功能陶瓷第三章介电陶瓷PPT

相对介电常数和介电损耗是电子陶瓷材料中的 一个重要参数,不同用途的陶瓷,对它们有不同的要 求.
第四章 介电陶瓷
三、介电陶瓷电容器 陶瓷电容器以其体积小、容量大、构造简洁、优良的高
频特性、品种繁多、价格低廉，便于批量生产而广泛应用于 家用电器、通信设备、工业仪器等领域，是目前飞速进展的 电子技术的根底之一。
PMN-PT
〔～700℃〕
❖ 1/6P3N2 + 1/3MgO + 1/2PbO + PT
PMN-PT
❖
(～800℃)
❖
❖
用MSS法制备PMN-PT陶瓷时，主要形成了一个富
Pb的、缺B位、不稳定的焦绿石相P3N，Mg2+很简洁占据
Nb5+的空位形成立方焦绿石相Pb2Nb4/3Mg2/3O6，而
❖ Pb〔Mg1/3Nb2/3〕O3是立方钙钛矿构造，因此，很简 洁发生转变。
第四章 介电陶瓷
〔2〕微波介电陶瓷 微波介电陶瓷主要用于制作微波电路元件，在微
波滤波器中用作介质谐振器。评价微波介电陶瓷材 料的主要参数是介电常数、品质因素和谐振频率温 度系数。
要求具有以下性能：适当大小的介电常数，且值 稳定；介电损耗小；有适当的介电常数温度系数； 热膨胀系数小。
其争论体系有：MgO-CaO-TiO2
第四章 介电陶瓷
虽然PMN具有高的介电 常数，tgδ也较小，成瓷温 度在1050~1100℃，可用来 制作低温烧结独石电容器。 但缺点是居里温度和负温损 耗较大。为此，通常使用 PbTiO3做为移峰剂。
第四章 介电陶瓷
Dielectric constant
10000 8000 6000
100Hz 1kHz 10kHz 100Hz 1kHz 10kHz

《材料物理导论》
第7章
功能陶瓷材料物理
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前言
材料可以分成三大类，金属、陶瓷、有机高分子。
金属材料的基本特征是：由金属元素原子构成，原子之间 的结合是金属键，含有许多自由电子。
有机高分子材料的基本特征是：主要由碳、氧、氢、硅等 非金属元素原子构成，原子之间的结合主要是共价键，一般 没有自由电子。
为了提高陶瓷质量，人们对粉料制备进行了许 多研究，发明了多种制备超细陶瓷粉料的方法。其 中，湿化学法尤其重要。
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1、共沉淀法
共沉淀是指溶液中一种不溶或难溶成分在形成沉淀过程中， 将共存的某些其它组分一起带着沉淀下去的现象。
共沉淀的原理基于表面吸附、形成混晶、异电核胶态物质相 互作用及包藏等。
金属蒸汽真空弧离子源离子注入离子束增强辅助沉积等离子源离子注入激光表面合金化激光化学气相沉积等离子体辅助化学气相沉积双层辉光等离子体表面合金化脉冲高能量等离子体表面改性技术离子注入装置举例离子注入材料表面改性的强化机理离子注入后能显著提高材料表面的硬度耐磨性耐疲劳性抗腐蚀和抗氧化等性能其改性的机理认为主要有以下几种
高度均匀性，高纯性，可降低烧结温度，可在分子水平上进
行组元控制。
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例: YSZ粉的Sol－Gel法制备 异丙醇锆 醋酸钇
↓混合搅拌 均匀溶液
↓吸水；水解－聚合反应 溶胶 ↓干燥 凝胶
↓ 煅烧
↓ YSZ粉末 纳米级大小
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三、一些特殊的烧结方法：
1、热压烧结：
就是在对样品施加压力的条件下烧结。
吸附共沉淀：特征是主沉淀成分表面积大、吸附力强， 故吸附和富集效率高。
混晶共沉淀：两种金属离子和一种沉淀剂形成的晶形、 晶核相似的晶体，称为混晶。如PbSO4-SrSO4混晶。

