电介质陶瓷讲解学习
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第五章 铁电介质陶瓷95讲解
四方BaTi03的c轴变长，a、b轴变 短。
14
立方相
四方相 ◆ 15
在立方BaTiO3中，处于氧八面 体孔隙中的钛离子可以偏离八面 体的中心位置，在一定的范围内 进行振动。在钛离子振动时，其 偏离或靠近周围6个氧离子的机会 是均等的，即对八面体中心位置 的平均偏离为零。
16
随温度T↓，Ti4+热运动变弱，当 T﹤120℃，Ti4+的振动中心向周围的 6个O2-离子之一靠近，即Ti4+离子沿 c轴方向产生离子位移极化，这是在 无外电场时Ti4+自发进行的极化，称 为 自 发 极 化 ， 由 于 Ti4+ 位 移 ， O2- 也 偏离了它的对称位置，进行相应的 位移。◆
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 展都非常快。
21
（3）斜方相，自发极化Ps‖面对角线 方向[110]，即沿立方面的对角线方向。
（4）三方相，自发极化Ps‖[111]方向， 即沿立方体的对角线方向。
斜方相
三方相
22
这就是BaTi03不同晶体的自发极 化及自发极化方向。
二、BaTi03晶体的电畴结构 1、自发极化
一部分相互邻近的晶胞都步调一 致地沿着原来的某个晶轴方向自发 极化，而另一部分相互邻近的晶胞 则又都步调一致地沿着另外的晶轴 方向进行自发极化。
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。
6 功能陶瓷(2)电介质陶瓷
电容器瓷
6.2.1.1 电介质陶瓷
6.2.1概述
极化（polarization） 在外电场作用下，电介质内部沿电场方向产生感应偶极矩，在 电介质表面出现极化电荷的现象叫作电介质的极化。
6.2.1.1 电介质陶瓷
介电常数（ permittivity ）
6.2.1概述
介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，原外加电 场（真空中）与最终介质中电场比值即为介电常数
单晶
6.2.2电绝缘瓷
6.2.2.2莫来石
一次莫来石的生成
二次莫来石的生成
6.2.2电绝缘瓷
6.2.2.3镁质瓷
介电损耗小，用于一般高频无线电设备 中，如雷达、电视机等 介质损耗低，且随频率变化小；比电阻 大，且在高温下保持很高的数值；但是 热膨胀系数高，热稳定性差。
滑石瓷
镁橄榄石瓷
尖晶石瓷
介质损耗低于滑石，介电常数稍高，化 学稳定性良好，作为低压高频电容器、 感应线圈的骨架等。 膨胀系数低，热稳定性好，作为耐热冲 击的绝缘材料。
堇青石瓷
6.2.2电绝缘瓷
6.2.2.3镁质瓷
滑石瓷（ Mg3Si4O10(OH)2 ） 镁橄榄石瓷（ Mg2SiO4 ）
Si blue, O red, Mg green
6.2.2电绝缘瓷
6.2.2.3镁质瓷
尖晶石（MgAl2O4） 堇青石 （ (Mg,Fe)2Al4Si5O18 ）
O red, Al blue, Mg yellow
介电常数
真空介电常数
= r 0 = (1 + ) 0
相对介电常数 极化率
r=Q/Q0=C/C0
6.2.2电绝缘瓷
6.2.2.1概念
高电阻率 性 能 要 求 介电常数小
第3章 电介质陶瓷
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？
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。
(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。
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？
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。
(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。
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。
介电陶瓷
