陶瓷材料的介电性能讲解（介电常数介质损耗仪）

陶瓷材料的介电性能讲解（介电常数介质损耗仪）

介电陶瓷材料是指电阻率大于10⁸Ω.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=εS/d, 式中ε为静态介电常数,显然ε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εr。

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，这种介质内的能量损耗称为介质损耗。常用tgδ表示，其值越大，能量损耗也越大。 δ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。

        tgδ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.

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）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1010Ω.m(绝缘电阻率通常大于 1010Ω.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。

四、陶瓷电容器的分类和特征

（1）非铁电电容器陶瓷（Ⅰ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（Ⅱ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（Ⅲ型），其特点是储能密度高，储能释放充分，可用于储能电容器

（4）半导体电容器陶瓷（Ⅳ型）

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1360℃±20℃

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。

除CaTiO3外,材料体系还有: MgTiO3, SrTiO3

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

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

CaTiO3-La2O3-Bi2O3TiO2, 

BaTiO3-SrTiO3-La2O3-TiO2,

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%

（2）微波介电陶瓷

        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 

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

（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（1000~1250℃）、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-15℃。居里温度的介电常数为12600，室温的介电常数为8500，常温的tgδ<100×10-4。在不同频率的弱电场作用下，介电常数与tgδ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tgδ增大。

虽然PMN具有高的介电常数，tgδ也较小，成瓷温度在1050~1100℃，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。

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

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：

 MgO+ Nb2O5     1000℃   MgNb2O6

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

CMO法的固相反应机理是：

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

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

添加BaTiO3、PbTiO3等添加剂：

       BaTiO3(BT)：6—7

       SrTiO3(ST)： 9—10

       PbTiO3(PT)：30—40

       PbZrO3(PZ)：55—60

熔盐法：

MSS法中固态反应机理是：

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+的空位形成立方焦绿石相Pb2Nb4/3Mg2/3O6，而

     Pb（Mg1/3Nb2/3）O3是立方钙钛矿结构，因此，很容易发生转变。 

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