介质材料4

第四章介电材料介电陶瓷材料是指电阻率大于108Ω.m的陶瓷材料，能承受较强的电场而不被击穿。它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。用于各类电容器。一、极化和介电常数电介质是指能在电场中极化的材料。电介质在电场作用下产生感应电荷的现象叫极化。在平板电容器中，其电容量C与平板的面积S、板间距离d的关系，即C=εS/d,式中ε为静态介电常数,显然ε代表了板间电介质的性能。当带有电介质的电容C与无电介质（真空）的电容Co之比称为电介质的相对介电常数εr。第四章介电陶瓷二、电介质的介电损耗电介质在外电场作用下，其内部会有发热现象，这说明有部分电能已转化为热能耗散掉，这种介质内的能量损耗称为介质损耗。常用tgδ表示，其值越大，能量损耗也越大。δ称介电损耗角，其物理意义是指在交变电场下电位移D与电场强度E的相位差。tgδ是所有应用于交变电场中电介质的重要的品质指标之一。介质损耗越小越好。相对介电常数和介电损耗是电子陶瓷材料中的一个重要参数,不同用途的陶瓷,对它们有不同的要求.第四章介电陶瓷三、介电陶瓷电容器陶瓷电容器以其体积小、容量大、结构简单、优良的高频特性、品种繁多、价格低廉，便于批量生产而广泛应用于家用电器、通信设备、工业仪器等领域，是目前飞速发展的电子技术的基础之一。用于制造陶瓷电容器的介电陶瓷，对材料有以下要求：（1）介电常数应尽可能高；（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）介质损耗要小；（4）比体积电阻率高于1010Ω.m(绝缘电阻率通常大于1010Ω.m),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,因此必须提高电容器的耐压特性。第四章介电陶瓷四、陶瓷电容器的分类和特征（1）非铁电电容器陶瓷（Ⅰ型），其特点是高频损耗小，介电常数随温度变化而呈线性变化，又称热补偿电容器陶瓷；（2）铁电电容器陶瓷（Ⅱ型），其特点是介电常数随温度变化而呈非线性变化，而且介电常数很高，又称高介电常数陶瓷；（3）反铁电电容器陶瓷（Ⅲ型），其特点是储能密度高，储能释放充分，可用于储能电容器（4）半导体电容器陶瓷（Ⅳ型）第四章介电陶瓷五、介电陶瓷材料及应用1、温度补偿电容器用介电陶瓷主要用于高频振荡电路中作为补偿电容介质，在性能上要求具有稳定的电容温度系数和低的介质损耗。其性能见表3-2。以CaTiO3为例：具有较高的介电常数和负温度系数，可以制成小型高容量的高频陶瓷电容器。常见的配方为：CaTiO3：99%，ZrO2：1%；烧结温度为1360℃±20℃工艺要求：采用氧化气氛烧结；不易采用湿磨；烧结温度和时间控制好，防止开裂。第四章介电陶瓷除CaTiO3外,材料体系还有:MgTiO3,SrTiO3MgTiO3-SrTiO3,CaTiO3-SrTiO3-Bi2O3-TiO2,CaTiO3-La2O3-TiO2,BaTiO3-Nd2O3-TiO2,CaTiO3-La2O3-Bi2O3TiO2,BaTiO3-SrTiO3-La2O3-TiO2,第四章介电陶瓷2、热稳定型电容器陶瓷材料分为高频热稳定电容器陶瓷和微波介电陶瓷。（1）高频热稳定电容器陶瓷其主要特点是介电常数的温度系数的绝对值很小，有的甚至接近于零。如：MgTiO3瓷，,介电损耗低,温度系数的绝对值小,且原料丰富,成本低，但烧结温度较高（~1450℃），难以控制。典型配方为：菱镁矿71%、TiO224%、苏州土3%、膨润土2%，CaF20.45%第四章介电陶瓷（2）微波介电陶瓷微波介电陶瓷主要用于制作微波电路元件，在微波滤波器中用作介质谐振器。评价微波介电陶瓷材料的主要参数是介电常数、品质因素和谐振频率温度系数。要求具有以下性能：适当大小的介电常数，且值稳定；介电损耗小；有适当的介电常数温度系数；热膨胀系数小。