对线性极化, =Ee, ---原子、分子、离子的极化率, Ee---有效电场 P = n0Ee r = 1+ n0Ee/0E 介电常数与极化率关系－Clausius-Mosotti方程：
r 1 N r 2 3 0
4 电介质的极化机制（Polarization Mechanisms）
ε
工频 声频 无线电频率 红外
可见光 紫外
f
5
各类实际电介质的极化和介电常数
气体:
单原子, 电子位移极化, r = 1+ n0/0 极性分子气体: = e+ = e + 02/3KT
液体： 非极性液体和固体电介质, r =2~2.5
极性液体电介质,
= e+ = e + 02/3KT, r > 2.5
1.002
Compensation of Tf: TiO2: TK =-750 ppm/°C CaTiO3: TK =-1850 ppm/°C SrTiO3: TK =-3000 ppm/°C
1.248
Hz)
1.000
Tf Measurement
TiO 2 added No TiO2
1.246 1.244 1.242 1.24 1.238 1.236 1.234 1.232 -40 -20
§2 变化电场中的电介质
1
极化过程
P(t) 是时间的函数 瞬时极化: 弹性位移极化, P 弛豫极化: 偶极子取向极化, Pr
P(t) = P (t) + Pr (t)
2 复电导率与电介质的损耗
定义：在交变外场作用下，单位时间单位体 积的电介质所损耗的能量：
半导体电介质陶瓷详细介绍
半导体电介质陶瓷详细介绍半导体陶瓷资料的基础研讨、使用研讨、出产和使用的类型许多，是具有严重研讨含义和商业出产价值的现代蜂窝陶瓷载体资料。
由于晶界工程的研讨发展，许多基础研讨获得发展，新的陶瓷资料被研发出来，形成了共同的新方向和工业，惹起科技界和企业界的高度重视。
这些陶瓷的半导化是指将该陶瓷的晶相转变为n型或p型半导体，晶界则恰当绝缘。
半导化是出产半导体陶瓷电容器的要害工序，现以BaTiO3陶瓷的半导化为例进行评论，BaTiO3、SrTiO3及其固溶体是出产半导体陶瓷电容器的主要质料，这里以BaTiO3的半导化为例，要点评论半导化的方法和机理以及影响半导化的主要因素。
BaTiO3陶瓷半导化的方法和机理，BaTi03的禁带宽度为3eV，该陶瓷填料的室温体积电阻率约为10912）Ω·cm，很多的理沦研讨和试验研讨标明BaTiO3陶瓷半导化的方法主要有施主掺杂半导化和强迫复原半导化，施主掺杂半导化是使用离子半径与Ba2+附近的La3+、Y3+、Sb3+等三价离子置换Ba2+离子或用离子半径与Ti4+附近的Nb5+、Ta5+等五价离子置换Ti4+离子进行掺杂，经必定的工艺可制备出电阻率为10(3)一l0(5)Ω·cm或更低的n型EaTi03半导体陶瓷。
其电阻率与施主的参加浓度有亲近的联系，施主参加浓度偏大或偏小时，这种半导体陶瓷资料的电阻率均有所进步。
普通，详细的施主断定后，当其参加浓度为某一特别量时，BaTi03陶瓷资料的电阻率最小。
这种陶瓷半导体是经过施主掺杂由电价操控而得到的，普通称之为价控半导体。
普通施主掺杂陶瓷异鞍环的浓度应严厉约束在较狭隘的规模，超越该极限，跟着掺杂浓度进步或减小，BaTiO3陶瓷资料的电阻率都敏捷增大，能够成为电阻率很高的绝缘体。
BaTiO3陶瓷施主掺杂半导化所用为高纯度的质料时，施主掺杂的浓度约束在一个较小的规模内，在空气中烧成即可完成半导化。
留选用化学纯质料或工业纯质料，施主掺杂的浓度利配方中其他参加物的浓度必须依据质料的详细情况进行相应的调整。
介电陶瓷材料
介电陶瓷材料介电陶瓷是一种具有良好绝缘性能和介电性能的陶瓷材料。
它们通常由氧化物或非氧化物化合物组成，具有高介电常数和低损耗角正切值，因此在电子器件和电力设备中得到广泛应用。
一、介电陶瓷的基本特性介电陶瓷材料具有以下基本特性：1. 高介电常数：介电陶瓷的介电常数一般在几十至上百之间，远高于常见的金属和塑料材料。
这使得介电陶瓷在电子器件中可以实现高电容和高电压的存储和传输。
2. 低损耗角正切值：损耗角正切值是介电材料的一个重要指标，它反映了材料在电场中的能量损耗情况。
介电陶瓷具有低损耗角正切值，能够有效减小能量损耗，提高电子器件的工作效率。
3. 良好的绝缘性能：介电陶瓷具有良好的绝缘性能，能够有效阻止电流的漏流和泄漏，确保电子器件的正常工作和安全运行。
4. 耐高温性能：介电陶瓷具有较高的熔点和热稳定性，可以在高温环境下工作，不易变形和损坏。
