第5章3高频介质陶瓷
合集下载
生物材料制备与加工第5章 无机生物材料
子状态，再以高速喷出而得到等离子射流。喷镀材料(干粉)则以 气体为载体，吸入等离子射流中，经高温熔融或半熔融后高速冲 撞在基材表面上而形成陶瓷涂层。 n 特点:
需严格控制各种条件；对基材无影响；需后处理
炣
焙烧法
n 工艺过程： 将陶瓷细粉与粘结剂一起制成浆料涂覆在基材上，干燥
后，在高于1000℃的温度下焙烧，其表面层经高温烧结后成 为陶瓷涂层。 n 优点:
与基底结合良好，不仅硬度高、强度较高、韧性良好，且改 善了植入材料弹性模量与生物硬组织的匹配性，但涂层的均匀性 和稳定性较难控制
炣
溅射法
n 常用涂层方法：磁控溅射、离子束溅射 n 离子束溅射工艺过程：
用离子束轰击生物材料靶材，使溅射出的粒子沉积在基板表 面形成涂层。 n 优点：可制备较薄涂层 n 离子束：氩离子 n 靶材：羟基磷灰石、氟磷灰石、磷酸三钙和生物玻璃等
多孔陶瓷
常压烧结
200r/min
15h
混合物
球磨
100℃ 10h
干燥
880℃
2h 煅烧
1.5倍质量的 H2O
炣
固相法β-TCP制备工艺过程
球磨
冷却 得粉体
H3PO4
5.5 磷酸钙陶瓷（β-TCP）
2.液相反应合成β-TCP 1~2%的(NH4)2SO4
Ca/P＝1.5
Ca(OH)2
沉淀
800℃
1150～1300℃
内容
生物无机材料制备与加工的一般途径 生物惰性陶瓷（氧化铝陶瓷） 生物活性陶瓷（羟基磷灰石陶瓷） 生物可吸收陶瓷（磷酸钙陶瓷） 多孔生物陶瓷
炣
骨水泥 生物无机材料
生物陶瓷
5.1 概述
生物玻璃
炣
5.1 概述
需严格控制各种条件；对基材无影响；需后处理
炣
焙烧法
n 工艺过程： 将陶瓷细粉与粘结剂一起制成浆料涂覆在基材上，干燥
后，在高于1000℃的温度下焙烧，其表面层经高温烧结后成 为陶瓷涂层。 n 优点:
与基底结合良好，不仅硬度高、强度较高、韧性良好，且改 善了植入材料弹性模量与生物硬组织的匹配性，但涂层的均匀性 和稳定性较难控制
炣
溅射法
n 常用涂层方法：磁控溅射、离子束溅射 n 离子束溅射工艺过程：
用离子束轰击生物材料靶材，使溅射出的粒子沉积在基板表 面形成涂层。 n 优点：可制备较薄涂层 n 离子束：氩离子 n 靶材：羟基磷灰石、氟磷灰石、磷酸三钙和生物玻璃等
多孔陶瓷
常压烧结
200r/min
15h
混合物
球磨
100℃ 10h
干燥
880℃
2h 煅烧
1.5倍质量的 H2O
炣
固相法β-TCP制备工艺过程
球磨
冷却 得粉体
H3PO4
5.5 磷酸钙陶瓷（β-TCP）
2.液相反应合成β-TCP 1~2%的(NH4)2SO4
Ca/P＝1.5
Ca(OH)2
沉淀
800℃
1150～1300℃
内容
生物无机材料制备与加工的一般途径 生物惰性陶瓷（氧化铝陶瓷） 生物活性陶瓷（羟基磷灰石陶瓷） 生物可吸收陶瓷（磷酸钙陶瓷） 多孔生物陶瓷
炣
骨水泥 生物无机材料
生物陶瓷
5.1 概述
生物玻璃
炣
5.1 概述
《先进陶瓷材料及进展》第七章高介电容器瓷
《先进陶瓷材料及进展》第七章高介电容器瓷1.引言在电子器件中，高介电材料广泛用于制造电容器，以提供高性能和稳定性。
高介电容器瓷是一种特殊材料，具有优异的介电性能和机械强度，被广泛应用于电器、电力系统、通信和电子领域。
本章将介绍高介电容器瓷的基本性质、制备方法以及应用领域的进展。
2.高介电容器瓷的基本性质高介电容器瓷具有以下基本性质：(1)高介电常数：高介电容器瓷的介电常数通常在几十到数百之间，比一般材料的介电常数要高。
(2)优异的绝缘性能：高介电容器瓷具有良好的绝缘性能，可以在高温、高频等恶劣环境下工作。
(3)低介质损耗：高介电容器瓷的介质损耗很低，能够提供良好的电容稳定性和能量储存能力。
(4)高机械强度：高介电容器瓷通常具有较高的机械强度和硬度，能够保证器件的稳定性和可靠性。
3.高介电容器瓷的制备方法高介电容器瓷的制备方法主要有以下几种：(1)干法制备：干法制备是指通过固相反应或化学合成的方法制备高介电容器瓷。
常见的干法制备方法有烧结法、沉淀法、固相合成法等。
