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，能承受較強的電場而不被擊穿。它具有較高的介電常數(shù)、較低的介質(zhì)損耗和適當?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)是指能在電場中極化的材料。 電介質(zhì)在電場作用下產(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。 當帶有電介質(zhì)的電容C與無電介質(zhì)（真空）的電容Co之比稱為電介質(zhì)的相對介電常數(shù)r。 第四章 介電陶瓷二、電介質(zhì)的介電損耗 電介質(zhì)在外電場作用下，其內(nèi)部會有發(fā)熱現(xiàn)象，這說明有部分電能已轉(zhuǎn)化為熱能耗散掉，這

2、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下電位移D與電場強度E的相位差。 tg是所有應(yīng)用于交變電場中電介質(zhì)的重要的品質(zhì)指標之一。介質(zhì)損耗越小越好。 相對介電常數(shù)和介電損耗是電子陶瓷材料中的一個重要參數(shù),不同用途的陶瓷,對它們有不同的要求.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)簡單、優(yōu)良的高頻特性、品種繁多、價格低廉，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，對材料有以下要求：（1）介電常數(shù)應(yīng)盡可能高；（2）

3、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?。唬?）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，又稱熱補償電容器陶瓷；（2）鐵電電容器陶瓷（型），其特點是介電常數(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（型），其特點是儲能密度高，儲能釋放充

4、分，可用于儲能電容器（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、溫度補償電容器用介電陶瓷 主要用于高頻振蕩電路中作為補償電容介質(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)溫度和時間控制好，防止開裂。第四章 介電陶瓷除CaTiO3外,材料體系還有: MgTiO3, SrTiO3MgTiO3-SrTiO3, CaTiO3-SrTiO3-B

5、i2O3-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 其主要特點是介電常數(shù)的溫度系數(shù)的絕對值很小，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%、膨潤土2%，CaF2 0.45%第四章 介電陶瓷（2）微波介電陶瓷

6、 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。評價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：適當大小的介電常數(shù)，且值穩(wěn)定；介電損耗??；有適當?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 第四章 介電陶瓷微波陶瓷材料的研究進展：（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

7、合物形成的機理及動力學(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、性能的優(yōu)化及測試技術(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：高溫燒結(jié)型（1300以上）、中溫燒結(jié)型（10001250）、低溫燒結(jié)型（低于900）A、低溫燒結(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-1

8、5。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，居里點向高溫方向移動，同時介電常數(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，可用來制作低溫燒結(jié)獨石電容器。但缺點是居里溫度和負溫損耗較大。為此，通常使用PbTiO3做為移峰劑。編號PbTiO3量mol%居里溫度燒成溫度1101511002144511003205511004308511005401251100第四章 介電陶瓷0200040006000800010000-1

9、00-50050100150Temperature（）Dielectric constant100Hz1kHz10kHz100Hz1kHz10kHz第四章 介電陶瓷050001000015000200002500030000-100-50050100150 Temperature（）Dielectric constantPMNPMN4PMN10PMN15PMN18PMN20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的熔點為820，以便與MgO、PbO形成低共熔物，在低溫

10、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：二次合成法：v MgO+ Nb2O5 1000 MgNb2O6vMgNb2O6+ 3 PbO Pb(Mg1/3Nb2/3)O3第四章 介電陶瓷vCMO法的固相反應(yīng)機理是：v3PbO + 2Nb2O5 P b3Nb4O13（P3N2） （550750）vP3N2 +1/3MgO + PbO +

11、 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，主要形成了一個富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