1、介电陶瓷材料介电陶瓷材料一、电容器陶瓷一、电容器陶瓷用作用作介电目的（介电目的（利用其介电性能）的陶瓷、主要用于电容器利用其介电性能）的陶瓷、主要用于电容器和微波元件中和微波元件中1、温度补偿电容器陶瓷、温度补偿电容器陶瓷温度的变化会引起电路元件参数的变化温度的变化会引起电路元件参数的变化LC电感和电容变化电感和电容变化T高频振荡电路高频振荡电路谐振频率稳定谐振频率稳定乘积必须一定乘积必须一定T通常通常选择合适的电容器陶瓷介质选择合适的电容器陶瓷介质LC乘积恒定乘积恒定电感和电容相反变化电感和电容相反变化温度补偿电容器：温度补偿电容器：补偿温度的变化引起的其它电路参数的变化、补偿温度的变化引起
2、的其它电路参数的变化、确保电路性能的稳定确保电路性能的稳定温度补偿电容器陶瓷材料：温度补偿电容器陶瓷材料：介电常数（或电容）随温度线性变化、介电损耗低、介电常数介电常数（或电容）随温度线性变化、介电损耗低、介电常数低低高频振荡电路中补偿电容器高频振荡电路中补偿电容器陶瓷的介电温度系数应为负陶瓷的介电温度系数应为负值值、以补偿线圈电感的正温度系数，使谐振频率稳定、以补偿线圈电感的正温度系数，使谐振频率稳定温度补偿电容器陶瓷：温度补偿电容器陶瓷：介电陶瓷：介电陶瓷：非铁电陶瓷、铁电介电陶瓷非铁电陶瓷、铁电介电陶瓷非铁电陶瓷：非铁电陶瓷：介电常数小、随温度变化线性介电常数小、随温度变化线性温度补偿电
3、容器陶瓷温度补偿电容器陶瓷等及其复合材料等及其复合材料,3CaTiO,3SrTiO,3MgTiO3LaTiO保护漆颜色：保护漆颜色：蓝色和灰色蓝色和灰色正温度系数，正温度系数，其它颜色：其它颜色：负温度系数负温度系数黑色：黑色：温度系数最小；温度系数最小；浅绿色：浅绿色：温度系数最大温度系数最大2、高介电常数电容器陶瓷、高介电常数电容器陶瓷主要是铁电陶瓷材料：主要是铁电陶瓷材料：介电常数非常大、随电场非线性变化介电常数非常大、随电场非线性变化制作：制作：低频或直流电容器、及敏感电容器低频或直流电容器、及敏感电容器用于：用于：电视机、收音机等中电视机、收音机等中高介电常数电容器陶瓷：高介电常数电
4、容器陶瓷：以为以为 基、添加其它成分制得基、添加其它成分制得3BaTiOZrSnSr,等离子等离子42TiorBa的置换离子的置换离子多元复合化合物多元复合化合物多元复合物多元复合物陶瓷居里点：陶瓷居里点：3BaTiOCo120多元复合化合物多元复合化合物RT介电常数：介电常数：可增大至可增大至20000、温度系数增大、温度系数增大可降低介电常数及其温度系数可降低介电常数及其温度系数,)(332SnOBi,3NiSnO62OLiSb添加添加改变添加物的组成及含量可调节介电常数、温度系数为合适的值改变添加物的组成及含量可调节介电常数、温度系数为合适的值3、高电压电容器陶瓷、高电压电容器陶瓷使用在
5、高压下使用在高压下高介电常数、介电常数随电压变化较大（铁电性）高介电常数、介电常数随电压变化较大（铁电性）:3BaTiO介电常数小、介电常数随电压变化介电常数小、介电常数随电压变化:3SrTiO较小、介电损耗小、绝缘性也好得多较小、介电损耗小、绝缘性也好得多良好的高电压电良好的高电压电容器陶瓷材料容器陶瓷材料2323TiOOBiSrTiO系电容器陶瓷系电容器陶瓷,3500800:r),2000300:(003.00005.0:eQtgmmkV/5.66绝缘强度：绝缘强度：广泛应用于：广泛应用于：电视机、雷达高压电路及避雷器、断电器等电视机、雷达高压电路及避雷器、断电器等二、微波介质陶瓷二、微波