(2)湿法制备：湿法制备是指通过溶胶-凝胶法、水热法等在溶液中制备高介电容器瓷。
湿法制备方法具有制备工艺简单、成本低等优点。
(3)薄膜制备：通过溅射、化学气相沉积等方法制备高介电容器瓷的薄膜，常用于微电子器件中。
4.高介电容器瓷的应用领域高介电容器瓷被广泛应用于以下领域：(1)电力系统：高介电容器瓷用于制造高压电容器，用于电力系统中的电容器分合闸装置、断路器、避雷器等。
(2)电子器件：高介电容器瓷用于制造电子器件中的电容器，并在电子电路中起到储能、隔离、滤波等作用。
(3)通信领域：高介电容器瓷在通信设备中用于制造射频滤波器、耦合器、天线等，以提供高频信号的传输和处理。
(4)新能源器件：高介电容器瓷用于制造储能装置中的电容器，如超级电容器、太阳能电池和燃料电池。
5.高介电容器瓷的进展当前(1)新材料的研发：研究人员不断开发新材料，以提高高介电容器瓷的性能和工作温度范围。
第五章 铁电介质陶瓷95
10
1、立方BaTi03 是理想的钙钛矿型结构，每 个钙钛矿型晶胞中包含一个分 子单位。
11
钙钛矿结构
Ba2+
Ti4+
O2-
12
从离子堆积的角度看，O2-离子和 Ba2+共同按立方最紧密堆积，堆积成
O2- 离子处于面心位置的“立方面心
结构”，Ti4+ 离子占据着6个O2- 组成
的八面体空隙的中间。
45
施加反方向电场，达－Ec时， 极化强度P才回到0，继续提高电 场强度，P在反方向表现出来，变 至H点与A点相应，极化达饱和， GH为直线，降至电场强度为0时， P=－Pr，再施加正电场至Ec，P又 恢复到0，再提高电场强度，则沿 Ec－A到A。
46
施加外电场后，再也不会回到E=0， P=0的原点，而是沿一个回线运动，这 个回线称为电滞回线。 Ec所表示的电场强度称为该陶瓷材 料的矫顽场。BA的延长线与P相交，Ps 称为自发极化强度。 三、BaTi03陶瓷介电温度特性 1、≌1000，因为陶瓷中存在玻璃相， 使较BaTi03晶体的低。
6
对容量要求一样时，用高介电常 数材料制备的电容器体积小，而用 低介电常数材料制备的电容器体积 很大。 为了减小元件的几何尺寸，各国 都在大力开发新的电介质陶瓷材料 和复合电介质材料。
7
随着整机发展的要求，片式陶瓷
电容器、片式陶瓷电感、片式陶瓷
电阻等片式陶瓷元件，以及微叠层
陶瓷元件的研究，开发和生产的发
25
5、畴壁：电畴与电畴之间的界面，称为
畴壁。
分为两种： （1）90o 畴壁：相邻电畴之间的取向相
差90o。 （2）180o畴壁：相邻电畴之间的取向相 差180o。
陶瓷材料工艺学--第五章 陶瓷材料的烧结
③ 气氛对坯的颜色和透光度以及釉层质量的影响
a. 影响铁和钛的价态； b. 使SiO2和CO还原； c. 形成氮化合物。
结论：气氛的影响有好有坏，关键是看坯体的组成。
（4）升温与降温速度对产品性能的影响
75%Al2O3瓷的升温速率与性能的关系曲线 1―抗折强度；2―温度系数；3―介质损耗角
（4）升温与降温速度对产品性能的影响
全部组元都转变为液相，而烧结是在低于主要组分的熔点下进
行的。
这两个过程均在低于材料熔点或熔融温
度之下进行的。并且在过程的自始至终都至少有一相是固态。
固相烧结一般可分为三个阶段：初始阶段，主要表现为颗粒形状 改变；中间阶段，主要表现为气孔形状改变；最终阶段，主要表现为 气孔尺寸减小。
烧结过程
收缩
降温速率对坯体的白度和性能都有影响。特别是 含玻璃相多的陶瓷，应采取高温快冷和低温慢冷的制 度。
高温快冷可避免泛黄、釉面析晶，提高光泽；低 温慢冷可减少应力，避免开裂等。
影响陶瓷材料烧结的工艺参数:
（1）烧成温度 （2）保温时间 （3）烧成气氛 （4）升温与降温速率
本节小结
1、 烧结的定义和烧结的方法 2、 烧结的类型
接触部位 颈部 颈部 颈部 颈部 颈部 颈部 颈部
相关参数 晶格扩散率,Dl 晶界扩散率,Db
粘度,η 表面扩散率,Ds 晶格扩散率,Dl 蒸汽压差,Δp 气相扩散率,Dg
5.3.2 晶粒过渡生长现象
晶粒的异常长大是指在长大速度较慢的细晶基体内有少部分区域快 速长大形成粗大晶粒的现象。
