《介电陶瓷》PPT课件.ppt

特种陶瓷材料北方民族大学 材料学院 陆有军第6章 介电陶瓷1/30/20231材料科学与工程学院 材料系第第6 6章章 介电陶瓷介电陶瓷1 1、材料的线性介电性质、材料的线性介电性质 2 2、低介电常数介电陶瓷的分类、低介电常数介电陶瓷的分类 3 3、氧化铝瓷、氮化硼瓷、氧化铝瓷、氮化硼瓷 4 4、中等介电常数介电陶瓷的分类、中等介电常数介电陶瓷的分类 5 5、高介电常数介电陶瓷的分类、高介电常数介电陶瓷的分类 教学目的和要求教学目的和要求 1/30/20232材料科学与工程学院 材料系1 1、材料的非线性介电性质、材料的非线性介电性质 2 2、其他低介电常数介电陶瓷、其他低介电常数介电陶瓷 3 3、中等介电常数介电陶瓷的性质、中等介电常数介电陶瓷的性质 4 4、其他高介电常数介电陶瓷、其他高介电常数介电陶瓷 第6章 介电陶瓷教学目的和要求教学目的和要求 1/30/20233材料科学与工程学院 材料系6.1 材料的介电性质材料的介电性质 6.2 低介电常数介电陶瓷低介电常数介电陶瓷 6.3 中等介电常数介电陶瓷中等介电常数介电陶瓷 6.4 高介电常数介电陶瓷高介电常数介电陶瓷铁电陶瓷铁电陶瓷 第6章 介电陶瓷本章内容本章内容 1/30/20234材料科学与工程学院 材料系6.1 材料的介电性质材料的介电性质 6.2 低介电常数介电陶瓷低介电常数介电陶瓷 6.3 中等介电常数介电陶瓷中等介电常数介电陶瓷 6.4 高介电常数介电陶瓷高介电常数介电陶瓷铁电陶瓷铁电陶瓷 第6章 介电陶瓷本章内容本章内容 1/30/20235材料科学与工程学院 材料系第6章 介电陶瓷6.1.1 6.1.1 材料的线性介电性质材料的线性介电性质6.1.2 6.1.2 材料的非线性介电性质材料的非线性介电性质6.1 6.1 材料的介电性质材料的介电性质1/30/20236材料科学与工程学院 材料系第6章 介电陶瓷6.1.1 6.1.1 材料的线性介电性质材料的线性介电性质1 1 介电常数介电常数 2 2 极化极化4 4 介电强度介电强度 3 3 介电损耗介电损耗 6.1 材料的介电性质1/30/20237材料科学与工程学院 材料系1.1.介电常数介电常数介电性介电性dielectric behaviour 材料分隔电流的绝缘特性材料分隔电流的绝缘特性 是材料的一种是材料的一种短程的电荷传输特性短程的电荷传输特性，它来源于载流子，它来源于载流子在外场下的在外场下的短程移动短程移动，这种移动导致了，这种移动导致了电能的蓄积电能的蓄积。电介质能介电的物质，可存储电能的物质第6章 介电陶瓷6.1 材料的介电性质6.1.1 材料的线性介电性质1/30/20238材料科学与工程学院 材料系Q 平行板间的电荷平行板间的电荷 V 平行板两端的电压平行板两端的电压A 平行板面积平行板面积 d 平行板间的距离平行板间的距离0 真空介电常数：真空介电常数：8.8541012 F/mC0QV第6章 介电陶瓷6.1 材料的介电性质6.1.1 材料的线性介电性质1.介电常数平行板间的真空电容？平行板间的真空电容？CQV 表征电容器容纳电荷的本领的物理量与平行板面积和电场强度成正比与平行板面积和电场强度成正比V/dV/dE E电场强度电场强度0(V/d)A/V 0A/d(仅与平行板面积和间距有关仅与平行板面积和间距有关)真空介电常数真空介电常数0电容？1/30/20239材料科学与工程学院 材料系 当在两平板之间插入一种介质（材料）时，电容当在两平板之间插入一种介质（材料）时，电容C C将增加，此时电容将增加，此时电容 C C 与真空介质时该电容器的电容量与真空介质时该电容器的电容量 C C0 0 的的比比即为即为相对介电常数相对介电常数k k：相对介电常数相对介电常数k k kC/C0 (A/d)/(0A/d)/0 第6章 介电陶瓷6.1 材料的介电性质6.1.1 材料的线性介电性质1.介电常数介质介电常数介质介电常数与与真空介电常数真空介电常数0之比之比一些材料的室温介电常数一些材料的室温介电常数P P1191191/30/202310材料科学与工程学院 材料系2.2.