對介電功能陶瓷性能的研究

PAGE11XINYUUNIVERSITY成績批閱老師現代科學技術概論作業(yè)題目材料科學基礎論文二級學院新能源學院專業(yè)新能源科學與工程班級新能源一班學號學生姓名聯系方式對介電功能陶瓷性能的研究【摘要】隨著材料科學技術的飛速發(fā)展，電功能陶瓷材料的低位變得日益重要，其特性方面發(fā)揮的優(yōu)越性是其他材料不可代替的。電功能材料作為一種精細陶瓷，采用高度精選的原料，通過精密調配的化學組成和嚴格控制的制造工藝合成的陶瓷材料。近年來，電子元件隨科技發(fā)展和市場需求不斷向片式化、小型化、多功能化等趨勢發(fā)展，其中，片式化是小型化、多功能化發(fā)展的基礎。因此，片式化材料和器件的研究成為熱點。在片式化多層結構中，為了使用銀、銅內電極，降低元件制作成本，低溫共燒陶瓷技術成為近年來興起的一種令人矚目的多學科交叉的整合組件技術。從介電材料的低溫燒結和摻雜改性入手，通過調節(jié)成型壓力，成型方式，疊層結構，以及采用零收縮技術，零收縮差技術，加入中間層等工藝技術和結構的改變，來研究層狀共燒體的收縮率匹配，界面反應，界面擴散和介電性能，最終解決兩種材料之間的共燒兼容問題，獲得可低溫燒結的無翹曲變形，無開裂等缺陷且界面結合良好的疊層共燒體。介電陶瓷和絕緣陶瓷在本質上屬于同一類陶瓷，但是與絕緣陶瓷不同的是，主要利用介電性能的陶瓷稱為介電陶瓷或者說，介電陶瓷是通過控制陶瓷的介電性質，使之具有較高的介電常數、較低的介質損耗和適當的介電常數溫度系數的一類陶瓷?！娟P鍵詞】陶瓷功能系數介電【引言】介電陶瓷對人類的生活影響涉及方方面面，但是人類對功能陶瓷的利用在一些方面的利用還是個空白，我設想如果我們把介電陶瓷用在諧振器、耦合器、濾波器、電容器、半導體、變壓器等生活電器中時，這些電器將在工作效率和工作壽命上有很大的提高。為了加強對介電功能陶瓷的功能的廣泛利用，我對介電功能陶瓷材料的介電特性做了深入研究。通過對材料性質的分析，我采用實驗分析法，設計了周密的實驗方案，同時我對介電功能陶瓷的理論基礎做了研究設想，設計了研究方法和實驗設計。如果電功能陶瓷得到很好的利用，我們的電器和各種電子設備間的工作效率將大大提高，設備制造成本也將大大降低。所以，研究介電功能陶瓷有很深遠的意義。一、節(jié)電功能陶瓷的定義陶瓷材料特有的高強度、耐熱性、穩(wěn)定性等特點，被人們普遍看好用作集成電路板的制造材料。目前作為集成電路基板的陶瓷材料主要有氧化鋁、氧化鈹、碳化硅及氮化鋁等，其中以氧化鋁應用最為普遍。這類陶瓷的介電損耗低，機械強度高，已被廣泛應用于基板材料。氧化鈹最大的優(yōu)點是導熱系數高，但制造工藝較復雜，成本高，毒性大，限制了它的使用。碳化硅的導熱性優(yōu)于氧化鋁，有人采用熱壓方法，已制成高性能基板，工作到200℃左右時其性能仍能滿足實用要求，但是由于添加劑有毒性，同時熱壓燒結工藝復雜，限制了它的發(fā)展。近年來氮化鋁基板引起國內外的普遍關注。日本商品化生產氮化鋁的熱傳導率是目前廣泛使用的氧化鋁瓷熱傳導率的10倍左右，其他電性能也和氧化鋁陶瓷大致相當，有希望成為超大規(guī)模集成電路的下一代優(yōu)質基板材料。電介質陶瓷主要包括介電陶瓷、壓電陶瓷、熱釋電陶瓷和鐵電陶瓷。其中介電陶瓷的利用最為廣泛，具有巨大的研究與開發(fā)空間。二、介電陶瓷的計劃與介電常數設想在平行板電容器的兩板上，充以一定的電荷，當兩板間存在電介質時，兩板的電位差總是比沒有電介質存在（真空）時低，在介質表面上會出現感應電荷，如下圖所示。這些感應電荷部分屏蔽了板上自由電荷所產生的靜電場，這種感應電荷不能自由遷移，稱為束縛電荷。電介質在電場作用下產生感應電荷的現象，稱為電極化。電介質：一切絕緣體統稱為電介質，或者是在外電場的作用下內部結構發(fā)生變化，并且反過來影響外電場的物質。