在烧结过程中发生异常长大与以下主要因素有关： ① 材料中含有杂质或者第二相夹杂物 ② 材料中存在高的各向异性的界面能，例如固/液界面
三、气孔排除
a. 影响铁和钛的价态； b. 使SiO2和CO还原； c. 形成氮化合物。
结论：气氛的影响有好有坏，关键是看坯体的组成。
（4）升温与降温速度对产品性能的影响
75%Al2O3瓷的升温速率与性能的关系曲线 1―抗折强度；2―温度系数；3―介质损耗角
（4）升温与降温速度对产品性能的影响
全部组元都转变为液相，而烧结是在低于主要组分的熔点下进
行的。
这两个过程均在低于材料熔点或熔融温
度之下进行的。并且在过程的自始至终都至少有一相是固态。
固相烧结一般可分为三个阶段：初始阶段，主要表现为颗粒形状 改变；中间阶段，主要表现为气孔形状改变；最终阶段，主要表现为 气孔尺寸减小。
烧结过程
收缩
降温速率对坯体的白度和性能都有影响。特别是 含玻璃相多的陶瓷，应采取高温快冷和低温慢冷的制 度。
高温快冷可避免泛黄、釉面析晶，提高光泽；低 温慢冷可减少应力，避免开裂等。
影响陶瓷材料烧结的工艺参数:
（1）烧成温度 （2）保温时间 （3）烧成气氛 （4）升温与降温速率
本节小结
1、 烧结的定义和烧结的方法 2、 烧结的类型
接触部位 颈部 颈部 颈部 颈部 颈部 颈部 颈部
相关参数 晶格扩散率,Dl 晶界扩散率,Db
粘度,η 表面扩散率,Ds 晶格扩散率,Dl 蒸汽压差,Δp 气相扩散率,Dg
5.3.2 晶粒过渡生长现象
晶粒的异常长大是指在长大速度较慢的细晶基体内有少部分区域快 速长大形成粗大晶粒的现象。
在烧结过程中发生异常长大与以下主要因素有关： ① 材料中含有杂质或者第二相夹杂物 ② 材料中存在高的各向异性的界面能，例如固/液界面
三、气孔排除
第五章材料的介电性能,
材料 刚玉 云母晶体 氧化铝陶瓷 食盐晶体 LiF晶体 聚苯乙烯 高抗冲聚苯乙烯 聚苯醚 聚碳酸酯 9（6.5）[60(106)] 5.4~6.2 9.5~11.2 6.12 9.27 2.45~3.10（60） 2.45~4.75（60） 2.58（60） 2.97~3.71（60）
聚乙烯泡沫塑料
整理得：
5.1.4 影响介电常数的因素
• 介电类型 • 温度系数
• 介电常数与温度呈强的非线性关系，用温度系数描述温度特征难度大 • 介电常数与温度呈线性关系，可以用温度系数描述介电常数与温度的 关系
5.2 交变电场中的电介质
• 5.2.1 复介电常数
在变动的电场下，静态介电常数不再适用，而出现动态介电常数——复介电常数
第五章 材料的介电性能
5.1 介质极化和静态介电常数
5.2 交变电场中的电介质
• 在外电场作用下，材料发生两种响应，一种是电传导，另一种是 电感应。与导电材料相伴而生，主要应用于材料介电性能的这一 类材料总称为电介质（材料）。 • 表征材料的介电性能的基本参数：介电系数、介电损耗、电导率 和击穿强度。
一切陶瓷
离子结构 离子不紧 密的材料 高价金属 氧化物 有机
空间电荷 极化
结构不均 匀的材料
直流—— 光频 直流—— 红外 直流—— 超高频 直流—— 超高频 直流—— 超高频 直流—— 高频
无关
温度升高极 化增强 随温度变化 有极大值 随温度变化 有极大值 随温度变化 有极大值
无
很弱 有 有 有
随温度升高 而减小
在气体、液体和理想的完整晶体中，经常存在的微观极化机制是电子位移极化、离子位移极 化和固有电矩的取向极化
在非晶体固体、聚合物高分子、陶瓷以及不完整的晶体中，还会存在其他复杂的微观极化机制。 松弛极化、空间电荷极化和自发极化
介电材料全篇
5.2 电容器介电材料的分类及结构特性
④除个别品种外，有机介质的耐热性都逊于无机介电材 料，这与其分子链节中各键的牢固程度、链节上的支链 数及相对分布、交联键的数目、分子链间作用力的大小 和材料的结晶程度有关。此外，由于光照、电场、温度、 辐射、有害气体及杂质等环境因素的影响，有机介质易 发生不可逆的化学变化，因此其化学稳定性较差，老化 现象较显著。
③金云母：含钾与镁的云母，亦称钾镁云母，又因其颜色
