2015第三章高介电容器瓷

1 d dT
25 C TC 25 C
o o
④、体积电阻率ρv高（ρv>1012Ω·cm） 为保证高温时能有效工作，要求ρv高 ⑤、抗电强度Ep要高
a、小型化，使Ε=V/d↑
b、陶瓷材料的分散性，即使Ε<Ep，可能仍有击穿
§ 3-2 非铁电电容器瓷的介电特 性
一、 非铁电电容器瓷的分类
由以上法则，在生产实践中，可用具有不同εi、αi材料通过 改变浓度比来获得满足各种温度系数要求的材料。 如：由αε>0 +αε<0的瓷料获得αε≈0的瓷料。
五、 含钛陶瓷的介质损耗
低温下高频电容器瓷的tgδ较小，但在一定的频率下， 当温度超过某一临界温度后，由离子松弛极化和电 子电导所引起的大量能量损耗，使材料的介质损耗 急剧地增大。
二、 值不同的原因
三、 ε的对数混合法则 四、 产生高介电系数的原因 五、 含钛陶瓷的介质损耗
§ 3-2非铁电电容器瓷的介电特性
一、 非铁电电容器瓷的分类
金红石瓷：TiO2 钛酸盐瓷：CaTiO3、SrTiO3、MgTiO3 锡酸盐瓷：CaSnO3、 SrSnO3 锆酸盐瓷：CaZrO3 铌铋锌系：ZnO－Bi2O3-Nb2O5
非铁电电容器陶瓷
（I类或II类瓷） III类瓷：超高ε
铁电电容器陶瓷
反铁电电容器陶瓷 半导体陶瓷
（ Ⅳ类瓷）
Ⅰ类瓷是电容量随温度变化稳定度高的电容器瓷，主 要用于高频谐振回路中。Ⅰ类瓷主要以钛、锆、锡的 化合物及固溶体为主晶相。（主要用于：高频热稳定 电容器瓷，高频热补偿电容器瓷） Ⅲ类瓷以高介电常数为特征，为具有钙钛矿型结构的 铁电强介瓷料，如 BaTiO3 、 Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 。（主要 用于：低频高介电容器瓷） Ⅳ类瓷：半导体陶瓷
7. 对电容器瓷的一般要求： ①、介电系数大，以制造小体积、重量轻的陶瓷电容器， ε↑→电容器体积↓→整机体积、重量↓
②、介质损耗小，tgδ=（1~6）×10-4，保证回路的高Q 值。高介电容器瓷工作在高频下时ω↑、tgδ↑ 。
③、对I类瓷，介电系数的温度系数αε要系列化。对II类 瓷，则用ε随温度的变化率表示（非线性）。
E0
3.电介质极化的微观模型
（1）电介质的分类
无极分子电介质：分子中的等效正电、负电荷中心重合 Pm 0
电子云
O1
P1
O2
如H2、N2、O2、CO2
正负电荷中心
原子核
P2
电介质
有极分子电介质：分子中的等效正、负电荷中心不重合 P 0 m
O
H+
-
H+
- 如H O、CO、SO 、NH …..
金红石型晶体结构
2. CaSnO3、CaZrO3等以离子位移极化为主
T↑→n↓（距离↑）→ε↓ T↑→V↑（热膨胀）→（r++r-）↑
N Ei 1 0 E
→αa（极化率）按（r++r-）3↑↑→ε↑↑
( > 0 )
4 0 (r r ) a n 1

3
§ 3-2 非铁电电容器瓷的介电特性
3. BaO· 4TiO2
T n T Ei 0 T (r r ) a
三、 产生高介电系数的原因
金红石型和钙钛矿型结构的陶瓷具有特殊的结构，离子位移极化 后，产生强大的局部内电场，并进一步产生强烈的离子位移极化 和电子位移极化，使得作用在离子上的内电场得到显著加强，故ε 大。 钛酸锶铋也是利用 SrTiO3钙钛矿型结构的内电场，而加入钛酸铋 等，使之产生锶离子空位，产生离子松弛极化，从而使ε增大。
金红石
板钛矿
锐钛矿
晶系
八面体共棱数
正方晶系
2条
斜方晶系
3条
正方晶系
4条
比重
莫氏硬度 介电系数
4.25
6 114
4.11
5~6 78
3.87
5~6 31
650C（矾酸加快转变） 锐钛矿 金红石 板钛矿
915C（Zn 2、Al 3等杂质使转变点 ）
由此可见，金红石结构最稳定、最紧凑、介电系 数 最 大 、 性 能 最 好 ，锐钛矿 最差 。然 而 ，工业用 TiO2 主要是锐钛矿和微量的金红石，因此，必须在 1200℃~1300℃氧化气氛中预烧，使 TiO2全部转变为 金红石结构，同时也使产品在烧结时不致因晶型转 变、体积收缩过大而变形或开裂。
3
电子位移极化
-
+
E=0
-
+ 离子位移极化
E→
4 0 (r r ) a n 1

