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陶瓷材料的介電性能講解（介電常數(shù)介質(zhì)損耗儀）

介電陶瓷材料是指電阻率大于10⁸?.m的陶瓷材料，能承受較強(qiáng)的電場(chǎng)而不被擊穿。它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)。用于各類電容器。

一、極化和介電常數(shù)

       電介質(zhì)是指能在電場(chǎng)中極化的材料。

      電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生感應(yīng)電荷的現(xiàn)象叫極化。

      在平板電容器中，其電容量C與平板的面積S、板間距離d的關(guān)系，即

                     C=εS/d, 式中ε為靜態(tài)介電常數(shù),顯然ε代表了板間電介質(zhì)的性能。

           當(dāng)帶有電介質(zhì)的電容C與無(wú)電介質(zhì)（真空）的電容Co之比稱為電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)εr。

二、電介質(zhì)的介電損耗

        電介質(zhì)在外電場(chǎng)作用下，其內(nèi)部會(huì)有發(fā)熱現(xiàn)象，這說(shuō)明有部分電能已轉(zhuǎn)化為熱能耗散掉，這種介質(zhì)內(nèi)的能量損耗稱為介質(zhì)損耗。常用tgδ表示，其值越大，能量損耗也越大。 δ稱介電損耗角，其物理意義是指在交變電場(chǎng)下電位移D與電場(chǎng)強(qiáng)度E的相位差。

        tgδ是所有應(yīng)用于交變電場(chǎng)中電介質(zhì)的重要的品質(zhì)指標(biāo)之一。介質(zhì)損耗越小越好。

          相對(duì)介電常數(shù)和介電損耗是電子陶瓷材料中的一個(gè)重要參數(shù),不同用途的陶瓷,對(duì)它們有不同的要求.

三、介電陶瓷電容器

         陶瓷電容器以其體積小、容量大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、優(yōu)良的高頻特性、品種繁多、價(jià)格低廉，便于批量生產(chǎn)而廣泛應(yīng)用于家用電器、通信設(shè)備、工業(yè)儀器等領(lǐng)域，是目前飛速發(fā)展的電子技術(shù)的基礎(chǔ)之一。

         用于制造陶瓷電容器的介電陶瓷，對(duì)材料有以下要求：

（1）介電常數(shù)應(yīng)盡可能高；

（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）介質(zhì)損耗要小；

（4）比體積電阻率高于1010Ω.m(絕緣電阻率通常大于 1010Ω.m ),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,因此必須提高電容器的耐壓特性。

四、陶瓷電容器的分類和特征

（1）非鐵電電容器陶瓷（Ⅰ型），其特點(diǎn)是高頻損耗小，介電常數(shù)隨溫度變化而呈線性變化，又稱熱補(bǔ)償電容器陶瓷；

（2）鐵電電容器陶瓷（Ⅱ型），其特點(diǎn)是介電常數(shù)隨溫度變化而呈非線性變化，而且介電常數(shù)很高，又稱高介電常數(shù)陶瓷；

（3）反鐵電電容器陶瓷（Ⅲ型），其特點(diǎn)是儲(chǔ)能密度高，儲(chǔ)能釋放充分，可用于儲(chǔ)能電容器

（4）半導(dǎo)體電容器陶瓷（Ⅳ型）

五、介電陶瓷材料及應(yīng)用

1、溫度補(bǔ)償電容器用介電陶瓷

     主要用于高頻振蕩電路中作為補(bǔ)償電容介質(zhì)，在性能上要求具有穩(wěn)定的電容溫度系數(shù)和低的介質(zhì)損耗。其性能見表3-2。

      以CaTiO3為例：具有較高的介電常數(shù)和負(fù)溫度系數(shù)，可以制成小型高容量的高頻陶瓷電容器。常見的配方為：

CaTiO3：99%，ZrO2：1%；燒結(jié)溫度為1360℃±20℃

工藝要求：采用氧化氣氛燒結(jié)；不易采用濕磨；燒結(jié)溫度和時(shí)間控制好，防止開裂。

除CaTiO3外,材料體系還有: MgTiO3, SrTiO3

MgTiO3-SrTiO3, CaTiO3-SrTiO3-Bi2O3-TiO2,

CaTiO3-La2O3-TiO2, BaTiO3-Nd2O3-TiO2,

CaTiO3-La2O3-Bi2O3TiO2, 

BaTiO3-SrTiO3-La2O3-TiO2,

2、熱穩(wěn)定型電容器陶瓷材料

        分為高頻熱穩(wěn)定電容器陶瓷和微波介電陶瓷。

（1）高頻熱穩(wěn)定電容器陶瓷

        其主要特點(diǎn)是介電常數(shù)的溫度系數(shù)的絕對(duì)值很小，有的甚至接近于零。

如：MgTiO3瓷，,介電損耗低,溫度系數(shù)的絕對(duì)值小,且原料豐富,成本低，但燒結(jié)溫度較高（~1450℃），難以控制。

典型配方為：菱鎂礦71%、TiO2 24%、蘇州土3%、膨潤(rùn)土2%，CaF2 0.45%

（2）微波介電陶瓷

        微波介電陶瓷主要用于制作微波電路元件，在微波濾波器中用作介質(zhì)諧振器。評(píng)價(jià)微波介電陶瓷材料的主要參數(shù)是介電常數(shù)、品質(zhì)因素和諧振頻率溫度系數(shù)。