比白云母深暗、呈琥珀色（接近棕色）而也被称为琥珀 云母，其化学组成为K2O·6MgO·3A12O3·6SiO2·2H2O。 ④锂云母：含锂的云母，其化学组成为 Li2O·2FeO·2A12O3·6SiO2·2H2O。 ⑤黑云母：含铁和镁的云母，其化学组成为
介电材料分为有机和无机两大类。有机介电材 料分为极性介电材料和非极性介电材料两种。 其中除纸以外，均为高分子聚合物薄膜，即有 机膜。无机介电材料则分为气体和固体两个类 别。气体包含空气、压缩氮气、六氟化硫及混 合气体等，固体介电材料则包含云母、玻璃和 陶瓷等。各种介电材料中，纸、陶瓷、云母属 传统的材料，而陶瓷介电材料在近些年获得快 速发展，其中独石电容器材料是典型的代表。
常数为实数，有损耗时为复数，即 i
复介电常数与相位差角之间存在关系 tan /
即称为损耗角正切（简称损耗），它是表征电介质材料交流特 性的参数。电容器的交流损耗与电容器各部分串联等效电阻、 电容量及交流电频率的关系为：
tan 2fRC
式中f为交流电频率（HZ），R为等效串联电阻（Ω），C为电容 量（F）。
5.2 电容器介电材料的分类及结构特性
2.有机介电材料的类别和通性
有机介电材料品种很多，一般来说，这些介 电材料都是含碳的共价键化合物，其中大部分 又是由高分子聚合物制成的薄膜。介质形状都 是带状并绕制成卷。常用的膜厚多在30μm以 下，少数介质厚度可达100μm以上。有机介电 材料柔韧性好，但在耐高温、抗辐射、抗霉菌、 抗电弧和化学稳定性方面，一般不如无机介电 材料。
介质陶瓷PPT课件
类
电常数、温度系数值范 锆酸盐瓷和钛锶铋
设备的电路中
围宽，电性能稳定
瓷
介电常数比I类电介
用于对Q值及静
Ⅱ
质陶瓷高，介电系数随 铁电陶瓷(钛酸钡) 温度和电场变化呈非线
电容量稳定性要求 不高的电子仪器设
类
性，具有电滞回线，电
备中，作旁路和藕
致伸缩和压电效应等
合等电路中的电容
器．
以晶粒为半导体，利
小型、大容量的晶
4.半导体系(Ⅳ型)，
其各自的特征如下表所示：
类型
特
征
Ⅰ
温度补偿
Ⅱ
温度稳定
介电常数的温度系数在+10-4／℃到-4.7X 10-3／℃之 间随意获得；
具有高的Q值； 绝缘电阻高，适用于高频
介电常数的温度系数接近零； 具有高的Q值，适用于高频； 如果介电常数尽可能高些，在几GHz带宽内Q值很高， 则可用于制造微波滤波器，称微波电介质陶瓷
P
无外电场作用时，晶 体的正负电荷中心不
重合而呈现电偶极矩
的现象
Spontaneous polarization
依赖于外加电场
E
直线性关系
不依赖于外加电 场，且外加电场 能使极化反转
E
非线性关系
OA：电场弱，P与E呈线性关系
AB：P迅速增大，电畴反转
Pr
B point：极化饱和，单畴
Ⅲ
用陶瓷的表面及晶粒间 界层型，阻挡层型
广泛用于收录机
类
形成绝缘层作为介质， 单位面积的电容量很大
及还原再氧化型半 导体陶瓷电容器(钛
、电子计算机、汽 车等电子产品
酸钡基、钛酸锶基)
根据陶瓷电容器所采用陶瓷材料的 特点，电容器分为：
清华大学工程材料第五版第五章
5.1 普通陶瓷
5.1.1 普通日用陶瓷
一、普通日用陶瓷的用途和特点
用粘土、石灰石、长石、石英等天然硅 酸盐类矿物制成。制造日用器皿和瓷器。
一般具有良好的光泽度、透明度，热稳 定性和机械强度较高。
日用器皿
艺术陶瓷
二、常用普通日用陶瓷
（1）长石质瓷 国内外常用的日用瓷，作 一般工业瓷制品。
（2）绢云母质瓷 我国的传统日用瓷。 （3）骨质瓷 主要作高级日用瓷制品。 （4）滑石质瓷 综合性能好的新型高质瓷。 （5）高石英质日用瓷 我国研制成功，石 英含量 ≥40%，瓷质细腻、色调柔和、透光 度好、机械强度和热稳定性好。
氧化铝陶瓷应用实例：
氧化铝陶瓷密封环
氧化铝陶瓷喷咀
二、氧化铍陶瓷
●导热性极好，很高的热稳定性，抗热冲 击性较高；
●消散高能辐射的能力强、热中子阻尼系 数大。
●强度低。
应用 氧化铍陶瓷制造坩埚，作真空陶瓷和 原子反应堆陶瓷，气体激光管、晶体管散热 片和集成电路的基片和外壳等。
三、氧化锆陶瓷
●熔点在2700 ℃以上，耐2300 ℃高温， 推荐使用温度2000 ℃～2200 ℃；
