功能陶瓷材料及应用（铁电陶瓷篇）5.ppt

§1.3 铁电陶瓷的改性及机理 1 铁电陶瓷的展宽效应和移峰效应 居里温区与相变弥散： 宏观上――异相共存 微观上――微区化学与结构不均匀性 造成相变弥散的原因： 热起伏相变弥散――温度正态分布――存在Kanzig微区 成分起伏相变弥散――固溶体产生成分起伏――形成不同居里温度的微区，如Ba(Ti1-xZrx)O3, 利用该相变弥散，可以改善铁电陶瓷的温度特性。 结构起伏相变弥散――复合钙钛矿结构弛豫铁电体――有序微畴分布于无序基质中，如在Pb(Mg1/3Nb2/3)O3, 存在Mg/Nb=1:1的有序微畴（或称极性微区），不同尺度的微区的Ps 有不同的温度和频率响应，呈现弥散。完全有序的铁电体呈现小的弥散――普通铁电体。 铁电陶瓷的展宽效应: 相变弥散型展宽效应――以结构起伏型弥散为显著 固溶缓冲型展宽效应――展宽剂 晶界缓冲型展宽效应――晶界区结构与成分的不均匀性导致展宽――细晶的宽化效应――细晶结构是温度稳定型铁电陶瓷的结构特点 铁电陶瓷的移峰效应：如BaTiO3中，等价取代居里温度移动――移峰剂 移峰剂和展宽剂是铁电陶瓷中最常用的添加剂。 2 铁电陶瓷的物理性能对外场的依赖性 介电频谱：对频率的依赖性 介电温谱：? ～ T 介电老化：对时间的依赖性 偏压特性：电压对介电特性的影响 介电应力谱 介电频谱――变化电场中的介电响应 普通电介质的频率响应通常由Debye 弛豫方程方程描述： 复介电常数与频率的关系 由Debye方程, 当? = 0, ?r = ?s , ?r= 0, 恒定电场下 当? → ∞, ?r = ?∞ , ?r= 0, 光频下 当?在0 ~ ∞ 时, 包括在电工和无线电频率范围内, ?↑, ?r ↓, ?s → ?∞ 损耗因子 ?r的频率关系出现极大值 极值频率, ?m = 1/? 当 ? = ?m 时, ?r = (?s + ?∞ )/2 ?rmax = (?s - ?∞ )/2 tg? = (?s - ?∞ ) / (?s + ?∞ ) 介电常数在? = 1/? 附近发生剧烈变化, 同时出现极化的能量损耗, 称弥散现象 通过测试合分析介质的介电频谱可以推断极化机制――电介质研究的常用手段 铁电陶瓷的电畴在交变电场下可发生共振现 其频率稳定性降低，铁电陶瓷不宜用于高频合微波频段内。 弛豫铁电陶瓷存在频率弥散――介电峰值温度随频率提高而升高 介电温谱： 普通电介质由Debey 方程可以分析介电－温度依存关系 铁电陶瓷的介电温谱――铁电陶瓷研究最常用的手段 确定居里温度、转变温度及其变化规律 研究微观极化机制 确定介质的温度特性――介电常数的温度系 复合电介质 并联: ?m = (1-Vf)?2 + Vf?1 串联: ?m-1 = (1-Vf)?2-1 + Vf?1-1 混合: ?m-n = (1-Vf)?2-n + Vf?1-n 改善铁电陶瓷温度稳定性的途径：――三个层次 宏观：多相复合――正负温度系数介质的复合 介观：晶粒内组成结构不均匀－如X7R型BaTiO3中的core-shell结构 微观：晶格层次上的不均匀，如弛豫铁电体的有序－无序，固溶宽化 §1.4 铁电陶瓷及器件的制备工艺 1 陶瓷的制备工艺 铁电陶瓷的制备工艺流程： 粉体合成－细化－成型－烧结－被覆电极－性能测试 粉体合成： 固态反应法（solid state reaction） 共沉淀法 (coprecipitation) 溶胶－凝胶法 (sol-gel process) 2 器件的制备工艺 多层陶瓷技术，如多层陶瓷电容器的制备工艺 §1.5 铁电陶瓷的应用 铁电陶瓷一般具有如下特性： ）higher dielectric constants (K = 200-10000) than ordinary insulating substances ( K= 5-100), making them useful as capacitor and energy storage materials. ）relatively low dielectric loss (0.1%-5%) ）high specific electrical resistivity ( 1013 ?-cm) ）moderate dielectric breakdown strengths (100-120KV/cm for bulk and 500-800kV/cm for thin films) ）nonl