《《电容器陶瓷》PPT课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《电容器陶瓷》PPT课件.ppt（81页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、一、电介质陶瓷,电介质（dielectric）陶瓷是指电阻率大于108 m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（insulation ceramics）和电容器陶瓷（capacitor ceramics）。随着材料的发展，在这类材料中又相继发现了压电、热释电和铁电等性能，因此电介质陶瓷作为电子陶瓷又在传感、电声和电光技术等领域获得了广泛的应用。,1，电介质陶瓷的一般性能,电介质陶瓷在静电场或交变电场中使用，它的一般特性是电绝缘性、极化、介电损耗及介电强度。（1）电绝缘性（insulation）：电介质陶瓷中的分子正负电荷彼此强烈的束缚，在弱电场的作用
2、下，虽然正电荷沿电场的方向移动，负电荷逆电场的方向移动，但它们并不能挣脱彼此的束缚而形成电流，因而其具有较高的体积电阻率，故而具有好的绝缘性能。,（2）极化（polarization）：电介质陶瓷在外电场的作用下会造成电荷的移动，致使其中的正负电荷中心不重合，这样在电介质陶瓷内部会形成偶极矩，产生极化。极化的结果是在外电场垂直的电介质陶瓷表面会出现感应电荷Q，这种感应电荷不能自由移动，被称为束缚电荷。束缚电荷的面密度即为极化强度P（intensity of polarization）。,极化强度不仅与外电场强度有关，更与电介质陶瓷本身的特性有关。对于平板型真空电容器，极板间无电介质存在，在电场
3、强度为E时，其表面的束缚电荷为Q0，电容量为C0，在真空中插入电介质陶瓷时，则束缚电荷增为Q，电容也增至C，评价同一电场下材料的极化强度，可用相对介电常数r（relative dielectric constant）。用下式计算：,相对介电常数越大，极化强度越大，即电介质陶瓷表面的束缚电荷面密度大。应用制作陶瓷电容器的材料，r越大，电容量越高，相同容量时，电容器的体积可以做的更小。所以一般高容量小型电容器陶瓷的相对介电常数都很高。,（3）介电损耗（dielectric loss）：介电损耗是电介质陶瓷的又一重要特性。任何电介质在电场作用下，总会或多或少地把部分电能转化为热能使介质发热，在单位时
4、间内因发热而消耗的能量称为损耗功率，或称为介电损耗，常用tg表示，其值越大，损耗越大。称为介质损耗角。,一般当介质存在损耗时，介电常数变为复数：在复介电常数中，实部反映电介质储存电荷的能力，虚部表示电介质电导引起的电场能量的损耗，其物理意义是单位体积介质中，当单位场强变化一周期时所消耗的能量，常以热的形式耗散掉。,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
5、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。,（4）介电强度（dielectric intensity）：介电强度用于表征绝缘材料承受电压的能力，用在规定试验条件下试样在均匀电场中被击穿的电压值与试样厚度的比值，也称抗电强度或绝缘强度。,Eb 介电强度 Vj 击穿电压 d 试样厚度,2，电介质陶瓷的分类,电介质陶瓷在静电场或交变电场中使用，评价其特性的主要参数为：体积电阻率、介电常数和介电损耗角。根据这些参数的不同，可把电介质陶瓷分为电绝缘
