功能陶瓷第三章介电陶瓷.ppt
2009-8-25,安徽工业大学材料科学与工程学院,1,功能陶瓷 第三章 介电陶瓷,裴立宅,安徽工业大学材料科学与工程学院,2009-8-25,安徽工业大学材料科学与工程学院,2,介电陶瓷和绝缘陶瓷在本质上属于同一类陶瓷，但是与绝缘陶瓷不同的是，主要利用介电性能的陶瓷称为介电陶瓷或者说，介电陶瓷是通过控制陶瓷的介电性质，使之具有较高的介电常数、较低的介质损耗和适当的介电常数温度系数的一类陶瓷,2009-8-25,安徽工业大学材料科学与工程学院,3,3.1 极化与介电常数,设想在平行板电容器的两板上，充以一定的电荷，当两板间存在电 介质时，两板的电位差总是比没有电介质存在（真空）时低，在介质表面上会出现感应电荷，如下图所示。这些感应电荷部分屏蔽了板上自由电荷所产生的静电场，这种感应电荷不能自由迁移，称为束缚电荷。电介质在电场作用下产生感应电荷的现象，称为电极化。,电介质极化示意图,电介质：一切绝缘体统称为电介质，或者是在外电场的作用下内部结构发生变化，并且反过来影响外电场的物质。,2009-8-25,安徽工业大学材料科学与工程学院,4,在电场作用下，电介质以正、负电荷重心不重合的电极化方式来传递并记录电的影响。从微观上看，电极化是由于组成介质的原子（或离子）中的电子壳层在电场作用下发生畸变，以及由于正负离子的相对位移而出现感应电矩。电极化是电介质最基本和最主要的性质，介电常数是综合反映介质内部电极化行为的一个主要的宏观物理量。,2009-8-25,安徽工业大学材料科学与工程学院,5,2009-8-25,安徽工业大学材料科学与工程学院,6,2009-8-25,安徽工业大学材料科学与工程学院,7,3.2 极化与介质损耗,2009-8-25,安徽工业大学材料科学与工程学院,8,实际用的绝缘材料，其电阻不可能无穷大，在外电场作用下，总有一些带电质点会发生移动而引起漏导损耗。一切介质在电场中均会呈现出极化现象，除电子、离子的弹性位移极化基本上不消耗能量外，其他缓慢极化（如松弛极化、空间电荷极化等）在极化缓慢建立的过程中都会因克服阻力而引起能量的损耗，这种介质损耗一般称为极化损耗。tg的倒数Q（Q=1/tg）称为介电陶瓷材料的电学品质因数，这也是介电陶瓷重要的特征评价参数。,2009-8-25,安徽工业大学材料科学与工程学院,9,松弛极化：当材料中存在弱联系电子、离子和偶极子等松弛质点时，热运动使这些松弛质点分布混乱，而电场力图使这些质点按电场规律分布，最后在一定温度下发生极化。松弛极化的带电质点在热运动时移动的距离，可与分子大小相比拟，甚至更大，并且质点需要克服一定的势垒才能移动，因此这种极化建立的时间较长（可达到10-2-10-9s），需要吸收一定的能量，是一种非可逆过程。包括电子松弛极化、离子松弛极化和偶极子松弛极化，多出现在晶体缺陷区或玻璃体内。空间电荷极化：常发生不均匀介质中。在电场作用下，不均匀介质内部的正负间隙离子分别向负、正极移动，引起介质内各点离子密度的变化，即出现电偶极矩，这种极化称为空间电荷极化。在电极附近积聚的离子电荷就是空间电荷。随着温度的升高而下降，这是由于温度升高，离子运动加剧，离子容易扩散，因而空间电荷减少。空间电荷的建立需要较长时间，大约几秒到数十分钟，甚至可达数十小时。,2009-8-25,安徽工业大学材料科学与工程学院,10,3.3 介电陶瓷材料及其应用,介电陶瓷主要用于陶瓷电容器和微波介质元件。,陶瓷电容器是现代电子线路中必不可少的元件，每个电视机或录像机中都含有100-200个陶瓷电容器，由于陶瓷的介电特性好，可制成体积小、容量大的电容器。电视机超高频（UHF）的频率为300MHz，通讯卫星的频率大于10000MHz，只有陶瓷电容器才能在1000MHz以上的频率有效的工作。在微波应用中，当使用空腔共振器的过滤器时，体积很大，而采用介电陶瓷，则可使微波通信和其他微波设备小型化。,陶瓷电容器,陶瓷滤波器,2009-8-25,安徽工业大学材料科学与工程学院,11,3.3.1 陶瓷电容器,用于制造电容器的介电陶瓷，在性能上一般应达到如下要求：（1）介电常数应尽可能高，介电常数越高，陶瓷电容器的体积可以做得越小。（2）在高频、高温、高压及其他恶劣环境下，陶瓷电容器性能稳定可靠。