材料科學與技術(shù)第19課

一、電容器陶瓷用作介電目的（利用其介電性能）的陶瓷、主要用于電容器和微波元件中1、溫度補償電容器陶瓷溫度的變化會引起電路元件參數(shù)的變化電感和電容變化高頻振蕩電路諧振頻率穩(wěn)定乘積必須一定通常選擇合適的電容器陶瓷介質(zhì)乘積恒定第三節(jié)介電陶瓷電感和電容相反變化溫度補償電容器：補償溫度的變化引起的其它電路參數(shù)的變化、確保電路性能的穩(wěn)定溫度補償電容器陶瓷材料：介電常數(shù)（或電容）隨溫度線性變化、介電損耗低、介電常數(shù)低高頻振蕩電路中補償電容器陶瓷的介電溫度系數(shù)應為負值、以補償線圈電感的正溫度系數(shù)，使諧振頻率穩(wěn)定溫度補償電容器陶瓷：介電陶瓷：非鐵電陶瓷、鐵電介電陶瓷非鐵電陶瓷：介電常數(shù)小、隨溫度變化線性溫度補償電容器陶瓷等及其復合材料保護漆顏色：藍色和灰色正溫度系數(shù)，其它顏色：負溫度系數(shù)黑色：溫度系數(shù)最小；淺綠色：溫度系數(shù)最大2、高介電常數(shù)電容器陶瓷主要是鐵電陶瓷材料：介電常數(shù)非常大、隨電場非線性變化制作：低頻或直流電容器、及敏感電容器用于：電視機、收音機等中高介電常數(shù)電容器陶瓷：以為基、添加其它成分制得等離子的置換離子多元復合化合物多元復合物陶瓷居里點：多元復合化合物介電常數(shù)：可增大至20000、溫度系數(shù)增大可降低介電常數(shù)及其溫度系數(shù)添加改變添加物的組成及含量可調(diào)節(jié)介電常數(shù)、溫度系數(shù)為合適的值3、高電壓電容器陶瓷使用在高壓下高介電常數(shù)、介電常數(shù)隨電壓變化較大（鐵電性）介電常數(shù)小、介電常數(shù)隨電壓變化較小、介電損耗小、絕緣性也好得多良好的高電壓電容器陶瓷材料系電容器陶瓷絕緣強度：廣泛應用于：電視機、雷達高壓電路及避雷器、斷電器等二、微波介質(zhì)陶瓷通常使用的微波頻率范圍：

甚至更高微波頻率下具有高介電常數(shù)、低介電損耗、低膨脹系數(shù)和低介電常數(shù)溫度系數(shù)微波技術(shù)的發(fā)展使得微波器件小型化、集成化微波介質(zhì)陶瓷主要用于：微波介質(zhì)陶瓷的性能要求：微波介質(zhì)陶瓷：①系陶瓷最早應用的微波介質(zhì)陶瓷微波諧振器、濾波器與振蕩器、波導介質(zhì)、介質(zhì)天線等，在移動通訊等中有著不可替代的作用

制作工藝：原料：聚乙烯球磨機、加丙酮和磨球、球磨1200℃預燒干球磨常壓或熱壓、氧化氣氛燒結(jié)瓷體相對密度（致密性）越高、越大、介電溫度系數(shù)越小添加適量的等可促進燒結(jié)、提高致密度：可制得：②鈣鈦礦型陶瓷等制作工藝：③瓷、瓷添加1-2%(mol)Mn低溫下可成致密體在氮氣中1200℃退火也可成倍提高Q值加少量的NaF燒結(jié)溫度：良好的微波介質(zhì)陶瓷微波介質(zhì)陶瓷的電性能微波介質(zhì)陶瓷的電性能Ba2Ti9O20Ba(Zn1/3Ta2/3)O3Ba(Zn1/3Ta2/3)O3+1%Mn(摩爾分數(shù))1%Mn(摩爾分數(shù))Ba(Mg1/3Ta2/3)O3+(Zn,Sn)TiO3(Mg,Ca)TiO3—La2O3介質(zhì)諧振器的頻率溫度系數(shù)測定頻率陶瓷GHz第四節(jié)鐵電陶瓷一、低溫燒結(jié)電容器陶瓷高介電常數(shù)鐵電陶瓷、或改良的鐵電陶瓷此外還有下面應用疊層式—獨石結(jié)構(gòu)陶瓷電容器：陶瓷薄片坯體制（層間）電極疊合熱壓成陶瓷片燒結(jié)陶瓷片內(nèi)電極高溫燒結(jié)陶瓷（）不能采用低熔點、低電阻率的Ag,Cu,Au作電極（高熔點金屬：昂貴、電阻率高）低溫燒結(jié)鐵電陶瓷——必要