极化极化第6章 介电陶瓷6.1 材料的介电性质6.1.1 材料的线性介电性质1/30/202311材料科学与工程学院 材料系陶瓷和玻璃中共有陶瓷和玻璃中共有 4 4种种 极化机制极化机制（1）电子极化）电子极化（2）原子极化）原子极化（3）偶极子极化）偶极子极化第6章 介电陶瓷6.1 材料的介电性质6.1.1 材料的线性介电性质（4）界面极化）界面极化1/30/202312材料科学与工程学院 材料系电子极化电子极化 是由于在电场作用下是由于在电场作用下带负电的电子云重心带负电的电子云重心相对于相对于带正带正电的原子核电的原子核发生发生偏移偏移而产生，这种极化发生在很高的频率而产生，这种极化发生在很高的频率下（下（10101515 Hz Hz），即紫外线范围内），即紫外线范围内。原子和离子极化原子和离子极化 发生在红外线范围内（发生在红外线范围内（10121013Hz），它是由于），它是由于正负正负离子彼此位移而产生离子彼此位移而产生。第6章 介电陶瓷6.1 材料的介电性质6.1.1 材料的线性介电性质1/30/202313材料科学与工程学院 材料系偶极子极化偶极子极化 在外场下一些离子或分子偶极子定向排列而产生一在外场下一些离子或分子偶极子定向排列而产生一个净偶极矩，因此也称之为个净偶极矩，因此也称之为取向极化取向极化。有两种情况：有两种情况：a.含永久偶极矩的分子可以在弹性回复力的作用下在平含永久偶极矩的分子可以在弹性回复力的作用下在平衡位置周围转动。衡位置周围转动。b.偶极子在两个相同平衡位置间的转化，某些带电粒子偶极子在两个相同平衡位置间的转化，某些带电粒子在外场作用下在晶格间隙位中移动而产生的定向极化。在外场作用下在晶格间隙位中移动而产生的定向极化。第6章 介电陶瓷6.1 材料的介电性质6.1.1 材料的线性介电性质1/30/202314材料科学与工程学院 材料系界面或空间电荷极化界面或空间电荷极化 当带电载流子因当带电载流子因物理势垒物理势垒影响而阻碍了电荷迁移时发影响而阻碍了电荷迁移时发生的极化。生的极化。第6章 介电陶瓷6.1 材料的介电性质6.1.1 材料的线性介电性质物理势垒如内部结构缺陷、晶界、电极界面。物理势垒如内部结构缺陷、晶界、电极界面。几种极化机制与频率之间的关系几种极化机制与频率之间的关系P121P121 图6.3？四种极化机制各发生在什么频率范围？1/30/202315材料科学与工程学院 材料系 由于电子极化、原子极化和离子极化发由于电子极化、原子极化和离子极化发生在光波范围内（紫外、红外），故在考虑生在光波范围内（紫外、红外），故在考虑电介质的电路特性时仅考虑发生在电介质的电路特性时仅考虑发生在1010-3-31010范围内的范围内的偶极子极化偶极子极化和和界面极化界面极化。第6章 介电陶瓷6.1 材料的介电性质6.1.1 材料的线性介电性质1/30/202316材料科学与工程学院 材料系3 3 介电损耗介电损耗 当一个正弦交变电场当一个正弦交变电场 V VV V0 0expitexpit施加于一介电体上时，电荷随施加于一介电体上时，电荷随时间而变化而产生了电流时间而变化而产生了电流IcIc，IcIc在无损耗时比在无损耗时比 V V 超前超前9090。但实际是有损耗的。有损耗时，但实际是有损耗的。有损耗时，总电流超前电压不再是总电流超前电压不再是9090而而是是90-90-。由损耗引起故由损耗引起故称称损耗角。损耗角。第6章 介电陶瓷6.1 材料的介电性质6.1.1 材料的线性介电性质总电流损耗电流无 损 耗 电 流损耗角体现了材料损耗角体现了材料在交流电场作用下在交流电场作用下的动态损耗的动态损耗1/30/202317材料科学与工程学院 材料系损耗来自两方面：损耗来自两方面：有一些带电质点在外场作用移动而引起漏导。有一些带电质点在外场作用移动而引起漏导。与偶极子转动和振动相关的能量损耗。与偶极子转动和振动相关的能量损耗。第6章 介电陶瓷6.1 材料的介电性质6.1.1 材料的线性介电性质即：实际电容器并不是理想的纯电容电路，极板间电介质总会有一些漏电，因此实际的电容器相当于一个电容与电阻的串联电路，其电压与电流之间相位差的余角为损耗角dielectric loss angle.1/30/202318材料科学与工程学院 材料系由图可得由图可得(式推导详见P122)I1Ictan 损耗角的正切值正好是损耗角的正切值正好是损耗电损耗电流流与与无损耗电流无损耗电流相比的结果，所以相比的结果，所以反映了材料的损耗与电荷储存能力反映了材料的损耗与电荷储存能力的关系，或者反映了的关系，或者反映了为储存一定量为储存一定量的电荷所需消耗的能量的电荷所需消耗的能量，称为，称为介电损耗系数（因子介电损耗系数（因子/因数）因数）。