《介电陶瓷》PPT课件.ppt

特种陶瓷材料,北方民族大学 材料学院 陆有军,第6章 介电陶瓷,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,2,第6章 介电陶瓷,应掌握的内容：,1、材料的线性介电性质 2、低介电常数介电陶瓷的分类 3、氧化铝瓷、氮化硼瓷 4、中等介电常数介电陶瓷的分类 5、高介电常数介电陶瓷的分类,教学目的和要求,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,3,应了解的内容：,1、材料的非线性介电性质 2、其他低介电常数介电陶瓷 3、中等介电常数介电陶瓷的性质 4、其他高介电常数介电陶瓷,第6章 介电陶瓷,教学目的和要求,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,4,6.1 材料的介电性质 6.2 低介电常数介电陶瓷 6.3 中等介电常数介电陶瓷 6.4 高介电常数介电陶瓷铁电陶瓷,第6章 介电陶瓷,本章内容,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,5,6.1 材料的介电性质 6.2 低介电常数介电陶瓷 6.3 中等介电常数介电陶瓷 6.4 高介电常数介电陶瓷铁电陶瓷,第6章 介电陶瓷,本章内容,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,6,第6章 介电陶瓷,6.1.1 材料的线性介电性质6.1.2 材料的非线性介电性质,6.1 材料的介电性质,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,7,第6章 介电陶瓷,6.1.1 材料的线性介电性质,6.1 材料的介电性质,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,8,1.介电常数,介电性dielectric behaviour 材料分隔电流的绝缘特性 是材料的一种短程的电荷传输特性，它来源于载流子在外场下的短程移动，这种移动导致了电能的蓄积。电介质能介电的物质，可存储电能的物质,何谓材料的介电性？,第6章 介电陶瓷,6.1 材料的介电性质,6.1.1 材料的线性介电性质,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,9,Q 平行板间的电荷 V 平行板两端的电压A 平行板面积 d 平行板间的距离0 真空介电常数：8.8541012 F/m,C0QV,第6章 介电陶瓷,6.1 材料的介电性质,6.1.1 材料的线性介电性质,1.介电常数,平行板间的真空电容？,CQV 表征电容器容纳电荷的本领的物理量,与平行板面积和电场强度成正比,V/dE电场强度,0(V/d)A/V,0A/d,(仅与平行板面积和间距有关),真空介电常数0,电容？,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,10,当在两平板之间插入一种介质（材料）时，电容C将增加，此时电容 C 与真空介质时该电容器的电容量 C0 的比即为相对介电常数k：,相对介电常数k,kC/C0(A/d)/(0A/d)/0,第6章 介电陶瓷,6.1 材料的介电性质,6.1.1 材料的线性介电性质,1.介电常数,介质介电常数与真空介电常数0之比,一些材料的室温介电常数P119,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,11,2.极化,第6章 介电陶瓷,6.1 材料的介电性质,6.1.1 材料的线性介电性质,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,12,陶瓷和玻璃中共有 4种 极化机制,（1）电子极化,（2）原子极化,（3）偶极子极化,第6章 介电陶瓷,6.1 材料的介电性质,6.1.1 材料的线性介电性质,（4）界面极化,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,13,电子极化 是由于在电场作用下带负电的电子云重心相对于带正电的原子核发生偏移而产生，这种极化发生在很高的频率下（1015 Hz），即紫外线范围内。,原子和离子极化 发生在红外线范围内（10121013Hz），它是由于正负离子彼此位移而产生。,第6章 介电陶瓷,6.1 材料的介电性质,6.1.1 材料的线性介电性质,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,14,偶极子极化 在外场下一些离子或分子偶极子定向排列而产生一个净偶极矩，因此也称之为取向极化。有两种情况：a.含永久偶极矩的分子可以在弹性回复力的作用下在平衡位置周围转动。b.偶极子在两个相同平衡位置间的转化，某些带电粒子在外场作用下在晶格间隙位中移动而产生的定向极化。