6、介质陶瓷通常使用的微波频率范围：通常使用的微波频率范围：甚至更高甚至更高Hz1081010微波频率下具有高介电常数、低介电损微波频率下具有高介电常数、低介电损耗、低膨胀系数和低介电常数温度系数耗、低膨胀系数和低介电常数温度系数微波技术的发展使得微波器件小型化、集成化微波技术的发展使得微波器件小型化、集成化微波介质陶瓷主要用于：微波介质陶瓷主要用于：微波介质陶瓷的性能要求：微波介质陶瓷的性能要求：微波介质陶瓷：微波介质陶瓷：系陶瓷系陶瓷2TiOBaO:2092OTiBa最早应用的微波介质陶瓷最早应用的微波介质陶瓷微波谐振器、滤波器与振荡器、微波谐振器、滤波器与振荡器、波导介质、介质天线等，在移动
7、波导介质、介质天线等，在移动通讯等中有着不可替代的作用通讯等中有着不可替代的作用 制作工艺：制作工艺：原料：原料：聚乙烯球磨机、加丙酮聚乙烯球磨机、加丙酮和和 磨球、球磨磨球、球磨23TiOBaCO 32OAl1200预烧预烧干球磨干球磨常压或热压、氧化气氛烧结常压或热压、氧化气氛烧结瓷体相对密度（致密性）越高、瓷体相对密度（致密性）越高、越大、介电温度系数越小越大、介电温度系数越小rQ,添加适量的添加适量的 等可促进烧结、提高致密度：等可促进烧结、提高致密度：2ZrO可制得：可制得：cmV1310,0.37r,/4.53cmg8500Q:7GHz 钙钛矿型陶瓷钙钛矿型陶瓷33/23/1)(O
8、BBA:A:B:BSrBa,MnZnMg,TaNb,等等2092OTiBa制作工艺：制作工艺：3CaTiO 瓷、瓷、瓷瓷33/23/1)(OTaMgBa33/23/1)(OTaZnBaBMTBZT添加添加1-2%(mol)Mn低温下可成致密体低温下可成致密体410Q:7GHz在氮气中在氮气中1200退火也可成倍提高退火也可成倍提高 Q 值值BMT加少量的加少量的NaF烧结温度烧结温度：CCoo125015503),(TiOSnZn良好的微波介质陶瓷良好的微波介质陶瓷3),(TiOCaMg微波介质陶瓷的电性能微波介质陶瓷的电性能微波介质陶瓷的电性能微波介质陶瓷的电性能Ba2Ti9O20Ba(Zn
9、1/3Ta 2/3)O3Ba(Zn1/3Ta 2/3)O3+1%Mn(摩尔分数摩尔分数)1%Mn(摩尔分数摩尔分数)Ba(Mg1/3Ta 2/3)O3+(Zn,Sn)TiO3(Mg,Ca)TiO3La2O3rQ10/Cf介质谐振器的频率温度系数介质谐振器的频率温度系数:f8.39313025382180008000500014500168001300061026106.06104.44000114.115.107测定频率测定频率陶瓷陶瓷GHz3铁电陶瓷材料铁电陶瓷材料高介电常数高介电常数铁电陶瓷、或改良的铁电陶瓷铁电陶瓷、或改良的铁电陶瓷此外还有下面应用此外还有下面应用高介电常数电容器陶瓷高介
10、电常数电容器陶瓷一、低温烧结电容器陶瓷一、低温烧结电容器陶瓷叠层式叠层式 独石结构陶瓷电容器：独石结构陶瓷电容器：陶瓷薄片坯体陶瓷薄片坯体制（层间）电极制（层间）电极叠合热压成陶瓷片叠合热压成陶瓷片烧结烧结陶瓷片陶瓷片内电极内电极高温烧结陶瓷（高温烧结陶瓷（）3BaTiO不能采用低熔点、低电阻不能采用低熔点、低电阻率的率的 Ag,Cu,Au 作电极作电极（高熔点金属：昂贵、电阻率高）（高熔点金属：昂贵、电阻率高）低温烧结铁电陶瓷低温烧结铁电陶瓷 必要必要 低温烧结铁电陶瓷材料：低温烧结铁电陶瓷材料：333/23/106.0)(94.0PbTiOONbMgPb系：系：2MnO添加添加3BaTiO
