第五章 铁电介质陶瓷95.ppt

电容器陶瓷 第五章 电容器介电陶瓷 对装置瓷主要考虑的是：电阻率，介质损耗等，而不考虑介电常数。 介电常数是表征陶瓷贮存电荷的能力的参数。 电容器陶瓷是指主要用来制造电容器的陶瓷材料。 就陶瓷介质来说，可以分为铁电介质陶瓷、高频介质陶瓷、半导体介质陶瓷，反铁电介质陶瓷、微波介质陶瓷和独石结构介质陶瓷等。近几年来，半导体瓷介电容器的发展很快。 电介质陶瓷按国家标准分为三类: ?类陶瓷介质：介电常数约为12～900，特点：高频下的介质损耗小，介电常数的温度系数数值范围宽，用于制造高频电路中使用的瓷介质电容器 。 Ⅱ类陶瓷介质：介电常数约200～30000。 特点：低频下的介质损耗比?类陶瓷介质大很多，介电常数随温度和电场强度的变化呈强烈的非线性，具有电滞回线和电致伸缩，经极化处理具有压电效应等，用于制造低频电路中使用的陶瓷介质电容器。 Ⅲ类陶瓷介质：也称为半导体陶瓷介质，介电常数约7000 ～ 10万以上，甚至可达到30万 ～ 40万。 特点：该陶瓷材料的晶粒为半导体，利用该陶瓷的表面与金属电极间的接触势垒层或晶粒间的绝缘层作为介质，因而具有很高的介电常数。用于制造汽车、电子计算机等电路中要求体积非常小的陶瓷介质电容器。 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。 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。 铁电电容器陶瓷的主要类型：以钛酸钡(BaTi03)或钛酸铅基固溶体为主晶相的铁电陶瓷。 陶瓷材料的性质与其主晶相的性质是密切相关的。 2.1 BaTi03晶体的结构和性质 一、BaTi03晶体的原子结构 BaTi03有多种晶型，它们的稳定温度范围为： 立方相：在120℃以上是稳定的； 四方相：在120℃～5℃之间是稳定的； 斜方相：在5℃～－90℃之间是稳定的； 三方相：在－90℃以下是稳定的。 当烧成温度过高时会出现六方相，是应该避免出现的晶相。 是理想的钙钛矿型结构，每个钙钛矿型晶胞中包含一个分子单位。 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。 2、四方BaTi03 四方BaTi03的结构亦属钙钛矿型结构，与理想钙钛矿型相比晶格发生了一定程度的畸变。使四方BaTi03的c轴变长，a、b轴变短。 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。 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。◆ 自发极化强度通常用Ps表示。 自发极化是Ti4+、OⅠ（近）和其它离子共同作用的结果，它们对Ps的贡献分别为：31%，59%，10%。 3、斜方BaTi03 Ti4+离子沿x方向进行位移，并导致O2-离子产生相应的移动。所以a轴的方向为自发极化的方向，即在斜方BaTi03中，自发极化沿着假立方晶胞的面对角线的方向进行。 4、三方BaTi03 三方BaTi03中也存在着自发极化，极化沿着原来立方晶胞的立方体对角线方向进行。 以上几种晶相及自发极化结果，可用下图表示。P166，图5-4。 （2）四方相，自发极化强度Ps‖c轴方向，即沿立方面方面。 （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。 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。 2、电畴 许许多多晶胞组成的具有相同的自发极化方向的小区域称为电畴。电畴可以只是一个晶胞，也可以是整个晶体，称为单畴晶体。 3、铁电体 具有电畴结构的晶体称为铁电体。 4、居里温度（Tc） 使铁电体失去自发极化因而使电畴结构消失的最低温度即居里温度（用Tc表示）。 对于BaTi03，Tc＝120℃。 6、电畴结构 （1）如