介电陶瓷

ε
工频 声频 无线电频率 红外
可见光 紫外
f
5
各类实际电介质的极化和介电常数

气体:
单原子, 电子位移极化, r = 1+ n0/0 极性分子气体: = e+ = e + 02/3KT
液体： 非极性液体和固体电介质, r =2~2.5
极性液体电介质,
= e+ = e + 02/3KT, r > 2.5
电子位移极化 Electronic Polarization E=0 E 离子位移极化 Ionic Polarization E=0
E
偶极子趋向极化 Dipolar Polarization E=0
E
空间电荷极化 Dipolar Polarization E=0
E
-+-+-+ + - + -+-+
+
第2章 绝缘与介质陶瓷材料
材料
空气 乙醇 水 石英玻璃 氧化铝陶瓷 金红石陶瓷 钛酸钡陶瓷
介电常数
1.00059 26.4 80.1 3.80 9.5~11.2 80~110 1700
§1 静电场中的电介质
1 电介质的极化:
E

在外电场作用下, 在电介质内部感生偶极矩的现象. 感生偶极矩
极化强度P: 电介质在电场作用下的极化程度.
- - + - + - - + - + -
+ + + +
+
-
+
-

电子位移极化, 响应时间10-1410-16s 段, 极化率e a3
可见光频

离子位移极化, 10-1210-13s, 微波频段，I a3 偶极子趋向极化, = 02/3KT
各种极化机制的频率范围
电子位移极化 离子位移极化 松弛极化 空间电荷极化

离子晶体
低介电常数的离子晶体 ∞ = 1.6~3.5, r =5~12

高介电常数的离子晶体
电子和离子位移极化之间的相互作用, 通过特殊的晶体构造 发生耦合, 大大增强晶体的有效电场 如金红石, ∞ = 7.8, r =173 (平行c轴) CaTiO3, ∞ = 5.3, r =150
2
基本介电关系

各向同性的线性电介质, 极化强度P与电场强度E成正比,
并且方向相同, P = 0E, ---电介质的极化率

D = 0E+P, 适用于各类电介质
---D-电位移,单位C/m2

D = E, 适用于各向同性线性电介质
3
电介质极化的宏观参数与微观参数的关系

从微观上, 极化强度是电介质单位体积中所有极化粒子偶极矩的向量和 , P = n0.,
单位体积内的感生偶极矩. 单位: C/m2
P lim
V

极化电荷:

感生表面电荷--面极化电荷密度 感生内部电荷--体极化电荷密度
退极化电场: 极化电荷形成的电
场.

对于平行板电极: 体电荷密度
p= 0

面电荷密度 p= -P 退极化电场强度: Ep= -P/0
退极化电场强度与极化强度成正比,但 方向相反
PZN-BT-PT陶瓷
X7R：TCC~±15%,(-55~+125oC)
对数混合法则应用例（二）
（1-x)CaTiO3－xCa(Mg1/3Nb2/3)O3微波陶瓷
பைடு நூலகம்65
30000
60 55 50 Qf 45 40 100 80 60
f (ppm/ C)
o
25000
QXf (GHz)
20000
15000
f
40 20 0
10000
-20
0.40
0.45
0.50
0.55
0.60
0.65
0.70
0.75
CMN content (x)
r
r
对数混合法则应用例（三）
Compensation of Tf in T2000 Dielectric
1.006
Tf Measurement
1.004
Normalized Frequency

i 1

m 1 m y ip i m y is i 1 i
混合对数定律:
ln m yi ln i
i 1
m
介电常数温度系数TCC:
m 1 m 1 d i yi m T i 1 i dT
对数混合法则应用例（一）
X7R瓷料组成设计与制备
FerroA6: -48 ppm/C
Hereaus: -76 ppm/C 0.994 -50 -30 -10 10 30 Temperature (C) 50 70 90
1 1 1 C C1 C 2
1
m
多相并联：

1
y1

2
m
y2
对于有m种介质的一般情况，以上两式可相应变为：
m yi i
i 1
多相串联：
1
m

i 1
m
yi
i
例：复合型多层陶瓷电容器(CMLCC)
K iVi
3.5x10 3.0x10 2.5x10 2.0x10
4
4# 3# 2#
9.0x10 8.5x10 8.0x10
3
4
3
4
计算曲线 测试曲线
3
4
1.5x10 1.0x10 5.0x10
4
1#
4 3
K
7.5x10 7.0x10 6.5x10 6.0x10
3
K
3
3
3
0.0 -50 0 50 100 150
-50
0
T/℃
50 T/ ℃
100
150

多相混合电介质:
1.002
Compensation of Tf: TiO2: TK =-750 ppm/°C CaTiO3: TK =-1850 ppm/°C SrTiO3: TK =-3000 ppm/°C
1.248
Hz)
1.000
Tf Measurement
TiO 2 added No TiO2
1.246 1.244 1.242 1.24 1.238 1.236 1.234 1.232 -40 -20
6 复合电介质的介电常数
复合电介质是一种不均匀电介质，它是由两种或两种 以上组成和结构不同的组元所构成的介质材料 两组份复合电介质的串、并 联模型 根据并联电容器电容的加和 性，并联复合介质的介电常 数 m
m y1 1 y2 2
其中
y1 y2 1

对于串联情况，由于
可得到：

对线性极化, =Ee, ---原子、分子、离子的极化率, Ee---有效电场 P = n0Ee r = 1+ n0Ee/0E 介电常数与极化率关系－Clausius-Mosotti方程：
r 1 N r 2 3 0
4 电介质的极化机制（Polarization Mechanisms）