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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