電介質極化示意圖電介質極化示意圖在電場作用下，電介質以正、負電荷重心不重合的電極化方式來傳遞并記錄電的影響。從微觀上看，電極化是由于組成介質的原子（或離子）中的電子殼層在電場作用下發(fā)生畸變，以及由于正負離子的相對位移而出現感應電矩。電極化是電介質最基本和最主要的性質，介電常數是綜合反映介質內部電極化行為的一個主要的宏觀物理量。我們知道，對極板面積為，兩極板表面距離為，極板間真空的平行板電容器的電容為:式中——真空中的介電常數。當兩極板間放入電介質時，店同慶的電容增加，實驗表明，兩極板間為真空時的電容與兩極板間充滿均勻電介質時的電容的比值為:叫作介質的相對介電常數。所以，式中，叫作電介質的介電常數。為電容之比，是一個沒有單位的純數。所以電介質的介電常數的單位和真空的介電常數的單位相同。F/m前述電極化概念時，把感應電荷稱為束縛電荷，而束縛電荷的面密度或介質中單位體的電矩即為極化強度，以表示。不僅與外電場強度有關，更與介質本身的特性有關。真空時，電位移 式中——兩極板間為真空的介質中靜電場。有電介質時，式中——兩極板間有電介質時的介質中的宏觀靜電場；——截止的介電常數。電位移為介質的介電常數，為相對介電常數，是電子陶瓷材料中一個十分重要的參數，不同用途的陶瓷對有不同的要求。例如，絕緣陶瓷一般要求9，否則使線路的分布電容太大，影響線路的參數，而電容器陶瓷一般要求越大越好，大可以做成大容量小體積的電容器。三、極化與介質損耗任何介質的電場作用下，總是或多或少地把部分電能轉變成熱能而使介質發(fā)熱。在單位時間內因發(fā)熱而消耗的能量稱為損耗功率或簡稱介質損耗，常用來表示，其值越大，能量損耗也越大，稱為介質損耗角，其物理意義是指在交變電場下電介質的電位移與電場強度的相位差。介質損耗是所有應用于交變電場中電介質的重要的品質指標之一，因為介質在電工或電子工業(yè)可能影響元器件的正常工作。例如用于諧振回路中的電容器，其介質損耗過大時，將影響整個回路的調諧銳度，從而影響整機的靈敏度和選擇性。介質損耗嚴重時，甚至會導致介質過熱而破壞絕緣。從這種意義上說，介質損耗越小越好。實際用的絕緣材料，其電阻不可能無窮大，在外電場作用下，總有一些帶電質點會發(fā)生移動而引起漏導損耗。一切介質在電場中均會呈現出極化現象，除電子、離子的彈性位移極化基本上不消耗能量外，其他緩慢極化（如松弛極化、空間電荷極化等）在極化緩慢建立的過程中都會因克服阻力而引起能量的損耗，這種介質損耗一般稱為極化損耗。tgδ的倒數Q（Q=1/tgδ）稱為介電陶瓷材料的電學品質因數，這也是介電陶瓷重要的特征評價參數。1、松弛極化：當材料中存在弱聯系電子、離子和偶極子等松弛質點時，熱運動使這些松弛質點分布混亂，而電場力圖使這些質點按電場規(guī)律分布，最后在一定溫度下發(fā)生極化。松弛極化的帶電質點在熱運動時移動的距離，可與分子大小相比擬，甚至更大，并且質點需要克服一定的勢壘才能移動，因此這種極化建立的時間較長（可達到10-2-10-9s），需要吸收一定的能量，是一種非可逆過程。包括電子松弛極化、離子松弛極化和偶極子松弛極化，多出現在晶體缺陷區(qū)或玻璃體內。2、空間電荷極化：常發(fā)生不均勻介質中。在電場作用下，不均勻介質內部的正負間隙離子分別向負、正極移動，引起介質內各點離子密度的變化，即出現電偶極矩，這種極化稱為空間電荷極化。在電極附近積聚的離子電荷就是空間電荷。隨著溫度的升高而下降，這是由于溫度升高，離子運動加劇，離子容易擴散，因而空間電荷減少?？臻g電荷的建立需要較長時間，大約幾秒到數十分鐘，甚至可達數十小時。四、介電陶瓷材料及其應用介電陶瓷主要用于陶瓷電容器和微波介質元件。陶瓷電容器是現代電子線路中必不可少的元件，每個電視機或錄像機中都含有100-200個陶瓷電容器，由于陶瓷的介電特性好，可制成體積小、容量大的電容器。