(VHF)， 厘米波段： λ =10cm-1cm，f=3GHz-30GHz，超高频段
(SHF)； 毫米波段： λ =1cm-1mm，f=30GHz-300GHz，极高频
段(EHF) 亚毫米波段： λ =1mm-0.1mm，f=300GHz-3000GHz，
极超高频段(SEHF)。
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1.4.5 微波介质陶瓷 (Microwave dielectric ceramics)
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1.4.5 微波介质陶瓷
微波陶瓷的介电性能
介质谐振器的典型工作模式
由于微波陶瓷介质工作在微波频率下，介质材料的主要 特性参数(εr 、tgδ、 τf)具有某些特殊要求。对εr而言，由 于时间常数大的电极化形式在微波条件下来不及产生， 而电子位移式极化在介电常数中所占比例极小，所以起 主要作用的是金属离子位移式极化。
tan
r1 r2
r2
Q f
f
2
2 r
常数
tan
εγ1、εγ2、ωγ、γ、ω代表有功介电常数、无功介电常数、 材料固有角频率rad/s、衰减因子、频率为f时的角频率。
可以看出，在微波频率下，介电材料的介质损耗tanδ正 比于ω的增大而增大，材料的品质因数Q则随着频率f的
增加而减小。但是对于同一材料来说Q×f乘积值是基本 保持不变，因此，在微波频段下，可以采用Q×f来表征
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分米波 VHF
厘米波 SHF
毫米波 亚毫米 EHF SEHF
Frequency bands covered by the various wireless technologies (*includes ‘Bluetooth’; Harald Blatand (Bluetooth) was a famous King of Denmark c.960 who is known for encouraging communication between people).

• 超导陶瓷广泛的应用于一些电力领域。 例如：超导磁体制成了超导发电机， 超导输电线路等；超导计算机，有超 导材料制成的晶体管，在避免超大规 模集成电路散热的同时，还减少了计 算机的容量和体积，最终大大提高了 计算机的运行速度；利用超导材料还 发明了磁悬浮列车，给人们的出行带 来了极大的便利。
超导陶瓷
• 磁性陶瓷的应用非常广泛，主要用于 两个方面：第一方面就是信息存储， 如磁盘、磁卡、软硬磁盘等；第二方 面就是磁性流体，外加磁场时，磁性 流体表现为顺磁性。新兴发展起来的 如磁性药流载体就是一个很好的例子。
磁性陶瓷
化学陶瓷
• 化学功能指一些化学物质遇到陶 瓷材料会表现出的敏感性、催化性、 吸附性等性质。特别利用其表现出的 催化性和吸附性可制成在化工领域里 必不可少的催化剂及其载体。另外还 可利用一些孔材料用于污水治理、环 境保护等方面。
容器达百亿支，在计算机中完成记忆功 能。而敏感陶瓷的电性能随湿、热、光、 力等外界条件的变化而产生敏感效应： 热敏陶瓷可感知微小的湿度变化，用于 测温、控温；而气敏陶瓷制成的气敏元 件能对易燃、易爆、有毒、有害气体进 行监测、控制、报警和空气调节；而用 光敏陶瓷制成的电阻器可用作光电控制， 进行自动送料、自动曝光、和自动记数。 磁性陶瓷是部分重要的信息记录材料。
化学陶瓷
其他功能陶瓷
•
此外，还有半导体陶瓷、绝缘陶瓷、 介电陶瓷、发光陶瓷、感光陶瓷、吸 波陶瓷、激光用陶瓷、核燃料陶瓷、 推进剂陶瓷、太阳能光转换陶瓷、贮 能陶瓷、陶瓷固体电池、阻尼陶瓷、 生物技术陶瓷、催化陶瓷、特种功能 薄膜等，在自动控制、仪器仪表、电 子、通讯、能源、交通、冶金、化工、
• 所谓压电效应是指某些介质在力的作 用下，产生形变，引起介质表面带电， 这是正压电效应。反之，施加激励电 场，介质将产生机械变形，称逆压电 效应。这种奇妙的效应已经被科学家 应用在与人们生活密切相关的许多领 域，以实现能量转换、传感、驱动、 频率控制等功能。