绝缘瓷瓶
改善工业陶瓷性能的方法： 加入MgO、ZnO、BaO、Cr2O3等或增加莫 来石晶体相，提高机械强度和耐碱抗力；
加入Al2O3、ZrO2等提高强度和热稳定性； 加入滑石或镁砂降低热膨胀系数；
加入SiC提高导热性和强度。
5.2 特种陶瓷
☆ 老师提示：重点内容
特种陶瓷也叫现代陶瓷、精细陶瓷。 特种陶瓷包括特种结构陶瓷和功能陶瓷两 大类，如压电陶瓷、磁性陶瓷、电容器陶瓷、 高温陶瓷等。 按陶瓷的主要组成分： 氧化物陶瓷、硼化物陶瓷、 氮化物陶瓷、碳化物陶瓷。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
13
5.4.2 金红石(Rutile)瓷
金红石瓷的主晶相为四方金红石结构的二氧化钛Titania (TiO2) 陶瓷，ε=80~90，αε=(-750~-850)×10-6/℃， tgδ很 小，主要用做高频温度补偿电容器陶瓷介质。
αε 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。
17
5.4.2 金红石(Rutile)瓷
(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++e→Ti3+=Ti4+·e[e-弱束缚电子]）
弱束缚电子电跃子迁松到弛导极带化（激发能、低t） g
24
5.4.2 金红石(Rutile)瓷
(3) 用途 电容器介质：由于ε-tgδ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。
12
5.4.1 高频电容器陶瓷的主要性能特点 5.4.1.1电容器瓷的介电特性
含钛陶瓷的介质损耗 低温下高频电容器瓷的tgδ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：①TiO2的二次再结晶，破坏晶粒的均匀 度，使材料的机械性能和介电性能恶化；② Ti4+→Ti3+→tgδ↑
按ε 的值分 温度每变化1℃时介电系数的相对变化率
< 0：TiO2、CaTiO3、SrTiO3 > 0：MgTiO3、CaSnO3、SrSnO3、CaZrO3
3 0： BaO•4TiO2
3
5.4.1 高频电容器陶瓷的主要性能特点 5.4.1.1电容器瓷的介电特性
高频电容器陶瓷
高频热补偿电容器陶瓷介质
10
5.4.1 高频电容器陶瓷的主要性能特点 5.4.1.1电容器瓷的介电特性
根据不同的用途，对电容器的温度系数有不同的要求 αε ＞0 ，如滤波旁路和隔直流的电容器; αε ＜0 ，如热补偿电容器。这种电容器除了可以作
为振荡回路的主振电容器外，还能同时补偿振荡 回路中电感线圈的正温度系数值; αε ≈ 0 ，如要求电容量热稳定度高的回路中的电容 器和高精度的电子仪器中的电容器。
e 4 0r3
原子核
电子ห้องสมุดไป่ตู้
电子极化率的大小与原子 (离子)半径有关。
极化前
极化后
电子位移极化
在外电场作用下，原子外围的电子云相对于原子核 发生位移形成的极化
6
5.4.1 高频电容器陶瓷的主要性能特点 5.4.1.1电容器瓷的介电特性
-
+
E=0
-
+ E→
a
4 0 (r
n 1
16
5.4.2 金红石(Rutile)瓷
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 1200℃~1300℃氧化气氛中预烧，使TiO2全部转变为 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。
高频热稳定电容器陶瓷介质 ( 0)
值不同的原因
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、 BaO·4TiO2
( << 0)
( > 0) ( 0)
5.4 高频介质陶瓷
5.4.1 高频电容器陶瓷的主要性能特点
众所周知，传统的静电电容器的基本结构由两个平行 的导电极板和充于其间的电介质组成，当在电容的极 板上施加电场以后，由于电介质的极化过程，使束缚 电荷在两极板上积累面储存电能，因此称为电容器。