第6章 介电陶瓷6.1 材料的介电性质6.1.1 材料的线性介电性质无 损 耗 电 流损耗电流1/30/202319材料科学与工程学院 材料系损耗因子的实际应用损耗因子的实际应用 在电力工业中，损耗角是一项反映高压电气设备在电力工业中，损耗角是一项反映高压电气设备绝缘性能的重要指标。介损角的变化可反映受潮、劣绝缘性能的重要指标。介损角的变化可反映受潮、劣化变质或绝缘中气体放电等绝缘缺陷，因此测量介损化变质或绝缘中气体放电等绝缘缺陷，因此测量介损角是研究绝缘老化特征及角是研究绝缘老化特征及在线监测在线监测绝缘状况的一项重绝缘状况的一项重要内容。要内容。第6章 介电陶瓷6.1 材料的介电性质6.1.1 材料的线性介电性质损耗因子的作用？1/30/202320材料科学与工程学院 材料系介质损耗因子的作用介质损耗因子的作用l在绝缘设计时，须注意绝缘材料的tan。tan过大会引起发热，使绝缘加速老化，甚至可能导致热击穿。l 测tan可判断电气设备劣化的进程，故tan的测量是电气设备绝缘试验中的一个基本项目。l研究温度对tan的影响，可使工作温度下tan值最小。l极化损耗随频率升高而增大，当电源中出现高次（如3次、5次）谐波时，就很容易造成电容器绝缘材料因过热而击穿。第6章 介电陶瓷6.1 材料的介电性质6.1.1 材料的线性介电性质1/30/202321材料科学与工程学院 材料系4 4 介电强度介电强度介电击穿：介电击穿：在一定电压降下电流穿过材料发生短路而使材在一定电压降下电流穿过材料发生短路而使材料失效的过程。料失效的过程。介电强度：介电强度：引起击穿的电压降（单位为引起击穿的电压降（单位为V/cmV/cm），即单位厚），即单位厚度的绝缘材料在击穿之前能够承受的最高电压。度的绝缘材料在击穿之前能够承受的最高电压。陶瓷用于工程中做绝缘、电容器、封装等材料要耐受一定的电压强度，若电压高于某值（介电强度）时材料发生短路（介电击穿，有本征击穿、热击穿、雪崩击穿各类），材料即失效（电解质在电场中遭到破坏）第6章 介电陶瓷6.1 材料的介电性质6.1.1 材料的线性介电性质电击穿是瞬时完成的，10-710-8秒；1/30/202322材料科学与工程学院 材料系4 介电强度影响介电强度的因素：影响介电强度的因素：介质厚度、结构的均匀性、孔隙率、晶体定向性、介质厚度、结构的均匀性、孔隙率、晶体定向性、非晶体的组成以及温度、电极形状和组成、表面非晶体的组成以及温度、电极形状和组成、表面形态、电场频率及波形等。形态、电场频率及波形等。陶瓷和玻璃材料的介电强度：陶瓷和玻璃材料的介电强度：P P123123第6章 介电陶瓷6.1 材料的介电性质6.1.1 材料的线性介电性质哪种材料的介电强度高？1/30/202323材料科学与工程学院 材料系6.1.2 6.1.2 材料的非线性介电性质材料的非线性介电性质 材料在外电场中因自发排列的极化区域（材料在外电场中因自发排列的极化区域（电畴电畴）会自动转向而形成强极化，会自动转向而形成强极化，总偶极矩总偶极矩与与电场强度电场强度的呈非的呈非线性逐渐趋向一饱和值。去除外加电场，极化不能回复线性逐渐趋向一饱和值。去除外加电场，极化不能回复到零，只有再加上相反电场，才能消失的性质。到零，只有再加上相反电场，才能消失的性质。非线性介电体非线性介电体:具有具有非线性介电性质非线性介电性质的介电体，的介电体，通常也被称为通常也被称为铁电体铁电体。第6章 介电陶瓷6.1 材料的介电性质非线性介电体为什么叫铁电体？是因为含有铁吗？1/30/202324材料科学与工程学院 材料系6.1.2 材料的非线性介电性质第6章 介电陶瓷6.1 材料的介电性质铁电体铁电体 介电常数很大并随外电场变化的物质。在很多方面介电常数很大并随外电场变化的物质。在很多方面和和铁磁质铁磁质相似。外电场足够时，极化达到饱和。在撤去相似。外电场足够时，极化达到饱和。在撤去外磁场后，极化不为零，显示外磁场后，极化不为零，显示电滞。电滞。因与铁磁质在磁化因与铁磁质在磁化过程中的磁滞现象类似，故称之为过程中的磁滞现象类似，故称之为铁电体铁电体。钛酸钡、酒。钛酸钡、酒石酸钾石酸钾钠（钠（NaKC4H4O64H2O罗谢耳或罗息盐罗谢耳或罗息盐RS）等都是重要的铁电体。等都是重要的铁电体。何谓铁磁质？