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2009 8 25 安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 1 功能陶瓷第三章介電陶瓷 裴立宅lzpei1977 lzpei 安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 2009 8 25 安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 2 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(shuō) 介電陶瓷是通過(guò)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 25 安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 3 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(shí) 兩板的電位差總是比沒(méi)有電介質(zhì)存在 真空 時(shí)低 在介質(zhì)表面上會(huì)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(chǎng) 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(chǎng)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(chǎng)的作用下內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化 并且反過(guò)來(lái)影響外電場(chǎng)的物質(zhì) 2009 8 25 安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 4 在電場(chǎng)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(lái)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(chǎng)作用下發(fā)生畸變 以及由于正負(fù)離子的相對(duì)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(gè)主要的宏觀物理量 2009 8 25 安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 5 2009 8 25 安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 6 2009 8 25 安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 7 3 2極化與介質(zhì)損耗 2009 8 25 安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 8 實(shí)際用的絕緣材料 其電阻不可能無(wú)窮大 在外電場(chǎng)作用下 總有一些帶電質(zhì)點(diǎn)會(huì)發(fā)生移動(dòng)而引起漏導(dǎo)損耗 一切介質(zhì)在電場(chǎng)中均會(huì)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(guò)程中都會(huì)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 tg 的倒數(shù)Q Q 1 tg 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(píng)價(jià)參數(shù) 2009 8 25 安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 9 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(diǎn)時(shí) 熱運(yùn)動(dòng)使這些松弛質(zhì)點(diǎn)分布混亂 而電場(chǎng)力圖使這些質(zhì)點(diǎn)按電場(chǎng)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(diǎn)在熱運(yùn)動(dòng)時(shí)移動(dòng)的距離 可與分子大小相比擬 甚至更大 并且質(zhì)點(diǎn)需要克服一定的勢(shì)壘才能移動(dòng) 因此這種極化建立的時(shí)間較長(zhǎng) 可達(dá)到10 2 10 9s 需要吸收一定的能量 是一種非可逆過(guò)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) 空間電荷極化 常發(fā)生不均勻介質(zhì)中 在電場(chǎng)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(dòng) 引起介質(zhì)內(nèi)各點(diǎn)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(yùn)動(dòng)加劇 離子容易擴(kuò)散 因而空間電荷減少 空間電荷的建立需要較長(zhǎng)時(shí)間 大約幾秒到數(shù)十分鐘 甚至可達(dá)數(shù)十小時(shí) 2009 8 25 安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 10 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(gè)電視機(jī)或錄像機(jī)中都含有100 200個(gè)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(jī)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(guò)濾器時(shí) 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 25 安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 11 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(duì)于高功率陶瓷電容器 能提高無(wú)功功率 4 比體積電阻高于1010 m 這樣可保證在高溫下工作 5 具有較高的介電強(qiáng)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(duì)充分發(fā)揮陶瓷的功能有重要作用 2009 8 25 安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 12 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(bǔ)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 25 安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 13 1 溫度補(bǔ)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(lái) 開始使用MgO La2O3 TiO2 CaTiO3 SrTiO3 MgTiO3和LaTiO3等 2009 8 25 安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 14 2009 8 25 安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 15 溫度補(bǔ)償電容器陶瓷的介電特性 2009 8 25 安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 16 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(kuò)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(jī)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 25 安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 17 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?jìng)ミ_(dá)電子有限公司產(chǎn) 2009 8 25 安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 18 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(guò)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(jī) 收錄機(jī)和錄像機(jī)等電子產(chǎn)品中 2009 8 25 安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 19 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(diǎn) 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 25 安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 20 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(qiáng)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(jī) 雷達(dá)高壓電路及避雷器 斷路器等方面 2009 8 25 安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 21 2009 8 25 安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 22 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)損耗小 3 介電常數(shù)溫度系數(shù)小 4 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 25 安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 23 微波介質(zhì)陶瓷主要用于諧振器 耦合器 濾波器等微波器件以及微波介質(zhì)基片 2009 8 25 安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 24 微波介質(zhì)陶瓷諧振器 深圳晶科鑫實(shí)業(yè)有限公司產(chǎn) 2009 8 25 安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 25 微波陶瓷耦合器 2009 8 25 安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 26 微波介質(zhì)陶瓷濾波器 2009 8 25 安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 27 謝謝