单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,介电陶瓷材料,介电陶瓷材料,1,一、电容器陶瓷,用作,介电目的（,利用其介电性能）的陶瓷、主要用于电容器和微波元件中,1、温度补偿电容器陶瓷,温度的变化会引起电路元件参数的变化,电感和电容变化,高频振荡电路,谐振频率稳定,乘积必须一定,通常,选择合适的电容器陶瓷介质,乘积恒定,电感和电容相反变化,温度补偿电容器：,补偿温度的变化引起的其它电路参数的变化、,确保电路性能的稳定,一、电容器陶瓷用作介电目的（利用其介电性能）的陶瓷、主要用于,2,温度补偿电容器陶瓷材料：,介电常数（或电容）随温度线性变化、介电损耗低、介电常数低,高频振荡电路中补偿电容器,陶瓷的介电温度系数应为负值,、以补偿线圈电感的正温度系数，使谐振频率稳定,温度补偿电容器陶瓷：,介电陶瓷：,非铁电陶瓷、铁电介电陶瓷,非铁电陶瓷：,介电常数小、随温度变化线性,温度补偿电容器陶瓷,等及其复合材料,保护漆颜色：,蓝色和灰色,正温度系数，,其它颜色：,负温度系数,黑色：,温度系数最小；,浅绿色：,温度系数最大,温度补偿电容器陶瓷材料：介电常数（或电容）随温度线性变化、介,3,2、高介电常数电容器陶瓷,主要是铁电陶瓷材料：,介电常数非常大、随电场非线性变化,制作：,低频或直流电容器、及敏感电容器,用于：,电视机、收音机等中,高介电常数电容器陶瓷：,以为 基、添加其它成分制得,等离子,的置换离子,多元复合化合物,多元复合物,陶瓷居里点：,多元复合化合物,介电常数：,可增大至20000、温度系数增大,可降低介电常数及其温度系数,添加,改变添加物的组成及含量可调节介电常数、温度系数为合适的值,2、高介电常数电容器陶瓷主要是铁电陶瓷材料：介电常数非常大、,4,3、高电压电容器陶瓷,使用在高压下,高介电常数、介电常数随电压变化较大（铁电性）,介电常数小、介电常数随电压变化,较小、介电损耗小、绝缘性也好得多,良好的高电压电容器陶瓷材料,系电容器陶瓷,绝缘强度：,广泛应用于：,电视机、雷达高压电路及避雷器、断电器等,3、高电压电容器陶瓷使用在高压下高介电常数、介电常数随电压变,5,二、微波介质陶瓷,通常使用的微波频率范围：,甚至更高,微波频率下具有高介电常数、低介电损耗、低膨胀系数和低介电常数温度系数,微波技术的发展使得微波器件小型化、集成化,微波介质陶瓷主要用于：,微波介质陶瓷的性能要求：,微波介质陶瓷：,系陶瓷,最早应用的微波介质陶瓷,微波谐振器、滤波器与振荡器、波导介质、介质天线等，在移动通讯等中有着不可替代的作用,二、微波介质陶瓷通常使用的微波频率范围：,6,制作工艺：,原料：,聚乙烯球磨机、加丙酮和 磨球、球磨,1200预烧,干球磨,常压或热压、氧化气氛烧结,瓷体相对密度（致密性）越高、越大、介电温度系数越小,添加适量的 等可促进烧结、提高致密度：,可制得：,钙钛矿型陶瓷,等,制作工艺：,制作工艺：原料：聚乙烯球磨机、加丙酮和,7,瓷、瓷,添加1-2%(mol)Mn低温下可成致密体,在氮气中1200退火也可成倍提高 Q 值,加少量的NaF,烧结温度,：,良好的微波介质陶瓷,微波介质陶瓷的电性能,8,微波介质陶瓷的电性能,Ba,2,Ti,9,O,20,Ba(Zn,1/3,Ta,2/3,)O,3,Ba(Zn,1/3,Ta,2/3,)O,3,+,1%Mn(摩尔分数),1%Mn(摩尔分数),Ba(Mg,1/3,Ta,2/3,)O,3,+,(Zn,Sn)TiO,3,(Mg,Ca)TiO,3,La,2,O,3,介质谐振器的频率温度系数,测定频率,陶瓷,GHz,微波介质陶瓷的电性能Ba2Ti9O20Ba(Zn1/3Ta,9,铁电陶瓷材料,高介电常数,铁电陶瓷、或改良的铁电陶瓷,此外还有下面应用,高介电常数电容器陶瓷,铁电陶瓷材料高介电常数铁电陶瓷、或改良的铁电陶瓷此外还有下面,10,一、低温烧结电容器陶瓷,叠层式 