电滞回线 1920年法国人Valasek发现罗息盐（酒石酸钾钠）具有特异的介电性1/30/202325材料科学与工程学院 材料系罗息盐于罗息盐于16651665年由法国药剂师薛格涅特在罗息之地第一次制备年由法国药剂师薛格涅特在罗息之地第一次制备法国小镇法国小镇-罗罗息息La RochelleLa Rochelle266.1.2 材料的非线性介电性质第6章 介电陶瓷6.1 材料的介电性质铁磁质铁磁质 磁导率很大并随外磁场强度而变化的物质。铁磁质磁导率很大并随外磁场强度而变化的物质。铁磁质在磁化过程中，当外磁场增加到一定强度时，就发生磁在磁化过程中，当外磁场增加到一定强度时，就发生磁性饱和现象；当外磁场撤去时，能保持一定程度的磁性，性饱和现象；当外磁场撤去时，能保持一定程度的磁性，显示显示磁滞磁滞。这些特性都可用铁磁质的基本组成部分。这些特性都可用铁磁质的基本组成部分磁畴磁畴的理论来说明。如铁、镍、钴、合金磁钢和某些氧化物的理论来说明。如铁、镍、钴、合金磁钢和某些氧化物等，因最先在以铁为首的一些金属发现这种性质故称铁等，因最先在以铁为首的一些金属发现这种性质故称铁磁质。磁质。1/30/202327材料科学与工程学院 材料系6.1.2 材料的非线性介电性质第6章 介电陶瓷6.1 材料的介电性质 电滞回线电滞回线Electric Hysteresis Loop 描述铁电体极描述铁电体极化强度与外加电场关系的曲线。是铁电体的铁电畴在外化强度与外加电场关系的曲线。是铁电体的铁电畴在外电场作用下运动的宏观描述。电场作用下运动的宏观描述。电畴电畴铁电体自发极化时，整体均匀极化的状态铁电体自发极化时，整体均匀极化的状态不稳定，晶体趋向于分成多个小区域。每个区域内部电不稳定，晶体趋向于分成多个小区域。每个区域内部电偶极子沿同一方向偶极子沿同一方向，但不同小区域的电偶极子方向不同，但不同小区域的电偶极子方向不同，这每个小区域称为电畴，简称畴。畴之间边界地区称之这每个小区域称为电畴，简称畴。畴之间边界地区称之为畴壁为畴壁domain wall。畴转向畴转向铁电畴在外电场作用下，总是趋向与外铁电畴在外电场作用下，总是趋向与外电场方向一致的行为。电场方向一致的行为。1/30/202328材料科学与工程学院 材料系电畴电畴可利用以下方法观测可利用以下方法观测 电子显微术（SEM、TEM）偏光显微镜 液晶法 化学腐蚀法 粉末沉淀法6.1.2 材料的非线性介电性质第6章 介电陶瓷6.1 材料的介电性质1/30/202329材料科学与工程学院 材料系6.1.2 材料的非线性介电性质第6章 介电陶瓷6.1 材料的介电性质1/30/202330材料科学与工程学院 材料系a a 移除电场后晶界处移除电场后晶界处的残余电畴的残余电畴 SEM SEMb TGSb TGS晶体的畴结构晶体的畴结构c c 畴壁畴壁a ab bc c1/30/202331材料科学与工程学院 材料系铁电理论铁电理论CurieCurieWeissWeiss定律定律 著名的居里韦斯定律3 Tc（TTc）极化率极化率 在居里温度在居里温度Tc下，材料发生自下，材料发生自发极化，所有偶极子都有同一取向，发极化，所有偶极子都有同一取向，极化率极化率无穷大无穷大.6.1.2 材料的非线性介电性质第6章 介电陶瓷6.1 材料的介电性质1/30/202332材料科学与工程学院 材料系CurieCurieWeissWeiss定律另一种表示定律另一种表示 当温度高于居里点时，铁电体的介电常数与温当温度高于居里点时，铁电体的介电常数与温度的关系服从居里度的关系服从居里-外斯定律：外斯定律：C C 为居里为居里-外斯常数；外斯常数；T T 为绝对温度；为绝对温度；T T0 0 为为顺电居里温度顺电居里温度或或居里居里-外斯温度外斯温度。6.1.2 材料的非线性介电性质第6章 介电陶瓷6.1 材料的介电性质33铁电体晶体结构铁电体晶体结构 铁电体的产生，也就是偶极子的自发定向，与晶体的相变紧密相关。当晶体从有对称有对称中心的非极化晶格中心的非极化晶格转变为无对无对称中心的极化晶格时称中心的极化晶格时，才会出现铁电性。如BaTiO3从顺电体顺电体向铁电体的相变即为这种转变的典型。6.1.2 材料的非线性介电性质第6章 介电陶瓷6.1 材料的介电性质BaTiO3 A BO3 钙钛矿结构钙钛矿结构1/30/202334材料科学与工程学院 材料系产生自发极化（011）（111）6.1.2 材料的非线性介电性质第6章 介电陶瓷6.1 材料的介电性质自发极化是在有外电场时产生的吗？