这使得介电陶瓷在高温电子器件和电力设备中得到广泛应用。
二、介电陶瓷的应用领域介电陶瓷材料由于其独特的电学性能和物理性能，广泛应用于以下领域：1. 电子器件：介电陶瓷常用于制造电容器、压电陶瓷、电感器等电子器件。
其中，电容器是介电陶瓷的主要应用领域之一，它能够储存和释放电荷，广泛应用于电路中的滤波、耦合和存储等功能。
2. 电力设备：介电陶瓷常用于制造高压绝缘子、电力电容器、避雷器等电力设备。
在电力系统中，高压绝缘子起到支撑和绝缘的作用，能够有效隔离电力设备与地面之间的电压，确保电力设备的安全运行。
3. 传感器：介电陶瓷具有压电效应，可以将机械能转换为电能或将电能转换为机械能。
因此，介电陶瓷常用于制造压力传感器、加速度传感器、声波传感器等。
这些传感器在工业自动化、航空航天和医疗器械等领域有着广泛的应用。
4. 生物医学：介电陶瓷具有良好的生物相容性和生物附着性，能够与生物组织良好地结合。
因此，介电陶瓷常用于制造人工骨骼、人工牙齿和人工关节等医疗器械，可以帮助人们修复和替代受损的组织和器官。
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。
电介质陶瓷讲解学习
5.1镁质瓷(以滑石瓷为例)
滑石瓷因介电损耗小，是重要的高频装置瓷之一。由于膨 胀系数大，热稳定性差，耐热性低，常用于机械强度及耐 热性无特殊要求之处。滑石为层状结构，滑石粉为片状， 有滑腻感，易挤压成型，烧结后尺寸精度高，制品已进行 研磨加工，价格低廉。
滑石瓷的配方 主要原料是滑石。为改进生坯加工性能及瓷件质量，常引
• 4.1电绝缘陶瓷的生产特点
通常陶瓷材料的导电机制为离子导电。离子导电又可分为本征离子导电 、杂质离子导电和玻璃离子导电。要获得高体积电阻率的陶瓷材料， 必须在工艺上考虑以下几点；
① 选择体积电阻率高的晶体材料为主要相。② 严格控制配方，避免杂 质离子，尤其是碱金属和碱土金属离子的引入，在必须引入金属离子 时，充分利用中和效应和压抑效应，以降低材料中玻璃相的电导率。 ③ 由于玻璃的电导活化能小，因此应尽可能控制玻璃相的数量，甚至 达到无玻璃相烧结。④ 避免引入变价金属离子，以免产生自由电子和 空穴，引起电子式导电，使电性能恶化。⑤ 严格控制温度和气氛，以 免产生氧化还原反应而出现自由电子可空穴。⑥ 当材料中已引入了产 生自由电子或空穴的离子时，可引入另一种产生空穴或自由电子的不 等价杂质离子，以消除自由电子和空穴，提高体积电阻率这种方法称 作杂质补偿。
5.2.1温度补偿电容器陶瓷
b 钛酸钙陶瓷 钛酸钙陶瓷是目前大量使用的材料，它具有较高的介电常 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。 在烧结过程中加入少量二氧化锆不仅能降低烧结温度、扩 大烧结范围，且能有效阻止钛酸钙高温下晶粒长大。
电介质陶瓷
2.电介质陶瓷的一般特性
• 2.1电绝缘与极化
电介质陶瓷中的分子正负电荷彼此强烈地束缚，在 弱电场的作用下，虽然正电荷沿电场方向移动， 负电荷逆电场方向移动，但它们并不能挣脱彼此 的束缚而形成电流，因而具有较高的体积电阻率 ，具有绝缘性。由于电荷的移动，造成了正负电 荷中心不重合，在电介质陶瓷内部形成偶极距， 产生了极化。
介电陶瓷材料课件
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
电致伸缩效应 —— 逆压电效应
压电材料在外电 场中共有的特性
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
Ps
一级相变
驰豫型铁电陶瓷： 结构上是离子置换型固溶体
叠合热压成陶瓷片
烧结
内电极 陶瓷片
高温烧结陶瓷（ BaTiO3）
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：
0.94Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 0.06PbTiO3 系：
添加 MnO2
烧结温度比 BaTiO3 低 200 ~ 250oC
E0 : 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
X ME2 或 X QP2
X L / L : 应变
M 或Q : 电致伸缩系数