电容器无法通过直流电从而具有隔直功能;而交流电则 能以充放电的形式通过电容器，因此，电容器在电子 电路中具有滤波、藕合及电源的功能。
且对极化强度增加
的影响超过了密度
→αa（极化率）按（r++r-）3↑↑→ε↑↑
降低对极化强度的 影响
c、BaO·4TiO2
T n
T Ei
0
T
(r
r)
a
9
电容器瓷的介电特性
ε的对数混合法则
ln x1 ln 1 x2 ln 2
铁电陶瓷明显不适合此类应用， tgδ ＞0.003，特别是高频 电场下tgδ 大
2
5.4.1 高频电容器陶瓷的主要性能特点 5.4.1.1电容器瓷的介电特性
高介电容器瓷的分类
按主晶相分
金红石瓷：TiO2 钛酸盐瓷：CaTiO3、SrTiO3、MgTiO3 锡酸盐瓷：CaSnO3、 SrSnO3 锆酸盐瓷：CaZrO3 铌铋锌系：ZnO－Bi2O3-Nb2O5
r )3
离子位移极化
离子在电场作用下偏移平衡位置的移动相当子形成一个感生偶极矩
7
5.4.1 高频电容器陶瓷的主要性能特点 5.4.1.1电容器瓷的介电特性
不同的材料，由于不同的极化形式，其介电系数的温度系数 也不同，可正、可负。
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 Ei 为主
20
5.4.2 金红石(Rutile)瓷
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。
TiO2
>140 0C [Ti142 xTi23x ]O22xVOx
x 2
O2
2TiTxi
Oox
2TiTi
Vo
1 2
O2
(
g
极化过程造成能量损耗，导致产生热量,特别要求在高工作频
率或脉冲条件使用时tgδ值低
介电常数的温度系数
(
1
t
) 的范围宽
尤其在振荡回路中，为了使电路的工作状态稳定，通常是使
用电容器的αε （＜0）来补偿电路中电感等元件的温度系数。 为了满足不同场合的使用要求，必须使其αε要系列化。ε通常 与温度呈线性关系（非铁电）。
4
5.4.1 高频电容器陶瓷的主要性能特点 5.4.1.1电容器瓷的介电特性
μ
+ - + - + - +- + -
+
-
+ - + - + - +- + -
+ - + - + - +- + -
+
-
+ - + - + - +- + -
P
电介质的极化
极化强度:
介质单位体积内的电偶 极矩总和
介质单位体积中的极化质点数N
、V
、tg
18
5.4.2 金红石(Rutile)瓷
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
19
5.4.2 金红石(Rutile)瓷
a、烧结气氛
TiO2陶瓷在还原气氛下烧成时，很容易失去部分氧，形 成低价氧化物，在晶格中产生氧离子空位，使材料的ρv下 降， tgδ增加，抗电强度降低。
22
5.4.2 金红石(Rutile)瓷
d、电化学老化 直流老化
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-e→Ag+， Ag+迁移率大，进入介质向负极迁移
Ti4 e Ti3
23
5.4.2 金红石(Rutile)瓷
防止Ti4+→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20~40℃，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
P
i
V
N
N
Ei
介电常数:
1 N Ei 0 E
与N , , Ei有关系。
5
5.4.1 高频电容器陶瓷的主要性能特点 5.4.1.1电容器瓷的介电特性
离子晶体中主要是电子位移极化与离子位移极化。
E=0
2r
+
E
-+
单位电场强度下，质 点电偶极矩的大小称 为质点的极化率
)
纯TiO2陶瓷在约1450℃才能烧结，而且烧成时即使在氧 化气氛下也有热分解失氧的可能，使制造金红石陶瓷很