高介電常數(shù)電容器陶瓷低溫燒結(jié)鐵電陶瓷材料：系：添加燒結(jié)溫度比低兩者相近系：燒結(jié)溫度：內(nèi)電極可用：合金及其復合物低溫燒結(jié)陶瓷材料二、透明鐵電陶瓷一般陶瓷材料：氣孔相、晶界、雜質(zhì)相的散射、及材料本身的吸收不透明適當制作工藝（如、細粉的制備和熱壓），可控制其顯微結(jié)構(gòu)和晶界性質(zhì)，使材料成為透明陶瓷透明鐵電陶瓷陶瓷透光率隨組分的不同而變化：透光率最高理想介質(zhì)：極化強度與所加電場成線性關(guān)系：實際介質(zhì)：極化率（相對介電常數(shù)或折射率）與電場強度有關(guān)場強很強時、后面的項才顯著時、介質(zhì)的折射率；a、b：常數(shù)、通常很小電光效應：外加電場引起介質(zhì)材料折射率變化的現(xiàn)象PLZT透明鐵電陶瓷具有顯著的電光效應外電場誘發(fā)的雙折射的折射率差：一次電光系數(shù)（PLZT）組分的不同線性電光效應或Pockels

效應二次電光效應或kerr

效應與電場垂直方向的折射率一次電光系數(shù)比其他單晶材料還大鐵電相和順電相的相界附近、呈現(xiàn)擴散型（二級）相變特征居里溫度被移動室溫附近的PLZT：擴散型相變二級相變一級相變對順電相施加電場鐵電相去除電場順電相、剩余極化幾乎為0陶瓷呈現(xiàn)光學各向同性居里點附近的PLZT具有二次電光效應二次電光效應誘發(fā)的雙折射的折射率差：電光克爾常數(shù)入射光波外加電場PLZT透明鐵電陶瓷工藝：常壓下通氧燒結(jié)、或熱壓通氧燒結(jié)通氧的作用：在燒結(jié)過程中加速氣孔的排除、促進陶瓷的致密化、提高透光性能應用：常用的電光器—電光開關(guān)、電光調(diào)制器、電光偏轉(zhuǎn)器等電光開關(guān)：利用脈沖電信號控制光信號的通和斷電光調(diào)制器：電光材料上施加交變調(diào)制信號、（電光效應）使晶體的折射率隨調(diào)制電壓信號變化光波通過晶體時，使原來不帶信號的光波帶有調(diào)制信號的信息電光偏轉(zhuǎn)器：利用材料的電光效應實現(xiàn)光束偏轉(zhuǎn)三、馳豫型鐵電陶瓷壓電材料在外電場中共有的特性電致伸縮效應——逆壓電效應一般的壓電材料在外電場作用下的伸縮效應—馳豫效應不顯著、不能實用具有擴散相變（二級相變）特征的鐵電材料、在相界附近具有顯著的馳豫效應二級相變一級相變結(jié)構(gòu)上是離子置換型固溶體馳豫型鐵電陶瓷：或半徑較小的置換B離子形成不同程度的無序結(jié)構(gòu)、在晶體內(nèi)造成較大的松動空間外電場作用下，B離子很容易遷移，產(chǎn)生很強的極化，使材料具有很大的介電常數(shù)馳豫型鐵電陶瓷的應變：與電場或極化強度的平方成正比電致伸縮系數(shù)或應變或一般壓電體的應變：與電場強度的一次方成正比材料的壓電系數(shù)固溶體系—馳豫型鐵電陶瓷性能優(yōu)良的實用材料居里溫度：室溫介電常數(shù)：馳豫型鐵電陶瓷的電致應變遠大于一般壓電體的應變馳豫型鐵電陶瓷的電致伸縮遠大于一般壓電材料一般壓電材料的應變：馳豫型鐵電陶瓷的應變：（比一般壓電材料大許多）馳豫型鐵電陶瓷的另一個特點：居里點附近的熱膨脹系數(shù)很小熱膨脹系數(shù)：適于制造微位移器外電極外電極內(nèi)電極陶瓷片微位移器通常采用多層結(jié)構(gòu)獲得較大的形變位移量伺服位移制動器、高靈敏度干涉膨脹儀、雙穩(wěn)態(tài)光子馳豫型鐵電陶瓷的應用：作為電致伸縮材料應用于許多方面器件、應變光柵、精密導向機構(gòu)、錄像機磁頭調(diào)節(jié)等第五節(jié)壓電陶瓷一、壓電陶瓷材料的常用參數(shù)1、介電常數(shù)各向同性的理想的電介質(zhì)：介電常數(shù)與方向無關(guān)、與外場無關(guān)方向相同各向異性的實際的電介質(zhì)：D1不僅與E1有關(guān)、還可能與E2和E3