驰豫型铁电陶瓷的电致应变远大于一般压电体的应变
一般压电体的应变：与电场强度的一次方成正比
X dE d : 材料的压电系数
Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 PbTiO3固溶体系 — 驰豫型铁电陶瓷
三、驰豫型铁电陶瓷
电致伸缩效应 —— 逆压电效应
压电材料在外电 场中共有的特性
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
Ps
一级相变
驰豫型铁电陶瓷： 结构上是离子置换型固溶体
叠合热压成陶瓷片
烧结
内电极 陶瓷片
高温烧结陶瓷（ BaTiO3）
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：
0.94Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 0.06PbTiO3 系：
添加 MnO2
烧结温度比 BaTiO3 低 200 ~ 250oC
E0 : 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
X ME2 或 X QP2
X L / L : 应变
M 或Q : 电致伸缩系数
驰豫型铁电陶瓷的电致应变远大于一般压电体的应变
一般压电体的应变：与电场强度的一次方成正比
X dE d : 材料的压电系数
Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 PbTiO3固溶体系 — 驰豫型铁电陶瓷
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平行板电容器两极板间充满电介质时，电容器的电容为：
q S C r 0 U U d A B
S C0 0 d
可见，平行板电容器的电容只与自身的几何尺寸与电介质材料有关。 由此比较可得，平行板电容器两极板间没有电介质和充满 电介质时，电场与电场、电容与电容之间的关系为：
电介质陶瓷
一、相关概念
• • • • 电介质在电场下的极化 介电常数 介电常数的温度系数 介质损耗
+ E0 + + ＇ + + E + + E 0 内
+
E0
＇ E E E 0 0 内
导体内电场强度 外电场强度
感应电荷电场强度
静电平衡：当导体中的电荷不动，从而使导体内部电场分 布不随时间变化，则称此时的导体达到了静电平衡。
E
E E E 0
E0
+ pi + E0 σ ´ ΔS + P l +
电子极化
3 4 r e 0
＋
＋
R为原子半径
电介质极化
离子极化
正负离子发生相对位移产生 电偶极聚 的2－5倍
有永久偶极矩，通过转向与电场 取向一致
－ + 极化 － + －
i 一般为 e
当两极间充满相对介电常数为 r 的电介质时的电容：
－ + － + －
+ － －
－ +
+ －
－ +
+ －
+ － － +
－ + － +
－ + －
平行板电容器两极板间充满电介质时，电容器的电容为：
q S C r 0 U U d A B
S C0 0 d
可见，平行板电容器的电容只与自身的几何尺寸与电介质材料有关。 由此比较可得，平行板电容器两极板间没有电介质和充满 电介质时，电场与电场、电容与电容之间的关系为：
电介质陶瓷
一、相关概念
• • • • 电介质在电场下的极化 介电常数 介电常数的温度系数 介质损耗
+ E0 + + ＇ + + E + + E 0 内
+
E0
＇ E E E 0 0 内
导体内电场强度 外电场强度
感应电荷电场强度
静电平衡：当导体中的电荷不动，从而使导体内部电场分 布不随时间变化，则称此时的导体达到了静电平衡。
E
E E E 0
E0
+ pi + E0 σ ´ ΔS + P l +
电子极化
3 4 r e 0
＋
＋
R为原子半径
电介质极化
离子极化
正负离子发生相对位移产生 电偶极聚 的2－5倍
有永久偶极矩，通过转向与电场 取向一致
－ + 极化 － + －
i 一般为 e
当两极间充满相对介电常数为 r 的电介质时的电容：
第8章 电介质陶瓷制备原理及工艺
第八章 电介质陶瓷制备原理及工艺
一、电介质瓷料制备原理 二、制造工艺控制 三、纳米晶材料的软化学制备技术
一、电介质瓷料制备原理
1.1 电介质瓷原料 1.2 原料的颗粒度与粉碎 1.3 颗粒表面能与粉料的活化 1.4 粉料粒度的测定 1.5 低介装置瓷瓷料制备