電視機超高頻（UHF）的頻率為300MHz，通訊衛(wèi)星的頻率大于10000MHz，只有陶瓷電容器才能在1000MHz以上的頻率有效的工作。在微波應用中，當使用空腔共振器的過濾器時，體積很大，而采用介電陶瓷，則可使微波通信和其他微波設備小型化。陶瓷電容器用于制造電容器的介電陶瓷，在性能上一般應達到如下要求：（1）介電常數應盡可能高，介電常數越高，陶瓷電容器的體積可以做得越小。（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）介電損耗要小，這樣可以在高頻電路中充分發(fā)揮作用，對于高功率陶瓷電容器，能提高無功功率。（4）比體積電阻高于1010Ω·m，這樣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，因此提高電容器的耐壓性能，對充分發(fā)揮陶瓷的功能有重要作用。陶瓷電容器有溫度補償電容器用于介電陶瓷、半導體電容器陶瓷、高介電常數電容器用陶瓷、高壓電容器陶瓷。2、微波介質陶瓷微波介質陶瓷主要用于制作微波電路元件，微波電路元件要求介電陶瓷在微波頻率下具有如下性能：（1）介電常數適當且穩(wěn)定；（2）介質損耗小；（3）介電常數溫度系數??；（4）熱膨脹系數小。微波介質陶瓷主要用于諧振器、耦合器、濾波器等微波器件以及微波介質基片。【結論】1、固體介質的擊穿場強往往取決于材料的均勻性；2、大部分材料在交變電場下的擊穿場強低于直流下的擊穿場強，在高頻下由于局部放電的加劇，使得擊穿場強下降得厲害，并且材料得介電常數越大，擊穿場強下降得越多；3、無機電介質在高頻下得擊穿往往具有熱得特征，發(fā)生純粹電擊穿得情況并不多見；4、在室溫附近，高分子電介質的擊穿場強往往比陶瓷等無機材料要大，并且極性高聚物的擊穿場強比非極性的大；5、在軟化溫度附近，熱塑性高聚物的擊穿場強急劇下降?！緟⒖嘉墨I】【1】關長斌等.陶瓷材料導論.哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2005【2】劉向春.ZnO-TiO2系介電陶瓷/NiZnCu鐵氧體疊層低溫共燒兼容特性研究.無機化學學報，【3】邵守福.鈦酸銅鈣基高介電陶瓷材料和鈦酸鋇壓電陶瓷材料的物性研究.硅酸鹽學報，【4】/view/79a1bb1c59eef8c75fbfb3c6.html.功能材料的簡介.百度文庫：基礎科學.基于C8051F單片機直流電動機反饋控制系統的設計與研究基于單片機的嵌入式Web服務器的研究MOTOROLA單片機MC68HC（8）05PV8/A內嵌EEPROM的工藝和制程方法及對良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機溫度控制系統的研制基于MCS-51系列單片機的通用控制模塊的研究基于單片機實現的供暖系統最佳啟停自校正（STR）調節(jié)器單片機控制的二級倒立擺系統的研究基于增強型51系列單片機的TCP/IP協議棧的實現基于單片機的蓄電池自動監(jiān)測系統基于32位嵌入式單片機系統的圖像采集與處理技術的研究基于單片機的作物營養(yǎng)診斷專家系統的研究基于單片機的交流伺服電機運動控制系統研究與開發(fā)基于單片機的泵管內壁硬度測試儀的研制基于單片機的自動找平控制系統研究基于C8051F040單片機的嵌入式系統開發(fā)基于單片機的液壓動力系統狀態(tài)監(jiān)測儀開發(fā)模糊Smith智能控制方法的研究及其單片機實現一種基于單片機的軸快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于雙單片機沖床數控系統的研究基于CYGNAL單片機的在線間歇式濁度儀的研制