陶瓷材料的介电常数的测定-副本

1、实验三陶瓷材料的介电温度特性的测定高介电材料具有十分广阔的市场，因其在电气电子、IT、电力等领域的重要应用一直是各国科学材料研究与开发的热点。对于材料的介电的测试与评价， 是一项重要的实验和科研技能。一、实验目的(1) 了解介电测试系统的基本原理，掌握材料介电常数的基本知识。(2)学会陶瓷材料电极的制备方法。(3)掌握测量材料的介电温谱的方法。(4)掌握高介电材料的介电性质和温度及频率之间的关系。二、实验原理1 .介电常数的测量原理如图3.1所示，一面积为 S、间距为d的平行板电容 A器，极板间为真空，其电容为C。电介质在恒定电场(直 口 BE-极板上的电荷为：图3.1平行板电容器简易图流电场

2、)作用下，两极板间的电压为Uo。Q=C0Uo(3.1)撤去电源，维持极板上Q不变；并在两极板间充满均匀的各向同性的电介质。则实验Uo测得(3.2)充满电介质的平行板电容器的电容为：八 八 八 QQ八C=WrCo C= =% ="Co (3.3)UUo8r -电介质的相对电容率；% -真空电容率；6 = %露-电介质的电容率。，Eo由于U匚UUoE =二d；r dEo；r(3.4)充满电介质后，平行板电容器的电场强度为原来的1/0倍。电容器的电容不仅依赖于电容器的形状，还与极板间电介质的电容率有关。因此，介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，原外加电场(真空中)与最终介质中电场比值

3、即为介电常数(permittivity ),又称电容率.。如果有高介电常数的材料放在电 场中，场的强度会在电介质内有可观的下降。极板间的电压越大，电场强度越大。当电场强度增大到某一最大值Eb时，电介质分子Ub发生电离，从而使电介质失去绝缘性，这时电介质被击穿。电介质能承受的最大电场强度 Eb,称为电介质的击穿场度。(3.5)在外加电压下，电介质中一部分电能转换为热能的现象，称为介质损耗。一般来说，电介质都有微弱的导电性，因产生漏电流而引起的能量损耗是较小的。主要的介质损耗是高频交变电压作用下，高频外电场使电介质反复极化的过程中发生的。频率越高，发热越显著。 如果剧烈发热，将使电介质丧失绝缘性能

4、并引起破坏。在交流电场下，介电常数表示成虚数形式：名=8'+ia"(3.6)我们把介电常数虚数部分和实数部分的比值定义为介电损耗因子(dissipation lossfactor)。；" tan 6 = ( 3.7);'大多数陶瓷材料具有较低的介电损耗因子，这是由于它的高绝缘性能阻止电能转化为热能的损耗。2.钛酸银陶瓷的结构和介电性质BaTiO3陶瓷是具有最高室温介电常数的简单化合物，在室温具有四方结构(tetragonal),属于ABO3型钙钛矿(perovskite)结构。图3.2为理想的立方钙钛矿结构。图 3.2 (a)为一 个BaTiO3晶胞，B位的

5、Ti4+离子由6个O2-离子包围，组成 TiO6正八面体；图3.2(b)显示 出TiO6八面体的重复排列构成钙钛矿结构的骨架。可以认为 A位的Ba2+离子位于骨架的间 隙位置。(b)图3.2理想的立方钙钛矿结构。BaTiO3陶瓷随温度的变化经过三种相变：一般在125 C以上是立方相(cubic),可由图3.2表示；125 C至-7 C之间为四方相(tetragonal)； -7 C至-90 C之间为正交相 (orthorhombic ); -90 C以下为菱方相(rhombohedral)。在加热或降温的过程中有轻微几度的差别(相变的迟滞效应)。对于室温的四方 BaTiO3陶瓷，c/a轴比率大

6、于1,当高于125 C 时，转变为理想的立方钙钛矿结构。钛酸钢是具有最高介电常数的简单化合物，统治性地用作高介电电容器材料，室温介电常数大约1600。伴随着结构相变，在每个相变温度附近出现介电峰。其中居里峰(即立方 四方相变点)的介电常数最高，大约 10000左右。图3.3表示BaTiO3陶瓷的相对介电常数6000 - orthorhombic -<tetragonalcubic 50004000r£30002000rhombohedralPs/ 111C3v产90 -7.5Ps/ 110Ps/ 10010C2v片90 -8.4POh0/0)和介电损耗因子随温度及结构的变化规律

