陶瓷材料论文

湖南科技大学专业课程论文

论文题目：对介电功能陶瓷性能的研究

学生姓名：付国良

学院：机电工程学院

专业班级：09级金属材料工程二班

学号：0903050201

指导教师：徐红梅

2011年12月20日

对介电功能陶瓷性能的研究

付国良

(09级金属材料工程二班学号：093050201)

【摘要】随着材料科学技术的飞速发展，电功能陶瓷材料的低位变得日益重要，其特性方面发挥的优越性是其他材料不可代替的。电功能材料作为一种精细陶瓷，采用高度精选的原料，通过精密调配的化学组成和严格控制的制造工艺合成的陶瓷材料。近年来，电子元件随科技发展和市场需求不断向片式化、小型化、多功能化等趋势发展，其中，片式化是小型化、多功能化发展的基础。因此，片式化材料和器件的研究成为热点。在片式化多层结构中，为了使用银、铜内电极，降低元件制作成本，低温共烧陶瓷技术成为近年来兴起的一种令人瞩目的多学科交叉的整合组件技术。从介电材料的低温烧结和掺杂改性入手，通过调节成型压力，成型方式，叠层结构，以及采用零收缩技术，零收缩差技术，加入中间层等工艺技术和结构的改变，来研究层状共烧体的收缩率匹配，界面反应，界面扩散和介电性能，最终解决两种材料之间的共烧兼容问题，获得可低温烧结的无翘曲变形，无开裂等缺陷且界面结合良好的叠层共烧体。介电陶瓷和绝缘陶瓷在本质上属于同一类陶瓷，但是与绝缘陶瓷不同的是，主要利用介电性能的陶瓷称为介电陶瓷或者说，介电陶瓷是通过控制陶瓷的介电性质，使之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的一类陶瓷。

【关键词】陶瓷功能系数介电

【引言】介电陶瓷对人类的生活影响涉及方方面面，但是人类对功能陶瓷的利用在一些方面的利用还是个空白，我设想如果我们把介电陶瓷用在谐振器、耦合器、滤波器、电容器、半导体、变压器等生活电器中时，这些电器将在工作效率和工作寿命上有很大的提高。为了加强对介电功能陶瓷的功能的广泛利用，我对介电功能陶瓷材料的介电特性做了深入研究。通过对材料性质的分析，我采用实验分析法，设计了周密的实验方案，同时我对介电功能陶瓷的理论基础做了研究设想，设计了研究方法和实验设计。如果电功能陶瓷得到很好的利用，我们的电器和各种电子设备间的工作效率将大大提高，设备制造成本也将大大降低。所以，研究介电功能陶瓷有很深远的意义。

【正文】

一、节电功能陶瓷的定义。

陶瓷材料特有的高强度、耐热性、稳定性等特点，被人们普遍看好用作集成电路板的制造材料。目前作为集成电路基板的陶瓷材料主要有氧化铝、氧化铍、碳化硅及氮化铝等，其中以氧化铝应用最为普遍。

这类陶瓷的介电损耗低，机械强度高，已被广泛应用于基板材料。氧化铍最大的优点是导热系数高，但制造工艺较复杂，成本高，毒性大，限制了它的使用。碳化硅的导热性优于氧化铝，有人采用热压方法，已制成高性能基板，工作到200℃左右时其性能仍能满足实用要求，但是由于添加剂有毒性，同时热压烧结工艺复杂，限制了它的发展。近年来氮化铝基板引起国内外的普遍关注。日本商品化生产氮化铝的热传导率是目前广泛使用的氧化铝瓷热传导率的10倍左右，其他电性能也和氧化铝陶瓷大致相当，有希望成为超大规模集成电路的下一代优质基板材料。

