介電功能材料

1、介電功能材料第1頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期日第四章 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)化為熱能耗散掉，這種介質(zhì)內(nèi)的能量損耗稱(chēng)為介質(zhì)損耗。常用tg表示，其值越大，能量損耗也越大。 稱(chēng)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2頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期日第四章 介電陶瓷三、介電陶瓷電容器

2、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??；（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3頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期

3、日第四章 介電陶瓷四、陶瓷電容器的分類(lèi)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(chēng)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(chēng)高介電常數(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4頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期日第四章 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(jiàn)表3-2

4、。 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(jiàn)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(kāi)裂。第5頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期日第四章 介電陶瓷除CaTiO3外,材料體系還有: MgTiO3, SrTiO3MgTiO3-SrTiO3, CaTiO3-SrTiO3-Bi2O3-TiO2,CaTiO3-La2O3-TiO2, BaTiO3-Nd2O3-TiO2,CaTiO3-La2O3-Bi2O3TiO2, BaTiO3-Sr

5、TiO3-La2O3-TiO2,第6頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期日第四章 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。典型配方為：菱鎂礦71%、TiO2 24%、蘇州土3%、膨潤(rùn)土2%，CaF2 0.45%第7頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期日第四章 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

6、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 第8頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期日第四章 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

7、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(kāi)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9頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期日第四章 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-PbTiO3-Bi2O3 Pb（Mg1/3Nb2/3）O3-PbTiO3-Pb（C

8、d1/2W1/2）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10頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期日第四章 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)PbTiO3量mol%居里溫度燒成溫度11

9、01511002144511003205511004308511005401251100第11頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期日第四章 介電陶瓷第12頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期日第四章 介電陶瓷050001000015000200002500030000-100-50050100150 Temperature（）Dielectric constantPMNPMN4PMN10PMN15PMN18PMN20第13頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期日第四章 介電陶瓷 由于PbTiO3的加入沒(méi)有改變燒成溫度，顯然不能與銀電極配

10、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14頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期日第四章 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： MgO+ Nb2O5 1000 MgNb2O6MgNb2O6+ 3

11、 PbO Pb(Mg1/3Nb2/3)O3第15頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期日第四章 介電陶瓷CMO法的固相反應(yīng)機(jī)理是：3PbO + 2Nb2O5 P b3Nb4O13（P3N2） （550750）P3N2 +1/3MgO + PbO + PT PMN-PT + P3N2（800900）第16頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期日第四章 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17頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20

12、日，12點(diǎn)57分，星期日第四章 介電陶瓷熔鹽法：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。 第18頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期日第四章 介電陶瓷第19頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期日第四章 介電陶瓷第20頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，12點(diǎn)57分，星期日