功能介电材料4-新

五、介电陶瓷材料及应用
1、 Ⅰ型陶瓷电容器材料（高频介电陶瓷） 主要用于高频振荡电路中作为补偿电容介质，在性能上 要求在高频下（1MHz）下的介质损耗小（小于6ⅹ10－4）， 介电常数8.5～900内，具有稳定的电容温度系数，可调节。 以CaTiO3为例：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。常见的配方为： CaTiO3：99%，ZrO2：1%；烧结温度为1360℃±20℃ 工艺要求：采用氧化气氛烧结；不易采用湿磨；烧结温度和时 间控制好，防止开裂。
用这种材料制作的电容器在频率超过一定范围时 衰减幅度很大，因而主要应用于低频电路或对容 量要求不大苛刻的中高频电路。最为常见的Ⅱ型 陶瓷电容器有以下几类特性：Y5V、Y5U、X7R特性。
表征介电常数温度稳定性的容温变化率如下式所示：
ΔC CT − C 20 = × 100% C C 20
其中：C20为陶瓷样品在20℃时的电容（1KHz）；
典型材料与应用
•一般而言，由主晶相性质决定的陶瓷特性主要
有介电性、铁电性、电子导电性、离子导电性、 超导电性、热导性、光导性、电致变色性、电 致伸缩性等；经极化处理的铁电陶瓷可具有压 电性、热释电性、电光特性等；电子陶瓷材料 的温度、气氛、湿度、电压等敏感特性除与陶 瓷主晶相组成相关外，还受到晶界结构与性质 的很大影响。
用途：主要用于高频、特高频、甚高频电路中做调谐或温度补偿。
低频瓷介电容：属铁电陶瓷作介质，介电系数高，容量大 （最高可达0.1uF），工作电压有0.5KV、1KV、2KV、 5KV几种，体积小，损耗和绝缘电阻性能较高频差。 用途：广泛用于中、低频电路中作隔直、耦合、旁路和滤 波。常用有CT1、CT2、CT3系列。
二、电介质的介电损耗 电介质在外电场作用下，其内部会有发热现象，这说明 有部分电能已转化为热能耗散掉，这种介质内的能量损耗称 为介质损耗。常用tgδ表示，其值越大，能量损耗也越大。 δ称介电损耗角，其物理意义是指在交变电场下电位移D与 电场强度E的相位差。 tgδ是所有应用于交变电场中电介质的重要的品质指标之 一。介质损耗越小越好。 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。
Ⅰ型陶瓷电容器瓷的其他材料体系
⎧金红石瓷：金红石 ⎪ ⎪钛酸盐瓷： CaTiO 3、 SrTiO 3、 MgTiO 3 ⎪ 按主晶相分 ⎨锡酸盐瓷： CaSnO 3、 SrSnO 3 ⎪锆酸盐瓷： CaZrO 3 ⎪ ⎪ 铌铋锌系： ZnO − Bi 2 O 3 − Nb 2 O 5 ( 烧结温度 < 900 °C ) ⎩
介质陶瓷
BaTiO3 、 (MgCa)TiO3 、 (薄片、膜状多层) Ba(Mg1/3Ta2/3)O3、BaOTiO2-Nd2O3（薄片）
微波陶瓷
铁电陶瓷
Pb(ZrxTi1-x)O3 、 PbTiO3( 经 极 化 的 烧 结 体 或薄膜)
电子陶瓷的典型材料及应用示例
电光陶瓷 Pb1-xLax(ZryTi1-y)O3(透明 致密烧结体) 热释电陶瓷 PbTiO3(经极化烧结体或薄 膜) Pb(Mg1/3Nb2/3)O3(膜状多层) 电控光开关、光调制器、光 存储器、强激光或核闪光护 目镜 红外探测器、非致冷焦平面 红外热成像阵列、红外瞄准 镜 高分辨率高精度微位移驱动 器 可见光，近红外，红外调制 机敏窗口及屏幕显示 高能量密度钠硫电池隔膜， HTFC燃料电池隔膜，氧传感 器、磁流体发电(MHD)高温 电极，固体氧化物燃料电池 (SOFC)阴极
近年来取得重要进展的技术领域： •高纯超微粉体技术 •致密化成型及烧结技术 •陶瓷薄膜制备技术 •材料分析及测试技术 对材料制备工艺的反应过程、表面与界 面的结构与性质、显微结构的形成与变 化以及这些因素对陶瓷性能的影响有了 更深入的了解。
开拓了新的材料研究领域： 电子陶瓷薄膜 超晶格材料 复合材料 纳米陶瓷材料 机敏材料及智能材料等 电子陶瓷材料的研究开始从经验式的探索，逐 步走向按所需性能进行材料设计，对电子陶瓷 性能的开发和应用起到了很大的促进作用。
四、陶瓷电容器的分类和特征
按性能分为高频瓷介电容（CC)、低频瓷介电容(CT)。 瓷介电容器外涂保护漆的颜色表示电容器的温度系数。 蓝色和灰色表示正温度系数，其它颜色为负温度系数。 其中黑色温度系数最小，浅绿色温度系数最大。
高频瓷介电容：具有温度补偿特性的复合型陶瓷材料制成。温度 系数小，稳定性高，损耗低，耐压高。最大容量不超过1000PF。 耐压160v、250v、500v等几种。常用有CC1系列园片型。
端电极
内电极
介电材料
MLCC内部结构
四、陶瓷电容器的分类和特征 按IEC标准(IEC标准即国际电工委员会（International Electrical Commission），是由各国电工委员会组成的世界 性标准化组织，其目的是为了促进世界电工电子领域的标准 化。) ，陶瓷电容器被分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ共三大类型。 Ⅰ型陶瓷电容器是电容量随温度变化稳定性较高的电容 器，主要用于高频谐振回路中，常被称为高频陶瓷电容器。 按照介电常数高低，Ⅰ型陶瓷电容器又可分为低介高频瓷与 高介高频瓷，其中，高介高频瓷包括了热补偿高频瓷、热稳 定高频瓷。
