第3章 电介质陶瓷
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第3章 电介质陶瓷
表 极化形式 电子位移极化 离子位移极化 离子松弛极化 具有此种极化的电介质 一切陶瓷介质中 离子组成的陶瓷介质中 离子组成的玻璃、结构 不紧密的晶体及陶瓷中 电子松弛极化 钛质瓷及高价金属氧 化物基础的陶瓷中 自发极化 温度低于居里点
各种极化形式的比较 发生极化的频率范围 从直流到光频 从直流到红外线 从直流到超高频 和温度的关系 无关 温度升高、极化增强 随温度变化有极大值 能量损耗 没有 很微弱 有
在直流电场下,如果气孔内的电场降低,电离现象就很快消失,材 料中发生电荷渗漏。 交流电场中,介电材料每½个周期就发生电离。所以样品比处在 直流电场时更容易出现击穿现象。而且电荷的渗漏时间决定于电 离速率。这样交流电场下,样品的击穿电压通常比直流电场低。 (4).长期影响(化学击穿): 长期运行在远低于瞬间击穿电压下的陶瓷也会发生击穿现象被 击穿的影响因素在短期内不会表现出来。 空气污染和天气影响等因素都可以使器件表面变得粗糙,吸收水 蒸气和导电性杂质。在高温和所连接的导电体中的金属杂质离子 的溅蚀作用下,表面发生电离,材料逐渐失去绝缘性能,最后导致击 穿。 在直流电场中,材料内部和表面同时发生电化学反应,使得Ag+在 表面扩散并沿着晶界逐渐渗入材料内部,导致材料的电阻减小,绝 缘特性相应降低。另外,Na+在玻璃相中的扩散,Vo¨(氧空位)在晶相 中的扩散,形成了一定的电势差,也将有可能导致击穿。 由于样品形状、材料种类以及操作条件的不同都是导致材料产 生击穿的因素,如果根据经验来合适设计制备介电材料,可以在一 定程度上克服击穿现象的发生,但是对任何新的介电材料在应用之 前,必须进行长期的老化试验测试。
12.滑石瓷中加黏土的作用是什么？ 13.滑石瓷生产工艺及其存在的问题与解决方法？ 14.决定Al2O3电绝缘瓷热传导率的因素？ 15.强调电绝缘瓷的3个方面是什么？ 16.陶瓷的导电机制及几种形式？ 17.电容器陶瓷的分类及其特点？ 18.电容器陶瓷材料在性能上的要求？ 19.含钛陶瓷被还原的原因、结果与影响因素？ 20.直流老化？电极反应与电化学老化？ 21.含钛氧化物性能退化的原因与改进措施？ 22.金红石瓷挤压成型工艺？ 23.制备优质微波陶瓷的几个要求？ 24.积层电容器陶瓷的制备工艺？
功能陶瓷 第3章 导电陶瓷
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热(温)敏陶瓷:对温度变化敏感的陶瓷材料。 热敏电阻（Temperature-sensitive Resistors -TSR）:电 阻率随温度变化的电阻元件(电阻器)。 热敏电阻分类： 1. 正温度系数PTC（Positive Temperature Coefficient ）: 电阻值随温度升高而增加； 2. 负温度系数NTC:电阻值随温度升高而减小； 3. 线性：电阻值随温度变化呈直线关系 4. 开关型CTR(critical temperature resistors)：电阻值在一 个很窄的温度范围内变化(上升或下降)几个数量级。
功能陶瓷
第三章 –导电陶瓷
（CERAMIC CONDUCTORS）
1
1
Chapter Outline
4.1压敏陶瓷 4.2热敏陶瓷 4.3气敏陶瓷 4.4超导陶瓷
2
4.1
压敏陶瓷
压敏半导体陶瓷：电阻值与外加电压成显著的非直线 性关系的半导体陶瓷。 使用时加上电极后包封即成为压敏电阻器。 英文variable resistor简称varistor Voltage Dependent Resistor简写为VDR 采用半导体陶瓷材料 SiC、ZnO、BaTiO3、Fe2O3、SnO2、SrTiO3等。 BaTiO3 、 Fe2O3 利用的是电极与烧结体界面的非欧姆 性 SiC、ZnO ,SrTiO3 利用的是晶界非欧姆特性。