6、陶瓷，也称装置陶瓷（mounting ceramics）和电容器陶瓷（capacitor ceramics）。此外某些具有特殊性能陶瓷，如压电陶瓷、铁电陶瓷及热释电陶瓷等电介质陶瓷也归为此类。下面主要讨论的就是其中的电容器陶瓷。,电容器陶瓷（介电陶瓷）,两平行的金属和夹于其间的介质就成了一个电容器，其中的介质可以感应电荷。功能：隔直流；耦合；滤波；交直流分离；储存能量。它的表示符号为：一l l一，用字母“C”来表示。体积因子：C/V0r/t 2。,CF=0rS/tC:电容器的电容量，可以由电极面积S m2，介质厚度t m以及相对介电常数r来表示，0:介质在真空状态下的介电常数(=8.85x10
7、-12 F/M),电容器的分类,1.按电容可变程度：固定电容器；可变电容器；微调电容器。2.按介质种类有机介质纸；电解电容器阴极为电解液，阳极：钽、铝；无机介质白云母；瓷介电容器；半导体瓷介电容器。,常见电容器,日本村田制造所的电容器陶瓷,国产陶瓷电容器,二、电容器陶瓷,1，电容器陶瓷简介 电容器是一种“通交流、隔直流”的电子元器件，接在交流电源上时电容器连续地充电、放电，电路中就会流过与交流电变化规律一致的充电电流和放电电流，因而在电子电路中电容器常被用来产生电磁振荡、改变波形、耦合、旁路，充当滤波器来存储和释放电荷，平滑输出脉动信号等。此外利用电容器充电后储藏的电能在放电时产生的强大电流和
8、火花可以用来熔焊金属等。,近年来，随着电子线路的小型化、高密度化的迅猛发展，电子陶瓷作为电子工业基础的作用，越来越受到人们的重视，在高技术领域也取得了重要地位。在世界的电容器市场中，陶瓷电容器无论从现实的数量上还是从未来的市场潜力上，所占份额都最大。在小型电脑、移动通信等设备日益轻、薄、短、小，高性能，多功能化的过程中，对小体积、大容量电容器的要求日益迫切。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。陶瓷电容器以其体积小、容量大、结构简单、优良的高频特性、品种繁多、价格低廉、便于大批量生产而被广泛地应用于家用电器、计算机等通信设备、工业仪器仪表等领域。
9、,2，陶瓷电容器材料的性能要求,(1)陶瓷的介电常数应尽可能地高。介电常数越高，陶瓷电容器的体积可以做得越小。(2)陶瓷材料在高频、高温、高压及其他恶劣环境下，应能可靠、稳定地工作。(3)介电损耗角正切要小。这样可以在高频电路中充分发挥作用，对于高功率陶瓷电容器能提高电功功率。(4)比体积电阻要求高于1010m，这样可保证在高温下工作不至于失效。(5)介电强度高。陶瓷电容器在高压和高功率条件下，往往由于击穿而不能工作，所以提高其耐压性能，对充分发挥陶瓷的功能有重要作用。,3，电容器陶瓷的分类,（1）根据陶瓷电容器所采用陶瓷材料的特点，陶瓷电容器可分为以下四类：温度补偿型（型）、温度稳定型（型）
10、、高介电常数型（型）和半导体系型（型）。其特征如下表所示：,温度系数为,Q=1/tg,Q值为介电损耗值的倒数,（2）根据制造陶瓷电容器的材料的性质，陶瓷电容器也可分为以下四类：第一类为非铁电电容器陶瓷，属于型或型；第二类为铁电电容器陶瓷，属于型，也称强介电常数电容器陶瓷；第三类为反铁电电容器陶瓷，属于型；第四类为半导体电容器陶瓷，属于型。在这里将按此分类分别加以介绍：,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：,（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