三、介电陶瓷电容器 陶瓷电容器以其体积小、容量大、结构简单、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，是目前飞速发展的电子技术的基础之一。 用于制造陶瓷电容器的介电陶瓷，对材料有以下要求： （1）介电常数应尽可能高； （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）介质损耗要小； （4）比体积电阻率高于1010Ω.m(绝缘电阻率通常大于 1010Ω.m )，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，因此必须提高电容器的耐压特性。
微观结构上，陶瓷是介乎单晶与玻 璃之间的一类物质
●电子陶瓷的主要化学结合力： 离子键及共价键 ●化学组成主要有： 碳、氧化物、氮化物、碳化物以及硼化物等
●电子陶瓷材料晶相的晶体结构：
•单质材料主要有石墨和金刚石结构； •AB型化合物主要有NaCl（岩盐）型结构、立方ZnS（闪锌 矿）型结构、六方ZnS（纤维锌矿）型结构等； •AB2型化合物主要有CaF2（萤石）型结构、TiO2（金红石） 型结构等； •A2B3型化合物则以α-Al2O3（刚玉）型结构为代表； •ABO3型化合物主要有CaTiO3（钙钛矿）型结构、FeTiO3 （钛铁矿）型结构及CaCO3（方解石）型结构； •AB2O4型化合物最重要的结构是尖晶石结构，典型材料包 括MgAl2O4、MnFe2O4、ZnFe2O4等。
Ⅱ型陶瓷电容器以高介电常数为主要特征， 其 材料主体是具有钙钛矿型结构的铁电强介瓷 料，其基本组成主要有弛豫铁电体。铁电强介质 陶瓷的高介电常数来源与材料中存在的自发极化 随外电场而呈现的其介电常数高达 。由于介电常 数受温度影响很大，电容器容量温度特性通常用 在规定温度范围内的上、下极值容量相对于室温 下的容量变化百分比来表示。
电子陶瓷的典型材料及应用示例
种
类
典型材料及形态
重要应用示例
绝缘陶瓷
Al2O3 、AlN、BeO(薄片、 膜状多层、条状或异形体)
集 成 电 路 (IC) 衬 底 、 微 波 大功率器件散热支撑件、 多芯片组装(MCM)用基板及 封装 高比容电容器、射频高功 率电容器、抗电磁干扰滤 波器 微波、毫米波介质谐振器 (DRO)、微波电路基片、介 质波导及微波天线 铁电阴极、非易失性抗辐 射铁电随机存储器(FRAM)
制备工艺
电子陶瓷块体材料的常规制作工艺主要包括制粉、 成型、烧结工艺。根据实际应用需求，还可以采用热 压烧结工艺或填充烧结工艺制备无气孔的透明陶瓷或 气孔率很高的多孔陶瓷。新近发展起来的电子陶瓷薄 膜材料的制备工艺主要有射频磁控溅射、溶胶-凝胶 法，脉冲激光沉积、金属氧化物气相沉积等工艺。 电子陶瓷材料特殊效能的开发主要来源于对复杂多 元氧化物的化学组成、物相结构、工艺、性能和使用 效应之间相互关系的系统研究，其性能的调节和优化 可借助离子置换、掺杂改性及工艺控制手段来实现。
湿敏陶瓷
气敏陶瓷
易燃及有毒气体探测器，发 动机空燃比控制器
第四章
介电陶瓷材料
介电陶瓷材料是指电阻率大于108Ω.m的陶瓷材料，能承受较强的 电场而不被击穿。它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。用于各类电容器。 一、极化和介电常数 电介质是指能在电场中极化的材料。 电介质在电场作用下产生感应电荷的现象叫极化。 在平板电容器中，其电容量C与平板的面积S、板间距离d的关系，即 C=εS/d, 式中ε为静态介电常数，显然ε代表了板间电介 质的性能。 当带有电介质的电容C与无电介质（真空）的电容Co之比称为电介 质的相对介电常数εr。
CT为陶瓷样品在温度T时的电容（1KHz）
Z5V型电容器瓷料，10℃～85℃，-56%≤△C/C≤+22%。 Y5U型电容器瓷料，-25℃～85℃，-80%≤△C/C≤+30%。 X7R型电容器瓷料，-55℃～125℃，-15%≤△C/C≤+15%。
Ⅲ型陶瓷电容器又被称为半导体陶瓷电容器，它是一种 利用特殊的显微结构（晶粒或瓷体半导体，晶界或表面绝 缘化）来获取巨大的宏观效益的高性能陶瓷电容器，用于 制作这类电容器的主要材料有钛酸钡和钛酸锶。这类电容 器的结构类型主要有晶界层（BLC）和表面阻挡层（SLC） 两 种 。 晶 界 层 陶 瓷 电 容 器 具 有 介 电 常 数 高 （ 30000 ～ 50000），使用频率宽，温度变化率及介电损耗相对较小的 特点，这种重要的性能优势使晶界层电容器对于优化电子 线路、提高电路工作频率特性和温度适用范围、改善整机 性能具有重要作用，如容量温度变化率在范围之内、介质 损耗小于的晶界层电容器，在技术发达国家被广泛用于各 种高性能电子仪器设备中。