困难。因此，在金红石瓷料的配方中常引入苏州土、膨
润土、萤石、BaCO3、ZrO2、WO3、H2WO4等加入物以 满足成型和烧结的要求和材料介电性能的要求。
21
5.4.2 金红石(Rutile)瓷
高频介质陶瓷:Ⅰ类瓷介电容器（高频电路）的陶瓷 电介质，主要是碱土金属和稀土金属的钛酸盐和以钛 酸盐为基的固溶体。
5.4.2 金红石(Rutile)瓷
金红石瓷的主晶相为四方金红石结构的二氧化钛Titania (TiO2) 陶瓷，ε=80~90，αε=(-750~-850)×10-6/℃， tgδ很 小，主要用做高频温度补偿电容器陶瓷介质。
αε 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。
17
5.4.2 金红石(Rutile)瓷
(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++e→Ti3+=Ti4+·e[e-弱束缚电子]）
弱束缚电子电跃子迁松到弛导极带化（激发能、低t） g
24
5.4.2 金红石(Rutile)瓷
(3) 用途 电容器介质：由于ε-tgδ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。
12
5.4.1 高频电容器陶瓷的主要性能特点 5.4.1.1电容器瓷的介电特性
含钛陶瓷的介质损耗 低温下高频电容器瓷的tgδ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：①TiO2的二次再结晶，破坏晶粒的均匀 度，使材料的机械性能和介电性能恶化；② Ti4+→Ti3+→tgδ↑
按ε 的值分 温度每变化1℃时介电系数的相对变化率
< 0：TiO2、CaTiO3、SrTiO3 > 0：MgTiO3、CaSnO3、SrSnO3、CaZrO3
3 0： BaO•4TiO2
3
5.4.1 高频电容器陶瓷的主要性能特点 5.4.1.1电容器瓷的介电特性
高频电容器陶瓷
高频热补偿电容器陶瓷介质
10
5.4.1 高频电容器陶瓷的主要性能特点 5.4.1.1电容器瓷的介电特性
根据不同的用途，对电容器的温度系数有不同的要求 αε ＞0 ，如滤波旁路和隔直流的电容器; αε ＜0 ，如热补偿电容器。这种电容器除了可以作
为振荡回路的主振电容器外，还能同时补偿振荡 回路中电感线圈的正温度系数值; αε ≈ 0 ，如要求电容量热稳定度高的回路中的电容 器和高精度的电子仪器中的电容器。
e 4 0r3
原子核
电子ห้องสมุดไป่ตู้
电子极化率的大小与原子 (离子)半径有关。
极化前
极化后
电子位移极化
在外电场作用下，原子外围的电子云相对于原子核 发生位移形成的极化
6
5.4.1 高频电容器陶瓷的主要性能特点 5.4.1.1电容器瓷的介电特性
-
+
E=0
-
+ E→
a
4 0 (r
n 1
16
5.4.2 金红石(Rutile)瓷
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 1200℃~1300℃氧化气氛中预烧，使TiO2全部转变为 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。
高频热稳定电容器陶瓷介质 ( 0)
值不同的原因
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、 BaO·4TiO2
( << 0)
( > 0) ( 0)
5.4 高频介质陶瓷
5.4.1 高频电容器陶瓷的主要性能特点
众所周知，传统的静电电容器的基本结构由两个平行 的导电极板和充于其间的电介质组成，当在电容的极 板上施加电场以后，由于电介质的极化过程，使束缚 电荷在两极板上积累面储存电能，因此称为电容器。
电容器无法通过直流电从而具有隔直功能;而交流电则 能以充放电的形式通过电容器，因此，电容器在电子 电路中具有滤波、藕合及电源的功能。
且对极化强度增加
的影响超过了密度
→αa（极化率）按（r++r-）3↑↑→ε↑↑