1/30/202335材料科学与工程学院 材料系6.1.2 材料的非线性介电性质第6章 介电陶瓷6.1 材料的介电性质若中心的Ti移位后，此结构还存在对称吗？晶体极化后晶体极化后其对称性消失其对称性消失!1/30/202336材料科学与工程学院 材料系 钙钛矿结构钙钛矿结构的一个结构单元的一个结构单元 钙钛矿钙钛矿A AB BO O3 型铁电体是为数最多的一类铁电体铁电体的晶体结构ABO3 (ABF3)AB：A2+B4+或 A1+B5+6.1.2 材料的非线性介电性质第6章 介电陶瓷6.1 材料的介电性质1/30/202337材料科学与工程学院 材料系电滞回线电滞回线k起始介电常数饱和极化强度Ps 剩余极化强度Pr 矫顽电场Ec 5 1 2 3 4 6Ps为自发极化强度也称饱和极化强度，是回线高场线性部分外延后与P轴的交点。6.1.2 材料的非线性介电性质第6章 介电陶瓷6.1 材料的介电性质1/30/202338材料科学与工程学院 材料系铁电铁电(磁磁)体的电体的电(磁磁)滞回线滞回线典型的磁滞回线典型的磁滞回线典型的电滞回线典型的电滞回线剩余极化强度Remnant Polarization矫顽场Coercive Field1/30/202339材料科学与工程学院 材料系6.1.2 材料的非线性介电性质第6章 介电陶瓷6.1 材料的介电性质电畴重新取向需要较大的能量，电畴的排列冻结了随温度升高，矫顽力减少居里温度时，无回滞现象1/30/202340材料科学与工程学院 材料系6.1 材料的介电性质材料的介电性质 6.2 低介电常数介电陶瓷低介电常数介电陶瓷 K K小于小于12126.3 中等介电常数介电陶瓷中等介电常数介电陶瓷 6.4 高介电常数介电陶瓷高介电常数介电陶瓷铁电陶瓷铁电陶瓷 第第6 6章章 介电陶瓷介电陶瓷本章内容本章内容 1/30/202341材料科学与工程学院 材料系 低介电常数的介电材低介电常数的介电材料料（low-K材料材料）通常用于制通常用于制作作绝缘器件绝缘器件、基片基片、高频高频或大电流电容器或大电流电容器。这类陶瓷主要集中在这类陶瓷主要集中在MgOMgOAlAl2 2O O3 3SiOSiO2 2三元系三元系统内。统内。第6章 介电陶瓷6.2 6.2 低介电常数介电陶瓷低介电常数介电陶瓷1/30/202342材料科学与工程学院 材料系6.2.1 6.2.1 滑石瓷滑石瓷主要原料组成主要原料组成：天然滑石（：天然滑石（3MgO4SiO2H2O）。）。滑石瓷是一种高频装置陶瓷。滑石瓷是一种高频装置陶瓷。成型方式成型方式：绝大多数的滑石瓷采用干混合干压成型，但：绝大多数的滑石瓷采用干混合干压成型，但也可以采用湿混合挤压成型方法。也可以采用湿混合挤压成型方法。烧结温度烧结温度：通常烧成温度近：通常烧成温度近13001300。烧结体组成烧结体组成：由原：由原顽火辉石顽火辉石、少量堇青石以及适当的玻、少量堇青石以及适当的玻璃相组成。璃相组成。第6章 介电陶瓷6.2 低介电常数介电陶瓷P1281/30/202343材料科学与工程学院 材料系6.2.2 6.2.2 镁橄榄石瓷镁橄榄石瓷 以以烧滑石烧滑石为主要原料，加入适量的为主要原料，加入适量的氧化镁氧化镁、少量、少量碳酸碳酸钡钡和和黏土黏土的高频陶瓷，其主晶相为镁橄榄石（的高频陶瓷，其主晶相为镁橄榄石（2MgOSiO2MgOSiO2 2）。）。其典型配方如下：其典型配方如下：烧滑石烧滑石 55 55 Mg Mg（OHOH）2 2 35 35 BaCO BaCO3 3 6.4 6.4 黏土黏土 3.6 3.6滑石瓷、镁橄榄石瓷的特点和用途？P128-129第6章 介电陶瓷6.2 低介电常数介电陶瓷与天然滑石的区别？1/30/202344材料科学与工程学院 材料系6.2.3 6.2.3 堇青石瓷堇青石瓷 主晶相为堇青石（主晶相为堇青石（2MgO2Al2MgO2Al2 2O O3 35SiO5SiO2 2）。由于晶体）。由于晶体中离子排列不够紧密，晶格内存在着大的空隙，因而材料中离子排列不够紧密，晶格内存在着大的空隙，因而材料很难烧结，很难烧结，tantan大。大。主要特点：主要特点：线膨胀系数小、耐热冲击性能好。线膨胀系数小、耐热冲击性能好。缺点：缺点：烧成温度范围很窄，致密烧结温度和软化温度只差烧成温度范围很窄，致密烧结温度和软化温度只差几几 ，故不易致密烧结，机械性能和介电性能不好。，故不易致密烧结，机械性能和介电性能不好。