其研究体系有：MgO-CaO-TiO2MgO-La2O3-TiO2ZrO2-SnO2-TiO2Ba（Zn1/3Ta2/3）O3-Ba（Zn1/3Nb2/3）O3Ba（Ni1/3Ta2/3）O3-Ba（Zr0.04Zn0.32Nb0.64）O3第四章介电陶瓷微波陶瓷材料的研究进展：（1）新材料系统相图的研究，晶体结构和微波介电性能的关系的研究，化合物形成的机理及动力学研究；（2）材料掺杂改性技术的研究（3）材料制备工艺技术的研究（4）低烧材料的开发研究（5）工程化生产技术研究（6）器件结构的设计、性能的优化及测试技术的研究（7）器件多层片式化的技术第四章介电陶瓷（3）高介电常数电容器用陶瓷（新型电容器陶瓷材料）分为：高温烧结型（1300℃以上）、中温烧结型（1000~1250℃）、低温烧结型（低于900℃）A、低温烧结型：典型的体系有：Pb（Mg1/3Nb2/3）O3-PbTiO3-Bi2O3Pb（Mg1/3Nb2/3）O3-PbTiO3-Pb（Cd1/2W1/2）O3PMN是系统中的主晶相,是复合钙钛矿型的铁电体,其居里温度为-15℃。居里温度的介电常数为12600，室温的介电常数为8500，常温的tgδ〈100×10-4。在不同频率的弱电场作用下，介电常数与tgδ随温度的变化而变化，随着频率的增加，居里点向高温方向移动，同时介电常数下降，而tgδ增大。第四章介电陶瓷虽然PMN具有高的介电常数，tgδ也较小，成瓷温度在1050~1100℃，可用来制作低温烧结独石电容器。但缺点是居里温度和负温损耗较大。为此，通常使用PbTiO3做为移峰剂。编号PbTiO3量mol%居里温度℃烧成温度℃1101511002144511003205511004308511005401251100第四章介电陶瓷0200040006000800010000-100-50050100150Temperature（℃）Dielectricconstant100Hz1kHz10kHz100Hz1kHz10kHz第四章介电陶瓷050001000015000200002500030000-100-50050100150Temperature（℃）DielectricconstantPMNPMN4PMN10PMN15PMN18PMN20第四章介电陶瓷由于PbTiO3的加入没有改变烧成温度，显然不能与银电极配合，因此需要引入助熔剂，使瓷料烧成温度降至900℃，通常加入Bi2O3作为助熔剂。Bi2O3的熔点为820℃，以便与MgO、PbO形成低共熔物，在低温下出现液相，降低瓷料的烧结温度。典型的配方为：0.96Pb（Mg1/3Nb2/3）O3-0.14PbTiO3-0.04Bi2O3第四章介电陶瓷Pb（Mg1/3Nb2/3）O3的合成：一步合成法：PbO+MgO+Nb2O5Pb(Mg1/3Nb2/3)O3+Pb3Nb4O13（焦绿石相）采用的措施：二次合成法：MgO+Nb2O51000℃MgNb2O6MgNb2O6+3PbOPb(Mg1/3Nb2/3)O3第四章介电陶瓷CMO法的固相反应机理是：3PbO+2Nb2O5Pb3Nb4O13（P3N2）（550℃～750℃）P3N2+1/3MgO+PbO+PTPMN-PT+P3N2（800℃～900℃）第四章介电陶瓷添加BaTiO3、PbTiO3等添加剂：BaTiO3(BT)：6—7SrTiO3(ST)：9—10PbTiO3(PT)：30—40PbZrO3(PZ)：55—60第四章介电陶瓷熔盐法：MSS法中固态反应机理是：3PbO+Nb2O5Pb3Nb2O8（P3N）（～550℃）P3N（Pb2Nb4/3O16/3）+2/3MgOPb2Nb4/3Mg2/3O6（～650℃）2P3NP3N2+3PbO（～650℃）Pb2Nb4/3Mg2/3O6+PTPMN-PT（～700℃）1/6P3N2+1/3MgO+1/2PbO+PTPMN-PT(～800℃)用MSS法制备PMN-PT陶瓷时，主要形成了一个富Pb的、缺B位、不稳定的焦绿石相P3N，Mg2+很容易占据Nb5+的空位形成立方焦绿石相Pb2Nb4/3Mg2/3O6，而Pb（Mg1/3Nb2/3）O3是立方钙钛矿结构，因此，很容易发生转变。第四章介电陶瓷第四章介电陶瓷第四章介电陶瓷第四章介电陶瓷第四章介电陶瓷B、中温烧结低频（Ⅱ型）独石电容器瓷料主要有X7R、Z5U、Y5V三个系列材料主要有：以BaTiO3为基的铁电陶瓷和以铅为基的复合钙钛矿型化合物两大类。