11、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。,例1：金红石瓷（rutile ceramics）金红石瓷是一种利用较早的高介电材料，其主晶相为
12、金红石（TiO2），二氧化钛有三种结晶状态，即金红石、锐钛矿和板钛矿，以金红石的物理电气性能最好，结晶状态比较稳定。金红石的物理性质如下：晶系：四方，外形：针形，比密度：4.25，线膨胀系数(9.149.19)10-6/，介电常数：114，熔点：1840。纯金红石瓷的电性能比普通金红石瓷的电性能更优良。但由于纯金红石的烧结温度高、无可塑性以及金红石结晶能力强，易形成粗晶结构等原因常在配方中加入其他成份。但用氯化法制取的二氧化钛，其晶粒是金红石且颗粒细小，因此烧结温度低(1100)，利用这种方法可制得纯金红石瓷。,金红石瓷配方 目前，金红石瓷的配方很多，下给出几个典型配方。就配方中各种组成的作用
13、或要求作简要说明,A,TiO2：金红石瓷的主晶相化学组成是TiO2，其加入数量、形态、晶粒大小等均会影响瓷体的性能。TiO2中常含锐钛矿晶型的TiO2，因此需要在1100l300预烧，以减少瓷体烧成时的晶型转变和收缩。TiO2的活性、晶粒大小及烧结温度与预烧温度有关。经预烧过的TiO2活性降低，因此工厂一般采用未预烧和预烧的TiO2以一定比例配合使用。B,高岭土、膨润土：TiO2没有可塑性，高岭土的加入一方面增加可塑性，另一方面降低烧结温度。当采用挤管或车坯等可塑法成型时，可塑性要求更高，需要部分膨润土代替部分高岭土，但一般应少于4。,C，碱土金属化合物：由于引入部分高岭土、膨润土，带入碱金属
14、离子，使电性能恶化，因此引入碱土金属离子，利用压抑效应提高电性能。另外，它们也可起降低烧结温度的作用。一般CaF2加入量23%，ZnO为1左右。D，ZrO2：金红石的高温结晶能力很强，烧结温度稍高或保温时间稍长，都易形成粗晶结构，使材料产生微观结构不均匀，密度降低，气孔率增大，造成材料电性能恶化，尤其在潮湿环境中工作会吸湿，使tg迅速增大。为了克服上述问题，常加入ZrO2或Zr(OH)4阻止粗晶形成，促使瓷质结晶细密均匀，改善材料的防潮稳定性及频率稳定性。此外，ZrO2还有抑制钛离子还原的作用，提高瓷的电气性能。氧化锆的用量一般不宜过多，通常在5左右。以易分解的盐和碱的形式引入为宜。,金红石瓷
15、生产中存在的问题,A，要严防SiO2杂质的进入。因为随着SiO2杂质含量的增加，介电常数下降，介电常数的温度系数绝对值变小，tg不论在常温或受潮时都显著增加，因此，球磨时必须用刚玉磨球及内衬。B，由于TiO2塑性差，坯料常需适当的陈腐时间，使TiO2水解，以提高其可塑性。新练出的泥料可通过加入酸（如醋酸)碱（如氨水)适当调节pH值克服坯料触变性，提高成型性能。另外，在新练的泥中，掺入50左右的回坯料，亦可使坯料水份均匀，改善或消除坯料的触变性，这也是工厂中常用的有效措施之一。,C，严格控制烧结制度，烧成温度一般以132510为宜。温度过高使二氧化钛严重结晶，而且还可能产生高温失氧还原，导致电性