主要用途：主要用途：加热器底板、热电偶绝缘零件、电阻基体等。加热器底板、热电偶绝缘零件、电阻基体等。第6章 介电陶瓷6.2 低介电常数介电陶瓷1/30/202345材料科学与工程学院 材料系6.2.4 6.2.4 氧化铝瓷氧化铝瓷 96 96氧化铝热传导率变化范围很宽。热传导率由晶格氧化铝热传导率变化范围很宽。热传导率由晶格振动能决定，而晶格中的缺陷会阻碍这一过程，因此通振动能决定，而晶格中的缺陷会阻碍这一过程，因此通常杂质引入会降低热传导率。但若杂质没有进入主晶相常杂质引入会降低热传导率。但若杂质没有进入主晶相的晶格，而以孤立相的形式存在，则对不会影响热传导。的晶格，而以孤立相的形式存在，则对不会影响热传导。因此在制备过程中只有当用于因此在制备过程中只有当用于降低烧成温度的添加剂不降低烧成温度的添加剂不进入氧化铝晶格进入氧化铝晶格时，时，96 Al96 Al2 2O O3 3陶瓷才有可能获得高的热陶瓷才有可能获得高的热传导率。传导率。第6章 介电陶瓷6.2 低介电常数介电陶瓷要使氧化铝的导(绝)热性能好该如何做？1/30/202346材料科学与工程学院 材料系 95 95 氧化铝陶瓷最重要的氧化铝陶瓷最重要的用途用途是用是用于制造火花塞，要有良好的于制造火花塞，要有良好的抗热震性抗热震性和和电学性能电学性能。通常要承受加工过程中所遇。通常要承受加工过程中所遇到的机械冲击和引擎每次重复点火时所到的机械冲击和引擎每次重复点火时所产生的热冲击。氧化铝陶瓷须在产生的热冲击。氧化铝陶瓷须在1MV1MVm m的电场下具有的电场下具有足够的绝缘性能足够的绝缘性能，且表面，且表面应保持非常干净，以减少打火花现象。应保持非常干净，以减少打火花现象。第6章 介电陶瓷6.2 低介电常数介电陶瓷6.2.4 氧化铝瓷1/30/202347材料科学与工程学院 材料系有关氧化铝陶瓷的称谓：有关氧化铝陶瓷的称谓：高铝瓷？高铝瓷？刚玉瓷？刚玉瓷？一般说高铝瓷或氧化铝瓷都包含什么瓷？一般说高铝瓷或氧化铝瓷都包含什么瓷？第6章 介电陶瓷6.2 低介电常数介电陶瓷6.2.4 氧化铝瓷刚玉莫来石瓷和刚玉瓷刚玉莫来石瓷和刚玉瓷 主晶相为主晶相为AlAl2 2O O3 3的氧化铝瓷的氧化铝瓷氧化铝含量大于氧化铝含量大于7575的氧化铝瓷的氧化铝瓷氧化铝性能如何？1/30/202348材料科学与工程学院 材料系6.2.5 6.2.5 氧化铍瓷氧化铍瓷 氧化铍瓷氧化铍瓷最大的特点是最大的特点是热导率高热导率高，是氧，是氧化铝陶瓷的化铝陶瓷的1010倍倍，接近于金属铝。，接近于金属铝。主要原料主要原料:高纯度工业氧化铍（高纯度工业氧化铍（BeOBeO）粉末）粉末第6章 介电陶瓷6.2 低介电常数介电陶瓷1/30/202349材料科学与工程学院 材料系添加剂添加剂：MgO、Al2O3、CaO 和SiO2等。烧结工艺：烧结工艺：一般的电子陶瓷工艺。因其熔点高达2570，故其烧结温度很高。为提高制品的致密度，可采用热压烧热压烧结结。原料氧化铍粉末需在1800进行预烧。氧化铍瓷的烧结氧化铍瓷的烧结第6章 介电陶瓷6.2 低介电常数介电陶瓷6.2.5 氧化铍瓷？氧化铍和氧化锆的低共熔物温度远比其他氧化物高，达2200，因此氧化锆是它惟一的烧成衬垫材料烧成衬垫材料。1/30/202350材料科学与工程学院 材料系特点及用途特点及用途 机械强度比氧化锆瓷稍低，比镁橄榄石大。高的介高的介电性能、优良的导热性电性能、优良的导热性，可用来制作大功率晶体管的管壳、管座、散热片、大功率集成电路和微波集成电路的基片、微波输出窗等；密度小密度小，在空间技术中亦有使用价值；又由于它的绝缘电阻高、介电系数小绝缘电阻高、介电系数小，可作雷达防护罩，以使电磁波的反射减小。缺点缺点 粉末有剧毒剧毒，生产受限，生产需采取特殊的防护措施。第6章 介电陶瓷6.2 低介电常数介电陶瓷6.2.5 氧化铍瓷1/30/202351材料科学与工程学院 材料系6.2.6 6.2.6 氮化硼瓷氮化硼瓷 BN BN具有两种结构，即具有两种结构，即六方六方和和立方晶型立方晶型。六方氮化硼陶瓷是由细小白色鳞片状的六方氮化六方氮化硼陶瓷是由细小白色鳞片状的六方氮化硼晶体构成，由于氮原子与硼原子之间为饱和的共价硼晶体构成，由于氮原子与硼原子之间为饱和的共价键结合，没有自由电子存在，所以是很好的键结合，没有自由电子存在，所以是很好的介电材料介电材料。它的另一个特点是它的另一个特点是导热率高导热率高（与不锈钢相当）。