电介质陶瓷的优良特性主要决定于：晶相结构、 制备工艺 例如：ZnO压敏半导瓷 主晶相性能方面：六方纤锌矿结构，本征特性 为半导性。 制备工艺方面：ZnO压敏半导瓷对外加电压有 一定的响应，其机理主要是晶界效应，而晶界 在很大程度上由制备工艺决定。例如生烧使晶 粒过小，主晶相合成不完全；过烧产生二次晶 使个别晶粒粗大，它们均使ZnO压敏半导瓷压 敏性能变坏。 一般陶瓷工艺的主要流程：原料准备—坯体成 型—烧结—瓷件加工
（3）振磨机的粉碎程度 当进料尺寸小于250µm，则成品料平均细度 可达2～5µm。球磨与振磨比较其粉碎粒度 （超细磨<2µm ）要小得多，效率也较低。
1.2.5 砂磨工艺
棒钉可调卧式砂磨机 立式砂磨机
（1）影响砂磨效率的主要因素 砂磨主要以剪切、滚碾磨擦为主，故中轴转速、 磨体直径（指球形）及数量对砂磨效率具有重要 影响。 磨球直径：一般为φ2～φ5mm，以φ2～φ3mm 为佳。 磨球数量：比球磨、振磨要多。 转速：一般1000转/分。
（2）振磨工艺优缺点 优点：粉料在单位时间内受研磨体的冲击与研磨 作用次数极大，其作用次数成千倍于球磨机，因 此粉碎效率很高。粉碎粒度细，混入杂质较少。 一方面粉碎是靠疲劳破坏而粉碎，另一方面由于 研磨效率高，所用时间短，因此减少了混入杂质 的可能性。 缺点：粒形较差，呈棱角，混合效果及均匀度较 球磨差。振动噪音大，机械零件易疲劳而损坏， 装料尺寸应小于250µm（60目筛）。
一、电介质瓷料制备原理 二、制造工艺控制 三、纳米晶材料的软化学制备技术
一、电介质瓷料制备原理
1.1 电介质瓷原料 1.2 原料的颗粒度与粉碎 1.3 颗粒表面能与粉料的活化 1.4 粉料粒度的测定 1.5 低介装置瓷瓷料制备
电介质陶瓷的优良特性主要决定于：晶相结构、 制备工艺 例如：ZnO压敏半导瓷 主晶相性能方面：六方纤锌矿结构，本征特性 为半导性。 制备工艺方面：ZnO压敏半导瓷对外加电压有 一定的响应，其机理主要是晶界效应，而晶界 在很大程度上由制备工艺决定。例如生烧使晶 粒过小，主晶相合成不完全；过烧产生二次晶 使个别晶粒粗大，它们均使ZnO压敏半导瓷压 敏性能变坏。 一般陶瓷工艺的主要流程：原料准备—坯体成 型—烧结—瓷件加工
（3）振磨机的粉碎程度 当进料尺寸小于250µm，则成品料平均细度 可达2～5µm。球磨与振磨比较其粉碎粒度 （超细磨<2µm ）要小得多，效率也较低。
1.2.5 砂磨工艺
棒钉可调卧式砂磨机 立式砂磨机
（1）影响砂磨效率的主要因素 砂磨主要以剪切、滚碾磨擦为主，故中轴转速、 磨体直径（指球形）及数量对砂磨效率具有重要 影响。 磨球直径：一般为φ2～φ5mm，以φ2～φ3mm 为佳。 磨球数量：比球磨、振磨要多。 转速：一般1000转/分。
（2）振磨工艺优缺点 优点：粉料在单位时间内受研磨体的冲击与研磨 作用次数极大，其作用次数成千倍于球磨机，因 此粉碎效率很高。粉碎粒度细，混入杂质较少。 一方面粉碎是靠疲劳破坏而粉碎，另一方面由于 研磨效率高，所用时间短，因此减少了混入杂质 的可能性。 缺点：粒形较差，呈棱角，混合效果及均匀度较 球磨差。振动噪音大，机械零件易疲劳而损坏， 装料尺寸应小于250µm（60目筛）。
《电介质陶瓷》课件
断裂韧性
衡量电介质陶瓷抗裂纹扩展能力的物 理量。断裂韧性好的电介质陶瓷在受 到裂纹作用时不易破裂。
热性能
热导率
衡量电介质陶瓷导热性能的物理量。热 导率越大，电介质陶瓷的导热性能越好
。
耐热性
衡量电介质陶瓷在高温下稳定性的物 理量。耐热性好的电介质陶瓷在高温
下不易分解和氧化。
热膨胀系数
衡量电介质陶瓷受热后尺寸变化的物 理量。热膨胀系数的大小影响陶瓷与 其它材料的匹配程度。
气氛稳定性
衡量电介质陶瓷在特定气氛下稳定性的物理量。气氛稳定性好的电 介质陶瓷在特定气氛下不易发生化学反应或性能变化。
03
电介质陶瓷的制备工艺
粉体制备
固相法
通过物理或化学手段将原料混合 、研磨、破碎，最终得到所需粒 度的粉体。
液相法
通过溶胶-凝胶法、化学沉淀法等 手段将原料转化为溶液，再通过 热处理得到粉体。
表面改性
通过物理或化学手段对陶瓷表面进行处理，改变其表面形态和化学性质，以提高其润湿性、粘结性等 性能。Leabharlann 04电介质陶瓷的应用实例
高压电容器
高压电容器是一种能够储存大量电荷的电子元件，广泛应用于电力系统中 。