8
材料常数C
在很宽的电流范围内，α不是常数，在小电流和大电流条 件下均有所下降。在击穿区α值最大，VDR的电阻值对电压 十分敏感。 α值与温度及压敏电阻的化学成分均有关；
如α ＝1，C正好是欧姆电阻值，C值大，在一定的电流 下所对应的电压也高，所以有时称C为非线性电阻值。 C值应与VDR的几何尺寸有关。为了比较不同材料的C值 ，把压敏电阻器上流过1mA／cm2电流时，在电流通路上 每毫米长度上的电压降定义为该压敏电阻器的C值。它 反映了材料的特性和材料的压敏电压的高低，故把C称 为材料常数。 压敏电压V1mA是指当压敏电阻器流过规定的直流电时所产 的端电压(漏电流为1mA时的电压值)
热(温)敏陶瓷:对温度变化敏感的陶瓷材料。 热敏电阻（Temperature-sensitive Resistors -TSR）:电 阻率随温度变化的电阻元件(电阻器)。 热敏电阻分类： 1. 正温度系数PTC（Positive Temperature Coefficient ）: 电阻值随温度升高而增加； 2. 负温度系数NTC:电阻值随温度升高而减小； 3. 线性：电阻值随温度变化呈直线关系 4. 开关型CTR(critical temperature resistors)：电阻值在一 个很窄的温度范围内变化(上升或下降)几个数量级。
功能陶瓷
第三章 –导电陶瓷
（CERAMIC CONDUCTORS）
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Chapter Outline
4.1压敏陶瓷 4.2热敏陶瓷 4.3气敏陶瓷 4.4超导陶瓷
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压敏陶瓷
压敏半导体陶瓷：电阻值与外加电压成显著的非直线 性关系的半导体陶瓷。 使用时加上电极后包封即成为压敏电阻器。 英文variable resistor简称varistor Voltage Dependent Resistor简写为VDR 采用半导体陶瓷材料 SiC、ZnO、BaTiO3、Fe2O3、SnO2、SrTiO3等。 BaTiO3 、 Fe2O3 利用的是电极与烧结体界面的非欧姆 性 SiC、ZnO ,SrTiO3 利用的是晶界非欧姆特性。
8
材料常数C
在很宽的电流范围内，α不是常数，在小电流和大电流条 件下均有所下降。在击穿区α值最大，VDR的电阻值对电压 十分敏感。 α值与温度及压敏电阻的化学成分均有关；
如α ＝1，C正好是欧姆电阻值，C值大，在一定的电流 下所对应的电压也高，所以有时称C为非线性电阻值。 C值应与VDR的几何尺寸有关。为了比较不同材料的C值 ，把压敏电阻器上流过1mA／cm2电流时，在电流通路上 每毫米长度上的电压降定义为该压敏电阻器的C值。它 反映了材料的特性和材料的压敏电压的高低，故把C称 为材料常数。 压敏电压V1mA是指当压敏电阻器流过规定的直流电时所产 的端电压(漏电流为1mA时的电压值)
介电材料
§ 1-2 典型低介装置瓷
§ 1-2-2 氧化铝瓷
1、氧化铝瓷的分类、性能与用途 2、氧化铝瓷原料的制备 3、降低烧结温度、改进工艺性能的措施
§ 1-2 典型低介装置瓷
1、氧化铝瓷的分类、性能与用途
以Al2O3为主要原料，α-Al2O3为主晶相的陶瓷 称为氧化铝瓷。 根据氧化铝瓷的含量，将氧化铝瓷分为莫来石 瓷、刚玉-莫来石瓷、刚玉瓷，含Al2O375%以 上的称为高铝瓷 根据氧化铝瓷的颜色和透光性能，可分为白色 Al2O3瓷、黑色Al2O3瓷、透明Al2O3瓷。
§ 1-2 典型低介装置瓷
1 ( )Vl ( )d 陶瓷的热传导公式：K C 3 K-热导率，C-声子的热容，V-声子的速度，l-声子的平 均自由程，v-声子的振动频率。
