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2009 8 25 安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院 1 功能陶瓷第三章介電陶瓷 裴立宅lzpei1977 lzpei 安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院 2009 8 25 安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院 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 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?shù)慕殡姵?shù)溫度系數(shù)的一類陶瓷 2009 8 25 安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院 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 25 安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院 4 在電場作用下 電介質(zhì)以正 負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 25 安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院 5 2009 8 25 安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院 6 2009 8 25 安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院 7 3 2極化與介質(zhì)損耗 2009 8 25 安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院 8 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 tg 的倒數(shù)Q Q 1 tg 稱為介電陶瓷材料的電學品質(zhì)因數(shù) 這也是介電陶瓷重要的特征評價參數(shù) 2009 8 25 安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院 9 松弛極化 當材料中存在弱聯(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) 空間電荷極化 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)部的正負間隙離子分別向負 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 空間電荷的建立需要較長時間 大約幾秒到數(shù)十分鐘 甚至可達數(shù)十小時 2009 8 25 安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院 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 25 安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院 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1010 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 25 安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院 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償 I型 溫度穩(wěn)定 II型 高介電常數(shù) III型 和半導體系 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)大學材料科學與工程學院 13 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60年代以來 開始使用MgO La2O3 TiO2 CaTiO3 SrTiO3 MgTiO3和LaTiO3等 2009 8 25 安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院 14 2009 8 25 安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院 15 溫度補償電容器陶瓷的介電特性 2009 8 25 安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院 16 2 半導體電容器陶瓷 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)施主摻雜半導體陶瓷的基體上涂覆金屬氧化物并在空氣中進行熱處理 雜質(zhì)沿晶界擴展 促使半導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系半導體 2009 8 25 安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院 17 半導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 東莞偉達電子有限公司產(chǎn) 2009 8 25 安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院 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 25 安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院 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 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)大學材料科學與工程學院 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 雷達高壓電路及避雷器 斷路器等方面 2009 8 25 安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院 21 2009 8 25 安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院 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)大學材料科學與工程學院 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)大學材料科學與工程學院 24 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 25 安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院 25 微波陶瓷耦合器 2009 8 25 安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院 26 微波介質(zhì)陶瓷濾波器 2009 8 25 安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院 27 謝謝