16、能恶化。如中性气氛、高温下发生如下反应：快速冷却能够防止金红石晶体重结晶，使瓷体晶粒细而致密，从而提高瓷件的热稳定性和频率稳定性以及介电强度。D，严格控制气氛，保证氧化气氛烧结。因为在还原气氛和弱还原气氛下，高价钛易还原成低价钛 在这种情况下，介电损耗增大，比体积电阻减小，介电强度降低，此外，不宜用碳化硅承烧板和匣钵，因为高温下碳化硅与氧结合放出CO,金红石瓷使用中应注意的问题,金红石瓷的主要化学成份为TiO2，由于钛离子的变价特性，常引起电性能恶化，其中包括直流老化和电极反应两个原因。A，直流老化 金红石瓷和其它含钛陶瓷在直流电场中长期使用，其电导率随施加电场时间延长而不断增加，这种现象称为
17、直流老化。在高温直流电场下电导随时间急剧增加，最后发热击穿。老化过程瓷体颜色逐渐由鲜黄色变为灰黑色。如果在击穿前除去直流电场，并且停留在原老化温度下若干时间，则发生试样电阻预复到起始值，颜色恢复到原来的鲜黄色，这种现象称之为再生。在交流电场下，含钛陶瓷没有这种老化现象。,含钛陶瓷的直流老化和再生是由于电场和热的作用，氧离子离开了TiO2晶格，以原子状态停留在靠近阳离子空位的结点间，形成氧离子空位和结点间氧原子对的缺陷。氧离子空位捕获电子后形成F色心 使颜色变为灰黑。在除去电场和改变电场极性时，停留在靠近氧离子空位结点间的氧原子重新回到原来的位置上形成氧离子，消除了F色心及参与导电的半束缚电子，
18、使电性能及颜色恢复正常。,F色心,凡是自由电子陷落在阴离子缺位中而形成的一种缺陷称为F色心，它是由一个负离子空位和一个在此位置上的电子组成，由于陷落电子能吸收一定波长的光，因而使晶体着色而得名，例如TiO2在还原气氛下由黄色变为黑色。,B，电极反应 金红石瓷和含钛陶瓷一般采用银电极，在高温高湿强直流或低频电场下工作时，由于高湿度的长期影响，水分会凝结于陶瓷电容器表面，银电极与水作用部分地形成AgOH，在直流电场下，银离子从阳极进入介质向阴极迁移。另外，高温下银原子向介质内扩散，在介质中发生如下变化：,这些变化，使介质中产生自由电子和迁移率很大的Ag+，造成自由电子导电和离子导电，使电气性能恶化
19、，这种现象在高温下尤其显著。此外，Ag+还易在阴极附近被还原，在阴极附近形成银“枝蔓”，使电极间距缩短。上述电介质材料在直流电场长期作用下，电性能发生不可复原的恶化，并伴随一定化学变化的现象，称为电化学老化。因此，含钛陶瓷采用银电极时，不宜在高温高湿条件下工作。为了克服电化学老化，工艺上主要从提高烧结致密度及降低玻璃相电导入手。,例2 钛酸钙陶瓷（calcium titanate ceramics）,钛酸钙陶瓷是目前国内外大量使用的材料，它具有较高的介电系数和负温度系数，可以制成小型高容量的高频陶瓷电容器，用作容量稳定性要求不高的高频电容器，如耦合、旁路、贮能、隔直流电容器等。,钛酸钙陶瓷配方
20、 由于纯钛酸钙瓷的烧结温度较高，烧结温度范围很窄，以至不能在生产上使用。人们在实践中发现加入少量二氧化锆不仅能这到降低烧成温度，扩大烧结范围，而且能有效阻止钛酸钙高温下晶粒长大。因此钛酸钙瓷的制备一般分两步进行。先合成CaTiO3，然后再配方。典型的配方如下：CaTiO3烧块 99 ZrO2 1 瓷料的烧结温度为136020。在国外，为了降低烧结温度，改善烧结性能和结晶状态，从而提高介电性能，还可加入少量氧化钴，钛酸钙陶瓷的性能与钛酸钙烧块的组成有关，一般应按CaTiO3化学组成（CaCO3：TiO2=1.78：1）投料合成，反应如下：,当有过量CaCO3时，会生成部分Ca3Ti2O7，使材料