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超导材料
元素超导体 合金超导体 金属间化合物超导体 陶瓷超导体 高分子超导体
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a. 元素超导体
在低温常压下， 具有超导特性的化学 元素共有26种，由于 临界温度太低，无太 大实用价值
Nb 的 Tc 最 高 ， 仅为9.26K
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新型陶瓷与传统陶瓷
1. 在原料上，传统陶瓷以粘土为主要原料，新型陶瓷一般以人工合 成的氧化物、氮化物、硅化物、硼化物、碳化物为原料；
2. 在制备工艺上，传统陶瓷以炉窑为主要生产手段，新型陶瓷广泛
采用真空烧结、保护气氛烧结、热压、热等静压等手段；
3. 在性能上，特种陶瓷具有不同的特殊性质和功能，如高强度、高 硬度、耐腐蚀、导电、绝缘、以及在磁、电、光、声、生物工程 各方面具有的特殊功能，从而使其在高温、机械、电子、宇航、 医学工程各方面得到广泛的应用。
集成电路基片材料的要求是：高电阻率，导热性好 ，热膨胀系数小，耐热处理和化学处理。
氮化硅瓷基片具有高强度、热膨胀系数与硅材料匹 配、介电常数小、热导率高 。烧结温度1700C
4、氮化硼瓷基片(BN)
最突出的优点是高热导率与低电导率。
5、金刚石薄膜
金刚石是自然界中硬度最高的材料，同时又具有极
高的弹性模量。金刚石的热导率是所有已知物质中最高 的，室温下(300K)，金刚石的热导率是铜的5倍，液氮温 度下(77K)，金刚石的热导率则是铜的25倍。金刚石是一 种禁带很宽的材料，因而非掺杂的本征金刚石是极好的 电绝缘体。
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超导磁悬浮列车
时速 400 ~ 500km.

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

①电容器陶瓷
电容器陶瓷的分类
• 陶瓷电容器可分为以下四类： • 温度补偿型（Ⅰ型） 通常来说，介电常 • 温度稳定型（Ⅱ型） 数大，介电损耗就 • 高介电常数型（Ⅲ型）大。就不能用于高 • 半导体系型（Ⅳ型） 频。
介电常数大，介电损耗小
①电容器陶瓷
半导体系型---Ⅳ型
介电常数大，介电损耗小
利用内部的半导体， 加强“极化”，得 到大的介电常数 （1000以内，离铁 电材料还有很大的 差距），小的介电 损耗，可用于高频。
＞120℃—立方晶 胞 6℃～120℃—四方晶胞
-90℃～6℃—斜方晶胞
＜-90℃—三方晶胞
①电容器陶瓷
铁电材料---Ⅳ型
晶粒越小，单个晶粒里面 的铁电畴越小，相互影响 越小。越容易极化。
•提高居里温度 •使居里峰变宽
改变相变温度使介电常数峰值处于可利用的温度范围。
加入溶质原子，阻碍相 变过程，提高居里温度
铁电材料（外部电场与内部电场的滞后效应）
铁电材料并不一定含铁，而是由于其电滞回线和铁磁材料 的磁滞回线相似。
①电容器陶瓷
基本概念：自发极化
• 在晶体中，如果晶胞中正负电荷中心不重合，即 每一个晶胞具有一定的固有偶极矩，由于晶体结 构的周期性和重复性，晶胞的固有偶极矩便会沿 同一方向排列整齐，使晶体处于高度极化状态。
a=b=c
a=b≠c
Ti4+－O2-间距大（2.005A），故氧八面体间 隙大，Ti4+离子能在氧八面体中振动。 T>120℃，Ti4+处在各方几率相同（稳定地偏 向某一个氧离子的几率为零），对称性高， 顺电相。 T<120℃，Ti4+由于热涨落，偏离一方，形成 偶极矩，按氧八面体三维方向相互传递，耦 合，形成自发极化的小区域，即电畴。