独石结构陶瓷电容器：,陶瓷薄片坯体,制（层间）电极,叠合热压成陶瓷片,烧结,陶瓷片,内电极,高温烧结陶瓷（）,不能采用低熔点、低电阻率的 Ag,Cu,Au 作电极,（高熔点金属：昂贵、电阻率高）,低温烧结铁电陶瓷 必要,一、低温烧结电容器陶瓷叠层式 独石结构陶瓷电容器：陶瓷薄,11,低温烧结铁电陶瓷材料：,系：,添加,烧结温度比 低,两者相近,系：,烧结温度：,内电极,可用：合金,及其复合物,低温烧结陶瓷材料,低温烧结铁电陶瓷材料：系：添加烧结温度比,12,二、透明铁电陶瓷,一般陶瓷材料：,气孔相、晶界、杂质相的散射、及材料本身的吸收,不透明,适当制作工艺（如、细粉的制备和热压），可控制其显微结构和晶界性质，使材料成为透明陶瓷,透明铁电陶瓷,陶瓷,透光率随组分的不同而变化：,透光率最高,理想介质：,极化强度与所加电场成线性关系：,实际介质：,极化率（相对介电常数或,折射率,）与电场强度有关,二、透明铁电陶瓷一般陶瓷材料：气孔相、晶界、杂质相的散射、及,13,场强很强时、后面的项才显著,时、介质的折射率；,a、b：,常数、通常很小,电光效应：,外加电场引起介质材料折射率变化的现象,PLZT透明铁电陶瓷具有显著的电光效应,外电场诱发的双折射的折射率差：,一次电光系数,（PLZT）,组分的不同,线性电光效应或 Pockels 效应,二次电光效应或 kerr 效应,与电场垂直方向的折射率,场强很强时、后面的项才显著时、介质的折射率；a、b：常数、通,14,一次电光系数比其他单晶材料还大,铁电相和顺电相的相界,附近、呈现,扩散型（二级）相变,特征,居里温度被移动室温附近的PLZT：,扩散型相变,二级相变,一级相变,对顺电相施加电场,铁电相,去除电场,顺电相、剩余极化几乎为0,陶瓷呈现光学各向同性,居里点附近的,PLZT,具有二次电光效应,二次电光效应诱发的双折射的折射率差：,电光克尔常数,入射光波,外加电场,一次电光系数比其他单晶材料还大铁电相和顺电相的相界附近、呈现,15,PLZT透明铁电陶瓷工艺：,常压下通氧烧结、或热压通氧烧结,通氧的作用：,在烧结过程中加速气孔的排除、促进,陶瓷的致密化、提高透光性能,应用：,常用的电光器 电光开关、电光调制器、电光偏转器等,电光开关：,利用脉冲电信号控制光信号的通和断,电光调制器：,电光材料上施加交变调制信号、（电光效应）使晶体的折射率随调制电压信号变化,光波通过晶体时，使原来不带信号的光波带有调制信号的信息,电光偏转器：,利用材料的电光效应实现光束偏转,PLZT透明铁电陶瓷工艺：常压下通氧烧结、或热压通氧烧结通氧,16,三、驰豫型铁电陶瓷,压电材料在外电场中共有的特性,电致伸缩效应 逆压电效应,一般的压电材料在外电场作用下的,伸缩效应 驰豫效应,不显著、不能实用,具有,扩散相变,（二级相变）特征,的,铁电材料、在,相界附近具有显著的驰豫效应,二级相变,一级相变,结构上是离子置换型固溶体,驰豫型铁电陶瓷：,或,半径较小的置换B离子,形成不同程度的无序结构、在,晶体内,造成较大,的松动空间,三、驰豫型铁电陶瓷压电材料在外电场中共有的特性电致伸缩效应,17,外电场作用下，B离子很容易迁移，产生很强的极化，使材料具有很大的介电常数,驰豫型铁电陶瓷的应变：,与电场或极化强度的,平方,成,正比,电致伸缩系数,或,应变,或,一般压电体的应变：,与电场强度的一次方成正比,材料的压电系数,固溶体系 