（与不锈钢相当）。六方氮化硼粉末状硬度与石墨相当，故称白色石六方氮化硼粉末状硬度与石墨相当，故称白色石墨，需热压烧结成瓷。墨，需热压烧结成瓷。一种导热性很好的绝缘体。一种导热性很好的绝缘体。第6章 介电陶瓷6.2 低介电常数介电陶瓷1/30/202352材料科学与工程学院 材料系6.2.6 6.2.6 氮化硼瓷氮化硼瓷氮化硼六方晶形氮化硼六方晶形-BN-BN 很软第6章 介电陶瓷6.2 低介电常数介电陶瓷氮化硼立方晶型氮化硼立方晶型-BN -BN 很硬 1/30/202353材料科学与工程学院 材料系6.1 材料的介电性质材料的介电性质 6.2 低介电常数介电陶瓷低介电常数介电陶瓷 K小于小于126.3 中等介电常数介电陶瓷中等介电常数介电陶瓷 K大于大于126.4 高介电常数介电陶瓷高介电常数介电陶瓷铁电陶瓷铁电陶瓷 第第6 6章章 介电陶瓷介电陶瓷本章内容本章内容 1/30/202354材料科学与工程学院 材料系 介介电电常常数数k在在12以以上上的的非非铁铁电电体体陶陶瓷瓷，由由于于其其主主要要用用于于电容器电容器制造，故亦被称为制造，故亦被称为非铁电电容器陶瓷非铁电电容器陶瓷。电容器制造各项电气性要求电容器制造各项电气性要求（1）介电常数希望高一些介电常数希望高一些，利于电容器的小型化；，利于电容器的小型化；（2）介介电电损损耗耗要要求求小小一一些些，以以减减少少电电容容器器在在高高频频应应用用中能量损耗和发热；中能量损耗和发热；（3）介介电电常常数数的的温温度度系系数数，关关系系到到电电容容器器对对工工作作环环境的适应性和电路可靠性的重要指标。境的适应性和电路可靠性的重要指标。第6章 介电陶瓷6.3 6.3 中等介电常数介电陶瓷中等介电常数介电陶瓷1/30/202355材料科学与工程学院 材料系介电常数的温度系数介电常数的温度系数 介电常数随温度的变化率介电常数随温度的变化率第6章 介电陶瓷6.3 6.3 中等介电常数介电陶瓷中等介电常数介电陶瓷1/30/202356材料科学与工程学院 材料系1 1、金红石瓷、金红石瓷2 2、钛酸钙瓷、钛酸钙瓷3 3、钛酸镁瓷、钛酸镁瓷4 4、锡酸钙瓷、锡酸钙瓷 中等介电常数介电陶瓷包括中等介电常数介电陶瓷包括第6章 介电陶瓷6.3 中等介电常数介电陶瓷1/30/202357材料科学与工程学院 材料系6.3.1 6.3.1 金红石瓷金红石瓷 一一种种利利用用较较早早的的高高介介电电材材料料，其其主主晶晶相相为为金红石（金红石（TiOTiO2 2）。）。纯纯金金红红石石瓷瓷的的电电性性能能优优良良。但但因因纯纯金金红红石石的的烧烧结结温温度度高高、无无可可塑塑性性，结结晶晶能能力力强强，易易形形成成粗粗晶等原因，常在配方中需加入其他成分。晶等原因，常在配方中需加入其他成分。金红石瓷的金红石瓷的典型配方与性能典型配方与性能P P133133。第6章 介电陶瓷6.3 中等介电常数介电陶瓷1/30/202358材料科学与工程学院 材料系中等介电常数介电陶瓷中等介电常数介电陶瓷金红石金红石的名称源于拉丁语的名称源于拉丁语rutilusrutilus“红色红色”之意之意 英文名：英文名：RutileRutile，膝状双晶Rutilated Quartz Catss Eyes含金红石的水晶猫眼 集合体为致密块状，通常略带集合体为致密块状，通常略带红色，含铁高时显暗红至黑色，也红色，含铁高时显暗红至黑色，也有略带黄、蓝或紫色的晶体。常具有略带黄、蓝或紫色的晶体。常具完好晶形，柱面常有纵纹。膝状双完好晶形，柱面常有纵纹。膝状双晶和玫瑰状双晶常见。晶和玫瑰状双晶常见。第6章 介电陶瓷6.3 中等介电常数介电陶瓷6.3.1 金红石瓷 1/30/202359材料科学与工程学院 材料系金红石瓷工作温度不宜过高，金红石瓷工作温度不宜过高，一般工作温度不超过一般工作温度不超过8585。为什么？为什么？第6章 介电陶瓷6.3 中等介电常数介电陶瓷6.3.1 金红石瓷 1/30/202360材料科学与工程学院 材料系老化老化电容器瓷一个普遍的问题电容器瓷一个普遍的问题 陶瓷材料是一种不均匀的多相系统，这种不均陶瓷材料是一种不均匀的多相系统，这种不均匀性包括材料结构的不均匀以及杂质所造成的不均匀性包括材料结构的不均匀以及杂质所造成的不均匀等。会在外界各种因素的长期作用下，发生一系匀等。会在外界各种因素的长期作用下，发生一系列物理、化学的不可逆变化的过程，该过程称为老列物理、化学的不可逆变化的过程，该过程称为老化。