介电功能材料

1、第四章 介电材料 介电陶瓷材料是指电阻率大于108.m的陶瓷材料，能承受较强的电场而不被击穿。它具有较高的介电常数、较低的介质损耗和适当的介电常数温度系数。用于各类电容器。一、极化和介电常数 电介质是指能在电场中极化的材料。 电介质在电场作用下产生感应电荷的现象叫极化。 在平板电容器中，其电容量C与平板的面积S、板间距离d的关系，即 C=S/d, 式中为静态介电常数,显然代表了板间电介质的性能。 当带有电介质的电容C与无电介质（真空）的电容Co之比称为电介质的相对介电常数r。 第四章 介电陶瓷二、电介质的介电损耗 电介质在外电场作用下，其内部会有发热现象，这说明有部分电能已转化为热能耗散掉，这

2、种介质内的能量损耗称为介质损耗。常用tg表示，其值越大，能量损耗也越大。 称介电损耗角，其物理意义是指在交变电场下电位移D与电场强度E的相位差。 tg是所有应用于交变电场中电介质的重要的品质指标之一。介质损耗越小越好。 相对介电常数和介电损耗是电子陶瓷材料中的一个重要参数,不同用途的陶瓷,对它们有不同的要求.第四章 介电陶瓷三、介电陶瓷电容器 陶瓷电容器以其体积小、容量大、结构简单、优良的高频特性、品种繁多、价格低廉，便于批量生产而广泛应用于家用电器、通信设备、工业仪器等领域，是目前飞速发展的电子技术的基础之一。 用于制造陶瓷电容器的介电陶瓷，对材料有以下要求：（1）介电常数应尽可能高；（2）

3、在高频、高温、高压及其他恶劣环境下，陶瓷电容器性能稳定可靠；（3）介质损耗要小；（4）比体积电阻率高于1010.m(绝缘电阻率通常大于 1010.m ),可保证在高温下工作;（5）具有较高的介电强度,陶瓷电容器在高压和高功率条件下,往往由于击穿而不能工作,因此必须提高电容器的耐压特性。第四章 介电陶瓷四、陶瓷电容器的分类和特征（1）非铁电电容器陶瓷（型），其特点是高频损耗小，介电常数随温度变化而呈线性变化，又称热补偿电容器陶瓷；（2）铁电电容器陶瓷（型），其特点是介电常数随温度变化而呈非线性变化，而且介电常数很高，又称高介电常数陶瓷；（3）反铁电电容器陶瓷（型），其特点是储能密度高，储能释放充

4、分，可用于储能电容器（4）半导体电容器陶瓷（型）第四章 介电陶瓷五、介电陶瓷材料及应用1、温度补偿电容器用介电陶瓷 主要用于高频振荡电路中作为补偿电容介质，在性能上要求具有稳定的电容温度系数和低的介质损耗。其性能见表3-2。 以CaTiO3为例：具有较高的介电常数和负温度系数，可以制成小型高容量的高频陶瓷电容器。常见的配方为：CaTiO3：99%，ZrO2：1%；烧结温度为136020工艺要求：采用氧化气氛烧结；不易采用湿磨；烧结温度和时间控制好，防止开裂。第四章 介电陶瓷除CaTiO3外,材料体系还有: MgTiO3, SrTiO3MgTiO3-SrTiO3, CaTiO3-SrTiO3-B

5、i2O3-TiO2,CaTiO3-La2O3-TiO2, BaTiO3-Nd2O3-TiO2,CaTiO3-La2O3-Bi2O3TiO2, BaTiO3-SrTiO3-La2O3-TiO2,第四章 介电陶瓷2、热稳定型电容器陶瓷材料 分为高频热稳定电容器陶瓷和微波介电陶瓷。（1）高频热稳定电容器陶瓷 其主要特点是介电常数的温度系数的绝对值很小，有的甚至接近于零。如：MgTiO3瓷，,介电损耗低,温度系数的绝对值小,且原料丰富,成本低，但烧结温度较高（1450），难以控制。典型配方为：菱镁矿71%、TiO2 24%、苏州土3%、膨润土2%，CaF2 0.45%第四章 介电陶瓷（2）微波介电陶瓷

