电子陶瓷ch3...ppt

1、3.1 概述 3.2 电容器瓷的介电特性 3.3 高频电容器瓷的主要原料 3.4 中高压陶瓷电容器瓷,第三章 高介电容器瓷,1、对电容器瓷的一般要求： 、介电系数大，以制造小体积、重量轻的陶瓷电容器，电容器体积整机体积、重量 、介质损耗小，tg=（16）10-4，保证回路的高Q值。高介电容器瓷工作在高频下时、tg 。 、对I类瓷，介电系数的温度系数要系列化。对II类瓷，则用随温度的变化率表示（非线性）。,I类瓷,II类瓷, 3-1 概述,、体积电阻率v高（v1012cm） 为保证高温时能有效工作，要求v高、抗电强度Ep要高 a、小型化，使=V/d b、陶瓷材料的分散性，即使Ep，可能仍有击穿,

2、 3-1 概述,2、电容器瓷分类：, 3-1 概述,类瓷是电容量随温度变化稳定度高的电容器瓷，主要用于高频谐振回路中。类瓷主要以钛、锆、锡的化合物及固溶体为主晶相。（主要用于：高频热稳定电容器瓷，高频热补偿电容器瓷） 类瓷以高介电常数为特征，为具有钙钛矿型结构的铁电强介瓷料，如BaTiO3、Pb(Mg1/3Nb2/3)O3。（主要用于：低频高介电容器瓷） 类瓷：半导体陶瓷, 3-1 概述,3-2-1 高介电容器瓷的分类 3-2-2 值不同的原因 3-2-3 的对数混合法则 3-2-4 产生高介电系数的原因 3-2-5 含钛陶瓷的介质损耗, 3-2 电容器瓷的介电特性,3-2-1 高介电容器瓷的

3、分类,的值分,按,a, 3-2 电容器瓷的介电特性,温度每变化1时介电系数的相对变化率,有正、负、零，取决于不同温度下质点的极化程度，也决定于相应温度下单位体积的质点数。 a、 TiO2、CaTiO3 b、 CaSnO3、CaZrO3 c、 BaO4TiO2,3-2-2 值不同的原因, 3-2 电容器瓷的介电特性,电介质的极化,极化强度:,介电常数:, 3-2 电容器瓷的介电特性,+,+,-,E,E=0,原子核,电子,极化前,极化后,电子位移极化,离子晶体中主要是电子位移极化与离子位移极化。, 3-2 电容器瓷的介电特性,2r,离子位移极化,-,+,-,+,E=0,E, 3-2 电容器瓷的介电

4、特性,a、TiO2、CaTiO3以电子位移极化为主,TiO6八面体，Ti4+高价、小半径离子位移极化强大的局部内电场Ei Ti4+，O2- 极化率大电子位移极化为主,Ei, 3-2 电容器瓷的介电特性,金红石型晶体结构,b、CaSnO3、CaZrO3等以离子位移极化为主, 3-2 电容器瓷的介电特性,Tn（距离） TV（热膨胀）（r+r-） a（极化率）按（r+r-）3,c、BaO4TiO2, 3-2 电容器瓷的介电特性,3-2-3 的对数混合法则,对于n相系统：, 3-2 电容器瓷的介电特性,由以上法则，在生产实践中，可用具有不同i、i材料通过改变浓度比来获得满足各种温度系数要求的材料。 如

5、：由0 +0的瓷料获得0的瓷料。, 3-2 电容器瓷的介电特性,金红石型和钙钛矿型结构的陶瓷具有特殊的结构，离子位移极化后，产生强大的局部内电场，并进一步产生强烈的离子位移极化和电子位移极化，使得作用在离子上的内电场得到显著加强，故大。 钛酸锶铋也是利用SrTiO3钙钛矿型结构的内电场，而加入钛酸铋等，使之产生锶离子空位，产生离子松弛极化，从而使增大。,3-2-4 产生高介电系数的原因, 3-2 电容器瓷的介电特性,低温下高频电容器瓷的tg较小，但在一定的频率下，当温度超过某一临界温度后，由离子松弛极化和电子电导所引起的大量能量损耗，使材料的介质损耗急剧地增大。 另外：TiO2的二次再结晶，破