,第6章 介电陶瓷,6.1 材料的介电性质,6.1.1 材料的线性介电性质,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,15,界面或空间电荷极化 当带电载流子因物理势垒影响而阻碍了电荷迁移时发生的极化。,第6章 介电陶瓷,6.1 材料的介电性质,6.1.1 材料的线性介电性质,物理势垒如内部结构缺陷、晶界、电极界面。,几种极化机制与频率之间的关系P121 图6.3,？,四种极化机制各发生在什么频率范围？,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,16,由于电子极化、原子极化和离子极化发生在光波范围内（紫外、红外），故在考虑电介质的电路特性时仅考虑发生在10-310范围内的偶极子极化和界面极化。,第6章 介电陶瓷,6.1 材料的介电性质,6.1.1 材料的线性介电性质,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,17,3 介电损耗,当一个正弦交变电场 VV0expit施加于一介电体上时，电荷随时间而变化而产生了电流Ic，Ic在无损耗时比 V 超前90。但实际是有损耗的。有损耗时，总电流超前电压不再是90而是90-。由损耗引起故称损耗角。,第6章 介电陶瓷,6.1 材料的介电性质,6.1.1 材料的线性介电性质,总电流,损耗电流,无 损 耗 电 流,损耗角体现了材料在交流电场作用下的动态损耗,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,18,损耗来自两方面：有一些带电质点在外场作用移动而引起漏导。与偶极子转动和振动相关的能量损耗。,第6章 介电陶瓷,6.1 材料的介电性质,6.1.1 材料的线性介电性质,即：实际电容器并不是理想的纯电容电路，极板间电介质总会有一些漏电，因此实际的电容器相当于一个电容与电阻的串联电路，其电压与电流之间相位差的余角为损耗角dielectric loss angle.,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,19,由图可得(式推导详见P122)I1Ictan,损耗角的正切值正好是损耗电流与无损耗电流相比的结果，所以反映了材料的损耗与电荷储存能力的关系，或者反映了为储存一定量的电荷所需消耗的能量，称为介电损耗系数（因子/因数）。,第6章 介电陶瓷,6.1 材料的介电性质,6.1.1 材料的线性介电性质,无 损 耗 电 流,损耗电流,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,20,损耗因子的实际应用 在电力工业中，损耗角是一项反映高压电气设备绝缘性能的重要指标。介损角的变化可反映受潮、劣化变质或绝缘中气体放电等绝缘缺陷，因此测量介损角是研究绝缘老化特征及在线监测绝缘状况的一项重要内容。,第6章 介电陶瓷,6.1 材料的介电性质,6.1.1 材料的线性介电性质,损耗因子的作用？,？,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,21,介质损耗因子的作用在绝缘设计时，须注意绝缘材料的tan。tan过大会引起发热，使绝缘加速老化，甚至可能导致热击穿。测tan可判断电气设备劣化的进程，故tan的测量是电气设备绝缘试验中的一个基本项目。研究温度对tan的影响，可使工作温度下tan值最小。极化损耗随频率升高而增大，当电源中出现高次（如3次、5次）谐波时，就很容易造成电容器绝缘材料因过热而击穿。,第6章 介电陶瓷,6.1 材料的介电性质,6.1.1 材料的线性介电性质,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,22,4 介电强度,介电击穿：在一定电压降下电流穿过材料发生短路而使材料失效的过程。介电强度：引起击穿的电压降（单位为V/cm），即单位厚度的绝缘材料在击穿之前能够承受的最高电压。陶瓷用于工程中做绝缘、电容器、封装等材料要耐受一定的电压强度，若电压高于某值（介电强度）时材料发生短路（介电击穿，有本征击穿、热击穿、雪崩击穿各类），材料即失效（电解质在电场中遭到破坏）,第6章 介电陶瓷,6.1 材料的介电性质,6.1.1 材料的线性介电性质,电击穿是瞬时完成的，10-710-8秒；,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,23,4 介电强度,影响介电强度的因素：介质厚度、结构的均匀性、孔隙率、晶体定向性、非晶体的组成以及温度、电极形状和组成、表面形态、电场频率及波形等。陶瓷和玻璃材料的介电强度：P123,第6章 介电陶瓷,6.1 材料的介电性质,6.1.1 材料的线性介电性质,哪种材料的介电强度高？,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,24,6.1.2 材料的非线性介电性质,材料在外电场中因自发排列的极化区域（电畴）会自动转向而形成强极化，总偶极矩与电场强度的呈非线性逐渐趋向一饱和值。去除外加电场，极化不能回复到零，只有再加上相反电场，才能消失的性质。非线性介电体:具有非线性介电性质的介电体，通常也被称为铁电体。