         要求具有以下性能：適當(dāng)大小的介電常數(shù)，且值穩(wěn)定；介電損耗??；有適當(dāng)?shù)慕殡姵?shù)溫度系數(shù)；熱膨脹系數(shù)小。

其研究體系有：MgO-CaO-TiO2

                         MgO-La2O3-TiO2

                         ZrO2-SnO2-TiO2

                         Ba（Zn1/3Ta2/3）O3-Ba（Zn1/3Nb2/3）O3

                        Ba（Ni1/3Ta2/3）O3-Ba（Zr0.04Zn0.32Nb0.64）O3 

微波陶瓷材料的研究進(jìn)展：

（1）新材料系統(tǒng)相圖的研究，晶體結(jié)構(gòu)和微波介電性能的關(guān)系的研究，化合物形成的機(jī)理及動(dòng)力學(xué)研究；

（2）材料摻雜改性技術(shù)的研究

（3）材料制備工藝技術(shù)的研究

（4）低燒材料的開發(fā)研究

（5）工程化生產(chǎn)技術(shù)研究

（6）器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、性能的優(yōu)化及測(cè)試技術(shù)的研究

（7）器件多層片式化的技術(shù)

（3）高介電常數(shù)電容器用陶瓷（新型電容器陶瓷材料）

   分為：高溫?zé)Y(jié)型（1300℃以上）、中溫?zé)Y(jié)型（1000~1250℃）、低溫?zé)Y(jié)型（低于900℃）

A、低溫?zé)Y(jié)型：

     典型的體系有：Pb（Mg1/3Nb2/3）O3-PbTiO3-Bi2O3

                Pb（Mg1/3Nb2/3）O3-PbTiO3-Pb（Cd1/2W1/2）O3

      PMN是系統(tǒng)中的主晶相,是復(fù)合鈣鈦礦型的鐵電體,其居里溫度為-15℃。居里溫度的介電常數(shù)為12600，室溫的介電常數(shù)為8500，常溫的tgδ<100×10-4。在不同頻率的弱電場(chǎng)作用下，介電常數(shù)與tgδ隨溫度的變化而變化，隨著頻率的增加，居里點(diǎn)向高溫方向移動(dòng)，同時(shí)介電常數(shù)下降，而tgδ增大。

雖然PMN具有高的介電常數(shù)，tgδ也較小，成瓷溫度在1050~1100℃，可用來(lái)制作低溫?zé)Y(jié)獨(dú)石電容器。但缺點(diǎn)是居里溫度和負(fù)溫?fù)p耗較大。為此，通常使用PbTiO3做為移峰劑。

由于PbTiO3的加入沒有改變燒成溫度，顯然不能與銀電極配合，因此需要引入助熔劑，使瓷料燒成溫度降至900℃，通常加入Bi2O3作為助熔劑。 Bi2O3的熔點(diǎn)為820℃，以便與MgO、PbO形成低共熔物，在低溫下出現(xiàn)液相，降低瓷料的燒結(jié)溫度。

      典型的配方為：

     0.96Pb（Mg1/3Nb2/3）O3-0.14PbTiO3-0.04Bi2O3

Pb（Mg1/3Nb2/3）O3的合成：

一步合成法：

PbO+MgO+Nb2O5                       Pb(Mg1/3Nb2/3)O3

                                                               +Pb3Nb4O13 （焦綠石相）

采用的措施：

二次合成法：

 MgO+ Nb2O5     1000℃   MgNb2O6

MgNb2O6+ 3 PbO               Pb(Mg1/3Nb2/3)O3

CMO法的固相反應(yīng)機(jī)理是：

3PbO + 2Nb2O5          P b3Nb4O13（P3N2）   （550℃～750℃）

P3N2 +1/3MgO + PbO + PT       PMN-PT  + P3N2（800℃～900℃）

添加BaTiO3、PbTiO3等添加劑：

       BaTiO3(BT)：6—7

       SrTiO3(ST)： 9—10

       PbTiO3(PT)：30—40

       PbZrO3(PZ)：55—60

熔鹽法：

MSS法中固態(tài)反應(yīng)機(jī)理是：

3PbO + Nb2O5           Pb3Nb2O8（P3N）      （～550℃）

P3N（Pb2Nb4/3O16/3）+ 2/3MgO        Pb2Nb4/3Mg2/3O6

                                                       （～650℃）

2P3N             P3N2 +3PbO                   （～650℃）

Pb2Nb4/3Mg2/3O6 + PT            PMN-PT          （～700℃）

1/6P3N2 + 1/3MgO + 1/2PbO + PT          PMN-PT 

                                                                 (～800℃)

            用MSS法制備PMN-PT陶瓷時(shí)，主要形成了一個(gè)富Pb的、缺B位、不穩(wěn)定的焦綠石相P3N，Mg2+很容易占據(jù)Nb5+的空位形成立方焦綠石相Pb2Nb4/3Mg2/3O6，而

     Pb（Mg1/3Nb2/3）O3是立方鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，因此，很容易發(fā)生轉(zhuǎn)變。 

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