3
1. TiO2、CaTiO3以电子位移极化为主
[TiO6]八面体，Ti4+高价、小半径→离子位移 极化→强大的局部内电场Ei
Ti4+，O2-→ 极化率大→电子位移极化为主
Ei
T n << 0 T Ei
介电常数:
V
N N Ei


N : 单位体积内质点数
+ - + - + - +- + + +
N Ei 1 0 E
电介质的极化
与N , , Ei 有关系。
离子晶体中主要是电子位移极化与离子位移极化。 E=0
2r
+
E


+
e 4 0 r
原子核 极化前 电子 极化后
定义：αε具有很大的负值，用来补偿振荡回路中电感的正温度系 数，以使回路的谐振频率保持稳定。 典型代表： 1、金红石瓷 ε：80~90，αε：-750~-850×10-6/℃ tand : 45×10-4 2、钛酸钙瓷 ε：150~160 αε：-2300×10-6/℃( -60~120 ℃) - (1500~1600)×10-6/℃( +20~80 ℃) tand : 23×10-4
2 2 3
+
H2O
+
+
+ 有极分子对外影响等效为一个电偶极子，
在无外场作用下存在固有电偶极矩。
（2）无极分子电介质的极化 •在没有外电场时，无极分子没有电偶极矩，分子不显电性。 •有外场时呈现极性。 这种由于正电中心和负电 中心的移动而形成的极化现象 叫做位移极化。 均匀介质极化时在介质表面出现极 化电荷， 非均匀介质极化时，介质的表面及内 部均可出现极化电荷。
电容器陶瓷材料
张迎春
E-mail:zhang@
第三章 电容器陶瓷
§3.1 概述 §3.2 电容器瓷的介电特性 §3.3 高频电容器瓷的主要原料 §3.4 中高压陶瓷电容器瓷
§3.1 概述
一、电介质概念
电介质：在电场作用下能建立极化的一切物质。 电极化：凡在外电场作用下产生宏观上不等于零的电偶极矩，因 而形成宏观束缚电荷的现象称为电极化， 电介质的范畴: 电介质包括气态、液态和固态等范围广泛的物质。固态电介质 包括晶态电介质和非晶态电介质两大类，后者包括玻璃、树脂和高 分子聚合物等，是良好的绝缘材料。电介质的电阻率一般都很高， 一般大于108欧姆●米，被称为绝缘体。有些电介质的电阻率并不很 高，不能称为绝缘体，但由于能发生极化过程，也归入电介质。
按主晶相分
按 ε 的值分 温度每变化1℃时介电系数的相对变化率 < 0：TiO2、CaTiO3、SrTiO3
> 0：MgTiO3、 CaSnO3、 SrSnO3、 CaZrO3 3 0： BaO•4TiO2
二、 值不同的原因
于相应温度下单位体积的质点数。 a、 TiO2、CaTiO3 b、 CaSnO3、CaZrO3
四、 ε的对数混合法则
ln x1 ln 1 x 2 ln 2 x1 x 2
1 2
x1 x 2 1
对于n相系统：
ln x1 ln 1 x2 ln 2 .... xn ln n
x1 1 x2 2 ... xn n x1 x2 ... xn 1
(2) 钛离子变价及防止措施
钛原子的电子排布： 1s22s22p63s23p63d24s2 ， 4s 的 能级比3d稍低，3d层的电子容易失去，可为Ti4+、Ti3+、 Ti2+ ，可见 Ti4+ 易被还原（ Ti4++e→Ti3+=Ti4+· e[e- 弱束 缚电子]）
、 V 、tgd 跃迁到导带（激发能低 ） 弱束缚电子 电子松弛极化 、tgd
体积电阻率、介电常数和介电损耗
5.电介质陶瓷分类
电绝缘陶瓷（装置陶瓷）
电容器陶瓷 压电陶瓷
6.电容器瓷分类： 低介（ε<10，tgδ小） 高频 中介（ε=12~50 ，tgδ小） 装置瓷 （I类瓷或II类瓷）
高介（ε=60~200，tgδ小）
低频：高ε ，较大的tgδ （III类瓷） Ⅳ类瓷：超高ε 半导体陶瓷 强介陶瓷或称铁电陶瓷
F
F
E0
由于分子的无规则热运动，这种转向只能 是部分的，遵守统计规律。
在外电场中，在有极分子电介质表面出现 极化电荷， 这种由分子极矩的转向而引起的极化现象称为取向极化。
E0
外场越大，电矩趋于外场方向一致性越好，电矩的矢量和 也越大。 说明：电子位移极化效应在任何电介质中都存在，而分子转向 极化只是由有极分子构成的电介质所特有的，只不过在有极分 子构成的电介质中，转向极化效应比位移极化强得多，因而是 主要的。