6、坏晶粒的均匀度，使材料的机械性能和介电性能恶化；Ti4+Ti3+tg,3-2-5 含钛陶瓷的介质损耗, 3-2 电容器瓷的介电特性, 3-3-1 热补偿电容器瓷 3-3-2 热稳定电容器瓷 3-3-3 温度系数系列化的电容器瓷, 3-3 高频电容器瓷的主要原料,定义：具有很大的负值，用来补偿振荡回路中电感的正温度系数，以使回路的谐振频率保持稳定。 1、金红石瓷 ：8090，：-750-85010-6/ 2、钛酸钙瓷 ：150160 ：-230010-6/( -60120 ) - (15001600)10-6/( +2080 ),3-3-1 热补偿电容器瓷, 3-3 高频电容器瓷的主要原料,1、

7、金红石瓷 (1) TiO2的结构 (2) 钛离子变价及防止措施 (3) 用途, 3-3 高频电容器瓷的主要原料, TiO2的结构 rTi4+=0.68A，rO2=1.40，r+/r-=0.468 形成TiO6八面体 Ti4+取六配位，用电价规则算得每个O2-离子为三个TiO6八面体共用。自然界中TiO2有三种晶型（同质异型体），其性能特点如下：, 3-3 高频电容器瓷的主要原料, 3-3 高频电容器瓷的主要原料,由此可见，金红石结构最稳定、最紧凑、介电系数最大、性能最好，锐钛矿最差。然而，工业用TiO2主要是锐钛矿和微量的金红石，因此，必须在12001300氧化气氛中预烧，使TiO2全部转变为

8、金红石结构，同时也使产品在烧结时不致因晶型转变、体积收缩过大而变形或开裂。, 3-3 高频电容器瓷的主要原料,(2) 钛离子变价及防止措施 钛原子的电子排布：1s22s22p63s23p64s23d2，4s的能级比3d稍低，3d层的电子容易失去，可为Ti4+、Ti3+、Ti2+，可见Ti4+易被还原（Ti4+eTi3+=Ti4+ee-弱束缚电子）, 3-3 高频电容器瓷的主要原料,Ti4+Ti3+的原因： a、 烧结气氛 b、 高温热分解： c、 高价（5价）杂质： d、 电化学老化, 3-3 高频电容器瓷的主要原料,还原气氛夺去TiO2的O2-，使晶格出现,a、烧结气氛, 3-3 高频电容器

9、瓷的主要原料,b、高温热分解,烧成温度过高，尤其在超过1400时，TiO2脱氧严重，即产生高温分解。, 3-3 高频电容器瓷的主要原料,Ti4+、Nb5+、Ta5+、Sb5+半径相近，5价离子取代Ti4+形成置换固溶体多余一个价电子,c、高价（5价）杂质, 3-3 高频电容器瓷的主要原料,金红石瓷在使用过程中，长期工作在高温、高湿、强直流电场下，表面、界面、缺陷处活性大的O2-离子向正极迁移，到达正极后，氧分子向空气中逸出，留下氧空位，是不可逆过程。 银电极在高温高湿、强直流电场下：Ag-eAg+，Ag+迁移率大，进入介质向负极迁移,d、电化学老化, 3-3 高频电容器瓷的主要原料,防止Ti4

10、+Ti3+的措施：,采用氧化气氛烧结：抑制还原 加入添加剂：降低烧结温度，抑制高温失氧 再氧化过程：在低于烧结温度2040，强氧化气氛回炉 掺入低价杂质（受主）：抑制高价杂质 加入La2O3等稀土氧化物：改善电化学老化特性 加入ZrO2：阻挡电子定向移动，阻碍Ti4+变价, 3-3 高频电容器瓷的主要原料,(3) 用途 电容器介质：由于-tg与温度、频率有关，适宜于工作在低温高频下（85），通常作热补偿电容器。 作为 的负值调节剂。, 3-3 高频电容器瓷的主要原料,2、钛酸钙瓷 以钛酸盐为主的陶瓷是高频高介电容器瓷中的又一大类，常用的有钛酸钙、钛酸锶等，这里介绍常用的钛酸钙瓷。 (1) Ca

