特种陶瓷材料;第6章 介电陶瓷; ; ; ;第6章 介电陶瓷;第6章 介电陶瓷;1. 介电常数;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 ε0 —线 F/m; 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：;2. 极化;陶瓷和玻璃有 4种 极化机制;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。;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。;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。 ; 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10-3～10范围内的偶极子极化和界面极化。;3 介电损耗;损耗来自两方面： ①有一些带电质点在外场作用移动而引起漏导。 ②与偶极子转动和振动相关的能量损耗。;由图可得(式推导详见P122) I1／Ic＝tanδ ;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。;介质损耗因子的作用 在绝缘设计时，须注意绝缘材料的tanδ。tanδ过大会引起发热，使绝缘加速老化，甚至有可能导致热击穿。 测tanδ可判断电气设备劣化的进程，故tanδ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tanδ的影响，可使工作时候的温度下tanδ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，就非常容易导致电容器绝缘材???因过热而击穿。;4 介电强度;4 介电强度;6.1.2 材料的非线 材料的非线 材料的非线性介电性质;电畴可利用以下方法观测;6.1.2 材料的非线性介电性质;a 移除电场后晶界处的残余电畴 SEM;铁电理论——Curie－Weiss定律 著名的居里—韦斯定律;Curie－Weiss定律另一种表示;铁电体晶体结构;产生自发极化 ;6.1.2 材料的非线性介电性质; ;电滞回线;铁电(磁)体的电(磁)滞回线 材料的非线性介电性质; ; 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。 这类陶瓷大多分布在在MgO－Al2O3－SiO2三元系统内。;6.2.1 滑石瓷;6.2.2 镁橄榄石瓷;6.2.3 堇青石瓷;6.2.4 氧化铝瓷; 95 氧化铝陶瓷最重要的用途是用来制造火花塞，要有良好的抗热震性和电学性能。通常要承受工艺流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1MV／m的电场下有充足的绝缘性能，且表面应保持非常干净，以减少打火花现象。 ;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？ ;6.2.5 氧化铍瓷;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。;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，生产需采取比较特殊的保护措施。;6.2.6 氮化硼瓷;6.2.6 氮化硼瓷; ; 介电常数k在12以上的非铁电体陶瓷，由于其大多数都用在电容器制造，故亦被称为非铁电电容器陶瓷。;介电常数的温度系数αε ——介电常数随温度的变化率;1、金红石瓷 2、钛酸钙瓷 3、钛酸镁瓷 4、锡酸钙瓷 ;6.3.1 金红石瓷 ;★中等介电常数介电陶瓷;金红石瓷工作时候的温度不宜过高，一般工作时候的温度不超过85℃。;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。会在外界各种各样的因素的长期作用下，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明显的变化（如塑料老化）。; CaCO3＋TiO2 1280℃～1320℃ CaTiO3＋CO2↑;得到CaTiO3的配比和烧结温度可选择多少？;第6章 介电陶瓷;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。 坏因：烧成温度比较高且烧成温范较窄。 解决办法：选用适当的助熔剂，如ZrO2 。;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，还能够扩大烧结温度范围，并能阻止CaTiO3的二次晶粒长大，来提升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 ：1％ZrO2。 ;钛酸钙瓷（CT）的ε和tanδ与温度的关系 CT－1300 tanδ比金红石瓷 T－750的小。使用温度可达150℃左右。介电系数ε较高，达150左右。; 应用 钛酸钙瓷具有较大ε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。 ;6.3.3 钛酸镁瓷;正钛酸镁2MgO·TiO2－稳定 偏钛酸镁MgO·TiO2 －特殊的条件下生成 二钛酸镁MgO·2TiO2－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。 ;从此图能看到什么信息？有何实际意义？;6.3.4 锡酸钙瓷 ; CaTiO3的含量对αε的影响 近似的线的加入量，可使αε 在零左右。但因αε 负值太大，不好控制，若改用TiO2或T－750作为调节剂，可使瓷料的ε略有提高，αε的波动范围较小。一般的加入量为2％～5.5％。;6.3.5 钛锆系瓷 ;主要特征：αε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;配方中各成分的作用 TiO2和ZrO2：瓷料的主要成分，生成主晶相， 70％wt。 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，最大的作用是促进瓷料的烧结和有利于防止ZrO2的多晶转变。;6.3.6 钛硅酸钙瓷 ;6.3.6 钛硅酸钙瓷 ;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，ε很小，并很难获得很大的正αε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αε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能够达到很大的正值，其他介电性能较好，tanδ较小，介电强度高。 ;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。 ; ;6.4.1 钛酸钡陶瓷 ; ; 由于固溶体中，在同类离子位置上安置不一样的离子，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，就从另一方面代表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。;颗粒的影响;★高介电常数介电陶瓷——铁电陶瓷;★高介电常数介电陶瓷——铁电陶瓷;★高介电常数介电陶瓷——铁电陶瓷;★高介电常数介电陶瓷——铁电陶瓷;★高介电常数介电陶瓷——铁电陶瓷;★高介电常数介电陶瓷——铁电陶瓷;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。;Pierre Curie was born in Paris, on May 15, 1859. Pierre was killed in a street accident in Paris on April 19, 1906. ;第6章 介电陶瓷;6.1.2 材料的非线 材料的非线性介电性质;有关顺电体的描述 一般来说，材料的铁电性只存在于居里温度以下，在这个温度以上，材料变为顺电体； 当晶体从高温降温经过Tc时，要经过一个从非铁电相（有时称顺电相）到铁电相的结构相变。 多数材料的极化是与外加电场线性成正比的，非线性效应是不显著的。有些称作顺电体的材料，线性的极化效应更加显著。 综上所述： 顺电体即为非铁电体，是极化强度P与外电场E呈线性关系的电介质材料。;第6章 介电陶瓷;6.1.2 材料的非线性介电性质; 研究论文每年3000篇以上 定期召开国际会议： 国际铁电会议（IMF） 欧洲铁电会议（EMF） 铁电应用国际讨论会（ISAF） 集成铁电体国际讨论会（ISIF） 亚洲铁电会议（AMF） 专业杂志： 《Ferroelectrics》,《 Ferroelectrics Letters》, 《Integrated Ferroelectrics》, 《IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control》;居里温度 Tc;至今已经发现的铁电晶体有一千多种。 自发极化强度从10-4C/m2到1C/m2； 居里点有的低到-261.5°C（酒石酸铊锂），有的高于1500°C。;铁电体磁滞回线测定仪;者猫钱焰汁蔑杜金哇氮惰娠讲疙容瑶歌键你峰繁尾迢驹延非畦贸斑团栅蠢第六章电介质陶瓷第六章电介质陶瓷;铁电体参数测定仪
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