老化会导致性能发生变化（如塑料老化）。化。老化会导致性能发生变化（如塑料老化）。金红石的老化原因？解决方法？P134第6章 介电陶瓷6.3 中等介电常数介电陶瓷6.3.1 金红石瓷 1/30/202361材料科学与工程学院 材料系 CaCO3TiO2 12801320 CaTiO3CO26.3.2 6.3.2 钛酸钙瓷钛酸钙瓷 主主晶晶相相钛钛酸酸钙钙（CaTiO3），属属钙钙钛钛矿矿型型结结构构，其其性性能能表表6.12，CaTiO3的的介介电电系系数数比比金金红红石石大大得得多多，达达150左左右右。介电性能良好。介电性能良好。为为得得到到性性能能良良好好的的钛钛酸酸钙钙瓷瓷，通通常常采采用用方方解解石石（CaCO3）与与二二氧氧化化钛钛（TiO2）按按分分子子比比来来合合成成。它它属属于于CaO-TiO2二元系统。合成二元系统。合成CaTiO3的化学反应式为：的化学反应式为：第6章 介电陶瓷6.3 中等介电常数介电陶瓷1/30/202362材料科学与工程学院 材料系得到CaTiO3的配比和烧结温度可选择多少？第6章 介电陶瓷6.3 中等介电常数介电陶瓷6.3.2 钛酸钙瓷 1/30/202363材料科学与工程学院 材料系第6章 介电陶瓷6.3 中等介电常数介电陶瓷6.3.2 钛酸钙瓷 1/30/202364材料科学与工程学院 材料系钛酸钙瓷的制备钛酸钙瓷的制备分两步分两步：先先合成合成CaTiOCaTiO3 3，后后配方烧结成陶瓷配方烧结成陶瓷作用作用：反应充分、结晶良好、制品尺寸较准。不利因素不利因素：烧成温度较高且烧成温范烧成温范较窄。解决方法解决方法：选用适当的助熔剂，如ZrOZrO2 2。第6章 介电陶瓷6.3 中等介电常数介电陶瓷6.3.2 钛酸钙瓷 1/30/202365材料科学与工程学院 材料系钛酸钙瓷的制备钛酸钙瓷的制备 ZrOZrO2 2是是一一种种很很好好的的矿矿化化剂剂，给给CaTiOCaTiO3 3配配以以少少量量的的ZrOZrO2 2不不但但可可使使烧烧结结温温度度降降低低，而而且且可可以以扩扩大大烧烧结结温温度度范范围围，并并能能阻阻止止CaTiOCaTiO3 3的的二二次次晶晶粒长大，从而提高了钛酸钙瓷的电气性能。粒长大，从而提高了钛酸钙瓷的电气性能。我国目前生产的钛酸钙瓷的组成大致为：99的的CaTiO3 3 ：1ZrO2 2。第6章 介电陶瓷6.3 中等介电常数介电陶瓷6.3.2 钛酸钙瓷 1/30/202366材料科学与工程学院 材料系钛钛酸酸钙钙瓷瓷（CT）的的和和tantan与温度的关系与温度的关系 CT1300 tan比比金金红红石石瓷瓷 T750的的小小。使使用用温温度度可可达达150左左右右。介介电电系系数数较较高高，达达150左右。左右。CTCaTiO3 钛酸钙瓷钛酸钙瓷T-TiO2 金红石瓷金红石瓷后坠数字为温度系数如 T-750的温度系数为75010-6-1第6章 介电陶瓷6.3 中等介电常数介电陶瓷6.3.2 钛酸钙瓷 1/30/202367材料科学与工程学院 材料系 应用应用 钛酸钙瓷具有较大钛酸钙瓷具有较大和较大的负介电温度系数的一和较大的负介电温度系数的一种瓷料，它可以制成种瓷料，它可以制成大容量、小体积的大容量、小体积的高频陶瓷电容高频陶瓷电容器器，(低频低频-真空管電容麥克風真空管電容麥克風、yinyue)用作容量稳用作容量稳定性要求不高的高频电容器，如耦合、旁路、储能、定性要求不高的高频电容器，如耦合、旁路、储能、隔直流电容器等隔直流电容器等。在工厂中往往利用它的大的负温度。在工厂中往往利用它的大的负温度系数作为材料的调节剂。系数作为材料的调节剂。第6章 介电陶瓷6.3 中等介电常数介电陶瓷6.3.2 钛酸钙瓷 1/30/202368材料科学与工程学院 材料系6.3.3 6.3.3 钛酸镁瓷钛酸镁瓷特点特点：介电损耗低，：介电损耗低，的绝对值小，可以调节至零附近，的绝对值小，可以调节至零附近，且原料丰富，成本低廉。且原料丰富，成本低廉。钛酸镁瓷的烧结温度较高钛酸镁瓷的烧结温度较高1450145014701470，常在配方，常在配方中加入中加入ZnOZnO、CaFCaF2 2滑石等助熔剂，它们能与配方中其他滑石等助熔剂，它们能与配方中其他组分形成低共熔物，有效改善烧结性能。组分形成低共熔物，有效改善烧结性能。为了防止为了防止TiOTiO2 2还原，还可加人少量还原，还可加人少量MnCOMn