电介质陶瓷作为高压电容器的介质材料，具有高介电常数、低损耗、温度 稳定性好等优点，能够提高电容器的储能密度和可靠性。
烧结工艺
高温烧结
在高温下使陶瓷胚体中的 颗粒相互熔融、扩散，形 成致密的陶瓷材料。
低温烧结
在较低的温度下使陶瓷胚 体中的颗粒相互熔融、扩 散，形成致密的陶瓷材料 。
烧结助剂
在烧结过程中添加适量的 烧结助剂，以促进陶瓷材 料的致密化。
表面处理
表面涂层
在陶瓷表面涂覆一层具有特殊功能的涂层，以提高其耐腐蚀、耐磨损等性能。
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入一些外加剂。如： 粘土---为增加塑性及降低烧结温度。 碱土金属氧化物---改善滑石瓷的电性能。 硼酸盐---大幅度降低烧结温度。 氧化锆和氧化锌---提高材料机械强度。
5.2非铁电电容器陶瓷
• 5.2.1温度补偿电容器陶瓷 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，而且可通过组成的调整，使介电常数的 温度系数灵活地变化。介电常数的温度系数常为负值，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。 a金红石瓷 金红石瓷是一种利用较早的高介电材料，其主晶相为金红 石（TiO2）TiO2的活性、晶粒大小及烧结温度与于烧温度 有关。另外加入的高龄土、膨润土一方面可增加可塑性， 另一方面降低烧结温度。
4.电介质陶瓷陶瓷生产工艺、性能及应用
• 4.1电绝缘陶瓷的生产特点
另外，对于绝缘陶瓷还要求低介电损耗，陶瓷损耗的 主要 来源是漏导损耗、松弛质点的极化损耗及结构损耗。因此 ，降低材料的介电损耗主要从降低漏导损耗和极化损耗入 手：
① 选择合适的主晶相。② 在改善主晶相性质时尽量避免产 生缺位固溶体或填隙固溶体，最好形成连续固溶体。③ 尽量减小玻璃相含量。④ 防止产生多晶转换，因为多晶 转变时晶格缺陷多，电性能下降，损耗增加。⑤ 注意烧 结气氛，尤其对含有变价离子的陶瓷的烧结。⑥ 控制好 最终烧结温度，使产品“正烧”。
• 3.1电绝缘陶瓷
电绝缘陶瓷又称为装置陶瓷，是在电子设备中作为安装、 固定、支撑、保护、绝缘、隔离及连接各种无线电子原件 及器件的陶瓷材料。
具有以下性质：a高的体积电阻率；b介电常数小；c高频电 场下的介电损耗要小；d机械强度高；e良好的化学稳定性
3.电介质陶瓷的分类
• 3.2电容器陶瓷 根据陶瓷电容器所采用陶瓷材料的特点，电容器分为温度
电介质陶瓷
2.电介质陶瓷的一般特性
• 2.1电绝缘与极化
电介质陶瓷中的分子正负电荷彼此强烈地束缚，在 弱电场的作用下，虽然正电荷沿电场方向移动， 负电荷逆电场方向移动，但它们并不能挣脱彼此 的束缚而形成电流，因而具有较高的体积电阻率 ，具有绝缘性。由于电荷的移动，造成了正负电 荷中心不重合，在电介质陶瓷内部形成偶极距， 产生了极化。
5.电介质陶瓷举例
• 5.1镁质瓷
• 镁质瓷是以含MgO的铝硅酸盐为主晶相的陶瓷。按照瓷 坯的主晶相不同，它可分为以下四类：滑石瓷、镁橄榄石 瓷、尖晶石瓷及董青石瓷。滑石瓷用于一般高频无线电设 备中，如雷达、电视机常用它来制造绝缘零件。镁橄榄石 瓷的介质损耗低，比体积电阻大，可作为高频绝缘材料。 董青石瓷上午膨胀系数很低，热稳定性好，用于要求体积 不随温度变化、耐热冲击的绝缘材料或电热材料。
• 4.1电绝缘陶瓷的生产特点
通常陶瓷材料的导电机制为离子导电。离子导电又可分为本征离子导电 、杂质离子导电和玻璃离子导电。要获得高体积电阻率的陶瓷材料， 必须在工艺上考虑以下几点；
① 选择体积电阻率高的晶体材料为主要相。② 严格控制配方，避免杂 质离子，尤其是碱金属和碱土金属离子的引入，在必须引入金属离子 时，充分利用中和效应和压抑效应，以降低材料中玻璃相的电导率。 ③ 由于玻璃的电导活化能小，因此应尽可能控制玻璃相的数量，甚至 达到无玻璃相烧结。④ 避免引入变价金属离子，以免产生自由电子和 空穴，引起电子式导电，使电性能恶化。⑤ 严格控制温度和气氛，以 免产生氧化还原反应而出现自由电子可空穴。⑥ 当材料中已引入了产 生自由电子或空穴的离子时，可引入另一种产生空穴或自由电子的不 等价杂质离子，以消除自由电子和空穴，提高体积电阻率这种方法称 作杂质补偿。
