陶瓷材料的介電性能講解（介電常數介質損耗儀）

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、較低的介質損耗和適當的介電常數溫度系數。用于各類電容器。

一、極化和介電常數

       電介質是指能在電場中極化的材料。

      電介質在電場作用下產生感應電荷的現象叫極化。

      在平板電容器中，其電容量C與平板的面積S、板間距離d的關系，即

                     C=εS/d, 式中ε為靜態介電常數,顯然ε代表了板間電介質的性能。

           當帶有電介質的電容C與無電介質（真空）的電容Co之比稱為電介質的相對介電常數εr。

二、電介質的介電損耗

        電介質在外電場作用下，其內部會有發熱現象，這說明有部分電能已轉化為熱能耗散掉，這種介質內的能量損耗稱為介質損耗。常用tgδ表示，其值越大，能量損耗也越大。 δ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。

        tgδ是所有應用于交變電場中電介質的重要的品質指標之一。介質損耗越小越好。

          相對介電常數和介電損耗是電子陶瓷材料中的一個重要參數,不同用途的陶瓷,對它們有不同的要求.

三、介電陶瓷電容器

         陶瓷電容器以其體積小、容量大、結構簡單、優良的高頻特性、品種繁多、價格低廉，便于批量生產而廣泛應用于家用電器、通信設備、工業儀器等領域，是目前飛速發展的電子技術的基礎之一。

         用于制造陶瓷電容器的介電陶瓷，對材料有以下要求：

（1）介電常數應盡可能高；

（2）在高頻、高溫、高壓及其他惡劣環境下，陶瓷電容器性能穩定可靠；

（3）介質損耗要小；

（4）比體積電阻率高于1010Ω.m(絕緣電阻率通常大于 1010Ω.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。

四、陶瓷電容器的分類和特征

（1）非鐵電電容器陶瓷（Ⅰ型），其特點是高頻損耗小，介電常數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（Ⅱ型），其特點是介電常數隨溫度變化而呈非線性變化，而且介電常數很高，又稱高介電常數陶瓷；

（3）反鐵電電容器陶瓷（Ⅲ型），其特點是儲能密度高，儲能釋放充分，可用于儲能電容器

（4）半導體電容器陶瓷（Ⅳ型）

五、介電陶瓷材料及應用

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，在性能上要求具有穩定的電容溫度系數和低的介質損耗。其性能見表3-2。

      以CaTiO3為例：具有較高的介電常數和負溫度系數，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%；燒結溫度為1360℃±20℃

工藝要求：采用氧化氣氛燒結；不易采用濕磨；燒結溫度和時間控制好，防止開裂。

除CaTiO3外,材料體系還有: MgTiO3, SrTiO3

MgTiO3-SrTiO3, CaTiO3-SrTiO3-Bi2O3-TiO2,

CaTiO3-La2O3-TiO2, BaTiO3-Nd2O3-TiO2,

CaTiO3-La2O3-Bi2O3TiO2, 

BaTiO3-SrTiO3-La2O3-TiO2,

2、熱穩定型電容器陶瓷材料

        分為高頻熱穩定電容器陶瓷和微波介電陶瓷。

（1）高頻熱穩定電容器陶瓷

        其主要特點是介電常數的溫度系數的絕對值很小，有的甚至接近于零。

如：MgTiO3瓷，,介電損耗低,溫度系數的絕對值小,且原料豐富,成本低，但燒結溫度較高（~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%

（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諧振器。評價微波介電陶瓷材料的主要參數是介電常數、品質因素和諧振頻率溫度系數。

         要求具有以下性能：適當大小的介電常數，且值穩定；介電損耗小；有適當的介電常數溫度系數；熱膨脹系數小。

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 

微波陶瓷材料的研究進展：

（1）新材料系統相圖的研究，晶體結構和微波介電性能的關系的研究，化合物形成的機理及動力學研究；

（2）材料摻雜改性技術的研究

（3）材料制備工藝技術的研究

（4）低燒材料的開發研究

（5）工程化生產技術研究

（6）器件結構的設計、性能的優化及測試技術的研究

（7）器件多層片式化的技術

（3）高介電常數電容器用陶瓷（新型電容器陶瓷材料）

   分為：高溫燒結型（1300℃以上）、中溫燒結型（1000~1250℃）、低溫燒結型（低于900℃）

A、低溫燒結型：

     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是系統中的主晶相,是復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為12600，室溫的介電常數為8500，常溫的tgδ〈100×10-4。在不同頻率的弱電場作用下，介電常數與tgδ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，同時介電常數下降，而tgδ增大。

雖然PMN具有高的介電常數，tgδ也較小，成瓷溫度在1050~1100℃，可用來制作低溫燒結獨石電容器。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。

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，在低溫下出現液相，降低瓷料的燒結溫度。

      典型的配方為：

     0.96Pb（Mg1/3Nb2/3）O3-0.14PbTiO3-0.04Bi2O3

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℃   MgNb2O6

MgNb2O6+ 3 PbO               Pb(Mg1/3Nb2/3)O3

CMO法的固相反應機理是：

3PbO + 2Nb2O5          P b3Nb4O13（P3N2）   （550℃～750℃）

P3N2 +1/3MgO + PbO + PT       PMN-PT  + P3N2（800℃～900℃）

添加BaTiO3、PbTiO3等添加劑：

       BaTiO3(BT)：6—7

       SrTiO3(ST)： 9—10

       PbTiO3(PT)：30—40

       PbZrO3(PZ)：55—60

熔鹽法：

MSS法中固態反應機理是：

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，主要形成了一個富Pb的、缺B位、不穩定的焦綠石相P3N，Mg2+很容易占據Nb5+的空位形成立方焦綠石相Pb2Nb4/3Mg2/3O6，而

     Pb（Mg1/3Nb2/3）O3是立方鈣鈦礦結構，因此，很容易發生轉變。 

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