声子的散射机制：声子的平均自由程除受到格波间的耦 合作用外（声子间的散射），还受到材料中的各种缺陷、 杂质以及样品边界（表面、晶界）的影响。
• （1）高的体积电阻率（室温下大于1012Ωm）和高介电强 度（>104kVm－1），以减少漏导损耗和承受较高的电压。
• （2）高频电场下的介电损耗要小（tanδ一般在2×10－4～ 9×10－3范围内）。介电损耗大，会造成材料发热，使整机 温度升高，影响工作。另外，还可能造成一系列附加的衰 减现象。
§ 1-2 典型低介装置瓷
(3) 冷冻干燥法
将含Al3+溶液雾化成微小液滴，快速冻结为固体， 加热使液滴中的水升华气化，干燥形成无水盐， 焙烧后得到球型颗粒。 特点：
疏松而脆，容易粉碎成均匀，超细原料 成分均匀 适于批量化生产，设备简单，成本低
§ 1-2 典型低介装置瓷
3、降低烧结温度、改进工艺性能的措施
• （ 3）机械强度要高，因为装置瓷在使用时，一般都要承 受较大的机械负荷。通常抗弯强度为 45～300Mpa，抗压 强度为400～2000Mpa。 • （4）良好的化学稳定性，能耐风化、耐水、耐化学腐蚀， 不致性能老化。
电容器陶瓷PPT课件
▪ 四，总结
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三，各类电容器陶瓷
▪ 1，非铁电电容器陶瓷
非铁电高介电容器陶瓷的品种繁多， 按照材料介电系数的温度系数α的大小，可 分为温度补偿电容器陶瓷及温度稳定电容 器陶瓷两类：
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（1）温度补偿电容器陶瓷（以金红石瓷和 钛酸钙陶瓷为例）
高频温度补偿电容器陶瓷的介电系数在650以下，介 电常数的温度系数较小，而且可以通过组成的调节，使介 电常数的温度系数灵活的变化。Q值高，高频带仍能使用， 且介电常数不随电压而变化。介电常数的温度系数为负值， 可以用来补偿回路中电感的正温度系数，使回路的谐振频 率保持稳定。一般温度补偿电容器陶瓷都具有一种特性， 其具体为：随着ξ提高，其温度系数由正值变为负值，且 其值逐渐变小，这种特性叫NPO特性。目前正在使用的， 具有NPO特性且介电常数最高的材料是（钛酸钕） Nd2Ti2O7-BaTiO3-Bi2O3-TiO2-PbO系材料。
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10
实际中电绝缘材料都不是完全的电介质，其电阻 不是无穷大的，在外电场的作用下，总有一些带电质 点会发生移动而引起漏导电流，这种漏导电流流经介 质时使介质发热而损耗了电能。这种因电导而引起的 介质损耗称为“漏导损耗”。同时一切介质在电场中 均会呈现出极化现象，除电子、离子弹性位移极化基 本上不消耗能量以外，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，这种损耗一般称为“极化损 耗 ” 。极化损耗与外电场频率和工作温度密切相关， 一般在高温、高频时损耗较大。
要求日益迫切。固体电解电容器只能适用于直流场合，因此在
交流的情况下，陶瓷电容器则具有其特殊的重要性。陶瓷电容
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三，各类电容器陶瓷
▪ 1，非铁电电容器陶瓷
非铁电高介电容器陶瓷的品种繁多， 按照材料介电系数的温度系数α的大小，可 分为温度补偿电容器陶瓷及温度稳定电容 器陶瓷两类：
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（1）温度补偿电容器陶瓷（以金红石瓷和 钛酸钙陶瓷为例）
