常數(shù)介電陶瓷3/14/202372材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系

CaTiO3的含量對(duì)αε的影響近似的線性，控制CaTiO3的加入量，可使αε在零左右。但因αε負(fù)值太大，不好控制，若改用TiO2或T－750作為調(diào)節(jié)劑，可使瓷料的ε略有提高，αε的波動(dòng)范圍較小。一般的加入量為2％～5.5％。第6章介電陶瓷6.3中等介電常數(shù)介電陶瓷6.3.4錫酸鈣瓷3/14/202373材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系6.3.5鈦鋯系瓷

以鈦酸鋯ZrTiO4為基；主要成分：ZrO2和TiO2溫度低于1800℃，存在穩(wěn)定的ZrTiO4，ZrO2和TiO2均不能和ZrTiO4生成無限固溶體，相圖中心線（等分子比線）兩旁，有ZrO2相或金紅石相析出。第6章介電陶瓷6.3中等介電常數(shù)介電陶瓷3/14/202374材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系主要特點(diǎn)：αε在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)可任意調(diào)節(jié)應(yīng)用：介電溫度系數(shù)系列化的電容器瓷。這類瓷還有鈦硅酸鈣瓷和鎂鑭鈦瓷。第6章介電陶瓷6.3中等介電常數(shù)介電陶瓷6.3.5鈦鋯系瓷

3/14/202375材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系第6章介電陶瓷6.3中等介電常數(shù)介電陶瓷6.3.5鈦鋯系瓷

3/14/202376材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系配方中各成分的作用TiO2和ZrO2：瓷料的主要成分，生成主晶相，70％wt。膨潤(rùn)土：增塑劑BaCO3：通過Ba2＋抑制膨潤(rùn)土中的堿金屬離子，改善瓷料的介電性能ZnO：礦化劑，降低瓷料的燒結(jié)溫度SnO：礦化劑，與TiO2和ZrO2均能生成固溶體，主要作用是促進(jìn)瓷料的燒結(jié)和有利于防止ZrO2的多晶轉(zhuǎn)變。第6章介電陶瓷6.3中等介電常數(shù)介電陶瓷6.3.5鈦鋯系瓷

3/14/202377材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系6.3.6鈦硅酸鈣瓷

以鈦硅酸鈣（CaTiSiO5）為主晶相，引入適量的添加劑所得的一系列瓷料。第6章介電陶瓷6.3中等介電常數(shù)介電陶瓷3/14/202378材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系6.3.6鈦硅酸鈣瓷第6章介電陶瓷6.3中等介電常數(shù)介電陶瓷CaTiO3含量對(duì)αε的影響

3/14/202379材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系鈦硅酸鈣瓷的特點(diǎn)

一般的熱穩(wěn)定電容器瓷都有一個(gè)共同的缺點(diǎn)，即在溫度系數(shù)接近于零或在零的附近，ε很小，并很難獲得很大的正αε值。然而鈦硅酸鈣瓷在這方面顯示了它獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)選擇適當(dāng)?shù)奶砑游飼r(shí)，當(dāng)αε接近于零時(shí)，介電系數(shù)可高達(dá)100以上，而且這種瓷料的溫度系數(shù)可以達(dá)到很大的正值，其他介電性能較好，tanδ較小，介電強(qiáng)度高。

第6章介電陶瓷6.3中等介電常數(shù)介電陶瓷6.3.6鈦硅酸鈣瓷3/14/202380材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系鈦硅酸鈣瓷的制備

CaTiSiO5可單獨(dú)預(yù)先合成，也可一次成瓷。

預(yù)先合成：將CaCO3、TiO2和SiO2按等分子比混合，于1100℃進(jìn)行預(yù)燒，保溫2h。由于CaTiO3具有大負(fù)溫度系數(shù)，因此用它來作為溫度系數(shù)調(diào)節(jié)器，組成CaTiSiO5與CaTiO3的復(fù)合陶瓷。第6章介電陶瓷6.3中等介電常數(shù)介電陶瓷6.3.6鈦硅酸鈣瓷3/14/202381材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系6.1材料的介電性質(zhì)

