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1、介电陶瓷材料,一、电容器陶瓷,用作介电目的（利用其介电性能）的陶瓷、主要用于电容器和微波元件中,1、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,电感和电容变化,高频振荡电路,谐振频率稳定,乘积必须一定,通常,选择合适的电容器陶瓷介质,乘积恒定,电感和电容相反变化,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、,确保电路性能的稳定,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、介电常数低,高频振荡电路中补偿电容器陶瓷的介电温度系数应为负值、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：,介电陶瓷：非铁电陶瓷、铁电介电陶瓷,非铁电陶
2、瓷：介电常数小、随温度变化线性,温度补偿电容器陶瓷,等及其复合材料,保护漆颜色：蓝色和灰色正温度系数，其它颜色：负温度系数,黑色：温度系数最小；浅绿色：温度系数最大,2、高介电常数电容器陶瓷,主要是铁电陶瓷材料：介电常数非常大、随电场非线性变化,制作：低频或直流电容器、及敏感电容器,用于：电视机、收音机等中,高介电常数电容器陶瓷：以为 基、添加其它成分制得,等离子,的置换离子,多元复合化合物,多元复合物陶瓷居里点：,多元复合化合物,介电常数：可增大至20000、温度系数增大,可降低介电常数及其温度系数,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,3、高电压电容器陶瓷,使用在
3、高压下,高介电常数、介电常数随电压变化较大（铁电性）,介电常数小、介电常数随电压变化,较小、介电损耗小、绝缘性也好得多,良好的高电压电容器陶瓷材料,系电容器陶瓷,绝缘强度：,广泛应用于：电视机、雷达高压电路及避雷器、断电器等,二、微波介质陶瓷,通常使用的微波频率范围：甚至更高,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,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：,微波介质陶瓷的性能要求：,微波介质陶瓷：,系陶瓷,最早应用的微波介质陶瓷,微波谐振器、滤波器与振荡器、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,制作工艺：,原料：,聚乙烯球
4、磨机、加丙酮和 磨球、球磨,1200预烧,干球磨,常压或热压、氧化气氛烧结,瓷体相对密度（致密性）越高、越大、介电温度系数越小,添加适量的 等可促进烧结、提高致密度：,可制得：,钙钛矿型陶瓷,等,制作工艺：,瓷、瓷,添加1-2%(mol)Mn低温下可成致密体,在氮气中1200退火也可成倍提高 Q 值,加少量的NaF,烧结温度：,良好的微波介质陶瓷,微波介质陶瓷的电性能,微波介质陶瓷的电性能,Ba2Ti9O20,Ba(Zn1/3Ta 2/3)O3,Ba(Zn1/3Ta 2/3)O3+,1%Mn(摩尔分数),1%Mn(摩尔分数),Ba(Mg1/3Ta 2/3)O3+,(Zn,Sn)TiO3,(Mg
5、,Ca)TiO3La2O3,介质谐振器的频率温度系数,测定频率,陶瓷,GHz,铁电陶瓷材料,高介电常数,铁电陶瓷、或改良的铁电陶瓷,此外还有下面应用,高介电常数电容器陶瓷,一、低温烧结电容器陶瓷,叠层式 独石结构陶瓷电容器：,陶瓷薄片坯体,制（层间）电极,叠合热压成陶瓷片,烧结,高温烧结陶瓷（）,不能采用低熔点、低电阻率的 Ag,Cu,Au 作电极,（高熔点金属：昂贵、电阻率高）,低温烧结铁电陶瓷 必要,低温烧结铁电陶瓷材料：,系：,添加,烧结温度比 低,两者相近,系：,烧结温度：,内电极可用：合金,及其复合物,低温烧结陶瓷材料,二、透明铁电陶瓷,一般陶瓷材料：,气孔相、晶界、杂质相的散射、及
6、材料本身的吸收,不透明,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,透明铁电陶瓷,陶瓷,透光率随组分的不同而变化：,透光率最高,理想介质：极化强度与所加电场成线性关系：,实际介质：极化率（相对介电常数或折射率）与电场强度有关,场强很强时、后面的项才显著,时、介质的折射率；,a、b：常数、通常很小,电光效应：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,外电场诱发的双折射的折射率差：,一次电光系数,（PLZT）,组分的不同,线性电光效应或 Pockels 效应,二次电光效应或 kerr 效应,与电场垂直方向的折射率,一次电
7、光系数比其他单晶材料还大,铁电相和顺电相的相界附近、呈现扩散型（二级）相变特征,居里温度被移动室温附近的PLZT：,扩散型相变二级相变,一级相变,对顺电相施加电场,铁电相,去除电场,顺电相、剩余极化几乎为0,陶瓷呈现光学各向同性,居里点附近的PLZT具有二次电光效应,二次电光效应诱发的双折射的折射率差：,电光克尔常数,入射光波,外加电场,PLZT透明铁电陶瓷工艺：,常压下通氧烧结、或热压通氧烧结,通氧的作用：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,应用：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：利用脉冲电信号控制光信号的通和断,电光调制器：,电光材料上施
