《电介质陶瓷》PPT课件.ppt

电介质陶瓷,一、相关概念,电介质在电场下的极化 介电常数 介电常数的温度系数 介质损耗,静电平衡：当导体中的电荷不动，从而使导体内部电场分布不随时间变化，则称此时的导体达到了静电平衡。,+,+,+,+,+,+,+,金属球放入后电力线发生弯曲 电场为一非均匀场,尖端放电现象,注意 导体表面电荷分布与导体形状以及周围环境有关.,带电导体尖端附近电场最强,带电导体尖端附近的电场特别大，可使尖端附近的空气发生电离而成为导体产生放电现象，即尖端放电 .,尖端放电现象,尖端放电会损耗电能, 还会干扰精密测量和对通讯产生危害。 然而尖端放电也有很广泛的应用，如目前尖端放电及相应的静电技术已应用到控制作物的生长、农产品的保鲜和贮存等。,尖端放电现象的利与弊,静电场对介质的作用,一、电介质的极化,电介质：指在通常条件下导电性能极差的物质（相对导电性好的导体而言，电介质就是绝缘介质，通常称为绝缘体, 。 禁带宽度高达45ev(半导体1ev),从介质内部的结构来分，可分为极性分子电介质和非极性分子电介质两类。,极性分子电介质：分子中的正负电荷中心不重合，每一分子可视为一个等效的电偶极子，即每一分子都具有固定的电偶极矩。,非极性分子电介质：在介质内部，分子中的正负电荷中心重合，即每一分子不存在等效的电偶极矩,对于极性分子电介质的内部机制，如图所示：,无外场时,有外电场时,+,+,+,-,-,-,对于非极性分子电介质的内部机制，如图所示：,无外场时,有外电场时,电介质在外电场的作用下，介质内部的正、负电荷总量依然相等，表现为中性。但在介质外表面上却出现了只有正电荷或负电荷的电荷层，由于这种电荷并不能象导体中的自由电荷那样可以用传导的方式引走，因此称之为极化电荷或束缚电荷。,图中的 为感应电偶极矩,在外电场作用下，电介质表面出现极化电荷的现象称为电介质的极化。,电极化强度：单位体积内分子电偶极矩的矢量和。,如用 表示电极化强度矢量， 表示电介质中某一体积V内某分子（第i个分子）的电偶极矩，则可列成：,(445),实验表明，对于各向同性的电介质，其中每一点的电极化强度 与该点的电场强度 成正比，且方向相同，可表示为：,其中， 称为电极化率，它为一个由电介质材料决定的常量。,+,+,+,+,-,-,-,-,S,电介质极化,电子极化 离子极化 转向计划,正负离子发生相对位移产生电偶极聚,R为原子半径,一般为,的25倍,有永久偶极矩，通过转向与电场取向一致,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,极化,平行板电容器两极板间充满电介质时，电容器的电容为：,由此比较可得，平行板电容器两极板间没有电介质和充满电介质时，电场与电场、电容与电容之间的关系为：,其中：,（459）,可见，平行板电容器的电容只与自身的几何尺寸与电介质材料有关。,两极间为真空时此球形电容器的电容,当两极间充满相对介电常数为 的电介质时的电容：,对于多相电介质，如果各方向与电场平行，则多相电介质的介电常数可表示为：,如果各方向与电场垂直，则多相电介质的介电常数可表示为：,介电常数的温度系数,介质损耗,介电常数是温度的函数。