,第6章 介电陶瓷,6.1 材料的介电性质,非线性介电体为什么叫铁电体？是因为含有铁吗？,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,25,6.1.2 材料的非线性介电性质,第6章 介电陶瓷,6.1 材料的介电性质,铁电体 介电常数很大并随外电场变化的物质。在很多方面和铁磁质相似。外电场足够时，极化达到饱和。在撤去外磁场后，极化不为零，显示电滞。因与铁磁质在磁化过程中的磁滞现象类似，故称之为铁电体。钛酸钡、酒石酸钾钠（NaKC4H4O64H2O罗谢耳或罗息盐RS）等都是重要的铁电体。,何谓铁磁质？,电滞回线 1920年法国人Valasek发现罗息盐（酒石酸钾钠）具有特异的介电性,26,罗息盐于1665年由法国药剂师薛格涅特在罗息之地第一次制备,法国小镇-罗息La Rochelle,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,27,6.1.2 材料的非线性介电性质,第6章 介电陶瓷,6.1 材料的介电性质,铁磁质 磁导率很大并随外磁场强度而变化的物质。铁磁质在磁化过程中，当外磁场增加到一定强度时，就发生磁性饱和现象；当外磁场撤去时，能保持一定程度的磁性，显示磁滞。这些特性都可用铁磁质的基本组成部分磁畴的理论来说明。如铁、镍、钴、合金磁钢和某些氧化物等，因最先在以铁为首的一些金属发现这种性质故称铁磁质。,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,28,6.1.2 材料的非线性介电性质,第6章 介电陶瓷,6.1 材料的介电性质,电滞回线Electric Hysteresis Loop 描述铁电体极化强度与外加电场关系的曲线。是铁电体的铁电畴在外电场作用下运动的宏观描述。电畴铁电体自发极化时，整体均匀极化的状态不稳定，晶体趋向于分成多个小区域。每个区域内部电偶极子沿同一方向，但不同小区域的电偶极子方向不同，这每个小区域称为电畴，简称畴。畴之间边界地区称之为畴壁domain wall。畴转向铁电畴在外电场作用下，总是趋向与外电场方向一致的行为。,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,29,电畴可利用以下方法观测,电子显微术（SEM、TEM）偏光显微镜 液晶法 化学腐蚀法 粉末沉淀法,6.1.2 材料的非线性介电性质,第6章 介电陶瓷,6.1 材料的介电性质,6.1.2 材料的非线性介电性质,第6章 介电陶瓷,6.1 材料的介电性质,a 移除电场后晶界处的残余电畴 SEM,b TGS晶体的畴结构,c 畴壁,a,b,c,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,32,铁电理论CurieWeiss定律 著名的居里韦斯定律,3 Tc（TTc）,极化率 在居里温度Tc下，材料发生自发极化，所有偶极子都有同一取向，极化率无穷大.,6.1.2 材料的非线性介电性质,第6章 介电陶瓷,6.1 材料的介电性质,33,CurieWeiss定律另一种表示,当温度高于居里点时，铁电体的介电常数与温度的关系服从居里-外斯定律：,C 为居里-外斯常数；T 为绝对温度；T0 为顺电居里温度或居里-外斯温度。,6.1.2 材料的非线性介电性质,第6章 介电陶瓷,6.1 材料的介电性质,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,34,铁电体晶体结构,铁电体的产生，也就是偶极子的自发定向，与晶体的相变紧密相关。当晶体从有对称中心的非极化晶格转变为无对称中心的极化晶格时，才会出现铁电性。如BaTiO3从顺电体向铁电体的相变即为这种转变的典型。,6.1.2 材料的非线性介电性质,第6章 介电陶瓷,6.1 材料的介电性质,BaTiO3 A BO3 钙钛矿结构,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,35,产生自发极化,（011）,（111）,6.1.2 材料的非线性介电性质,第6章 介电陶瓷,6.1 材料的介电性质,自发极化是在有外电场时产生的吗？,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,36,6.1.2 材料的非线性介电性质,第6章 介电陶瓷,6.1 材料的介电性质,若中心的Ti移位后，此结构还存在对称吗？,晶体极化后其对称性消失!,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,37,钙钛矿结构的一个结构单元,钙钛矿ABO3 型铁电体是为数最多的一类铁电体,铁电体的晶体结构ABO3(ABF3)AB：A2+B4+或 A1+B5+,6.1.2 材料的非线性介电性质,第6章 介电陶瓷,6.1 材料的介电性质,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,38,电滞回线,k起始介电常数,饱和极化强度Ps,剩余极化强度Pr,矫顽电场Ec,5,1,2,3,4,6,Ps为自发极化强度也称饱和极化强度，是回线高场线性部分外延后与P轴的交点。