11、烧结温度比烧结温度比 低低Co250200两者相近两者相近:r32/12/133/13/2)()(ONbFePbOWFePb系：系：20000rCo900烧结温度：烧结温度：Ag%85内电极内电极可用可用：合金合金,544OTiPbB,32WOBi62OPbNb及其复合物及其复合物低温烧结低温烧结陶瓷材料陶瓷材料二、透明铁电陶瓷二、透明铁电陶瓷一般陶瓷材料：一般陶瓷材料：气孔相、晶界、杂质相的散射、及材料本身的吸收气孔相、晶界、杂质相的散射、及材料本身的吸收不透明不透明适当制作工艺（如、细粉的制备和热压），可控适当制作工艺（如、细粉的制备和热压），可控制其显微结构和晶界性质，使材料成为透明陶瓷
12、制其显微结构和晶界性质，使材料成为透明陶瓷透明铁电陶瓷透明铁电陶瓷34/111)(OTiZrLaPbxyyxx)(PLZT陶瓷陶瓷透光率随组分的不同而变化：透光率随组分的不同而变化：透光率最高透光率最高12.008.0 x65.0y理想介质：理想介质：极化强度与所加电场成线性关系：极化强度与所加电场成线性关系：00EPe实际介质：实际介质：极化率（相对介电常数或极化率（相对介电常数或折射率折射率）与电场强度有关）与电场强度有关1errn 2000bEaEnn场强很强时、后面的项才显著场强很强时、后面的项才显著:0n00E时、介质的折射率；时、介质的折射率；a、b：常数、通常很小常数、通常很小电
13、光效应：电光效应：外加电场引起介质材料折射率变化的现象外加电场引起介质材料折射率变化的现象PLZT透明铁电陶瓷具有显著的电光效应透明铁电陶瓷具有显著的电光效应外电场诱发的双折射的折射率差：外电场诱发的双折射的折射率差：Ennc3121:c一次电光系数一次电光系数)/(10)6.10.1(10Vmc（PLZT）组分的不同组分的不同:0aE:20bE线性电光效应或线性电光效应或 Pockels 效应效应二次电光效应或二次电光效应或 kerr 效应效应:1n与电场垂直方向的折射率与电场垂直方向的折射率一次电光系数比其他单晶材料还大一次电光系数比其他单晶材料还大铁电相和顺电相的相界铁电相和顺电相的相界
14、附近、附近、呈现呈现扩散型（二级）相变扩散型（二级）相变特征特征居里温度被移动室温附近的居里温度被移动室温附近的PLZT：扩散型相变扩散型相变二级相变二级相变一级相变一级相变CTTsP对顺电相施加电场对顺电相施加电场铁电相铁电相去除电场去除电场顺电相、剩余极化几乎为顺电相、剩余极化几乎为0陶瓷呈现光学各向同性陶瓷呈现光学各向同性0oennn20En居里点附近的居里点附近的PLZT具有二次电光效应具有二次电光效应20Eknnnoe:k:0E二次电光效应诱发的双折射的折射率差：二次电光效应诱发的双折射的折射率差：电光克尔常数电光克尔常数入射光波入射光波外加电场外加电场:00E:00EPLZT透明铁
15、电陶瓷工艺：透明铁电陶瓷工艺：常压下通氧烧结、或热压通氧烧结常压下通氧烧结、或热压通氧烧结通氧的作用：通氧的作用：在烧结过程中加速气孔的排除、促进在烧结过程中加速气孔的排除、促进陶瓷的致密化、提高透光性能陶瓷的致密化、提高透光性能应用：应用：常用的电光器常用的电光器 电光开关、电光调制器、电光偏转器等电光开关、电光调制器、电光偏转器等电光开关：电光开关：利用脉冲电信号控制光信号的通和断利用脉冲电信号控制光信号的通和断电光调制器：电光调制器：电光材料上施加交变调制信号、（电光效应）电光材料上施加交变调制信号、（电光效应）使晶体的折射率随调制电压信号变化使晶体的折射率随调制电压信号变化光波通过晶体