高频温度补偿电容器陶瓷的介电系数在650以下，介 电常数的温度系数较小，而且可以通过组成的调节，使介 电常数的温度系数灵活的变化。Q值高，高频带仍能使用， 且介电常数不随电压而变化。介电常数的温度系数为负值， 可以用来补偿回路中电感的正温度系数，使回路的谐振频 率保持稳定。一般温度补偿电容器陶瓷都具有一种特性， 其具体为：随着ξ提高，其温度系数由正值变为负值，且 其值逐渐变小，这种特性叫NPO特性。目前正在使用的， 具有NPO特性且介电常数最高的材料是（钛酸钕） Nd2Ti2O7-BaTiO3-Bi2O3-TiO2-PbO系材料。
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实际中电绝缘材料都不是完全的电介质，其电阻 不是无穷大的，在外电场的作用下，总有一些带电质 点会发生移动而引起漏导电流，这种漏导电流流经介 质时使介质发热而损耗了电能。这种因电导而引起的 介质损耗称为“漏导损耗”。同时一切介质在电场中 均会呈现出极化现象，除电子、离子弹性位移极化基 本上不消耗能量以外，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，这种损耗一般称为“极化损 耗 ” 。极化损耗与外电场频率和工作温度密切相关， 一般在高温、高频时损耗较大。
要求日益迫切。固体电解电容器只能适用于直流场合，因此在
交流的情况下，陶瓷电容器则具有其特殊的重要性。陶瓷电容
电介质陶瓷材料的介电性能测试及性能优化
电介质陶瓷材料的介电性能测试及性能优化介电性能是电介质陶瓷材料的关键物理特性之一。
它衡量了材料在电场作用下的响应能力和电介质材料在电场中存储电能的能力。
了解和优化电介质材料的介电性能对于研发高性能电子器件，如电容器和电子陶瓷元件，具有重要意义。
本文将讨论电介质陶瓷材料的介电性能测试以及性能优化方法。
首先，介电性能测试是评估电介质陶瓷材料性能的关键步骤。
常用的测试方法包括介电常数（εr）和介电损耗（tanδ）的测量。
介电常数是材料在电场中存储电能的能力的衡量，它指示了材料对电场的响应程度。
介电损耗则表示了材料在电场中能量损失的程度。
这两个参数通常使用电桥或矢量网络分析仪进行测量。
通过测试介电常数和介电损耗，我们可以了解电介质陶瓷材料的电性能及其适用性。
其次，性能优化是提高电介质陶瓷材料应用效果的关键。
以下是一些优化方法：1. 材料组成与配比优化：通过调整陶瓷材料的成分和配比，可以改变其晶体结构和微观结构，从而影响材料的介电性能。
例如，添加掺杂剂或调整烧结工艺可以减小晶粒尺寸，提高晶界阻抗，从而降低介电损耗。
2. 烧结工艺优化：烧结过程对材料的微观结构和性能有重要影响。
通过优化烧结工艺参数，如温度、时间和压力等，可以改善材料的致密性、晶粒尺寸和晶界结构，从而改善介电性能。
3. 表面处理与界面设计：材料的表面和界面特性可以影响其介电性能。
通过表面处理、涂覆或界面调控等方法，可以改善材料的界面特性，提高其界面状态和界面粘结能力，从而提高介电性能。
4. 成品后处理：部分材料在制备过程中，存在一些缺陷，如氧化物含氧量不足等。
在成品后处理阶段，可以使用氧化、还原或烧结再处理等方法来优化电介质陶瓷材料的性能。
5. 添加纳米颗粒：添加纳米颗粒可以改变电介质陶瓷材料的晶体结构和微观结构，从而改善其介电性能。
纳米颗粒的添加可以增加晶界数量，减小晶界宽度，从而增加晶界阻抗，提高材料的介电常数和降低介电损耗。
此外，纳米颗粒的表面效应还可以增强材料的界面特性，提高电介质材料的性能。
功能陶瓷-1电介质陶瓷‘
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第一章 电介质陶瓷
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第一章 电介质陶瓷