11、TiO3的结构及介电性能 (2) 钛酸钙瓷的成份及工艺要求, 3-3 高频电容器瓷的主要原料,(1) CaTiO3的结构及介电性能 钙钛矿结构，由Ca2+和O2-离子共同作立方密堆积，Ti4+离子处于氧的六配位位置，形成TiO6八面体，八面体间共顶点连接，Ca2+离子处于八个TiO6八面体之间。由于其特殊结构，在外电场作用下，Ti4+发生离子位移（相对于O2-离子），使作用于Ti-O线上的O2-离子电场O2-电子云畸变（电子位移极化）作用在Ti4+上有效电场O2-有效电场极化, 3-3 高频电容器瓷的主要原料,钛酸钙瓷工作温度高，适合制造小型、大容量、对电容量稳定性要求不高的耦合旁路、隔直流等

12、场合或者电容器温度系数的调节剂。,钛酸钙瓷与金红石瓷性能比较, 3-3 高频电容器瓷的主要原料,(2) 钛酸钙瓷的成份及工艺要求 天然CaTiO3含杂质多，不能直接作原料，而采用化工原料方解石（CaCO3）和TiO2经高温合成： 钛酸钙瓷的主要工序为：, 3-3 高频电容器瓷的主要原料,工艺注意事项： TiO2与CaCO3应充分混合均匀、确保Ca、Ti摩尔比为1：1，因此球磨后不能过滤去水。否则易去Ca。（CaO+H2OCa(HO)2流失） 严格控制烧结温度，既要使CaCO3与TiO2反应充分，防止游离CaO生成（12%）,又不能使活性太低，给后面工艺造成困难。 应在强氧化气氛中快速烧成瓷，以

13、防止Ti4+离子降价和生成粗大的晶粒。, 3-3 高频电容器瓷的主要原料,所谓高频热稳定性电容器瓷，就是指很小或接近于零。包括钛酸镁瓷，锡酸钙瓷等。 1、钛酸镁瓷 2、锡酸钙瓷, 3-3 高频电容器瓷的主要原料,3-3-2 热稳定电容器瓷,1、钛酸镁瓷： TiO2-MgO系相图可知(p58)，存在三种化合物(表3-2), 3-3 高介电容器瓷的主要原料, 3-3 高介电容器瓷的主要原料,钛酸镁瓷的基本晶相为正钛酸镁Mg2TiO4与金红石TiO2。若要得到0的瓷料，且较小，则加入CaO或CaCO3。,即MgTiO3-CaTiO3固溶体陶瓷。,钛酸镁瓷的工艺特点： 烧结温度高（14501470），

14、范围窄510，否则，晶粒，气孔率，机电性能。 需在氧化气氛中烧结，避免TiO2还原。, 3-3 高介电容器瓷的主要原料,2、锡酸钙瓷 锡酸盐的种类很多（表3-4），但由于介电性能和烧结温度的限制，只有CaSnO3、SrSnO3、BaSnO3较适合作为高频电容器介质材料，其中以CaSnO3的介电性能和烧结温度最好。 (1) CaSnO3的结构及介电性能 (2) 锡酸钙瓷的成分及工艺要求, 3-3 高介电容器瓷的主要原料,(1) CaSnO3的结构及介电性能 CaSnO3属于钙钛矿结构，Sn4+处于O2-八面体中，但由于Sn4+半径比Ti4+大，因而不易产生Sn4+位移极化，也就不存在强大的有效内

15、电场，这样其远比 CaTiO3小（=14），同时，其将按离子位移极化的机理随 T而增大（0）, 3-3 高介电容器瓷的主要原料,CaTiO3与CaSnO3性能比较, 3-3 高介电容器瓷的主要原料,CaSnO3瓷在高温时的性能较好，但太低，另在直流电场与还原气氛下较稳定。 CaSnO3可用作高频热稳定型电容器介质，为了调节瓷料的，可加入CaTiO3或TiO2。, 3-3 高频电容器瓷的主要原料,(2) 锡酸钙瓷的成分及工艺要求： 锡酸钙瓷的工艺过程与CaTiO3瓷相同 CaSnO3烧块的典型配方 烧结工艺要求, 3-3 高频电容器瓷的主要原料,(1) CaSnO3烧块的典型配方 CaCO3：S