,6.1.2 材料的非线性介电性质,第6章 介电陶瓷,6.1 材料的介电性质,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,39,铁电(磁)体的电(磁)滞回线,典型的磁滞回线,典型的电滞回线,剩余极化强度Remnant Polarization矫顽场Coercive Field,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,40,6.1.2 材料的非线性介电性质,第6章 介电陶瓷,6.1 材料的介电性质,电畴重新取向需要较大的能量，电畴的排列冻结了,随温度升高，矫顽力减少,居里温度时，无回滞现象,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,41,6.1 材料的介电性质 6.2 低介电常数介电陶瓷 K小于126.3 中等介电常数介电陶瓷 6.4 高介电常数介电陶瓷铁电陶瓷,第6章 介电陶瓷,本章内容,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,42,低介电常数的介电材料（low-K材料）通常用于制作绝缘器件、基片、高频或大电流电容器。这类陶瓷主要集中在MgOAl2O3SiO2三元系统内。,第6章 介电陶瓷,6.2 低介电常数介电陶瓷,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,43,6.2.1 滑石瓷,主要原料组成：天然滑石（3MgO4SiO2H2O）。,滑石瓷是一种高频装置陶瓷。,成型方式：绝大多数的滑石瓷采用干混合干压成型，但也可以采用湿混合挤压成型方法。烧结温度：通常烧成温度近1300。烧结体组成：由原顽火辉石、少量堇青石以及适当的玻璃相组成。,第6章 介电陶瓷,6.2 低介电常数介电陶瓷,P128,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,44,6.2.2 镁橄榄石瓷,以烧滑石为主要原料，加入适量的氧化镁、少量碳酸钡和黏土的高频陶瓷，其主晶相为镁橄榄石（2MgOSiO2）。,其典型配方如下：烧滑石 55 Mg（OH）2 35 BaCO3 6.4 黏土 3.6,滑石瓷、镁橄榄石瓷的特点和用途？P128-129,第6章 介电陶瓷,6.2 低介电常数介电陶瓷,与天然滑石的区别？,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,45,6.2.3 堇青石瓷,主晶相为堇青石（2MgO2Al2O35SiO2）。由于晶体中离子排列不够紧密，晶格内存在着大的空隙，因而材料很难烧结，tan大。主要特点：线膨胀系数小、耐热冲击性能好。缺点：烧成温度范围很窄，致密烧结温度和软化温度只差几，故不易致密烧结，机械性能和介电性能不好。主要用途：加热器底板、热电偶绝缘零件、电阻基体等。,第6章 介电陶瓷,6.2 低介电常数介电陶瓷,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,46,6.2.4 氧化铝瓷,96氧化铝热传导率变化范围很宽。热传导率由晶格振动能决定，而晶格中的缺陷会阻碍这一过程，因此通常杂质引入会降低热传导率。但若杂质没有进入主晶相的晶格，而以孤立相的形式存在，则对不会影响热传导。因此在制备过程中只有当用于降低烧成温度的添加剂不进入氧化铝晶格时，96 Al2O3陶瓷才有可能获得高的热传导率。,第6章 介电陶瓷,6.2 低介电常数介电陶瓷,要使氧化铝的导(绝)热性能好该如何做？,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,47,95 氧化铝陶瓷最重要的用途是用于制造火花塞，要有良好的抗热震性和电学性能。通常要承受加工过程中所遇到的机械冲击和引擎每次重复点火时所产生的热冲击。氧化铝陶瓷须在1MVm的电场下具有足够的绝缘性能，且表面应保持非常干净，以减少打火花现象。,第6章 介电陶瓷,6.2 低介电常数介电陶瓷,6.2.4 氧化铝瓷,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,48,有关氧化铝陶瓷的称谓：高铝瓷？刚玉瓷？一般说高铝瓷或氧化铝瓷都包含什么瓷？,第6章 介电陶瓷,6.2 低介电常数介电陶瓷,6.2.4 氧化铝瓷,刚玉莫来石瓷和刚玉瓷,主晶相为Al2O3的氧化铝瓷,氧化铝含量大于75的氧化铝瓷,氧化铝性能如何？,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,49,6.2.5 氧化铍瓷,氧化铍瓷最大的特点是热导率高，是氧化铝陶瓷的10倍，接近于金属铝。主要原料:高纯度工业氧化铍（BeO）粉末,第6章 介电陶瓷,6.2 低介电常数介电陶瓷,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,50,添加剂：MgO、Al2O3、CaO 和SiO2等。