有關(guān)一般方向不同若仍用表達關(guān)系不再是標量、而是二階張量簡記作：由于晶體或材料結(jié)構(gòu)的對稱性，介電常數(shù)的9個分量中最多只有6個是獨立的壓電（鐵電）陶瓷極化前：各向同性、無壓電性

極化后：在與“3”垂直的“1”、“2”（XY）平面內(nèi)是各向同性的沿Z軸極化的壓電陶瓷有兩個獨立的介電常數(shù):材料處于不同的機械條件時，測得介電常數(shù)不同不受應力下的介電常數(shù)—自由介電常數(shù)受應力下的介電常數(shù)—受夾介電常數(shù)（沿Z方向極化的）壓電陶瓷有四個介電常數(shù)：壓電陶瓷的介電常數(shù)可算得：電容極板間隔極板面積通常規(guī)定極化方向為Z軸的正向(方向3)2、介電損耗真實介質(zhì)電容器的電流包括三部分：②電容器介質(zhì)的極化電流③介質(zhì)的漏電流①理想電容的充電電流（位移電流、無功耗分量）與電壓位相相同、傳導電流、介質(zhì)損耗因子：介質(zhì)的損耗等效于在理想電容器上并聯(lián)損耗電阻：等效損耗電阻交流電壓的角頻率有功耗分量？電學品質(zhì)因數(shù)：

—損耗因子的倒數(shù)

已指出：介質(zhì)損耗除與介質(zhì)本身有關(guān)外，還與電場的頻率、強度、及溫度有關(guān)高溫、強場強介質(zhì)的電導率高、漏電流大、損耗大一般極性分子電介質(zhì)：極化引起的損失主要是偶極子轉(zhuǎn)向引起3、機械品質(zhì)因數(shù)、機電耦合系數(shù)壓電振子：壓電片輸入電信號信號頻率等于壓電片的固有頻率逆壓電效應（電致伸縮）、壓電片機械諧振（共振）正壓電效應、電信號輸出壓電片的機械諧振濾波器、換能器和標準頻率器中的壓電器件都工作于諧振狀態(tài)壓電片振動時要克服內(nèi)摩擦、引起能量損耗①機械品質(zhì)因數(shù)壓電振子的性能參數(shù)：反映壓電振子在諧振時能量損耗的程度定義：諧振時振子儲存的機械能諧振時振子在一個周期內(nèi)損耗的機械能壓電振子壓電振子等效電路動態(tài)電容靜態(tài)電容動態(tài)電感等效電阻①機械品質(zhì)因數(shù)②機電耦合系數(shù)K壓電振子動態(tài)電容靜態(tài)電容等效電路中時：壓電振子的阻抗與頻率的關(guān)系：諧振頻率：阻抗無窮等效電路中時：阻抗的最小值不為零、最大值也不為無限大機械品質(zhì)因數(shù)壓電振子動態(tài)電容靜態(tài)電容諧振時振子儲存的機械能諧振時振子在一個周期內(nèi)損耗的機械能②機電耦合系數(shù)K材料不同、工藝條件不同、壓電陶瓷振子的值不同PZT壓電陶瓷:反映壓電材料的機械能與電能之間的耦合效應、壓電材料性能的重要參數(shù)定義：