8、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,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,电光偏转器：利用材料的电光效应实现光束偏转,三、驰豫型铁电陶瓷,压电材料在外电场中共有的特性,电致伸缩效应 逆压电效应,一般的压电材料在外电场作用下的伸缩效应 驰豫效应不显著、不能实用,具有扩散相变（二级相变）特征的铁电材料、在相界附近具有显著的驰豫效应,结构上是离子置换型固溶体,驰豫型铁电陶瓷：,或,半径较小的置换B离子形成不同程度的无序结构、在晶体内造成较大的松动空间,外电场作用下，B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,驰豫型铁电陶瓷的应变：与电场或极
9、化强度的平方成正比,电致伸缩系数,或,应变,或,一般压电体的应变：与电场强度的一次方成正比,材料的压电系数,固溶体系 驰豫型铁电陶瓷,性能优良的实用材料,居里温度：,室温介电常数：,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伸缩远大于一般压电材料,一般压电材料的应变：,驰豫型铁电陶瓷的应变：,（比一般压电材料大许多）,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,热膨胀系数：,适于制造微位移器,微位移器通常采用多层结构,获得较大的形变位移量,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：作为电致伸缩材料应用于许多方面,器件、应变光栅、
10、精密导向机构、录像机磁头调节等,压电陶瓷材料,一、压电陶瓷材料的常用参数,1、介电常数,各向同性的理想的电介质：,介电常数,与方向无关、与外场无关,方向相同,各向异性的实际的电介质：,D1 不仅与 E1 有关、还可能与 E2 和 E3 有关,一般,方向不同,若仍用 表达 关系,不再是标量、而是二阶张量,简记作：,由于晶体或材料结构的对称性，介电常数的9个分量中最多只有6个是独立的,压电（铁电）陶瓷极化前：各向同性、无压电性,极化后：,在与“3”垂直的“1”、“2”（XY）平面内是各向同性的,沿Z轴极化的压电陶瓷有两个独立的介电常数:,材料处于不同的机械条件时，测得介电常数不同,不受应力下的介电
11、常数 自由介电常数,受应力下的介电常数 受夹介电常数,（沿Z方向极化的）压电陶瓷有四个介电常数：,压电陶瓷的介电常数可算得：,电容,极板间隔,极板面积,通常规定极化方向为Z 轴的正向(方向3),2、介电损耗,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 介质的漏电流,理想电容的充电电流（位移电流、无功耗分量）,与电压位相相同、传导电流、,介质损耗因子：,介质的损耗等效于在理想电容器上并联损耗电阻：,交流电压的角频率,有功耗分量,？,电学品质因数：损耗因子的倒数,已指出：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,高温、强场强,介质的电导率高、漏电流大、损耗大,一般
12、极性分子电介质：极化引起的损失主要是偶极子转向引起,3、机械品质因数、机电耦合系数,压电振子：,压电片输入电信号,信号频率等于压电片的固有频率,逆压电效应（电致伸缩）、压电片机械谐振（共振）,正压电效应、电信号输出,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,压电片振动时要克服内摩擦、引起能量损耗,机械品质因数,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,定义：,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,压电振子,压电振子等效电路,动态电容,静态电容,动态电感,等效电阻,机械品质因数,机电耦合系数 K,压电振子,动态电容,静态电容,
13、等效电路中 时：,压电振子的阻抗与频率的关系：,谐振频率：,阻抗无穷,等效电路中 时：,阻抗的最小值不为零、最大值也不为无限大,机械品质因数,压电振子,动态电容,静态电容,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,机电耦合系数 K,材料不同、工艺条件不同、压电陶瓷振子的 值不同,PZT压电陶瓷:,反映压电材料的机械能与电能之间的耦合效应、压电材料性能的重要参数,定义：,电能转变的机械能,输入的电能,机械能转变的电能,输入的机械能,或,压电振子的耦合系数与振子的形状和振动模式有关，不同模式有不同的值、不同的记号,逆压电效应,正压电效应,极化方向,电极面,薄圆片径向振动平面机电耦合系数,极化方向,电极面,长度伸缩（X 方向）横向机电耦合系数,极化方向,电极面,长度伸缩（Z 方向）纵向机电耦合系数,位移,极化方向,厚度伸缩振动，厚度机电耦合系数,极化方向,电极面,厚度切变振动，厚度机电耦合系数,