降低对极化强度的 影响
c、BaO·4TiO2
T n
T Ei
0
T
(r
r)
a
9
电容器瓷的介电特性
ε的对数混合法则
ln x1 ln 1 x2 ln 2
铁电陶瓷明显不适合此类应用， tgδ ＞0.003，特别是高频 电场下tgδ 大
2
5.4.1 高频电容器陶瓷的主要性能特点 5.4.1.1电容器瓷的介电特性
高介电容器瓷的分类
按主晶相分
金红石瓷：TiO2 钛酸盐瓷：CaTiO3、SrTiO3、MgTiO3 锡酸盐瓷：CaSnO3、 SrSnO3 锆酸盐瓷：CaZrO3 铌铋锌系：ZnO－Bi2O3-Nb2O5
r )3
离子位移极化
离子在电场作用下偏移平衡位置的移动相当子形成一个感生偶极矩
7
5.4.1 高频电容器陶瓷的主要性能特点 5.4.1.1电容器瓷的介电特性
不同的材料，由于不同的极化形式，其介电系数的温度系数 也不同，可正、可负。
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 Ei 为主
20
5.4.2 金红石(Rutile)瓷
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。
TiO2
>140 0C [Ti142 xTi23x ]O22xVOx
x 2
O2
2TiTxi
Oox
2TiTi
Vo
1 2
O2
(
g
极化过程造成能量损耗，导致产生热量,特别要求在高工作频
率或脉冲条件使用时tgδ值低
介电常数的温度系数
(
1
t
) 的范围宽
尤其在振荡回路中，为了使电路的工作状态稳定，通常是使
用电容器的αε （＜0）来补偿电路中电感等元件的温度系数。 为了满足不同场合的使用要求，必须使其αε要系列化。ε通常 与温度呈线性关系（非铁电）。
4
5.4.1 高频电容器陶瓷的主要性能特点 5.4.1.1电容器瓷的介电特性
μ
+ - + - + - +- + -
+
-
+ - + - + - +- + -
+ - + - + - +- + -
+
-
+ - + - + - +- + -
P
电介质的极化
极化强度:
介质单位体积内的电偶 极矩总和
介质单位体积中的极化质点数N
、V
、tg
18
5.4.2 金红石(Rutile)瓷
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
19
5.4.2 金红石(Rutile)瓷
a、烧结气氛
TiO2陶瓷在还原气氛下烧成时，很容易失去部分氧，形 成低价氧化物，在晶格中产生氧离子空位，使材料的ρv下 降， tgδ增加，抗电强度降低。
22
5.4.2 金红石(Rutile)瓷
d、电化学老化 直流老化
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-e→Ag+， Ag+迁移率大，进入介质向负极迁移
Ti4 e Ti3
23
5.4.2 金红石(Rutile)瓷
防止Ti4+→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20~40℃，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
P
i
V
N
N
Ei
介电常数:
1 N Ei 0 E
与N , , Ei有关系。
5
5.4.1 高频电容器陶瓷的主要性能特点 5.4.1.1电容器瓷的介电特性
离子晶体中主要是电子位移极化与离子位移极化。
E=0
2r
+
E
-+
单位电场强度下，质 点电偶极矩的大小称 为质点的极化率
)
纯TiO2陶瓷在约1450℃才能烧结，而且烧成时即使在氧 化气氛下也有热分解失氧的可能，使制造金红石陶瓷很
困难。因此，在金红石瓷料的配方中常引入苏州土、膨
润土、萤石、BaCO3、ZrO2、WO3、H2WO4等加入物以 满足成型和烧结的要求和材料介电性能的要求。
21
5.4.2 金红石(Rutile)瓷
高频介质陶瓷:Ⅰ类瓷介电容器（高频电路）的陶瓷 电介质，主要是碱土金属和稀土金属的钛酸盐和以钛 酸盐为基的固溶体。