烧结工艺：一般的电子陶瓷工艺。因其熔点高达2570，故其烧结温度很高。为提高制品的致密度，可采用热压烧结。原料氧化铍粉末需在1800进行预烧。,氧化铍瓷的烧结,第6章 介电陶瓷,6.2 低介电常数介电陶瓷,6.2.5 氧化铍瓷,？,氧化铍和氧化锆的低共熔物温度远比其他氧化物高，达2200，因此氧化锆是它惟一的烧成衬垫材料。,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,51,特点及用途 机械强度比氧化锆瓷稍低，比镁橄榄石大。高的介电性能、优良的导热性，可用来制作大功率晶体管的管壳、管座、散热片、大功率集成电路和微波集成电路的基片、微波输出窗等；密度小，在空间技术中亦有使用价值；又由于它的绝缘电阻高、介电系数小，可作雷达防护罩，以使电磁波的反射减小。缺点 粉末有剧毒，生产受限，生产需采取特殊的防护措施。,第6章 介电陶瓷,6.2 低介电常数介电陶瓷,6.2.5 氧化铍瓷,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,52,6.2.6 氮化硼瓷,BN具有两种结构，即六方和立方晶型。六方氮化硼陶瓷是由细小白色鳞片状的六方氮化硼晶体构成，由于氮原子与硼原子之间为饱和的共价键结合，没有自由电子存在，所以是很好的介电材料。它的另一个特点是导热率高（与不锈钢相当）。六方氮化硼粉末状硬度与石墨相当，故称白色石墨，需热压烧结成瓷。一种导热性很好的绝缘体。,第6章 介电陶瓷,6.2 低介电常数介电陶瓷,6.2.6 氮化硼瓷,氮化硼六方晶形-BN 很软,第6章 介电陶瓷,6.2 低介电常数介电陶瓷,氮化硼立方晶型-BN 很硬,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,54,6.1 材料的介电性质 6.2 低介电常数介电陶瓷 K小于126.3 中等介电常数介电陶瓷 K大于126.4 高介电常数介电陶瓷铁电陶瓷,第6章 介电陶瓷,本章内容,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,55,介电常数k在12以上的非铁电体陶瓷，由于其主要用于电容器制造，故亦被称为非铁电电容器陶瓷。,电容器制造各项电气性要求（1）介电常数希望高一些，利于电容器的小型化；（2）介电损耗要求小一些，以减少电容器在高频应用中能量损耗和发热；（3）介电常数的温度系数，关系到电容器对工作环境的适应性和电路可靠性的重要指标。,第6章 介电陶瓷,6.3 中等介电常数介电陶瓷,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,56,介电常数的温度系数 介电常数随温度的变化率,第6章 介电陶瓷,6.3 中等介电常数介电陶瓷,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,57,1、金红石瓷2、钛酸钙瓷3、钛酸镁瓷4、锡酸钙瓷,中等介电常数介电陶瓷包括,第6章 介电陶瓷,6.3 中等介电常数介电陶瓷,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,58,6.3.1 金红石瓷,一种利用较早的高介电材料，其主晶相为金红石（TiO2）。,纯金红石瓷的电性能优良。但因纯金红石的烧结温度高、无可塑性，结晶能力强，易形成粗晶等原因，常在配方中需加入其他成分。金红石瓷的典型配方与性能P133。,第6章 介电陶瓷,6.3 中等介电常数介电陶瓷,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,59,中等介电常数介电陶瓷,金红石的名称源于拉丁语rutilus“红色”之意 英文名：Rutile，,膝状双晶,Rutilated Quartz Catss Eyes含金红石的水晶猫眼,集合体为致密块状，通常略带红色，含铁高时显暗红至黑色，也有略带黄、蓝或紫色的晶体。常具完好晶形，柱面常有纵纹。膝状双晶和玫瑰状双晶常见。,第6章 介电陶瓷,6.3 中等介电常数介电陶瓷,6.3.1 金红石瓷,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,60,金红石瓷工作温度不宜过高，一般工作温度不超过85。,为什么？,第6章 介电陶瓷,6.3 中等介电常数介电陶瓷,6.3.1 金红石瓷,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,61,老化电容器瓷一个普遍的问题 陶瓷材料是一种不均匀的多相系统，这种不均匀性包括材料结构的不均匀以及杂质所造成的不均匀等。会在外界各种因素的长期作用下，发生一系列物理、化学的不可逆变化的过程，该过程称为老化。老化会导致性能发生变化（如塑料老化）。,金红石的老化原因？解决方法？P134,第6章 介电陶瓷,6.3 中等介电常数介电陶瓷,6.3.1 金红石瓷,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,62,CaCO3TiO2 12801320 CaTiO3CO2,6.3.2 钛酸钙瓷,主晶相钛酸钙（CaTiO3），属钙钛矿型结构，其性能表6.12，CaTiO3的介电系数比金红石大得多，达150左右。