7、。1000X 10-4200 B100-100-50050100 TC150T( C)图3.3 BaTiO 3陶瓷的相对介电常数和介电损耗因子随温度的变化规律。式中 TC为距离温度, To为居里-外斯温度。对于BaTiO3陶瓷，在顺电的立方相，即温度高于居里温度 Tc时，相对介电常数 导遵循 居里-外斯定律(Curie-Weiss law)。CW/、%二 (for T > T 0)(3.8)T -To这里 CW是居里常数(Curie constant), T0是居里-外斯温度(Curie-Weiss temperature)。T0 由外延1/ r(T) 一 曲定。3.常用介电指标基于美国

8、电子工业协会(EIA)的标准，比较常用的三种介电指标如下：(1) Y5V指标：在-30 C到85 c的温度范围内，相对介电常数值与室温的介电常数相比 不超过+22 %到-82 %的范围。(2) Z5U指标：在10 C到85 C的温度范围内，相对介电常数值与室温的介电常数相比 不超过+22 %到-56 %的范围。(3) X5R指标：在-55 C到+85 C的温度范围内，相对介电常数值与室温的介电常数相比 不超过±5 %的范围。(4) X7R指标：在-55 C到+125 C的温度范围内，相对介电常数值与室温的介电常数相 比不超过±15 %的范围。三、实验仪器与设备M126096

9、介电测试系统(由程序温度控制器(AI808P)(厦门宇电自动化科技有限公司)、 PM6306可程序化自动 RCL表(Fluke公司，美国)、M126096-1控温样品池组成、液氮 四、实验内容与步骤钛酸银(BaTiO3)陶瓷的介电谱图的测量。测量条件：测量频率：1 kHz;测量电压：1 V;温度范围：-60 oC - 200 oC;升温速率：2 oC /min；(1)启动计算机，双击桌面上DeTemp2008.exe”图标，启动介电温谱测试系统。a.输入样品的信息(面积和厚度)；点击【计算】，计算空电容Co的数值；点击【确认 输入】。b.点击【测量】菜单下的【介电温度特性】。(2)打开样品室盖

10、，将待测电容器接入样品室被测端钮，确定接触良好后将样品室盖好。(3)设置介电温谱测试程序：a.点击介电温度特性窗口中的【编辑温度程序】，则自动打开AI8108P温度程序编 写窗体。b.点击【从仪表调入】，调入仪表中现存的温度程序，在表格中显示每段的 开始温度”、段时间”、速率”和 结束温度c.可以选中某一段进行修改，在设置窗口中显示该段的开始温度、结束温度、段时间和速率,除第一段外，开始温度不可修改，在相应的文本框中进行修改， 完成后点击【修改段】完成段数据的输入 .d.点击【写入仪表】，把参数写入 AI808P温度控制器。e.点击【返回主程序】，返回介电测量主程序；如要退出整个程序，点击【退

11、出测量整 个测量程序】，或者关闭编辑程序窗口。（4）检查Fluke公司的PM6306 RCL表面板上的数显器， 查看所显示的电路是否是通路， 观察电容及介电损耗（D）是否正常。如果 D < 5 %,则正常，可进行测量。（5）打开液氮注入口，插上液氮漏斗。将液氮顺漏斗注入样品室的储备瓶内，待样品室 液位指示灯的蓝灯亮，必须停止注入。打开控制器面板上的【蒸发器控制】开关，则将样品 室逐渐降温至-60 oC （大约80分钟）。（6）开始测量：a.点击介电温度特性窗口中的【开始测量】。b.如温度程序已编制好，可以按 AI808P面板上的【RUN】键5秒，开始程序升温，并 打开【加热器控制】开关（

12、拨上档） ，仪器自动记录介电温度特性数据。c.设定的温度程序完成后，点击【结束测量】，程序提示输入文件名，保存测量数据。d.测量结束后，点击文件菜单下的【退出】，退出测量程序。e.如出现异常，需要关闭程序温度时，按 AI808P的【STOP】键数秒，结束温度程序。f.如果中途出现故障程序被迫中断，请将 C:盘根目录的“CDT.tmp文件备份，然后 重新启动【介电测量程序】，点击【异常中断继续】继续测量。五、实验数据与处理1 .用计算机画出以 Ti为体心的晶胞的四方钛酸根（ BaTiO3）的结构图，打印出来。2 .在Sma4Win软件中作介电常数（y轴）-温度（x轴）关系图，再粘贴在 Word中处 理，在图