介電功能材料

1、第四章 介電材料 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=S/d, 式中為靜態(tài)介電常數(shù),顯然代表了板間 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)r。 第四章 介電陶瓷 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)

2、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tg表示，其值越 大，能量損耗也越大。 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。 tg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. 第四章 介電陶瓷 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

3、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??； （4）比體積電阻率高于1010.m(絕緣電阻率通常大于 1010.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。 第四章 介電陶瓷 四、陶瓷電容器的分類和特征 （1）非鐵電電容器陶瓷（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（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

4、常數(shù)陶瓷； （3）反鐵電電容器陶瓷（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（型） 第四章 介電陶瓷 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136020 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。 第四章 介電陶瓷 除CaTiO3外,材料

5、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, 第四章 介電陶瓷 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。

6、典型配方為：菱鎂礦71%、TiO2 24%、蘇州土3%、 膨潤(rùn)土2%，CaF2 0.45% 第四章 介電陶瓷 （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（Zr0.04Z

7、n0.32Nb0.64）O3 第四章 介電陶瓷 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) 第四章 介電陶瓷 （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 （10001250）、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-PbTi

8、O3-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tg10010-4。在不同頻率的弱電場(chǎng)作 用下，介電常數(shù)與tg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tg增 大。 第四章 介電陶瓷 雖然PMN具有高的介電 常數(shù)，tg也較小，成瓷溫 度在10501100，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。 編號(hào)PbT

9、iO3量 mol% 居里溫 度 燒成溫 度 110151100 214451100 320551100 430851100 5401251100 第四章 介電陶瓷 0 2000 4000 6000 8000 10000 -100-50050100150 Temperature（） Dielectric constant 100Hz 1kHz 10kHz 100Hz 1kHz 10kHz 第四章 介電陶瓷 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 -100-50050100150 Temperature （） Dielectric constant PMN PMN

10、4 PMN10 PMN15 PMN18 PMN20 第四章 介電陶瓷 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 第四章 介電陶瓷 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

11、： 二次合成法： v MgO+ Nb2O5 1000 MgNb2O6 vMgNb2O6+ 3 PbO Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 第四章 介電陶瓷 vCMO法的固相反應(yīng)機(jī)理是： v3PbO + 2Nb2O5 P b3Nb4O13（P3N2） （550750） vP3N2 +1/3MgO + PbO + PT PMN-PT + P3N2（800900） 第四章 介電陶瓷 添加BaTiO3、PbTiO3等添加劑： BaTiO3(BT)：67 SrTiO3(ST)： 910 PbTiO3(PT)：3040 PbZrO3(PZ)：5560 第四章 介電陶瓷 v熔鹽法： vMSS法中固態(tài)反應(yīng)機(jī)理是： v3PbO + Nb2O5 Pb3Nb2O8（P3N） （550） vP3N（Pb2Nb4/3O16/3）+ 2/3MgO Pb2Nb4/3Mg2/3O6 （650） v2P3N P3N2 +3PbO （650） vPb2Nb4/3Mg2/3O6 + PT PMN-PT （700） v1/6P3N2 + 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