第五章 铁电介质陶瓷95讲解
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8
第一节 铁电介质陶瓷
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。
9
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；
6
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。
7
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。
19
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54。
20
（1）立方相，不存在自发极化，Ps=0； （2）四方相，自发极化强度Ps‖c轴方 向，即沿立方面方面。
立方相
四方相
21
（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。
（4）三方相，自发极化Ps‖[111]方向， 即沿立方体的对角线方向。
斜方相
三方相
22
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。
25
5、畴壁：电畴与电畴之间的界面，称为 畴壁。
分为两种： （1）90o畴壁：相邻电畴之间的取向相
差90o。 （2）180o畴壁：相邻电畴之间的取向相
差180o。
26
27
6、电畴结构 （1）如形成的是90o畴壁，且90o畴壁两
边电畴首尾相连，畴壁两边带异性电荷， 能相互吸引。如果两个电畴之间是带同 种电荷，则内部存在很大的内能，势必 使一个电畴方向发生转化，使畴壁两边 带不同的电荷。内能↓。
5
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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。
28
（2）90o畴壁交角﹤90o 晶体产生自发极化，沿c轴方向
伸长，在局部伸长量不同，产生了 偏转，使交角﹤90o。 （3）Psi=0 没有经过人工极化时，相反方向 分布的电畴的自发极化强度可以相 互抵消。宏观上不呈现极性。
23
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。
24
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℃。
第五章 电容器介电陶瓷
1
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。
2
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。
17
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%。
18
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。
12
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。
13
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
3
电介质陶瓷按国家标准分为三类: І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 。
4
Ⅱ类陶瓷介质：介电常数约200～ 30000。
特点：低频下的介质损耗比І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。
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。
10
1、立方BaTi03 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。
11
钙钛矿结构
Ba2+ Ti4+ O2-
四方BaTi03的c轴变长，a、b轴变 短。
14
立方相
四方相 ◆ 15
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。
16
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。◆
第一节 铁电介质陶瓷
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。
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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；
6
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。
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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。
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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54。
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（1）立方相，不存在自发极化，Ps=0； （2）四方相，自发极化强度Ps‖c轴方 向，即沿立方面方面。
立方相
四方相
21
（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。
（4）三方相，自发极化Ps‖[111]方向， 即沿立方体的对角线方向。
斜方相
三方相
22
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。
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5、畴壁：电畴与电畴之间的界面，称为 畴壁。
分为两种： （1）90o畴壁：相邻电畴之间的取向相
差90o。 （2）180o畴壁：相邻电畴之间的取向相
差180o。
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6、电畴结构 （1）如形成的是90o畴壁，且90o畴壁两
边电畴首尾相连，畴壁两边带异性电荷， 能相互吸引。如果两个电畴之间是带同 种电荷，则内部存在很大的内能，势必 使一个电畴方向发生转化，使畴壁两边 带不同的电荷。内能↓。
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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。
28
（2）90o畴壁交角﹤90o 晶体产生自发极化，沿c轴方向
伸长，在局部伸长量不同，产生了 偏转，使交角﹤90o。 （3）Psi=0 没有经过人工极化时，相反方向 分布的电畴的自发极化强度可以相 互抵消。宏观上不呈现极性。
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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。
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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℃。
第五章 电容器介电陶瓷
1
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。
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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。
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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%。
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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。
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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。
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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
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电介质陶瓷按国家标准分为三类: І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 。
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Ⅱ类陶瓷介质：介电常数约200～ 30000。
特点：低频下的介质损耗比І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。
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。
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1、立方BaTi03 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。
11
钙钛矿结构
Ba2+ Ti4+ O2-
四方BaTi03的c轴变长，a、b轴变 短。
14
立方相
四方相 ◆ 15
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。
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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。◆