16、nO2=1.07：1，防止SnO2游离（SnO2电子电导大）, 3-3 高频电容器瓷的主要原料,(2) 烧结工艺要求：, 3-3 高频电容器瓷的主要原料,这类电容器瓷的可在（+120-750）10-6/相当宽的范围内任意调节，可根据电路的要求来选择配方。 常用的该类瓷料有钛锆系、镁镧钛系及钛硅酸钙、硅酸镁系列。 1、钛锆系瓷 2、镁镧钛系陶瓷 3、CaTiO3-CaTiSiO5瓷 4、以2MgOSiO2为主晶相的陶瓷,3-3-3 温度系数系列化的电容器瓷, 3-3 高频电容器瓷的主要原料,1、钛锆系瓷 由教材P61图3-12TiO2-ZrO2系相平衡图可知，在1800以下，存在稳定的ZrTiO

17、4化合物，并且ZrO2和TiO2均不能与ZrTiO4生成无限固溶体，因此在ZrO2：TiO2=1：1的等分子比线两旁有ZrO2相或金红石相析出。由P62图3-14可知，通过调节TiO2与ZrO2的相对成分比来调节,-80010-6/,+10010-6/, 3-3 高频电容器瓷的主要原料,典型的钛锆系瓷配方： TiO2+ZrO2：70% SnO2： 11.5%矿化剂，防止ZrO2多晶转变 BaCO3： 7.5%压碱 ZnO： 3% 矿化剂（在还原气氛中易挥发） 膨闰土： 11% 增塑剂, 3-3 高频电容器瓷的主要原料, 3-3 高频电容器瓷的主要原料,2、镁镧钛系陶瓷 对于正钛酸镁为主晶相的陶

18、瓷的缺点：约1418，较小；0，热稳定性较差。 我国有丰富的La2O3原料，研究与制造温度系数可系列化的镁镧钛（MgO-La2O3-TiO2）系陶瓷是很有意义的。, 3-3 高频电容器瓷的主要原料, 3-3 高频电容器瓷的主要原料,四种晶相的性能如下表：,因此，MgOTiO2La2O3TiO2TiO2系的性能为：, 3-3 高频电容器瓷的主要原料,tg510-4 ：2087 ：（+100-650) 10-6/ 烧结温区范围：35 50 ,工艺特点： a、防止游离La2O3吸水水解，使瓷体开裂，必须使TiO2过量（50%）并且预烧 b、La2O3原料在900以上焙烧，去除H2O及CO2 c、氧化

19、气氛烧结，避免Ti4+Ti3+, 3-3 高频电容器瓷的主要原料,3、CaTiO3-CaTiSiO5瓷 一般热稳定电容器瓷的共同缺点：在接近于零或在零的附近时，小；并且很难获得很大的正值。 CaTiSiO5是榍石型结构，单斜晶系，其主要性能：, 3-3 高频电容器瓷的主要原料,作为添加物时，可使接近于零时，达100以上，且这种瓷料有很大的正的，介电性能较好，tg较小，抗电强度高（同类材料中最廉价的高介材料） 常见的温度系数调节剂有CaTiO3、TiO2、SrTiO3, 3-3 高频电容器瓷的主要原料,由p64表3-8可知，CaTiSiO5-CaTiO3系瓷料的介电性能尚好，但烧结范围狭窄；Ca

20、TiSiO5-TiO2系瓷料高、tg小，工艺性能好。 由p65表3-9知，CaTiSiO5-TiO2-SrTiO3系瓷料tg很小，较高 。, 3-3 高频电容器瓷的主要原料,4、以2MgOSiO2（镁橄榄石）为主晶相的陶瓷 特点：工艺简单，性能稳定，烧成温度为1280，见P65表3-10, 3-3 高频电容器瓷的主要原料,3-4-1 用途 彩电、激光器、雷达、电子显微镜、X光机及各种测试仪器的倍压电源电路、交流电断路器等中高压电器线路，军事天线的发射及接收设备。,3-4 中高压陶瓷电容器瓷,额定直流工作电压： 常规MLCC：50200V 高压MLCC：0.520kV,中高压陶瓷电容器用途,3-4 中高压陶瓷电容器瓷,3-4-2 分类及特点： BaTiO3：铁电体，介电常数大，但介电损耗较大，介电常数随电压变化大。 SrTiO3：顺电体，介电常数随电压变化小，介质损耗低，抗电强度高。但介电常数仅为250左右。 纯SrTiO3、BaTiO3难以满足要求，必须进行掺杂改性。 SrTiO3作为中高压电容器介质优于BaTiO3 。 反铁电体PLZT：介电常数与铁电陶瓷相近，耐压较好，适于作中高压电容器介质材料。,3-4 中高压陶瓷电容