、低介电常熟和低介电损耗。除此之外，还要求具有一定 的机械强度。 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。
4.电介质陶瓷陶瓷生产工艺、性能及应用
3.电介质陶瓷的分类
• 3.2电容器陶瓷
• 用于制造电容器的陶瓷材料在性能上有如下要求； • ①介电常数应尽可能高。介电常数越高，陶瓷电容器的
体积可以做得越小。 • ②在高频、高温、高压以及其它恶劣环境下稳定可靠。 • ③介质损耗角正切值小。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，能提高无功功率。 • ④比体积电阻高于1010Ωm，这样可保证在高温下工作 • ⑤高的介电强度，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。因此提高它的耐压性能，对充分 发挥陶瓷的功能有重要的作用。
3.电介质陶瓷的分类
• 3.3压电陶瓷
• 概念： 压电效应 、热释电效应、铁电效应 • 电介质陶瓷中的第三大类即为压电陶瓷，它包括压电陶瓷
、热释电陶瓷和铁电陶瓷三种。
4.电介质陶瓷陶瓷生产工艺、性能及应用
• 4.1电绝缘陶瓷的生产特点 电绝缘陶瓷的性能，主要强调三个方面，即高体积电阻率
补偿，温度稳定，高介电常数和半导体系四种类型。
若按制造这些陶瓷电容器的材料性质也可分为四大类。第 一类为非铁电电容器陶瓷，其特点是高频损耗小，在使用 的温度范围内介电常数随温度变化而呈线性变化。因此又 称热补偿电容器陶瓷。第二类为铁电电容器陶瓷，其特点 是介电常数呈非线性且值高。又称强介电常数电容器陶瓷 。第三类为反铁电电容器陶瓷。第四类为半导体电容器陶 瓷。
5的高频装置瓷之一。由于膨 胀系数大，热稳定性差，耐热性低，常用于机械强度及耐 热性无特殊要求之处。滑石为层状结构，滑石粉为片状， 有滑腻感，易挤压成型，烧结后尺寸精度高，制品已进行 研磨加工，价格低廉。
滑石瓷的配方 主要原料是滑石。为改进生坯加工性能及瓷件质量，常引
2.电介质陶瓷的一般特性
• 2.2极化与介电损耗 电介质陶瓷的另一特性是介电损耗。任何电介质在
电场作用下，总会或多或少的把部分电能转变成 热能使介质发热，在单位时间内因发热而消耗的 能量称为损耗功率或简称介电损耗。
3.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，评价其特性主要 指标有体积电阻率、介电常数和介电损耗等参数。根据这 些参数的不同，可把电介质陶瓷分为电绝缘陶瓷即装置陶 瓷和电容器陶瓷。按性质分别称为压电陶瓷、热释电陶瓷 和铁电陶瓷。
5.2非铁电电容器陶瓷
• 5.2.1温度补偿电容器陶瓷 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，而且可通过组成的调整，使介电常数的 温度系数灵活地变化。介电常数的温度系数常为负值，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。 a金红石瓷 金红石瓷是一种利用较早的高介电材料，其主晶相为金红 石（TiO2）TiO2的活性、晶粒大小及烧结温度与于烧温度 有关。另外加入的高龄土、膨润土一方面可增加可塑性， 另一方面降低烧结温度。
4.电介质陶瓷陶瓷生产工艺、性能及应用
• 4.1电绝缘陶瓷的生产特点
另外，对于绝缘陶瓷还要求低介电损耗，陶瓷损耗的 主要 来源是漏导损耗、松弛质点的极化损耗及结构损耗。因此 ，降低材料的介电损耗主要从降低漏导损耗和极化损耗入 手：
① 选择合适的主晶相。② 在改善主晶相性质时尽量避免产 生缺位固溶体或填隙固溶体，最好形成连续固溶体。③ 尽量减小玻璃相含量。④ 防止产生多晶转换，因为多晶 转变时晶格缺陷多，电性能下降，损耗增加。⑤ 注意烧 结气氛，尤其对含有变价离子的陶瓷的烧结。⑥ 控制好 最终烧结温度，使产品“正烧”。
• 3.1电绝缘陶瓷
电绝缘陶瓷又称为装置陶瓷，是在电子设备中作为安装、 固定、支撑、保护、绝缘、隔离及连接各种无线电子原件 及器件的陶瓷材料。
具有以下性质：a高的体积电阻率；b介电常数小；c高频电 场下的介电损耗要小；d机械强度高；e良好的化学稳定性
3.电介质陶瓷的分类
• 3.2电容器陶瓷 根据陶瓷电容器所采用陶瓷材料的特点，电容器分为温度
电介质陶瓷
2.电介质陶瓷的一般特性
• 2.1电绝缘与极化