根据介电常数与温度的关系可将电子陶瓷分为三类：,铁电陶瓷：介电常数与温度呈强烈的非线性关系,非铁电陶瓷：介电常数与温度呈强烈的非线性关系,反铁电陶瓷,描述介电常数温度特性的参量,电能,转化,热能,单位时间内因发热而消耗的能量称为电介质的损耗。,漏导损耗（用电介质的损耗因数F决定）,极化损耗,电绝缘陶瓷,基本要求： 1、高体电阻率 2、低介电常数 3、介质损耗小 4、机械强度高 5、化学稳定性好,分类,氧化物 非氧化物,氧化物,氧化铝 氧化镁,非氧化物,氮化物,多元系统陶瓷,高铝瓷（氧化铝氧化硅系）99、95、75瓷 镁质瓷（氧化镁氧化铝氧化硅系）,电容器陶瓷,当代电子技术向着高频方向发展，只有陶瓷电容器才能在千兆赫以上频率范围内有效地发挥作用。 温度补偿电容器，可保证在环境温度变化的情况下，也能正常工作。近年来，电子元件朝着轻薄和小型化发展，对电容器的要求则为增加电容器每单位体积的电容量，多层陶瓷电容器以大容量、小体积而适应了这一趋势。,分类,非铁电类,尽可能高的介电常数 损耗角正切要小 比体积电阻要高 高介电强度,避免意外击穿 在高频、高温高压及其他恶劣环境中工作可靠，有良好的化学稳定性,非铁电类陶瓷材料,非铁电类陶瓷材料包括金红石基、钛酸盐基、锡酸盐基和铌酸盐基陶瓷材料：金红石基材料可制成高频温度（热）补偿型陶瓷电容器；钛酸盐基材料包括钛酸钙、钛酸镁陶瓷材料；锡酸盐基材料包括锡酸钙、锡酸钡、锡酸锶等陶瓷材料；铌酸盐材料包括铌铋镁系和铌铋锌系等陶瓷材料。,铁电类陶瓷材料,铁电类陶瓷材料中3小分类是： 铁电体，主要有钙钛矿系材料的钛酸钡陶瓷或以钛酸钡为基的固溶体。另外，钛酸锶也是铁电体材料； 反铁电体，主要有锆酸铅或以锆酸铅为基的固溶体、铌酸镧等； 驰豫型铁电体，包括钙钛矿系的铌镁酸铅、铌锌酸铅等，它是目前最有发展前途的电容器材料之一。,铁电晶体的一般特性： 其最基本的特性为在某些温度范围会具有自发极化，而且极化强度可以随外电场反向而反向，从而出现电滞回线。 自发极化：铁晶体管是电介质中一类特别重要的介晶体管。电介质的特性是：他们以感应而非以传导的方式传播电的作用与影响。按照这个意义来说，不能简单的认为电介质就是绝缘体。在电介质中起主要作用的是束缚着的电荷，在电的作用下，他们以正、负电荷重心不重和的电极化方式传递和纪录电的影响。而铁电晶体是-即使没有外加电场，也可以显现出电偶极距的特性。因其每单位晶胞带有电偶极矩，且其极化率与温度有关。 极化强度随场强呈非线性变化关系。,自发极化,在一定温度范围内、单位晶胞内正负电荷中心不重合，形成偶极矩，呈现象极性。这种在无外电场作用下存在的极化现象称为自发极化。当施加外界电场时，自发极化方向沿电场方向趋于一致；当外电场倒向，而且超过材料矫顽电场值时，自发极化随电场而反向；当电场移去后，陶瓷中保留的部分极化量，即剩余极化。自发极化与电场间存在着一定的滞后关系。它是表征铁电材料性质的必要条件。铁电陶瓷、压电陶瓷，如钛酸钡晶体BaTiO3等具有自发极化。利用材料的这种性质，可制作电子陶瓷，如电容器及敏感元器件。,电滞回线,饱和极化强度,剩余极化强度,矫顽电场强度,铁电晶体的分类： 现在发现，具有铁电性的晶体很多，但概括起来可以分为两大类： a.一类以磷酸二氢钾 KH2PO4 -简称KDP-为代表，具有氢键，他们从顺电相过渡到铁电相是无序到有序的相变。