如上表3-1-2，其中 Ⅰ型为非铁电电容器陶瓷（温度补偿），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； Ⅱ型为铁电电容器陶瓷（温度稳定），其特点是介电常 数随温度变化而呈非线性变化； Ⅲ型为反铁电电容器陶瓷（高介电常数），其特点是储 能密度高，储能释放充分，可用于储能电容器； Ⅳ型为半导体电容器陶瓷（半导体系）。
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第一章 电介质陶瓷
作为装置陶瓷要求具备以下性质：
(1)高的体积电阻率（室温下,大于1012Ω·m)和高介电强度(大于 104kV/m)。以减少漏导损耗和承受较高的电压。 (2)介电常数小(常小于9)。可以减少不必要的分布电容值,避免在线 路中产生恶劣的影响,从而保证整机的质量。 (3)高频电场下的介电损耗要小(tanδ一般在2×10-4～9×l0-3范围 内)。介电损耗大会造成材料发热,使整机温度升高,影响工作。另外,还 可能造成一系列附加的衰减现象。 (4)机械强度要高,通常抗弯曲强度为45～300MPa,抗压强度为400～ 2000MPa。 (5)良好的化学稳定性。能耐风化、耐水、耐化学腐蚀,不致于老化。
铁电性
热电性 压电性 介电体
图3-1-2 各种电介质陶瓷间的相互关系
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第一章 电介质陶瓷
§1.3 电绝缘陶瓷生产工艺、性能及应用 §1.3.1 电绝缘陶瓷的生产特点 电绝缘陶瓷的性能,要求具有高体积电阻率、低介电 常数和低介电损耗。由于材料的介电常数通常由材料自 身的材质特性所决定，因此,电绝缘陶瓷生产主要通过一 定的工艺措施,来控制其体积电阻率和介电损耗。 陶瓷材料是晶相、玻璃相及气相组成的多相系统,其 电学性能主要取决于晶相和玻璃相的组成和结构,尤其是 晶界玻璃相中的杂质浓度较高,且在组织结构形成连续相, 所以陶瓷的电绝缘性和介电损耗性主要受玻璃相的影响。
介电材料
• （1）高的体积电阻率（室温下大于1012Ωm）和高介电强 度（>104kVm－1），以减少漏导损耗和承受较高的电压。
• （2）高频电场下的介电损耗要小（tanδ一般在2×10－4～ 9×10－3范围内）。介电损耗大，会造成材料发热，使整机 温度升高，影响工作。另外，还可能造成一系列附加的衰 减现象。
第一章
电介质陶瓷
第一节 电介质陶瓷
• 电介质陶瓷是指电阻率大于108Ωm的陶瓷材料，能承受较强 的电场而不被击穿。按其在电场中的极化特性，可分为电绝缘 陶瓷和电容器陶瓷。随着材料科学的发展，在这类材料中又相 继发现了压电、铁电和热释电等性能，因此电介质陶瓷作为功 能陶瓷又在传感、电声和电光技术等领域得到广泛应用。
2、滑石的相变 120~200℃，脱去吸附水 1000℃，脱去结构水，转变为偏硅酸镁
3MgO 4SiO2 H 2O 3(MgO SiO2 ) SiO2 H 2O
1557℃，再次失去Si，生成镁橄榄石
2(MgO SiO2 ) 2MgO SiO2 SiO2
§ 1-2 典型低介装置瓷
• （ 3）机械强度要高，因为装置瓷在使用时，一般都要承 受较大的机械负荷。通常抗弯强度为 45～300Mpa，抗压 强度为400～2000Mpa。 • （4）良好的化学稳定性，能耐风化、耐水、耐化学腐蚀， 不致性能老化。
陶瓷基片
电子用陶瓷零件
陶瓷封装
• 电绝缘陶瓷材料按化学组成分为氧化物系和非氧化物系两 大类。氧化物系主要有Al2O3和MgO等电绝缘陶瓷，非氧 化物系主要有氮化物陶瓷，如Si3N4、BN、AlN等。大量 应用的主要有以下几个多元系统陶瓷：
• BaO-Al2O3-SiO2 系统； Al2O3-SiO2 系统； MgO- Al2O3-SiO2 系统；CaO- Al2O3-SiO2系统；ZrO2- Al2O3-SiO2系统。
第三章 电介质材料 (基础知识)
130~150 陶瓷: 陶瓷 80~110
陶瓷: 陶瓷 9.5~11.2