6.2低介電常數(shù)介電陶瓷K小于126.3中等介電常數(shù)介電陶瓷K大于126.4高介電常數(shù)介電陶瓷——鐵電陶瓷

K通常高于1000

第6章介電陶瓷本章內(nèi)容

3/14/202382材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系6.4.1鈦酸鋇陶瓷

鐵電鈦酸鋇的發(fā)現(xiàn)開辟了介電材料的一個(gè)新紀(jì)元，時(shí)至今日，鈦酸鋇陶瓷已成為電容器介電材料的重要組成部分。一般來說，電容器的使用在－55～125℃的范圍，或是其中的一段。電容器性能要求：在此溫區(qū)介電常數(shù)高一些，隨溫度的變化小一些。第6章介電陶瓷6.4高介電常數(shù)介電陶瓷——鐵電陶瓷3/14/202383材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系

置換作用

ABO3鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鈦酸鋇與有類似結(jié)構(gòu)組分形成固溶體，有展寬和移動(dòng)居里峰的作用。這一現(xiàn)象首先在BaTiO3－SrTiO3系統(tǒng)固溶體中發(fā)現(xiàn)（如圖），后又相繼在其他一些組成如鉛、鈣取代鋇等系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)。

第6章介電陶瓷6.4高介電常數(shù)介電陶瓷——鐵電陶瓷6.4.1鈦酸鋇陶瓷展寬和移動(dòng)居里峰的作用3/14/202384材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系由于固溶體中，在同類離子位置上安置不同類型的離子，這些異類離子是統(tǒng)計(jì)分布的。從宏觀角度上是均勻的，但從微觀角度上看則是不均勻的，這樣就形成了許多微區(qū)。而鐵電體的相變溫度是與組成相關(guān)的，因此微區(qū)間成分的偏離和分布，就意味著各微區(qū)之間轉(zhuǎn)變溫度不同及其不同分布情況。所以不同宏觀濃度的固溶體鐵電體，有明顯的鐵電擴(kuò)展。置換作用第6章介電陶瓷6.4高介電常數(shù)介電陶瓷——鐵電陶瓷6.4.1鈦酸鋇陶瓷能展寬和移動(dòng)居里峰作用的原因3/14/202385材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系顆粒的影響在鈦酸鋇陶瓷中，當(dāng)顆粒直徑下降到1μm以下時(shí)，就有明顯的展寬效應(yīng)。這是因?yàn)樵诔?xì)粉中電疇是無規(guī)則的，這種無規(guī)則導(dǎo)致了鐵電轉(zhuǎn)變的展寬。第6章介電陶瓷6.4高介電常數(shù)介電陶瓷——鐵電陶瓷6.4.1鈦酸鋇陶瓷3/14/202386材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系★高介電常數(shù)介電陶瓷——鐵電陶瓷第6章介電陶瓷6.4.1.3常用鐵電鈦酸鋇瓷的類型（1）BaTiO3一BaSnO3系陶瓷這類陶瓷中BaSnO3的含量在10％～15％左右，配方中在主成分BaCO3、TiO2、SnO2外還外加ZnO以抑制晶粒過分長(zhǎng)大；加少量黏土可以提高泥料塑性，改善工藝性能；加過量BaCO3以防游離SnO2出現(xiàn)。該類陶瓷的介電常數(shù)在6000～8000左右，室溫電阻率為3.5×1011Ω·cm左右，－55～25℃的介電常數(shù)溫度變化率在50％左右。3/14/202387材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系★高介電常數(shù)介電陶瓷——鐵電陶瓷第6章介電陶瓷（2）BaTiO3-CaSnO3系陶瓷為防止SnO2游離，先將Bi2O3和SnO2做成燒塊，再與其他原料混合燒結(jié)。這類陶瓷的介電常數(shù)為2000～3000，介電損耗約1％～4％。其優(yōu)點(diǎn)是工藝性較好，雜質(zhì)敏感度不大，重復(fù)性好。3/14/202388材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系★高介電常數(shù)介電陶瓷——鐵電陶瓷第6章介電陶瓷（3）BaTiO3-BaZrO3系陶瓷這類陶瓷的介電常數(shù)為3000～4000，介電損耗小于3％，工藝性比較好。（4）BaTiO3—SrZrO3－CaTiO3系陶瓷