21、的下降。因此，配方宁可TiO2稍稍过量。烧块的质量可以由测定游离氧化钙的含量来评价。在TiO2-CaO系统中，随配方中TiO2 与CaO的比例不同，陶瓷的性能各异，尤其是在CaO摩尔百分含量超过TiO2的摩尔百分含量时，陶瓷的介电系数和负温度系数大大降低。此外，如果希望降低瓷料的温度系数绝对值尚可采用La2Ti2O7，若希望瓷料的介电常 数增大，则可用SrTiO3和Bi2Ti2O7来调整性能。,钛酸钙陶瓷生产中应注意的问题,A，钛酸钙瓷是一种含钛陶瓷，因此它的合成与烧结必须在氧化气氛中进行。烧结时用ZrO2或深度过烧的CaTiO3制作的垫片，用ZrO2、过烧CaTiO3或Al2O3做撒粉。Zr
22、O2性能最好，但成本高。烧结中不能采用SiO2或SiC作垫片和撒粉，其原因与金红石瓷一样。B，原料球磨时CaO可能水解生成水溶性Ca(OH)2，故球磨后应进行烘干，不能过滤除水，否则会因Ca(OH)2流失而影响配比。C，钛酸钙瓷的结晶能力较强，为防止晶粒长大，烧结温度和保温时间均要控制好。生产中往往采用高温快速冷却来控制晶粒长大。但由于瓷坯的线膨胀系数较大，易使制品变形开裂。,（2）温度稳定型电容器陶瓷,温度稳定型电容器陶瓷按用途分可分为两类，即高频热稳定电容器陶瓷和微波电介质陶瓷。高频温度稳定电容器陶瓷的主要特点是介电系数的温度系数的绝对值很小，有的其至于接近于零，其原因一是由于瓷料本身的小
23、，二是由于采用正、负温度系数不同的瓷料配成混合物或固溶体，而使接近于零；微波电介质陶瓷主要用于制作微波滤波器。随着微波通信、汽车电话、卫星通信等领域的飞速发展，微波电路日趋集成化，小型化，迫切需要小型、高质量的微波滤波器，因此对微波介电材料提出了更高的要求、即：较高的介电常数，介电常数的温度系数接近于零，在几GHz频率范围内，有很高的Q值。陶瓷材料是性能优异的微波介电材料。目前，对微波电介质陶瓷的研究非常活跃。,高频热稳定电容器陶瓷（以钛酸镁瓷为例）钛酸镁瓷是以钛酸镁为基础的陶瓷材料，为国内外大量使用的高频温度稳定电容器瓷之一，其特点是介电损耗低，温度系数的绝对值小，可以调节至零附近，且原科丰
24、富，成本低廉。通常钛酸镁瓷中TiO2与MgO的配比约为60：40，即有一小部分TiO2过剩而游离出来，但还不至于生成(二钛酸镁)MgO2TiO2，基本晶相为正钛酸镁（Mg2TiO4）和金红石（TiO2），其=1417，约为+5010-6/，tg110-4,钛酸镁瓷的烧结温度较高(14501470)，因此，常在配方中加入ZnO、CaF2、滑石等助熔剂，它们能与配方中其它组分形成低共熔物，有效改善烧结性能。为了防止TiO2还原，还可加入少量MnCO3。,钛酸镁瓷工艺上的缺点是烧结温度高，且烧结温度范围较窄(510)，因此烧结温度难以控制，只要过烧几度就会使Mg2TiO4晶粒长大，气孔率增加，从而降
25、低了材料的机电性能，因此，必须严格控制烧结度。另外，MgO以菱镁矿形式引入，可得到活性高的MgO，有利于较低温度下反应生成Mg2TiO4，使烧结温度降低，有利于防止二次晶粒长大。引入粘土和膨润土，方面提高可塑性，另一方面它们在高温下生成玻璃相，降低了烧结温度，防止晶粒过分长大。必须指出、钛酸镁瓷是含钛陶瓷，应依照含钛陶资生产工艺处理。除此以外，高频热稳定电容器陶瓷还有锡酸钙、钛酸镍陶瓷、钛酸锌等陶瓷，在这里就不一一详细讨论了。,钛酸镁陶瓷生产中应注意的问题,微波电介质陶瓷 微波电介质陶瓷在微波滤波器中用作介质谐振器。在介电系数为的介质中，电磁波的波长与 成正比，而谐振器的形状和尺寸又取决于电磁