聚乙烯 2.26
聚四氟乙烯 2.11
聚氯乙烯 4.55
环氧树脂 3.6~4.1
天然橡胶 2.6~2.9
酚醛树脂 5.1~8.6
2.2 介质极化强度和极化率
v
为了描述电介质在外场中的极化情况，引入极化强度矢量 为了描述电介质在外场中的极化情况，引入极化强度矢量 P ，它等于单位 体积内感生偶极矩的矢量和： 体积内感生偶极矩的矢量和：
Q'
= (εr -1)ε0 E
P = n0αEe
εr =
Q 0 + Q' Q' = 1+ Q0 Q0
Q0 U
n0αEe εr = 1+ ε0 E
提高电介质的介电常数： 提高电介质的介电常数： 提高单位体积内的极化粒子数n 提高单位体积内的极化粒子数 0； 大的粒子组成电介质； 选取极化率α 大的粒子组成电介质； 增强作用于极化粒子上的有效电场E 增强作用于极化粒子上的有效电场 e。
4）极性分子电介质和非极性分子电介质 ） 极性分子：分子的正负电荷重心不重合。 极性分子：分子的正负电荷重心不重合。
v 极性分子具有固有偶极矩 电偶极矩： 固有偶极矩， 极性分子具有固有偶极矩， 电偶极矩：µ = ql v
。
v l
q
电偶极子 例如， 例如，HCl、NH3、CO、SO2、H2S、CH3OH 、 、 、
v E' ：退极化场 v v v 介质中的总场强： 介质中的总场强：E = E 0 + E '
v E 0 ：外电场
2.1 介电常数（ε） 介电常数（ ） 比值来反映介质的极化能力： 取D/E比值来反映介质的极化能力： 比值来反映介质的极化能力
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在直流电场下,如果气孔内的电场降低,电离现象就很快消失,材 料中发生电荷渗漏。 交流电场中,介电材料每½个周期就发生电离。所以样品比处在 直流电场时更容易出现击穿现象。而且电荷的渗漏时间决定于电 离速率。这样交流电场下,样品的击穿电压通常比直流电场低。 (4).长期影响(化学击穿): 长期运行在远低于瞬间击穿电压下的陶瓷也会发生击穿现象被 击穿的影响因素在短期内不会表现出来。 空气污染和天气影响等因素都可以使器件表面变得粗糙,吸收水 蒸气和导电性杂质。在高温和所连接的导电体中的金属杂质离子 的溅蚀作用下,表面发生电离,材料逐渐失去绝缘性能,最后导致击 穿。 在直流电场中,材料内部和表面同时发生电化学反应,使得Ag+在 表面扩散并沿着晶界逐渐渗入材料内部,导致材料的电阻减小,绝 缘特性相应降低。另外,Na+在玻璃相中的扩散,Vo¨(氧空位)在晶相 中的扩散,形成了一定的电势差,也将有可能导致击穿。 由于样品形状、材料种类以及操作条件的不同都是导致材料产 生击穿的因素,如果根据经验来合适设计制备介电材料,可以在一 定程度上克服击穿现象的发生,但是对任何新的介电材料在应用之 前,必须进行长期的老化试验测试。
一般介质的击穿分 为电击穿和热击穿两 种。 电击穿是指在电场 直接作用下,介质中载 流子迅速增殖造成的 击穿。电击穿的发生 是由于晶体能带在强 电场作用下发生变化, 电子直接由满带跃迁 到空带发生电离所致。 热击穿是指陶瓷介质 在电场作用下发生热 不稳定,产生的热量大 于散失的热量,因温度 升高而导致陶瓷介质 图3.1 在直流电场下陶瓷材料击穿电场强度与温 度的关系 发生热击穿。
从直流到超高频
随温度变化有极大值
有
从直流到超高频
随温度变化有特别
很大
的铁电材料
界面极化 谐振式极化 极性分子弹 结构不均匀的陶瓷介质 一切陶瓷介质中 从直流到高频 光频
显著的极大值
随温度升高而减弱 无关 有 很大
性联系转向
极化、极性 分子松弛转 向极化 有机材料中 从直流到超高频 随温度变化有极大值 有