电介质陶瓷主要包括介电陶瓷、压电陶瓷、热释电陶瓷和铁电陶瓷。其中介电陶瓷的利用最为广泛，具有巨大的研究与开发空间。

二、介电陶瓷的计划与介电常数。

设想在平行板电容器的两板上，充以一定的电荷，当两板间存在电介质时，两板的电位差总是比没有电介质存在（真空）时低，在介质表面上会出现感应电荷，如下图所示。

这些感应电荷部分屏蔽了板上自由电荷所产生的静电场，这种感应电荷不能自由迁移，称为束缚电荷。

电介质在电场作用下产生感应电荷的现象，称为电极化。电介质：一切绝缘体统称为电介质，或者是在外电场的作用下内部结构发生变化，并且反过来影响外电场的物质。

电介质极化示意图

在电场作用下，电介质以正、负电荷重心不重合的电极化方式来传递并记录电的影响。

从微观上看，电极化是由于组成介质的原子（或离子）中的电子壳层在电场作用下发生畸变，以及由于正负离子的相对位移而出现感应电矩。 电极化是电介质最基本和最主要的性质，介电常数是综合反映介质内部电极化行为的一个主要的宏观物理量。

我们知道，对极板面积为S ，两极板表面距离为d ，极板间真空的平行板电容器的电容为:

d

S e C 00= 式中0e ——真空中的介电常数。

当两极板间放入电介质时，店同庆的电容增加，实验表明，两极板间为真空时的电容0C 与两极板间充满均匀电介质时的电容C 的比值为:

C C e r = r e 叫作介质的相对介电常数。 所以，

d

S e d S e e C e C r r ===00 式中0e e e r =，e 叫作电介质的介电常数。

r e 为电容之比，是一个没有单位的纯数。所以电介质的介电常数e 的单位和真空的介电常数0e 的单位相同。

12010*85.8-=e F/m

前述电极化概念时，把感应电荷称为束缚电荷，而束缚电荷的面密度或介质中单位体的电矩即为极化强度，以P 表示。P 不仅与外电场强度有关，更与介质本身的特性有关。

真空时，电位移 00E e D =

式中0E ——两极板间为真空的介质中静电场。

有电介质时，

eE e D 0≈

式中E ——两极板间有电介质时的介质中的宏观静电场；

e ——截止的介电常数。

电位移为

P E e D +=0

E e e P )1(0-=

介质的介电常数0e e e r =，r e 为相对介电常数，r e 是电子陶瓷材料中一个十分重要的参数，不同用途的陶瓷对r e 有不同的要求。例如，绝缘陶瓷一般要求r e ≤9，否则使线路的分布电容太大，影响线路的参数，而电容器陶瓷一般要求r e 越大越好，r e 大可以做成大容量小体积的电容器。

二、极化与介质损耗。

任何介质的电场作用下，总是或多或少地把部分电能转变成热能而使介质发热。在单位时间内因发热而消耗的能量称为损耗功率或简称介质损耗，常用δtg 来表示，其值越大，能量损耗也越大，δ称为介质损耗角，其物理意义是指在交变电场下电介质的电位移D 与电场强度E 的相位差。

介质损耗是所有应用于交变电场中电介质的重要的品质指标之一，因为介质在电工或电子工业可能影响元器件的正常工作。例如用于谐振回路中的电容器，其介质损耗过大时，将影响整个回路的调谐锐度，从而影响整机的灵敏度和选择性。介质损耗严重时，甚至会导致介质过热而破坏绝缘。从这种意义上说，介质损耗越小越好。

实际用的绝缘材料，其电阻不可能无穷大，在外电场作用下，总有一些带电质点会发生移动而引起漏导损耗。

一切介质在电场中均会呈现出极化现象，除电子、离子的弹性位移极化基本上不消耗能量外，其他缓慢极化（如松弛极化、空间电荷极化等）在极化缓慢建立的过程中都会因克服阻力而引起能量的损耗，这种介质损耗一般称为极化损耗。

tg δ的倒数Q （Q=1/tg δ）称为介电陶瓷材料的电学品质因数，这也是介电陶瓷重要的特征评价参数。

1、松弛极化：当材料中存在弱联系电子、离子和偶极子等松弛质点时，热运动使这些松弛质点分布混乱，而电场力图使这些质点按电场规律分布，最后在一定温度下发生极化。松弛极化的带电质点在热运动时移动的距离，可与分子大小相比拟，甚至更大，并且质点需要克服一定的势垒才能移动，因此这种极化建立的时间较长（可达到10-2-10-9s ），需要吸收