以KDP为代表的氢键型铁电晶体，中子绕射的数据显示，在居里温度以上，质子沿氢键的分布是成对称沿展的形状。在低于居里温度时，质子的分布较集中且不对称于临近的离子，质子会较靠近氢键的一端。,b.另一类则以钛酸钡为代表，从顺电相到铁电像的过渡是由于其中两个子晶格发生相对位移。对于以为代表的钙钛矿型铁电体，绕射实验证明，自发极化的出现是由于正离子的子晶格与负离子的子晶格发生相对位移。,Ba2+,O2-,Ti4+,反铁电体,在一定温度范围内相邻离子联线上的偶极子呈反平行排列，宏观上自发极化强度为零，无电滞回线的材料，称为反铁电体。 在外电场、热应力诱导下反铁电相将向铁电相转变，呈现双电滞回线。 利用反铁电相-铁电相的相变可作机-电换能器，储能电容器应用。在红外探测、参量放大、高压发生等方面亦有应用的可能性。 锆酸铅、铪酸铅、铌酸钠、磷酸二氢铵、碘酸铵及三氧化钨等都是典型的反铁电材料。,弛豫型铁电体,弛豫铁电体就是从加电场到极化方向反转或重新定向有一段时间的材料 比如 新型弛豫铁电单晶铌镁酸铅(简称PMNT)或铌锌酸铅(简称PZNT)是一类新兴的功能材料，其在准同型相界附近具有优于传统压电陶瓷的较高的压电常数和电致伸缩系数，可完全代替传统的压电陶瓷 具有优良的铁电、压电、热释电、非线性光学性能的钨青铜结构陶瓷是功能陶瓷领域的前沿研究方向之一。 弛豫型铁电体( relaxo r ferroelect rics, 简称RFE) 近40 年来, 由于钙钛矿结构RFE 极大的介电常数、无滞后的电致伸缩系数和独特的微观极化机制, 受到应用及理论研究者的广泛关注。 铌镁酸铅(Pb (Mg1/3Nb2/3)O 3, 简称PMN ) 是典型钙钛矿结构RFE。,半导体类陶瓷电容器材料,半导体类陶瓷电容器材料中的还原氧化类，是以钛酸钡为材料经还原、氧化等处理制成。晶界层类是以掺杂的钛酸钡或钛酸锶涂覆金属氧化物、热处理等工艺而制成。用上述半导体材料制成多层陶瓷电容器，将会使其体积更小、容量更大，这是今后电容器发展的方向。另外，我们未将以往书刊中提到的阻挡层型半导体陶瓷电容器材料列入分类中，是因其性能不佳，现已被淘汰。,压电陶瓷的结构与原理,压电效应是在一八八年由居礼兄弟（Pierre Curie, 1859-1906 及Jacques Curie, 1856-1941）二位研究人员，针对石英、闪锌矿、电气石等单晶体研究其在承受压力时的反应所发现的。其后，又在钛酸钡、钛酸铅、锆酸铅等多种陶瓷体上发现类似现象。上述的陶瓷体在受到压力时，晶体结构产生电荷分布的偏极化，而在不同端具有不同的表面电荷，这种现象称为正压电效应，可应用在点火器、应力侦测器、压电触摸开关等装置中。,若在压电陶瓷体上加以电位差，则可使陶瓷体产生变形，因而将外加的电能转换成机械能，这种现象称为负压电效应。负压电效应可应用于超音波装置，如超音波洗净器、鱼群侦测器、超音波诊断机及蜂鸣器，此外亦可应用于精密位移定位系统、压电马达、喷墨打印机喷头等装置中。除了上述的单一效应外，亦可将正、负效应组合应用在滤波器、共振器及压电变压器等装置上。,概念,在无对称中心的晶体上施加一应力时，晶体发生与应力成比例的极化，导致晶体两端表面出现符号相反的电荷；反之，当对这类晶体施加一电场时，晶体将产生与电场强度成比例的应变。