16、时，使原来不带信光波通过晶体时，使原来不带信号的光波带有调制信号的信息号的光波带有调制信号的信息电光偏转器：电光偏转器：利用材料的电光效应实现光束偏转利用材料的电光效应实现光束偏转三、驰豫型铁电陶瓷三、驰豫型铁电陶瓷压电材料在外电压电材料在外电场中共有的特性场中共有的特性电致伸缩效应电致伸缩效应 逆压电效应逆压电效应一般的压电材料在外电场作用下的一般的压电材料在外电场作用下的伸伸缩效应缩效应 驰豫效应驰豫效应不显著、不能实用不显著、不能实用具有具有扩散相变扩散相变（二级相变）特征（二级相变）特征的的铁电铁电材料、在材料、在相界附近具有显著的驰豫效应相界附近具有显著的驰豫效应二级相变二级相变一级
17、相变一级相变CTTsP结构上是离子置换型固溶体结构上是离子置换型固溶体驰豫型铁电陶瓷：驰豫型铁电陶瓷：,)(342/142/12OBBA,)(352/132/12OBBA353/223/12)(OBBA或或半径较小的置换半径较小的置换B离子离子形成不同程度的无形成不同程度的无序结构、在序结构、在晶体内晶体内造成较大造成较大的松动空间的松动空间外电场作用下，外电场作用下，B离子很容易迁移，产生离子很容易迁移，产生很强的极化，使材料具有很大的介电常数很强的极化，使材料具有很大的介电常数驰豫型铁电陶瓷的应变：驰豫型铁电陶瓷的应变：与电场或极化强度的与电场或极化强度的平方平方成成正比正比电致伸缩系数电
18、致伸缩系数2MEX 2QPX 或或:/LLX应变应变M:Q或或一般压电体的应变：一般压电体的应变：与电场强度的一次方成正比与电场强度的一次方成正比dEX:d材料的压电系数材料的压电系数333/23/1)(PbTiOONbMgPb固溶体系固溶体系 驰豫型铁电陶瓷驰豫型铁电陶瓷333/23/11.0)(9.0PbTiOONbMgPb性能优良的实用材料性能优良的实用材料居里温度：居里温度：室温介电常数：室温介电常数：CToC400)1(7000 KHzr驰豫型铁电陶瓷的电致应变远大于一般压电体的应变驰豫型铁电陶瓷的电致应变远大于一般压电体的应变驰豫型铁电陶瓷驰豫型铁电陶瓷的电致伸缩远大的电致伸缩远大
19、于一般压电材料于一般压电材料一般压电材料的应变：一般压电材料的应变：驰豫型铁电陶瓷的应变：驰豫型铁电陶瓷的应变：rPEX)(222)(rPEXr（比一般压电材料大许多）比一般压电材料大许多）驰豫型铁电陶瓷的另一个特点：驰豫型铁电陶瓷的另一个特点：居里点附近的热膨胀系数很小居里点附近的热膨胀系数很小333/23/11.0)(9.0PbTiOONbMgPb热膨胀系数：热膨胀系数：)100100(Co适于制造微位移器适于制造微位移器外电极外电极外电极外电极内电极内电极陶瓷片陶瓷片微位移器通常采用多层结构微位移器通常采用多层结构获得较大的形变位移量获得较大的形变位移量16101K伺服位移制动器、高灵敏