电介质陶瓷中的分子正负电荷彼此强烈地束缚，在 弱电场的作用下，虽然正电荷沿电场方向移动， 负电荷逆电场方向移动，但它们并不能挣脱彼此 的束缚而形成电流，因而具有较高的体积电阻率 ，具有绝缘性。由于电荷的移动，造成了正负电 荷中心不重合，在电介质陶瓷内部形成偶极距， 产生了极化。
5.电介质陶瓷举例
• 5.1镁质瓷
• 镁质瓷是以含MgO的铝硅酸盐为主晶相的陶瓷。按照瓷 坯的主晶相不同，它可分为以下四类：滑石瓷、镁橄榄石 瓷、尖晶石瓷及董青石瓷。滑石瓷用于一般高频无线电设 备中，如雷达、电视机常用它来制造绝缘零件。镁橄榄石 瓷的介质损耗低，比体积电阻大，可作为高频绝缘材料。 董青石瓷上午膨胀系数很低，热稳定性好，用于要求体积 不随温度变化、耐热冲击的绝缘材料或电热材料。
• 4.1电绝缘陶瓷的生产特点
通常陶瓷材料的导电机制为离子导电。离子导电又可分为本征离子导电 、杂质离子导电和玻璃离子导电。要获得高体积电阻率的陶瓷材料， 必须在工艺上考虑以下几点；
① 选择体积电阻率高的晶体材料为主要相。② 严格控制配方，避免杂 质离子，尤其是碱金属和碱土金属离子的引入，在必须引入金属离子 时，充分利用中和效应和压抑效应，以降低材料中玻璃相的电导率。 ③ 由于玻璃的电导活化能小，因此应尽可能控制玻璃相的数量，甚至 达到无玻璃相烧结。④ 避免引入变价金属离子，以免产生自由电子和 空穴，引起电子式导电，使电性能恶化。⑤ 严格控制温度和气氛，以 免产生氧化还原反应而出现自由电子可空穴。⑥ 当材料中已引入了产 生自由电子或空穴的离子时，可引入另一种产生空穴或自由电子的不 等价杂质离子，以消除自由电子和空穴，提高体积电阻率这种方法称 作杂质补偿。
、低介电常熟和低介电损耗。除此之外，还要求具有一定 的机械强度。 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。
4.电介质陶瓷陶瓷生产工艺、性能及应用
3.电介质陶瓷的分类
• 3.2电容器陶瓷
• 用于制造电容器的陶瓷材料在性能上有如下要求； • ①介电常数应尽可能高。介电常数越高，陶瓷电容器的
体积可以做得越小。 • ②在高频、高温、高压以及其它恶劣环境下稳定可靠。 • ③介质损耗角正切值小。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，能提高无功功率。 • ④比体积电阻高于1010Ωm，这样可保证在高温下工作 • ⑤高的介电强度，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。因此提高它的耐压性能，对充分 发挥陶瓷的功能有重要的作用。
3.电介质陶瓷的分类
• 3.3压电陶瓷
• 概念： 压电效应 、热释电效应、铁电效应 • 电介质陶瓷中的第三大类即为压电陶瓷，它包括压电陶瓷
、热释电陶瓷和铁电陶瓷三种。
4.电介质陶瓷陶瓷生产工艺、性能及应用
• 4.1电绝缘陶瓷的生产特点 电绝缘陶瓷的性能，主要强调三个方面，即高体积电阻率
补偿，温度稳定，高介电常数和半导体系四种类型。
若按制造这些陶瓷电容器的材料性质也可分为四大类。第 一类为非铁电电容器陶瓷，其特点是高频损耗小，在使用 的温度范围内介电常数随温度变化而呈线性变化。因此又 称热补偿电容器陶瓷。第二类为铁电电容器陶瓷，其特点 是介电常数呈非线性且值高。又称强介电常数电容器陶瓷 。第三类为反铁电电容器陶瓷。第四类为半导体电容器陶 瓷。
5的高频装置瓷之一。由于膨 胀系数大，热稳定性差，耐热性低，常用于机械强度及耐 热性无特殊要求之处。滑石为层状结构，滑石粉为片状， 有滑腻感，易挤压成型，烧结后尺寸精度高，制品已进行 研磨加工，价格低廉。
滑石瓷的配方 主要原料是滑石。为改进生坯加工性能及瓷件质量，常引
2.电介质陶瓷的一般特性
• 2.2极化与介电损耗 电介质陶瓷的另一特性是介电损耗。任何电介质在
电场作用下，总会或多或少的把部分电能转变成 热能使介质发热，在单位时间内因发热而消耗的 能量称为损耗功率或简称介电损耗。
3.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，评价其特性主要 指标有体积电阻率、介电常数和介电损耗等参数。根据这 些参数的不同，可把电介质陶瓷分为电绝缘陶瓷即装置陶 瓷和电容器陶瓷。按性质分别称为压电陶瓷、热释电陶瓷 和铁电陶瓷。