26、波的波长，即：1电磁波在介质中的波长；2电磁波在空气中的波长；介质材料的介电常数。因此，在同样的谐振频率下，越大，谐振器的体积就越小。考虑到器件的几何尺寸与谐振频率，一般要求微波介质材料的在3040左右为宜，低的微波介质损耗tg是为了保证谐振器的高Q值，从而保证器件低的插入损耗及系统的高效率，目前所用的大尺寸的波导谐振器的Q值在3000以上。,目前，国内外研制出了一系列优良的微波陶瓷，见下表所示。,表中所有微波陶瓷材料均可用一般陶瓷工艺制造。例如，国内研制的优质Ba2Ti9O20瓷是以TiO2和BaCO3为原料，按下列反应式进行配料：9TiO2+2BaCO3 Ba2Ti9O20+2CO2 按比
27、例配料后，混合均匀，经11801250预烧7小时。然后加入少量SrCO3、BaCO3及ZrO2添加剂以调节温度系数，粉碎后造粒成型，经13001340烧结8小时即可。（也可用热压烧结）,2，铁电电容器陶瓷（以BaTiO3、SrTiO3陶瓷为例）,(1)铁电陶瓷性能简介 铁电陶瓷是具有铁电性的陶瓷材料。铁电性是指在一定温度范围内具有自发极化，在外电场作用下，自发极化能重新取向，而且电位移矢量与电场强度之间的关系呈电滞回线现象的特性。在铁电陶瓷材料中，所含有的永久偶极子彼此相互作用，结果形成许多电畴。在一个电畴的范围内，偶极子取向均相同；对不同的电畴，偶极子则有不同的取向。因此，在无电场存在时，整
28、个晶体没有净偶极矩。但在施加足够强的电场时，那些取向和电场方向一致的畴生长变大，而其它方向的畴收缩变小，最后产生净极化强度。,铁电陶瓷与其它的电介质陶瓷不同，它的极化强度不与施加电场成线性关系，并具有明显的滞后效应。典型铁电陶瓷的极化强度与外加电场的关系示于下图 所示：,铁电陶瓷的电滞回线,铁电陶瓷与其它的电介质陶瓷不同，它的极化强度不与施加电场成线性关系，并具有明显的滞后效应。典型铁电陶瓷的极化强度与外加电场的关系示于上图，具有电滞回线是铁电陶瓷的重要特征。由于这类材料的电性能在物理上与铁磁材料的磁性能相似，因而称为铁电材料。这类材料不一定要包含铁作为它的一种重要组分。,（2）BaTiO3
29、电容器陶瓷 铁电电容器陶瓷也称强介电常数电容器陶瓷，高介电常数系材料几乎都是以钛酸钡为基体的材料。添加能够移动居里点(使120居里点移至室温附近)的添加物移动剂；添加能够压低居里点处介电常数峰值，并使介电常数随温度的变化变得平坦的添加物压降剂；以及促进烧结和防止还原的添加物等，来调节材料性能。基体 BaTiO3 移动剂 BaSnO3、BaZrO3、CaZrO3、CaSnO3、PbTiO3等 压降剂 CaTiO3、MgTiO3、Bi2(SnO3)3等 促进烧结添加剂 A12O3、SiO2、ZnO、B2O5等 防止还原添加刑MnO2、Fe2O3、CuO等,这些材料具有很强的铁电性，在直流高压下静电
30、电容显著下降，在交流高电压下静电电容增加，同时介电损耗急剧增大，因而不宜作为交流和中高压用电容器材料。以SrTiO3为基体的材料大多作为交流相中高压用电容器材料。,（3）钛酸锶电容器陶瓷 钛酸锶是一种铁电材料，居里温度为-250左右（铁电陶瓷在高温下失去自发极化性能，在低温时具有自发极化性能而成为铁电相，此相变温度称为居里温度）。SrTiO3在室温下的介电常数约为250，居里温度下的介电常数约为2000。在使用温度下。实际上是顺电相，所以有时也把它作为非铁电体陶瓷论。,钛酸锶的制备首先是合成SrTiO3烧块，然后以SrTiO3为主，适当引入降低烧结温度，改善可塑性能和电性能的添加物，下面介绍个