20、度干涉膨胀仪、双稳态光子伺服位移制动器、高灵敏度干涉膨胀仪、双稳态光子驰豫型铁电陶瓷的应用：驰豫型铁电陶瓷的应用：作为电致伸缩材料应用于许多方面作为电致伸缩材料应用于许多方面器件、应变光栅、精密导向机构、录像机磁头调节等器件、应变光栅、精密导向机构、录像机磁头调节等压电陶瓷材料压电陶瓷材料一、压电陶瓷材料的常用参数一、压电陶瓷材料的常用参数1、介电常数、介电常数各向同性的理想的电介质：各向同性的理想的电介质：ED介电常数介电常数与方向无关、与外场无关与方向无关、与外场无关22ED11ED33EDED,方向相同方向相同DEED各向异性的实际的电介质：各向异性的实际的电介质：3132121111E
21、EED3232221212EEED3332321313EEEDD1 不仅与不仅与 E1 有有关、还可能与关、还可能与 E2 和和 E3 有关有关一般一般ED,方向不同方向不同DEED若仍用若仍用 表达表达 关系关系不再是标量、而是二阶张量不再是标量、而是二阶张量EDED,ED321333231232221131211321EEEDDD)3,2,1(i31jjijiEDjijiED简记作：简记作：由于晶体或材料结构的对称性，由于晶体或材料结构的对称性，介电常介电常数的数的9个分量中最多只有个分量中最多只有6个是独立的个是独立的211231133223压电（铁电）陶瓷压电（铁电）陶瓷极化前：极化前
22、：各向同性、无压电性各向同性、无压电性 极化后：极化后：在与在与“3”垂直的垂直的“1”、“2”（XY）平面内是各向同性的）平面内是各向同性的332211沿沿Z轴极化的压电陶瓷有两个独立的介电常数轴极化的压电陶瓷有两个独立的介电常数:3311,材料处于不同的机械条件时，测得介电常数不同材料处于不同的机械条件时，测得介电常数不同:Tij不受应力不受应力下的介电常数下的介电常数 自由介电常数自由介电常数:Sij受应力受应力下的介电常数下的介电常数 受夹介电常数受夹介电常数（沿（沿Z方向极化的）方向极化的）压电陶瓷有四个介电常数：压电陶瓷有四个介电常数：;,1111STST3333,压电陶瓷的介电常
23、数可算得：压电陶瓷的介电常数可算得：ACd/:C:d:A电容电容极板间隔极板间隔极板面积极板面积通常规定极化方向为通常规定极化方向为Z 轴的正向轴的正向(方向方向3)2、介电损耗、介电损耗真实介质电容器的电流包括三部分：真实介质电容器的电流包括三部分：电容器介质的极化电流电容器介质的极化电流 介质的漏电流介质的漏电流 理想电容的充电电流理想电容的充电电流 （位移电流、位移电流、无功耗分量）无功耗分量）CIacIdcI:,dcacII与电压位相相同、与电压位相相同、传导电流传导电流、UCIIRIRCdcacCIIIIII)(介质损耗因子：介质损耗因子：介质的损耗等效于在理想介质的损耗等效于在理想
24、电容器上并联损耗电阻电容器上并联损耗电阻：dcacRIIIC:R等效损耗电阻等效损耗电阻)/(1/RCIItgCR:交流电压的角频率交流电压的角频率有功耗分量有功耗分量？电学品质因数：电学品质因数：损耗因子的倒数损耗因子的倒数 已指出：已指出：介质损耗除与介质本身有关外，还介质损耗除与介质本身有关外，还与电场的频率、强度、及温度有关与电场的频率、强度、及温度有关高温、强场强高温、强场强介质的电导率高、漏电流大、损耗大介质的电导率高、漏电流大、损耗大一般极性分子电介质：一般极性分子电介质：极化引起的损失主要是偶极子转向引起极化引起的损失主要是偶极子转向引起tgQe/13、机械品质因数、机电耦合系