6、 微波介电陶瓷主要用于制作微波电路元件，在微波滤波器中用作介质谐振器。评价微波介电陶瓷材料的主要参数是介电常数、品质因素和谐振频率温度系数。 要求具有以下性能：适当大小的介电常数，且值稳定；介电损耗小；有适当的介电常数温度系数；热膨胀系数小。其研究体系有：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 第四章 介电陶瓷微波陶瓷材料的研究进展：（1）新材料系统相图的研究，晶体结构和微波介电性能的关系的研究，化

7、合物形成的机理及动力学研究；（2）材料掺杂改性技术的研究（3）材料制备工艺技术的研究（4）低烧材料的开发研究（5）工程化生产技术研究（6）器件结构的设计、性能的优化及测试技术的研究（7）器件多层片式化的技术第四章 介电陶瓷（3）高介电常数电容器用陶瓷（新型电容器陶瓷材料） 分为：高温烧结型（1300以上）、中温烧结型（10001250）、低温烧结型（低于900）A、低温烧结型： 典型的体系有：Pb（Mg1/3Nb2/3）O3-PbTiO3-Bi2O3 Pb（Mg1/3Nb2/3）O3-PbTiO3-Pb（Cd1/2W1/2）O3 PMN是系统中的主晶相,是复合钙钛矿型的铁电体,其居里温度为-1

8、5。居里温度的介电常数为12600，室温的介电常数为8500，常温的tg10010-4。在不同频率的弱电场作用下，介电常数与tg随温度的变化而变化，随着频率的增加，居里点向高温方向移动，同时介电常数下降，而tg增大。第四章 介电陶瓷 虽然PMN具有高的介电常数，tg也较小，成瓷温度在10501100，可用来制作低温烧结独石电容器。但缺点是居里温度和负温损耗较大。为此，通常使用PbTiO3做为移峰剂。编号PbTiO3量mol%居里温度烧成温度1101511002144511003205511004308511005401251100第四章 介电陶瓷0200040006000800010000-1

9、00-50050100150Temperature（）Dielectric constant100Hz1kHz10kHz100Hz1kHz10kHz第四章 介电陶瓷050001000015000200002500030000-100-50050100150 Temperature（）Dielectric constantPMNPMN4PMN10PMN15PMN18PMN20第四章 介电陶瓷 由于PbTiO3的加入没有改变烧成温度，显然不能与银电极配合，因此需要引入助熔剂，使瓷料烧成温度降至900，通常加入Bi2O3作为助熔剂。 Bi2O3的熔点为820，以便与MgO、PbO形成低共熔物，在低温

10、下出现液相，降低瓷料的烧结温度。 典型的配方为： 0.96Pb（Mg1/3Nb2/3）O3-0.14PbTiO3-0.04Bi2O3第四章 介电陶瓷Pb（Mg1/3Nb2/3）O3的合成：一步合成法：PbO+MgO+Nb2O5 Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 +Pb3Nb4O13 （焦绿石相）采用的措施：二次合成法：v MgO+ Nb2O5 1000 MgNb2O6vMgNb2O6+ 3 PbO Pb(Mg1/3Nb2/3)O3第四章 介电陶瓷vCMO法的固相反应机理是：v3PbO + 2Nb2O5 P b3Nb4O13（P3N2） （550750）vP3N2 +1/3MgO + PbO +

11、 PT PMN-PT + P3N2（800900）第四章 介电陶瓷添加BaTiO3、PbTiO3等添加剂： BaTiO3(BT)：67 SrTiO3(ST)： 910 PbTiO3(PT)：3040 PbZrO3(PZ)：5560第四章 介电陶瓷v熔盐法：vMSS法中固态反应机理是：v3PbO + Nb2O5 Pb3Nb2O8（P3N） （550）vP3N（Pb2Nb4/3O16/3）+ 2/3MgO Pb2Nb4/3Mg2/3O6 （650）v2P3N P3N2 +3PbO （650）vPb2Nb4/3Mg2/3O6 + PT PMN-PT （700）v1/6P3N2 + 1/3MgO + 1/2PbO + PT PMN-PT (800) 用MSS法制备PMN-PT陶瓷时，主要形成了一个富Pb的、缺B位、不稳定的焦绿石相P3N，Mg2+很容易占据Nb5+的空位形成