介电性能良好。为得到性能良好的钛酸钙瓷，通常采用方解石（CaCO3）与二氧化钛（TiO2）按分子比来合成。它属于CaO-TiO2二元系统。合成CaTiO3的化学反应式为：,第6章 介电陶瓷,6.3 中等介电常数介电陶瓷,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,63,得到CaTiO3的配比和烧结温度可选择多少？,第6章 介电陶瓷,6.3 中等介电常数介电陶瓷,6.3.2 钛酸钙瓷,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,64,第6章 介电陶瓷,6.3 中等介电常数介电陶瓷,6.3.2 钛酸钙瓷,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,65,钛酸钙瓷的制备分两步：先合成CaTiO3，后配方烧结成陶瓷作用：反应充分、结晶良好、制品尺寸较准。不利因素：烧成温度较高且烧成温范较窄。解决方法：选用适当的助熔剂，如ZrO2。,第6章 介电陶瓷,6.3 中等介电常数介电陶瓷,6.3.2 钛酸钙瓷,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,66,钛酸钙瓷的制备 ZrO2是一种很好的矿化剂，给CaTiO3配以少量的ZrO2不但可使烧结温度降低，而且可以扩大烧结温度范围，并能阻止CaTiO3的二次晶粒长大，从而提高了钛酸钙瓷的电气性能。我国目前生产的钛酸钙瓷的组成大致为：99的CaTiO3：1ZrO2。,第6章 介电陶瓷,6.3 中等介电常数介电陶瓷,6.3.2 钛酸钙瓷,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,67,钛酸钙瓷（CT）的和tan与温度的关系 CT1300 tan比金红石瓷 T750的小。使用温度可达150左右。介电系数较高，达150左右。,CTCaTiO3 钛酸钙瓷T-TiO2 金红石瓷后坠数字为温度系数如 T-750的温度系数为75010-6-1,第6章 介电陶瓷,6.3 中等介电常数介电陶瓷,6.3.2 钛酸钙瓷,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,68,应用 钛酸钙瓷具有较大和较大的负介电温度系数的一种瓷料，它可以制成大容量、小体积的高频陶瓷电容器，(低频-真空管電容麥克風、yinyue)用作容量稳定性要求不高的高频电容器，如耦合、旁路、储能、隔直流电容器等。在工厂中往往利用它的大的负温度系数作为材料的调节剂。,第6章 介电陶瓷,6.3 中等介电常数介电陶瓷,6.3.2 钛酸钙瓷,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,69,6.3.3 钛酸镁瓷,特点：介电损耗低，的绝对值小，可以调节至零附近，且原料丰富，成本低廉。钛酸镁瓷的烧结温度较高14501470，常在配方中加入ZnO、CaF2滑石等助熔剂，它们能与配方中其他组分形成低共熔物，有效改善烧结性能。为了防止TiO2还原，还可加人少量MnCO3。,第6章 介电陶瓷,6.3 中等介电常数介电陶瓷,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,70,正钛酸镁2MgOTiO2稳定偏钛酸镁MgOTiO2 特殊的条件下生成二钛酸镁MgO2TiO2稳定 此系统通常倾向于生成正钛酸镁，即使当二氧化钛和氯化镁按等摩尔比配合，甚至当TiO2的含量超过MgO时亦是如此，过剩的TiO2以游离状态存在。因此，钛酸镁都是以正钛酸镁为主晶相。,MgOTiO2系统三种化合物,第6章 介电陶瓷,6.3 中等介电常数介电陶瓷,6.3.3 钛酸镁瓷,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,71,从此图能看到什么信息？有何实际意义？,第6章 介电陶瓷,6.3 中等介电常数介电陶瓷,6.3.3 钛酸镁瓷,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,72,6.3.4 锡酸钙瓷,制备：生产以锡酸钙为主晶相的锡酸钙瓷时，必须先合成CaSnO3烧块，以SnO2和CaCO3为主要原料，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高温下合成，反应如下,CaCO3SnO2CaSnO3CO2,第6章 介电陶瓷,6.3 中等介电常数介电陶瓷,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,73,CaTiO3的含量对的影响近似的线性，控制CaTiO3的加入量，可使 在零左右。但因 负值太大，不好控制，若改用TiO2或T750作为调节剂，可使瓷料的略有提高，的波动范围较小。一般的加入量为25.5。