31、实用配方：钛酸锶烧块(SrTiO3)：90.4%锆酸锶烧块(SrZrO3)：6.6 膨润土：2.5 碳酸钡：0.5%为了进步提高以钛酸锶为基础的介电系数。可以加入Bi2O3和TiO2，形成SrTiO3-TiO2-Bi2O3系，其介电常数比单独的SrTiO3瓷高几倍。研究发现这主要是因为在这种瓷体中生成了固镕体，导致晶格结构松弛。,3、反铁电电容器陶瓷,反铁电电容器陶瓷是较好的高压介质陶瓷，其介电常数与铁电陶瓷相近，但没有象铁电陶瓷的易介电饱和的缺点，反铁电电容器陶瓷无剩余极化，故适用于作高压电容器的介质材料,主要有以下三类（1）PLZT系，1974年，美国宾州大学的Biggers用PLZT系陶
32、瓷研制成高压陶瓷电容器，其组成通式为Pb1-xLax(ZryTi1-y)1-x/4O3，此材料有较高的介电常数和绝缘强度。,（2）（Pb,La,Ba,Ag,Bi）(Zr,Ti)O3陶瓷，1982年美国的司普拉格电器公司研制成功了用（Pb0.78La0.11Ba0.07Ag0.02Bi0.02）(Zr0.64Ti0.36)O3反铁电陶瓷作为高压电容器的介质材料。（3）掺La的Pb(Zr,Ti,Sn)O3系陶瓷，1978年天津大学研制成掺La的Pb(Zr,Ti,Sn)O3陶瓷，这类反铁电陶瓷具有细斜形电滞回线，损耗较低，相变时体积效应小，通过调整Sn与Zr，Ti的含量比，可提高储能密度，从而使元件
33、小型化。,4，半导体电容器陶瓷,室温下BaTiO3陶瓷的比体积电阻在106 m以上，该组中加入微量的MnO2可使比体积电阻提高12个数量级，但是，如果在纯度达到99.99%的BaTiO3中引入0.10.3%（mol）的稀土元素氧化物（如镧、钕、镝、铈等），就可以制得室温比体积电阻为10103m的半导体陶瓷，其一般包括三类：表面阻挡层电容器、表面氧化型电容器和晶界型电容器,（1）表面阻挡层电容器 在高纯度的BaTiO3中添加微量稀土元素氧化的后，获得原子价控制型BaTiO3半导体陶瓷，使p型半导体与这陶瓷表面接触，形成p-n结，利用p-n结的阻挡层电容的电容器称为表面阻挡层电容器。,（2）表面氧
34、化型电容器 将大气中烧成的电介质陶瓷置于H2、CO还原气氛中处理，使其还原成半导体(半导体化)。然后再放在大气中，使仅1015m厚的表面层重新氧化成绝缘体(绝缘体化)，这部分为电介质层，这种类型的陶瓷电容器称为表面氧化型半导体电容器。,（3）晶界型电容器 预先在陶瓷内部添加促进再氧化的Bi2O3、MnO2、CuO，由于晶粒直径很小(13m)，因而氧将从表面向晶粒内扩散，通过再氧化形成电介质层，这种类型的陶瓷电容器称为晶界型电容器。相对而言，晶界型是在1400以上的高温，在还原气氛中烧成的。通常选用纯SrTiO3材科其特点是晶粒直径较大(几十微米)，涂上一层CuO、PbO、MnO、Bi2O3受主
35、体，通过热扩散分布到晶界层形成绝缘层。,晶界层陶瓷电容器（Grain Boundary Layer Ceramic Capacitor，GBLC),一种半导体电容器；这种电容器是利用晶界附近形成的绝缘性的晶界层作为介质层的。,GBLC示意结构 等效电路,经验公式：d2/d1bd2：半导体晶粒的直径；d1：晶界绝缘层的厚度,GBLC的特点,具有很高的介电系数具有良好的抗潮性具有很高的可靠性,3.晶界层电容器的制备工艺,BaTiO3(基体)Y2O3（半导化元素）原料混合干燥造粒成型烧结捡选涂覆氧化物二次烧成（12501350）,5、新型电容器陶瓷（积层陶瓷电容器）,积层陶瓷电容器也称独石陶瓷电容器