基于單片機的噴油泵試驗臺控制器的研制基于單片機的軟起動器的研究和設計基于單片機控制的高速快走絲電火花線切割機床短循環(huán)走絲方式研究基于單片機的機電產品控制系統開發(fā)基于PIC單片機的智能手機充電器基于單片機的實時內核設計及其應用研究基于單片機的遠程抄表系統的設計與研究基于單片機的煙氣二氧化硫濃度檢測儀的研制基于微型光譜儀的單片機系統單片機系統軟件構件開發(fā)的技術研究基于單片機的液體點滴速度自動檢測儀的研制基于單片機系統的多功能溫度測量儀的研制基于PIC單片機的電能采集終端的設計和應用基于單片機的光纖光柵解調儀的研制氣壓式線性摩擦焊機單片機控制系統的研制基于單片機的數字磁通門傳感器基于單片機的旋轉變壓器-數字轉換器的研究基于單片機的光纖Bragg光柵解調系統的研究單片機控制的便攜式多功能乳腺治療儀的研制基于C8051F020單片機的多生理信號檢測儀基于單片機的電機運動控制系統設計Pico專用單片機核的可測性設計研究基于MCS-51單片機的熱量計基于雙單片機的智能遙測微型氣象站MCS-51單片機構建機器人的實踐研究基于單片機的輪軌力檢測基于單片機的GPS定位儀的研究與實現基于單片機的電液伺服控制系統用于單片機系統的MMC卡文件系統研制基于單片機的時控和計數系統性能優(yōu)化的研究基于單片機和CPLD的粗光柵位移測量系統研究單片機控制的后備式方波UPS提升高職學生單片機應用能力的探究基于單片機控制的自動低頻減載裝置研究基于單片機控制的水下焊接電源的研究基于單片機的多通道數據采集系統基于uPSD3234單片機的氚表面污染測量儀的研制基于單片機的紅外測油儀的研究96系列單片機仿真器研究與設計基于單片機的單晶金剛石刀具刃磨設備的數控改造基于單片機的溫度智能控制系統的設計與實現基于MSP430單片機的電梯門機控制器的研制基于單片機的氣體測漏儀的研究基于三菱M16C/6N系列單片機的CAN/USB協議轉換器基于單片機和DSP的變壓器油色譜在線監(jiān)測技術研究基于單片機的膛壁溫度報警系統設計基于AVR單片機的低壓無功補償控制器的設計基于單片機船舶電力推進電機監(jiān)測系統基于單片機網絡的振動信號的采集系統基于單片機的大容量數據存儲技術的應用研究基于單片機的疊圖機研究與教學方法實踐基于單片機嵌入式Web服務器技術的研究及實現基于AT89S52單片機的通用數據采集系統基于單片機的多道脈沖幅度分析儀研究機器人旋轉電弧傳感角焊縫跟蹤單片機控制系統基于單片機的控制系統在PLC虛擬教學實驗中的應用研究基于單片機系統的網絡通信研究與應用基于PIC16F877單片機的莫爾斯碼自動譯碼系統設計與研究基于單片機的模糊控制器在工業(yè)電阻爐上的應用研究基于雙單片機沖床數控系統的研究與開發(fā)基于Cygnal單片機的μC/OS-Ⅱ的研究基于單片機的一體化智能差示掃描量熱儀系統研究基于TCP/IP協議的單片機與Internet互聯的研究與實現變頻調速液壓電梯單片機控制器的研究基于單片機γ-免疫計數器自動換樣功能的研究與實現基于單片機的倒立擺控制系統設計與實現單片機嵌入式以太網防盜報警系統基于51單片機的嵌入式Internet系統的設計與實現單片機監(jiān)測系統在擠壓機上的應用MSP430單片機在智能水表系統上的研究與應用基于單片機的嵌入式系統中TCP/IP協議棧的實現與應用單片機在高樓恒壓供水系統中的應用基于ATmega16單片機的流量控制器的開發(fā)基于MSP430單片機的遠程抄表系統及智能網絡水表的設計基于MSP430單片機具有數據存儲與回放功能的嵌入式電子血壓計的設計基于單片機的氨分解率檢測系統的研究與開發(fā)鍋爐的單片機控制系統基于單片機控制的電磁振動式播種控制系統的設計基于單片機技術的WDR-01型聚氨酯導熱系數測試儀的研制HYPERLINK"/detail