,第6章 介电陶瓷,6.3 中等介电常数介电陶瓷,6.3.4 锡酸钙瓷,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,74,6.3.5 钛锆系瓷,以钛酸锆ZrTiO4为基；主要成分：ZrO2和TiO2 温度低于1800，存在稳定的ZrTiO4，ZrO2和TiO2均不能和ZrTiO4生成无限固溶体，相图中心线（等分子比线）两旁，有ZrO2相或金红石相析出。,第6章 介电陶瓷,6.3 中等介电常数介电陶瓷,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,75,主要特点：在相当宽的范围内可任意调节应用：介电温度系数系列化的电容器瓷。这类瓷还有钛硅酸钙瓷和镁镧钛瓷。,第6章 介电陶瓷,6.3 中等介电常数介电陶瓷,6.3.5 钛锆系瓷,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,76,第6章 介电陶瓷,6.3 中等介电常数介电陶瓷,6.3.5 钛锆系瓷,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,77,配方中各成分的作用TiO2和ZrO2：瓷料的主要成分，生成主晶相，70wt。膨润土：增塑剂BaCO3：通过Ba2抑制膨润土中的碱金属离子，改善瓷料的介电性能ZnO：矿化剂，降低瓷料的烧结温度SnO：矿化剂，与TiO2和ZrO2均能生成固溶体，主要作用是促进瓷料的烧结和有利于防止ZrO2的多晶转变。,第6章 介电陶瓷,6.3 中等介电常数介电陶瓷,6.3.5 钛锆系瓷,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,78,6.3.6 钛硅酸钙瓷,以钛硅酸钙（CaTiSiO5）为主晶相，引入适量的添加剂所得的一系列瓷料。,第6章 介电陶瓷,6.3 中等介电常数介电陶瓷,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,79,6.3.6 钛硅酸钙瓷,第6章 介电陶瓷,6.3 中等介电常数介电陶瓷,CaTiO3含量对的影响,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,80,钛硅酸钙瓷的特点 一般的热稳定电容器瓷都有一个共同的缺点，即在温度系数接近于零或在零的附近，很小，并很难获得很大的正值。然而钛硅酸钙瓷在这方面显示了它独特的优点。当选择适当的添加物时，当接近于零时，介电系数可高达100以上，而且这种瓷料的温度系数可以达到很大的正值，其他介电性能较好，tan较小，介电强度高。,第6章 介电陶瓷,6.3 中等介电常数介电陶瓷,6.3.6 钛硅酸钙瓷,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,81,钛硅酸钙瓷的制备 CaTiSiO5可单独预先合成，也可一次成瓷。预先合成：将CaCO3、TiO2和SiO2按等分子比混合，于1100进行预烧，保温2h。由于CaTiO3具有大负温度系数，因此用它来作为温度系数调节器，组成CaTiSiO5与CaTiO3的复合陶瓷。,第6章 介电陶瓷,6.3 中等介电常数介电陶瓷,6.3.6 钛硅酸钙瓷,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,82,6.1 材料的介电性质 6.2 低介电常数介电陶瓷 K小于126.3 中等介电常数介电陶瓷 K大于126.4 高介电常数介电陶瓷铁电陶瓷 K通常高于1000,第6章 介电陶瓷,本章内容,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,83,6.4.1 钛酸钡陶瓷,铁电钛酸钡的发现开辟了介电材料的一个新纪元，时至今日，钛酸钡陶瓷已成为电容器介电材料的重要组成部分。一般来说，电容器的使用在55125的范围，或是其中的一段。,电容器性能要求：在此温区介电常数高一些，随温度的变化小一些。,第6章 介电陶瓷,6.4 高介电常数介电陶瓷铁电陶瓷,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,84,置换作用,ABO3钙钛矿结构的钛酸钡与有类似结构组分形成固溶体，有展宽和移动居里峰的作用。这一现象首先在BaTiO3SrTiO3系统固溶体中发现（如图），后又相继在其他一些组成如铅、钙取代钡等系统中发现。,第6章 介电陶瓷,6.4 高介电常数介电陶瓷铁电陶瓷,6.4.1 钛酸钡陶瓷,展宽和移动居里峰的作用,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,85,由于固溶体中，在同类离子位置上安置不同类型的离子，这些异类离子是统计分布的。从宏观角度上是均匀的，但从微观角度上看则是不均匀的，这样就形成了许多微区。而铁电体的相变温度是与组成相关的，因此微区间成分的偏离和分布，就意味着各微区之间转变温度不同及其不同分布情况。所以不同宏观浓度的固溶体铁电体，有明显的铁电扩展。