（3）介电损耗要小，这样可以在高频电路中充分发挥作用，对于高功率陶瓷电容器，能提高无功功率。（4）比体积电阻高于1010m，这样可保证在高温下工作。（5）具有较高的介电强度，陶瓷电容器在高压和高功率条件下，往往由于击穿而不能工作，因此提高电容器的耐压性能，对充分发挥陶瓷的功能有重要作用。,2009-8-25,安徽工业大学材料科学与工程学院,12,根据所用陶瓷材料的特性，陶瓷电容器一般可以分为温度补偿（I型）、温度稳定（II型）、高介电常数（III型）和半导体系（IV型），各自的特征如下表：,陶瓷电容器的分类和特征,2009-8-25,安徽工业大学材料科学与工程学院,13,(1)温度补偿（I型）电容器用介电陶瓷,此类陶瓷初期使用MgTiO3、CaSnO3等，但由于它们的介电常数不高（14-18），热稳定性不太好，应用受到限制。20世纪60年代以来，开始使用MgO-La2O3-TiO2、CaTiO3、SrTiO3、MgTiO3和LaTiO3等。,2009-8-25,安徽工业大学材料科学与工程学院,14,2009-8-25,安徽工业大学材料科学与工程学院,15,温度补偿电容器陶瓷的介电特性,2009-8-25,安徽工业大学材料科学与工程学院,16,(2)半导体电容器陶瓷,一般使用晶界层陶瓷电容器，这种电容器是在高介电常数施主掺杂半导体陶瓷的基体上涂覆金属氧化物并在空气中进行热处理，杂质沿晶界扩展，促使半导体晶粒表面氧化形成一绝缘层。晶界层电容器的频率特性优异，可用于通讯机上作为数千兆赫的宽频带耦合电容。所用材料通常为BaTiO3和SrTiO3系半导体。,2009-8-25,安徽工业大学材料科学与工程学院,17,半导体电容器具有较高介电常数、电容体积更小、电容量更大，应用于充电器、开关电源、音响、节能灯等领域。,东莞伟达电子有限公司产,2009-8-25,安徽工业大学材料科学与工程学院,18,(3)高介电常数电容器用陶瓷,以BiTiO3为基体，添加其他成分，可制得介电常数很高的电容器陶瓷。BiTiO3的介电常数可高达1700，通过掺杂可在很大范围内改变钛酸钡陶瓷的特性，如加入钙钛矿结构的Sr、Sn和Zr的化合物，介电常数可提高到20000。在BiTiO3中加入少量SrTiO3、WO3和MnCO4，也可得到介电常数20000以上的陶瓷。这种高介电常数的陶瓷电容器已大量使用于电视机、收录机和录像机等电子产品中。,2009-8-25,安徽工业大学材料科学与工程学院,19,高介电常数型电容器又称低频陶瓷电容器，该类电容器具有介电常数高、容量大、体积小的特点，适用于旁路、耦合、隔直流和滤波等电路,深圳锐取电子有限公司,2009-8-25,安徽工业大学材料科学与工程学院,20,(4)高压电容器陶瓷,钛酸钡陶瓷材料虽具有高介电常数，但在高压下使用，介电常数随电压的变化较大。钛酸锶陶瓷的介电常数虽然比钛酸钡陶瓷的低，但其绝缘性好得多，而且其介电常数随电压的变化小，介质损耗小，以SrTiO3-Bi2O3-TiO2系数为基础的电容器陶瓷，其介电常数为800-3500，介电损耗为0.05-0.3%，绝缘强度为6-6.5kV，静电容量随电压变化为-10-2%kV/mm。这类电容器已广泛应用于电视机、雷达高压电路及避雷器、断路器等方面。,2009-8-25,安徽工业大学材料科学与工程学院,21,2009-8-25,安徽工业大学材料科学与工程学院,22,3.3.2 微波介质陶瓷,微波介质陶瓷主要用于制作微波电路元件，微波电路元件要求介电陶瓷在微波频率下具有如下性能：（1）介电常数适当且稳定；（2）介质损耗小；（3）介电常数温度系数小；（4）热膨胀系数小。下表为具有或接近上述性能的介电陶瓷的组成与特性：,2009-8-25,安徽工业大学材料科学与工程学院,23,微波介质陶瓷主要用于谐振器、耦合器、滤波器等微波器件以及微波介质基片,2009-8-25,安徽工业大学材料科学与工程学院,24,微波介质陶瓷谐振器,深圳晶科鑫实业有限公司产,2009-8-25,安徽工业大学材料科学与工程学院,25,微波陶瓷耦合器,2009-8-25,安徽工业大学材料科学与工程学院,26,微波介质陶瓷滤波器,2009-8-25,安徽工业大学材料科学与工程学院,27,谢谢！,