采用BaTiO3燒塊、SrTiO3燒塊和CaCO3、TiO2燒成。這類陶瓷的介電常數(shù)為4000～5000，介電損耗小于3％，工藝性能好，性能比較穩(wěn)定。

3/14/202389材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系★高介電常數(shù)介電陶瓷——鐵電陶瓷第6章介電陶瓷6.4.2鈮酸鹽系陶瓷該系統(tǒng)具有很高的介電常數(shù)，即使不加添加劑，甚至是單晶，也具有比較平坦的介電常數(shù)-溫度曲線。比如在鎢酸銅結(jié)構(gòu)的Pb（Mg1/3Nb2/3）O3-PbTiO3一Ba（Zn1/3Nb2/3）O3系統(tǒng)中，就具有這類很寬的峰和高達(dá)25000的介電常數(shù)。在專利文獻(xiàn)中有大量這類介電材料組成的報(bào)道。這類介電材料的另一個(gè)吸引人的優(yōu)點(diǎn)是其陶瓷的致密化過程可以在很低的燒結(jié)溫度下進(jìn)行，這便可在多層電容器中使用銀鈀合金電極。3/14/202390材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系★高介電常數(shù)介電陶瓷——鐵電陶瓷第6章介電陶瓷6.4.3阻擋層電容器大多數(shù)含TiO2的材料，在還原氣氛下燒成時(shí)材料的表面為導(dǎo)電性，若隨后在空氣或氧氣中退火，大多數(shù)材料重新獲得高阻抗態(tài)。阻擋層電容器的制備主要是根據(jù)還原了的化合物可部分再氧化這一原理。它使得材料的表面具有高阻抗特性，而內(nèi)部卻是導(dǎo)電的。這樣一來，對(duì)整個(gè)材料來說，有效介電層厚度即為上、下兩層氧化層厚度（h上＋h下）。因此相對(duì)于全部被氧化的材料（厚度為d）來說，這種材料的介電常數(shù)得到了明顯的提高，兩者介電常數(shù)之比為d／（h上＋h下）。這稱為表面層半導(dǎo)體陶瓷電容器。3/14/202391材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系★高介電常數(shù)介電陶瓷——鐵電陶瓷第6章介電陶瓷若上面所講的有效介電層（即高阻抗薄層）不僅是在電極接觸上存在，而是在每一個(gè)晶粒的周圍（晶界）存在，那么整個(gè)材料就好像許許多多個(gè)電容器堆砌而成，其有效介電常數(shù)將大大提高，這就成了晶界層陶瓷。具有很高的介電常數(shù)（20000～80000），具有很好的抗潮性和工作可靠性，性能隨溫度的變化平緩，工作電壓相當(dāng)高。

3/14/202392材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系晶界層陶瓷是在BaTiO3半導(dǎo)體陶瓷表面上涂覆上適當(dāng)?shù)慕饘傺趸铮ㄈ鏑uO、MnO2、Bi2O3、TiO2等），而后在適當(dāng)?shù)臏囟认潞涂諝庵羞M(jìn)行熱處理（第二次燒結(jié)），使涂覆氧化物與BaTiO3等形成低共熔相，沿著開口氣孔，滲透到陶瓷內(nèi)部，并利用物質(zhì)沿晶界擴(kuò)散速度快的特征，使氧化物的晶界迅速擴(kuò)散，在晶界上形成極薄的絕緣層?；蛘甙袯aTiO3等陶瓷在一定氣氛中煅燒，使晶粒發(fā)育比較充分的BaTiO3半導(dǎo)化，然后在適當(dāng)?shù)臏囟群脱趸瘲l件下，使分凝在晶界上的金屬氧化物充分氧化，從而形成絕緣層?！锔呓殡姵?shù)