,置换作用,第6章 介电陶瓷,6.4 高介电常数介电陶瓷铁电陶瓷,6.4.1 钛酸钡陶瓷,能展宽和移动居里峰作用的原因,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,86,颗粒的影响,在钛酸钡陶瓷中，当颗粒直径下降到1m以下时，就有明显的展宽效应。这是因为在超细粉中电畴是无规则的，这种无规则导致了铁电转变的展宽。,第6章 介电陶瓷,6.4 高介电常数介电陶瓷铁电陶瓷,6.4.1 钛酸钡陶瓷,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,87,高介电常数介电陶瓷铁电陶瓷,第6章 介电陶瓷,6.4.1.3 常用铁电钛酸钡瓷的类型,（1）BaTiO3一BaSnO3系陶瓷 这类陶瓷中BaSnO3的含量在1015左右，配方中在主成分BaCO3、TiO2、SnO2外还外加ZnO以抑制晶粒过分长大；加少量黏土可以提高泥料塑性，改善工艺性能；加过量BaCO3以防游离SnO2出现。该类陶瓷的介电常数在60008000左右，室温电阻率为3.51011cm左右，5525的介电常数温度变化率在50左右。,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,88,高介电常数介电陶瓷铁电陶瓷,第6章 介电陶瓷,（2）BaTiO3-CaSnO3系陶瓷 为防止SnO2游离，先将Bi2O3和SnO2做成烧块，再与其他原料混合烧结。这类陶瓷的介电常数为20003000，介电损耗约14。其优点是工艺性较好，杂质敏感度不大，重复性好。,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,89,高介电常数介电陶瓷铁电陶瓷,第6章 介电陶瓷,（3）BaTiO3-BaZrO3系陶瓷 这类陶瓷的介电常数为30004000，介电损耗小于3，工艺性比较好。（4）BaTiO3SrZrO3CaTiO3系陶瓷 采用BaTiO3烧块、SrTiO3烧块和CaCO3、TiO2烧成。这类陶瓷的介电常数为40005000，介电损耗小于3，工艺性能好，性能比较稳定。,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,90,高介电常数介电陶瓷铁电陶瓷,第6章 介电陶瓷,6.4.2 铌酸盐系陶瓷,该系统具有很高的介电常数，即使不加添加剂，甚至是单晶，也具有比较平坦的介电常数-温度曲线。比如在钨酸铜结构的Pb（Mg1/3 Nb2/3）O3-PbTiO3一Ba（Zn1/3Nb2/3）O3系统中，就具有这类很宽的峰和高达25000的介电常数。在专利文献中有大量这类介电材料组成的报道。这类介电材料的另一个吸引人的优点是其陶瓷的致密化过程可以在很低的烧结温度下进行，这便可在多层电容器中使用银钯合金电极。,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,91,高介电常数介电陶瓷铁电陶瓷,第6章 介电陶瓷,6.4.3 阻挡层电容器,大多数含TiO2的材料，在还原气氛下烧成时材料的表面为导电性，若随后在空气或氧气中退火，大多数材料重新获得高阻抗态。阻挡层电容器的制备主要是根据还原了的化合物可部分再氧化这一原理。它使得材料的表面具有高阻抗特性，而内部却是导电的。这样一来，对整个材料来说，有效介电层厚度即为上、下两层氧化层厚度（h上h下）。因此相对于全部被氧化的材料（厚度为d）来说，这种材料的介电常数得到了明显的提高，两者介电常数之比为d（h上h下）。这称为表面层半导体陶瓷电容器。,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,92,高介电常数介电陶瓷铁电陶瓷,第6章 介电陶瓷,若上面所讲的有效介电层（即高阻抗薄层）不仅是在电极接触上存在，而是在每一个晶粒的周围（晶界）存在，那么整个材料就好像许许多多个电容器堆砌而成，其有效介电常数将大大提高，这就成了晶界层陶瓷。,具有很高的介电常数（2000080000），具有很好的抗潮性和工作可靠性，性能随温度的变化平缓，工作电压相当高。,2023/7/9,材料科学与工程学院 材料系,93,晶界层陶瓷是在BaTiO3半导体陶瓷表面上涂覆上适当的金属氧化物（如CuO、MnO2、Bi2O3、TiO2等），而后在适当的温度下和空气中进行热处理（第二次烧结），使涂覆氧化物与BaTiO3等形成低共熔相，沿着开口气孔，渗透到陶瓷内部，并利用物质沿晶界扩散速度快的特征，使氧化物的晶界迅速扩散，在晶界上形成极薄的绝缘层。或者把BaTiO3等陶瓷在一定气氛中煅烧，使晶粒发育比较充分的BaTiO3半导化，然后在适当的温度和氧化条件下，使分凝在晶界上的金属氧化物充分氧化，从而形成绝缘层。,高介电常数介电陶瓷铁电陶瓷,第6章 介电陶瓷,Pierre Curie was born in Paris,on May 15,1859.Pierre was killed in a street accident in Paris on April 19,1906.,Maric CuricBorn in Warsaw on Novembe