36、，其包含多个介电陶瓷层、多个形成于介电陶瓷层之间的内部电极，每个内部电极的一端暴露在介电陶瓷层一端之外，外部电极连接暴露出的内部电极一端，每个内部电极都由一种非贵重金属制成。在紧靠内部电极处形成硅氧化物层或包含硅氧化物和至少一种组成介电陶瓷层和内部电极成份的复合层，这种电容器是由日本村田公司设计制作的，它具有良好的耐热冲击和耐湿负荷特性。,独石电容器的构造,随着电子工业的发展，电容器陶瓷的研究不断深入。积层陶瓷电容器(即独石电容器)的发展对陶瓷材料提出了新的要求，由此，推出了新型电容器陶瓷材料，即低温烧结电容器陶瓷。积层陶瓷电容器中，以往使用贵重金属铂和钯，为了降低成本，采用价格较低的银钯合金
37、代替。但是，银的比例越多，银钯合金的熔点越低，因而必须降低陶瓷本身的烧结温度。采用合金电极，银70%，钯30制成的合金)陶瓷的烧结温度必须在1150以下。制备低温烧结材料通常有两种方法：一是在以往的材料中添加低熔点玻璃成分二是利用含铅的复合钙钛化合物。,工艺特点：将涂有金属电极浆料的陶瓷坯片（10um左右），以多层交叠方式叠合起来，使陶瓷材料与电极同时烧成一个整体。陶瓷带印刷电极层叠压紧切割烧制终端涂层引线封装。,独石电容器构造（黑线为电极，白色为介质）,独石电容器外观,汽车用独石电容器,积层电容器制备工艺,积层电容器的粉料制备过程与单片电容器相同。在成型过程中，为了获得比单片电容器更薄的电介
38、质生坯薄片(0.030.1mm)，一般采用流延、印刷、喷涂等方法。然后在这些薄片上印刷形成内部电极的金属粉末料浆，接着按交叠形成重叠电极的要求，将这些薄片叠成很多层，再在加热状态下压成一个整体，然后切成元件所需形状，在炉内烧成。最后烧渗电极作外部电极就形成了积层片状电容器。其交叠薄片结构如下：,积层陶瓷电容器片状层结构,四，总结,自1920年，德国、美国等开发研究以陶瓷为介质的电容器以来，电容器陶瓷材料得到了广泛的研究和发展。近年来，电子线路的小型化、高密度化有了明显的发展，而且元器件向着芯片化、自动插入线路板的方向发展。因此，对电容器小型化、大容量的要求将会越来越高。陶瓷电容器以其体积小、容
39、量大、结构简单、优良的高频特性、品种多、便于大批量生产等特点而广泛应用于家用电器、通信设备、工业仪器仪表等领域，今后，随着集成电路（IC）、大规模集成电路(LSI)的发展，陶瓷电容器将会有更大的发展。,(1)探索铁电性弱的高介电常数材料；(2)研制无空隙陶瓷；(3)提高薄膜化技术；(4)提高粉料控制技术；(5)控制和灵活应用复合结构等。可以预料，电容器陶瓷会有更迅速的发展。,其发展方向有以下几个方面：,热释电陶瓷介电现象和极化效应 本章前几节中讨论的电现象都是以材料中存在的电子、离子和空穴等载流子在电场作用下产生长程迁移而形成的。与此不同，存在另一类材料，即所谓的介电材料，它们是绝缘体，并不存在其中载流子在电场作用下的长程迁移，但仍然有电现象。这种电现象的产生，是因为材料中也存在荷电粒子，尽管这些荷电粒子被束缚在固定的位置上，但可以发生微小移动。这种微小移动起因于材料中束缚的电荷，在电场作用下，正负束缚的电荷重心不再重合，从而引起电极化，如此将电荷作用传递开来。,可以说，介电材料的电学性质是通过外界作用，其中包括电场、应力、温度等来实现的，相应形成介电晶体、压电晶体、热释电晶体和铁电晶体，并且依次后者属于前者的大类，其共性是在外力作用下产生极化。这几类材料的属于关系如图所示。,热释电陶瓷,热释电与压电异同,热释电系数,典型的热释电陶瓷,热释电陶瓷的应用,