①离子松弛极化:这种极化不同于离子位移极化,是离子在外加 电场作用下的同时,还受离子的热运动影响,从一个平衡位臵迁 移到另一平衡位臵而产生的。即作用于离子上与电场作用力相 对抗的力,不是离子间的静电力,而是不规则的热运动阻力,极化 建立的过程是一种热松弛过程。由于离子松弛极化与温度有明 显的关系,因而介电常数与温度也有明显的关系。离子松弛极化 对材料的介电常数的贡献大,介电常数可提高到几百至几千,甚 至更大。(即热缺陷加上电场作用的极化方式,极化建立过程是 一种热松弛过程。极化结果是材料的介电常数ε提高到几百至 几千,tgδ增加)。 ②电子松弛极化:晶格热振动、晶格缺陷、杂质的引入、化学 组成的局部改变等因素都能使电子能态发生变化,出现位于禁带 中的电子局部能级,形成弱束缚的电子或空穴在外加电场的作用 下,这些弱束缚电子的运动具有方向性,而呈现极化,这种极化称 为电子松弛极化。电子松弛极化可使介电常数上升到几千至几 万,同时产生较大的介质损耗。(即电子缺陷类的弱束缚电子在 热运动加上外电场作用下的极化方式,极化结果是材料的介电常 数ε提高到几千至几万,tgδ增加)。
各种功能陶瓷在室温时的介电常数大约是:装臵陶瓷, 电阻陶瓷及电真空陶瓷为2-12;Ⅰ类电容器陶瓷为61500;Ⅱ类电容器陶瓷为200-30000;Ⅲ类电容器陶瓷为 7000至几十万;压电陶瓷为50-20000。 功能陶瓷的介电常数的数值范围很大,因材料不同而 有很大的差异,使用范围和条件也不同。各种材料介电 常数的差异是由于其内部存在不同的极化机制决定的。 理论和实验研究证实，陶瓷中参加极化的质点只有电子 和离子,这两种质点在电场作用下以多种形式参加极化 过程。 四.绝缘强度 电介质能绝缘和储存电荷,即在相对弱电场内,介质保 持介电状态。当电场强度超过某一临界值时,介质由介 电状态变为导电状态,这就是介质的击穿击穿时的电压 就叫击穿电压Uj,相应的电场强度就称击穿电场强度、 绝缘强度、介电强度或抗电强度等。用Ej表示。
(4)谐振式极化 陶瓷中的电子、离子都处于周期性的振动状态,它们的固有振 动频率在红外线、可见光和紫外线的频段。当外加电场的频率接 近此固有振动频率时,将发生谐振。电子或离子吸收电场能,使振 幅加大呈现极化现象。电子或离子振幅增大后将与其周围质点相 互作用,振动能转变成热量,或发生辐射,形成能量损耗。显然这 种极化仅发生在光频段。 (5)自发极化 自发极化是铁电体特有的一种极化形式。铁电晶体在一定的温 度范围内,无外加电场作用时,由于晶胞结构的原因,其晶胞中的 正负电荷中心不重合,即原晶胞具有一定的固有偶极矩,这种极化 形式称为自发极化。自发极化的方向随外电场方向的变化而发生 相应变化,晶体的这种性质称为铁电性。铁电陶瓷是多晶体,通常 晶粒呈混乱分布,晶粒之间为晶界组成物,因此宏观上各晶粒的自 发极化相互抵消,不呈现有极性。铁电晶体中存在自发极化方向 不同的小区域,自发极化方向相同的小区域称为‘电畴’,这是铁 电晶体的特征之一
(a) (b) 图3.2 用于电场强度测试的介电材料样品的切面图
3.击穿机理 (1).本征击穿： 在良好的实验条件控制下,当一个均质样品承受不断增加的电 压后,将产生较小的电流,而且随着电压的增加而逐渐增加到饱和 值这时如果再增加电压时,材料就被击穿。 本征击穿可以解释如下：当受到一定的电压作用后,导带处 于热平衡状态下的电子获得了一定的动能。它不断地撞击介质内 的离子,并使其产生电离,从而增加自由电子的数目。最终出现电 子雪崩,使得介电材料被击穿。通常本征击穿强度为100MV/m。 (2).热击穿： 热击穿是指那些由于受到介电材料的热学性能影响而产生的 击穿现象。 (3).电离击穿： 陶瓷中存在气孔而导致均匀性下降。这些气孔在电场的作用 下将发生强烈的电离,产生大量的热能,使气孔附近局部区域强烈 过热因而在材料内部形成相当高的内应力。当热应力超过一定限 度时,材料丧失机械强度而发生破坏,以至丧失介电强度,造成击 穿。电离击穿的原因在于材料的气孔中存在电离现象。这时由于 气孔中的电场比气孔附近其它部分的电场高。当电场强度稳定增 加并达到一定临界值时,气孔中的气体会发生电离。气孔愈多愈大, 就愈容易引起击穿。