这两类效应都称为压电效应，前者称为正压电效应，后者称为逆压电效应。,从晶体结构看，属于钙钛矿、钨青铜型、含铋层结构的陶瓷都具有压电性。但目前应用最广的压电陶瓷，如钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅等都属于钙钛矿结构。,1880 年法国人居里兄弟发现了“压电效应”。1942 年,第一个压电陶瓷材料钛酸钡先后在美国、前苏联和日本制成。1947 年,钛酸钡拾音器第一个压电陶瓷器件诞生了。上世纪50 年代初,又一种性能大大优于钛酸钡的压电陶瓷材料锆钛酸铅研制成功。从此,压电陶瓷的发展进入了新的阶段。60 年代到70 年代,压电陶瓷不断改进,逐趋完美。如用多种元素改进的锆钛酸铅二元系压电陶瓷,以锆钛酸铅为基础的三元系、四元系压电陶瓷也都应运而生。这些材料性能优异,制造简单,成本低廉,应用广泛。,发展过程,利用压电陶瓷将外力转换成电能的特性,可以制造出压电点火器、移动X 光电源、炮弹引爆装置。用两个直径3 毫米、高5 毫米的压电陶瓷柱取代普通的火石,可以制成一种可连续打火几万次的气体电子打火机。用压电陶瓷把电能转换成超声振动,可以用来探寻水下鱼群的位置和形状,对金属进行无损探伤,以及超声清洗、超声医疗,还可以做成各种超声切割器、焊接装置及烙铁,对塑料甚至金属进行加工。,压电陶瓷的应用,压电陶瓷对外力的敏感使它甚至可以感应到十几米外飞虫拍打翅膀对空气的扰动,并将极其微弱的机械振动转换成电信号。利用压电陶瓷的这一特性,可应用于声纳系统、气象探测、遥测环境保护、家用电器等方面。,如今压电陶瓷已经被科学家应用到国防建设、科学研究、工业生产以及和人民生活密切相关的许多领域中,成为信息时代的多面手。在航天领域,压电陶瓷制作的压电陀螺,是在太空中飞行的航天器、人造卫星的“舵”。依靠“舵”,航天器和人造卫星,才能保证其既定的方位和航线。传统的机械陀螺,寿命短,精度差,灵敏度也低,不能很好满足航天器和卫星系统的要求。而小巧玲珑的压电陀螺灵敏度高,可靠性好。,在潜入深海的潜艇上,都装有人称水下侦察兵的声纳系统。它是水下导航、通讯、侦察敌舰、清扫敌布水雷的不可缺少的设备,也是开发海洋资源的有力工具,它可以探测鱼群、勘查海底地形地貌等。在这种声纳系统中,有一双明亮的“眼睛”压电陶瓷水声换能器。当水声换能器发射出的声信号碰到一个目标后就会产生反射信号,这个反射信号被另一个接收型水声换能器所接收,于是,就发现了目标。目前,压电陶瓷是制作水声换能器的最佳材料之一。,在医学上,医生将压电陶瓷探头放在人体的检查部位,通电后发出超声波,传到人体碰到人体的组织后产生回波,然后把这回波接收下来,显示在荧光屏上,医生便能了解人体内部状况。,在工业上,地质探测仪里有压电陶瓷元件,用它可以判断地层的地质状况,查明地下矿藏。还有电视机里的变压器电压陶瓷变压器,它体积变小、重量减轻,效率可达60 %80 % ,能耐住3 万伏的高压,使电压保持稳定,完全消除了电视图像模糊变形的缺陷。现在国外生产的电视机大都采用了压电陶瓷变压器。一只15 英寸的显像管,使用75 毫米长的压电陶瓷变压器就行了。这样就使电视机体积变小、重量减轻了。,压电陶瓷也广泛用于日常生活中。用两个直径3 毫米、高5 毫米的压电陶瓷柱取代普通的火石制成的气体电子打火机,可