物理方法
化學方法

2. 濺射法 3. 化學氣相沉積法(CVD)法 4. 溶膠—凝膠(sol-gel)法

類金剛石薄膜是有諸多與金剛石薄膜相似 的性能，沉積溫度較低，沉積面積大，膜 面平整光滑，在某些要求沉積溫度低、膜 面粗糙度低的場合，只有類金剛石薄膜才 能勝任。
鐵電薄膜鐵電薄膜按物理效應應用的分類 表3.11
熱釋電係數大 熱釋電紅外單元 介電常數低 探測與列陣探測 介電損耗小 器 電阻率高
鈦酸鉛 鈦酸鉛鑭 鉭鈮酸鉀
1-3
光波導
電光係數大
鈮酸鋰 鈮酸鉀 鋯鈦酸鉛鑭 鈮酸鍶鋇
0.2-2.0
薄膜外延生長 薄膜表面平整、光滑 與襯底材料兼容 光刻
器件設計 與襯底材料兼容 光刻 薄膜外延生長 薄膜光學質量好 光刻
陶瓷薄膜及其分類
表3.9 陶瓷薄膜按應用的分類
3-4 陶瓷薄膜

1. 真空蒸發
陶瓷薄膜的製備方法
表3.10 主要的陶瓷薄膜製備方法
真空蒸發（單源單層蒸發；單源多層蒸發；多源反應共蒸發） 直流磁控濺射[單靶（反應）濺射；多靶反應共濺射] 磁控濺射 射頻磁控濺射[單靶（反應）濺射；多靶反應共濺射] 離子束濺射[單離子束（反應）濺射；雙離子束（反應）濺射；多離 子束反應共濺射] 分子束外延(MBE) 脈衝激光蒸發(PLD) 金屬—有機物化學氣相沉積(MOCVD) 化學氣相沉積(CVD) 熱解化學氣相沉積（熱解 CVD） 等離子體增強化學氣相沉積(PECVD) 激光誘導化學氣相沉積(LCVD) 微波等離子體化學氣相沉積(MWCVD) …… 溶膠—凝膠(Sol—Gel)法 液相外延(LPE)
壓電性
熱釋電性 鐵電性 電光效應 聲光效應 光折效應 非線性光學效應

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。
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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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缺陷对陶瓷导电的影响
晶体缺陷对陶瓷导电行为的影响比较复杂。陶瓷中点缺陷对材 料电性能影响较大，一般都是使陶瓷材料的电导有所增加。
例如立方ZrO2，其结构中的正离子作立方密堆积，负离子占据全部 四面体间隙，而全部八面体间隙空着，这就便于其他离子在其间移动。 如果在立方ZrO2中加入8at%的Y2O3，Y3+部分替代Zr4+后在晶格中形成部 分氧离子空位，使ZrO2的导电性增强。
功能陶瓷
❖ 功能陶瓷主要是指利用除机械性能外的陶瓷的其它 物理性能，包括导电和半导体性能、绝缘性和介电性、 磁性和热学性能、各种敏感特性，机、电、磁、光、 热等物理性能之间的耦合和转换效应，以及化学和生 物效应制成的一大类材料。
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电功能陶瓷：
绝缘陶瓷、介电陶瓷、 铁电陶瓷、压电陶瓷、 半导体陶瓷、快离子导 体陶瓷、高温超导陶瓷
和点缺陷不同，位错、层错、晶界等晶体缺陷一般会降低陶瓷 材料的导电性。
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掺杂可能改变陶瓷材料的导电性。
例如在ZnO中掺杂Al3+ 可以增加材料的导电性，原因是当三价的铝 替代了二价的锌后，原先二价锌的位置上变成了三价的离子。为了保持 电中性，使得Al3+附近的锌变成了一价，而一价锌是不稳定的，又会变成 二价的锌，同时放出一个电子，增加了材料的导电性。
3Leabharlann ❖ 对于传统陶瓷，人们利用陶瓷材料的电性能主要是其绝缘 性能；而对于先进陶瓷材料，除了其绝缘性能外，人们更关 心的是陶瓷材料的导电能力。目前高温超导氧化物的导电能 力已超过金属，得到应用的先进陶瓷材料的电导率覆盖了从 良导体到绝缘体的范围。
❖ 陶瓷材料的导电机制比较复杂，其导电性能与材料组成、 掺杂、微结构、晶体缺陷、制备工艺及后处理过程等密切相 关。