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2009-8-25 安徽工业大学材料科学与工程学院 * * 功能陶瓷 第三章 介电陶瓷 裴立宅 lzpei1977@163.com, lzpei@ 安徽工业大学材料科学与工程学院 介电陶瓷和绝缘陶瓷在本质上属于同一类陶瓷，但是与绝缘陶瓷不同的是，主要利用介电性能的陶瓷称为介电陶瓷 或者说，介电陶瓷是通过控制陶瓷的介电性质，使之具有较高的介电常数、较低的介质损耗和适当的介电常数温度系数的一类陶瓷 3.1 极化与介电常数 设想在平行板电容器的两板上，充以一定的电荷，当两板间存在电 介质时，两板的电位差总是比没有电介质存在（真空）时低，在介质表面上会出现感应电荷，如下图所示。 这些感应电荷部分屏蔽了板上自由电荷所产生的静电场，这种感应电荷不能自由迁移，称为束缚电荷。 电介质在电场作用下产生感应电荷的现象，称为电极化。 电介质极化示意图 电介质：一切绝缘体统称为电介质，或者是在外电场的作用下内部结构发生变化，并且反过来影响外电场的物质。 在电场作用下，电介质以正、负电荷重心不重合的电极化方式来传递并记录电的影响。 从微观上看，电极化是由于组成介质的原子（或离子）中的电子壳层在电场作用下发生畸变，以及由于正负离子的相对位移而出现感应电矩。 电极化是电介质最基本和最主要的性质，介电常数是综合反映介质内部电极化行为的一个主要的宏观物理量。 3.2 极化与介质损耗 实际用的绝缘材料，其电阻不可能无穷大，在外电场作用下，总有一些带电质点会发生移动而引起漏导损耗。 一切介质在电场中均会呈现出极化现象，除电子、离子的弹性位移极化基本上不消耗能量外，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，这种介质损耗一般称为极化损耗。 tgδ的倒数Q（Q=1/tgδ）称为介电陶瓷材料的电学品质因数，这也是介电陶瓷重要的特征评价参数。 松弛极化：当材料中存在弱联系电子、离子和偶极子等松弛质点时，热运动使这些松弛质点分布混乱，而电场力图使这些质点按电场规律分布，最后在一定温度下发生极化。松弛极化的带电质点在热运动时移动的距离，可与分子大小相比拟，甚至更大，并且质点需要克服一定的势垒才能移动，因此这种极化建立的时间较长（可达到10-2-10-9s），需要吸收一定的能量，是一种非可逆过程。包括电子松弛极化、离子松弛极化和偶极子松弛极化，多出现在晶体缺陷区或玻璃体内。 空间电荷极化：常发生不均匀介质中。在电场作用下，不均匀介质内部的正负间隙离子分别向负、正极移动，引起介质内各点离子密度的变化，即出现电偶极矩，这种极化称为空间电荷极化。在电极附近积聚的离子电荷就是空间电荷。随着温度的升高而下降，这是由于温度升高，离子运动加剧，离子容易扩散，因而空间电荷减少。空间电荷的建立需要较长时间，大约几秒到数十分钟，甚至可达数十小时。 3.3 介电陶瓷材料及其应用 介电陶瓷主要用于陶瓷电容器和微波介质元件。 陶瓷电容器是现代电子线路中必不可少的元件，每个电视机或录像机中都含有100-200个陶瓷电容器，由于陶瓷的介电特性好，可制成体积小、容量大的电容器。电视机超高频（UHF）的频率为300MHz，通讯卫星的频率大于10000MHz，只有陶瓷电容器才能在1000MHz以上的频率有效的工作。 在微波应用中，当使用空腔共振器的过滤器时，体积很大，而采用介电陶瓷，则可使微波通信和其他微波设备小型化。 陶瓷电容器 陶瓷滤波器 3.3.1 陶瓷电容器 用于制造电容器的介电陶瓷，在性能上一般应达到如下要求： （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、高压及其他恶劣环境下，陶瓷电容器性能稳定可靠。 （3）介电损耗要小，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，能提高无功功率。 （4）比体积电阻高于1010Ω·m，这样可保证在高温下工作。 （5）具有较高的介电强度，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，因此提高电容器的耐压性能，对充分发挥陶瓷的功能有重要作用。 根据所用陶瓷材料的特性，陶瓷电容器一般可以分为温度补偿（I型）、温度稳定（II型）、高介电常数（III型）和半导体系（IV型），各自的特征如下表： 陶瓷电容器的分类和特征 (1) 温度补偿（I型）电容器用介电陶瓷 此类陶瓷初期使用MgTiO3、CaSnO3等，但由于它们的介电常数不高（14-18），热稳定性不太好，应用受到限制。 20世纪60年代以来，开始使用MgO-La2O3-TiO2、CaTiO3、SrTiO3、MgTiO3和LaTiO3等。 温度补偿电容器陶瓷的介电特性 (