驰豫型铁电陶瓷,性能优良的实用材料,居里温度：,室温介电常数：,驰豫型铁电陶瓷的电致应变远大于一般压电体的应变,外电场作用下，B离子很容易迁移，产生很强的极化，使材料具有很,18,驰豫型铁电陶瓷的电致伸缩远大于一般压电材料,一般压电材料的应变：,驰豫型铁电陶瓷的应变：,（比一般压电材料大许多）,驰豫型铁电陶瓷的另一个特点：,居里点附近的热膨胀系数很小,热膨胀系数：,适于制造微位移器,外电极,外电极,内电极,陶瓷片,微位移器通常采用多层结构,获得较大的形变位移量,驰豫型铁电陶瓷的电致伸缩远大于一般压电材料一般压电材料的应变,19,伺服位移制动器、高灵敏度干涉膨胀仪、双稳态光子,驰豫型铁电陶瓷的应用：,作为电致伸缩材料应用于许多方面,器件、应变光栅、精密导向机构、录像机磁头调节等,伺服位移制动器、高灵敏度干涉膨胀仪、双稳态光子驰豫型铁电陶瓷,20,压电陶瓷材料,压电陶瓷材料,21,一、压电陶瓷材料的常用参数,1、介电常数,各向同性的理想的电介质：,介电常数,与方向无关、与外场无关,方向相同,一、压电陶瓷材料的常用参数1、介电常数各向同性的理想的电介质,22,各向异性的实际的电介质：,D,1,不仅与 E,1,有关、还可能与 E,2,和 E,3,有关,一般,方向不同,若仍用 表达 关系,不再是标量、而是二阶张量,简记作：,由于晶体或材料结构的对称性，,介电常数的9个分量中最多只有6个是独立的,各向异性的实际的电介质：D1 不仅与 E1 有关、还可能与,23,压电（铁电）陶瓷,极化前：,各向同性、无压电性,极化后：,在与“3”垂直的“1”、“2”（XY）平面内是各向同性的,沿Z轴极化的压电陶瓷有两个独立的介电常数:,材料处于不同的机械条件时，测得介电常数不同,不受应力,下的介电常数,自由介电常数,受应力,下的介电常数,受夹介电常数,（沿Z方向极化的）,压电陶瓷有四个介电常数：,压电陶瓷的介电常数可算得：,电容,极板间隔,极板面积,通常规定极化方向为Z 轴的正向(方向3),压电（铁电）陶瓷极化前：各向同性、无压电性 极化后：在与“3,24,2、介电损耗,真实介质电容器的电流包括三部分：,电容器介质的极化电流 介质的漏电流,理想电容的充电电流,（,位移电流、,无功耗分量）,与电压位相相同、,传导电流,、,介质损耗因子：,介质的损耗等效于在理想电容器上并联损耗电阻：,等效损耗电阻,交流电压的角频率,有功耗分量,？,2、介电损耗真实介质电容器的电流包括三部分：电容器介,25,电学品质因数：,损耗因子的倒数,已指出：,介质损耗除与介质本身有关外，还,与电场的频率、强度、及温度有关,高温、强场强,介质的电导率高、漏电流大、损耗大,一般极性分子电介质：,极化引起的损失主要是偶极子转向引起,电学品质因数：损耗因子的倒数 已指出：介质损耗除与介质,26,3、机械品质因数、机电耦合系数,压电振子：,压电片输入电信号,信号频率等于压电片的固有频率,逆压电效应（电致伸缩）、压电片机械谐振（共振）,正压电效应、电信号输出,压电片的机械谐振,3、机械品质因数、机电耦合系数压电振子：压电片输入电信号信号,27,滤波器、换能器和标准频率器中的压电器件都工作于谐振状态,压电片振动时要克服内摩擦、引起能量损耗,机械品质因数,压电振子的性能参数：,反映压电振子在谐振时能量损耗的程度,定义：,谐振时振子储存的机械能,谐振时振子在一个周期内损耗的机械能,压电振子,压电振子等效电路,动态电容,静态电容,动态电感,等效电阻,机械品质因数,机电耦合系数 K,滤波器、换能器和标准频率器中的压电器件都工作于谐振状态压电片,28,压电振子,动态电容,静态电容,等效电路中 时：,压电振子的阻抗与频率的关系：,谐振频率：,阻抗无穷,压电振子动态电容静态电容等效电路中,29,等效电路中 时：,阻抗的最小值不为零、最大值也不为无限大,机械品质因数,压电振子,动态电容,静态电容,谐振时振子储存的机械能,谐振时振子在一个周期内损耗的机械能,等效电路中 时：阻抗的最小值不为零、,30,机电耦合系数 K,材料不同、工艺条件不同、压电陶瓷振子的 值不同,PZT压电陶瓷:,反映压电材料的,机械能与电能,之间,的耦合效应,、压电材料性能的重要参数,定义：,电能转变的机械能,输入的电能,机械能转变的电能,输入的机械能,或,压电振子的,耦合系数与振子的形状和振动模式有关,，不同模式有不同的值、,不同的记号,逆压电效应,正压电效应,机电耦合系数 K材料不同、工艺条件不同、压电陶瓷振子,31,极化方向,电极面,薄圆片径向振动,平面机电耦合系数,极化方向,电极面