25、数、机械品质因数、机电耦合系数压电振子：压电振子：压电片输压电片输入电信号入电信号信号频率等于压信号频率等于压电片的固有频率电片的固有频率逆压电效应（电致伸缩）、逆压电效应（电致伸缩）、压电片机械谐振（共振）压电片机械谐振（共振）正压电效应、电信号输出正压电效应、电信号输出压电片的机械谐振压电片的机械谐振滤波器、换能器和标准频率器中的压电器件都工作于谐振状态滤波器、换能器和标准频率器中的压电器件都工作于谐振状态压电片振动时要克服内摩擦、引起能量损耗压电片振动时要克服内摩擦、引起能量损耗 机械品质因数机械品质因数压电振子的性能参数：压电振子的性能参数：反映压电振子在谐振时能量损耗的程度反映压电振
26、子在谐振时能量损耗的程度定义：定义：2mQ谐振时振子储存的机械能谐振时振子储存的机械能谐振时振子在一个周期内损耗的机械能谐振时振子在一个周期内损耗的机械能1LR1C0C压电振子压电振子压电振子等效电路压电振子等效电路动态电容动态电容静态电容静态电容动态电感动态电感等效电阻等效电阻:1L:R)(1W)(2W 机械品质因数机械品质因数 机电耦合系数机电耦合系数 K1LR1C0C压电振子压电振子动态电容动态电容静态电容静态电容等效电路中等效电路中 时：时：0R压电振子的阻抗与频率的关系：压电振子的阻抗与频率的关系：)/(111110CjLjCjZ)(1)/(111100112112110CCCCLC
27、LCLCZ)/(11122CLs,0Z谐振频率：谐振频率：)2/(111CLfs0100112CCCCLZ101012/1CCCCLfp阻抗无穷阻抗无穷等效电路中等效电路中 时：时：0R阻抗的最小值不为零、最大值也不为无限大阻抗的最小值不为零、最大值也不为无限大fmfnfZ)2/(111CLffsm101012/1CCCCLffpnspmnffffRTIILWWQm2201212/2/2机械品质因数机械品质因数1LR1C0C压电振子压电振子动态电容动态电容静态电容静态电容RCRLss111谐振时振子储存的机械能谐振时振子储存的机械能谐振时振子在一个周期内损耗的机械能谐振时振子在一个周期内损耗的
28、机械能 机电耦合系数机电耦合系数 K)()(1102221CCRRCQssppsm材料不同、工艺条件不同、压电陶瓷振子的材料不同、工艺条件不同、压电陶瓷振子的 值不同值不同mQPZT压电陶瓷压电陶瓷:300050mQ反映压电材料的反映压电材料的机械能与电能机械能与电能之间之间的的耦合效应耦合效应、压电材料性能的重要参数、压电材料性能的重要参数定义：定义：2K电能转变的机械能电能转变的机械能输入的电能输入的电能机械能转变的电能机械能转变的电能输入的机械能输入的机械能或或压电振子的压电振子的耦合系数与振子的形状和振动模耦合系数与振子的形状和振动模式有关式有关，不同模式有不同的值、，不同模式有不同的
29、值、不同的记号不同的记号101012/1CCCCLp逆压电效应逆压电效应正压电效应正压电效应hh极化方向极化方向电极面电极面薄圆片径向振动薄圆片径向振动平平面机电耦合系数面机电耦合系数pKxyzolwlhllw,h极化方向极化方向电极面电极面长度伸缩长度伸缩（X 方向）方向）横横向向机电耦合系数机电耦合系数31Kyzlwlhhllw,极化方向极化方向电极面电极面x长度伸缩长度伸缩（Z 方向）方向）纵向纵向机电机电耦合系数耦合系数33Kxyzolhwlhllw,位位移移极化方向极化方向厚度伸缩厚度伸缩振动，振动，厚厚度度机电耦合系数机电耦合系数tKlhwlyz极化方向极化方向电极面电极面x厚度切变厚度切变振动，振动，厚厚度度机电耦合系数机电耦合系数15Khlhlw,