六.电绝缘与极化 1.电绝缘:在介质材料中,电介质陶瓷中的分子正、负电荷彼此 强烈束缚,在弱电场的作用下,正电荷沿着电场方向移动,负电荷 反电场方向移动。但这种移动远不足以形成电流而具有较高的体 积电阻率,具有绝缘性。 2.极化与介电极化:由于介质材料中的正、负离子电荷移动,使 得正、负电荷中心不重合,在电介质陶瓷内部形成偶极矩而产生 极化。当电场施加到这一离子晶体时,由于静电作用使阴、阳离 子的电子云发生畸变形成电偶极子,就称为电介质的介电极化。 极化可定量地用单位体积(C/m3)内电偶极子的总和来表示。 介电极化有电子极化、离子极化和偶极子取向极化。 (1)位移式极化 这种极化是电子或离子在电场作用下的一种弹性、不消耗电场 能量、平衡位臵不发生变化、瞬间就能完成、去掉电场时又恢复 原状态的极化形式。它包括电子位移极化和离子位移极化。 ①电子位移极化:组成陶瓷介质的基本质点是离子(或原子),它 们由原子核和电子组成。在没有外界电场作用时,离子(或原子) 的正负电荷中心是重合的。
在电场作用下,离子(或原子)中的电子向反电场方向移动一个 小距离,带正电的原子核将沿电场方向移动一更小的距离,造成正 负电荷中心分离,当外加电场取消后又恢复原状。这种电荷中心 分离的现象称极化离子(或原子)的这种极化称电子位移极化。电 子位移极化存在于一切陶瓷材料之中。 既离子或原子的正负电荷中心分离现象(在弱电场作用下),就 是电子位移极化极化结果是陶瓷材料的介电常数ε增加。 ②离子位移极化:在电场作用下,陶瓷介质中正负离子在其平衡 位臵附近也发生与电子位移极化相类似的可逆性位移,形成离子 位移极化。离子位移极化与离子半径、晶体结构有关。有些特殊 的晶体结构,如四方晶系的某些晶体结构(如金红石型、钙钛矿型 等),可在仅有电子位移和离子位移极化的情况下提供较大的介电 常数,如几十至几百。 (2)松弛式极化:这是一种与电子、离子(原子)、分子热运动有 关的极化形式也就是说这种极化不仅与外电场作用有关,还与质 点的热运动有关。在陶瓷材料中主要有离子松弛极化和电子松弛 极化。
第3章
电介质陶瓷的知识要点
1.电介质陶瓷及其分类？ 2.绝缘性与介电性？ 3.介电材料与陶瓷材料的关系？ 4.介电常数？ 5.陶瓷中参加极化的质点有哪些？ 6.绝缘强度与击穿电压？ 7.介质的击穿方式？ 8.介电强度？ 9.极化与介电极化及形式？ 10.位移极化？松弛极化？界面极化？ 11.介电损耗？
12.滑石瓷中加黏土的作用是什么？ 13.滑石瓷生产工艺及其存在的问题与解决方法？ 14.决定Al2O3电绝缘瓷热传导率的因素？ 15.强调电绝缘瓷的3个方面是什么？ 16.陶瓷的导电机制及几种形式？ 17.电容器陶瓷的分类及其特点？ 18.电容器陶瓷材料在性能上的要求？ 19.含钛陶瓷被还原的原因、结果与影响因素？ 20.直流老化？电极反应与电化学老化？ 21.含钛氧化物性能退化的原因与改进措施？ 22.金红石瓷挤压成型工艺？ 23.制备优质微波陶瓷的几个要求？ 24.积层电容器陶瓷的制备工艺？
(3)界面极化 界面极化是和陶瓷体内电荷分布状况有关的极化形式。陶瓷体 内的电荷又称空间电荷或容积电荷。它的形成原因是由于陶瓷体 内存在不均匀性和界面,其中晶界、相界是陶瓷中普遍存在的。 由于界面两边各相的电性质(电导率、介电常数等)不同,在界面 处会积聚起空间电荷。不均匀的化学组成、夹层、气泡是宏观不 均匀性,在界面上也有空间电荷积聚。 上述各种界面上积聚电荷的结果,使电极附近电荷增加,呈现了 宏观极化。 这种极化可以形成很高的与外加电场方向相反的电动势-反电 动势,因此这种宏观极化也称为高压式极化。 由夹层、气泡等形成的极化则称夹层式极化。高压式和夹层式 极化可以统称为界面极化。界面极化只对直流和低频下介质材料 的介电性质有影响。
第3章
§1 电介质陶瓷