铁电介质陶瓷95讲解课件.ppt

第五章第五章 电容器介电陶瓷电容器介电陶瓷1vv 对对装装置置瓷瓷主主要要考考虑虑的的是是：电电阻阻率率，介质损耗等，而不考虑介电常数介质损耗等，而不考虑介电常数vv 介介电电常常数数是是表表征征陶陶瓷瓷贮贮存存电电荷荷的的能能力力的参数vv 电电容容器器陶陶瓷瓷是是指指主主要要用用来来制制造造电电容容器器的陶瓷材料的陶瓷材料2v 就陶瓷介质来说，可以分为铁电就陶瓷介质来说，可以分为铁电介质陶瓷、高频介质陶瓷、半导体介质陶瓷、高频介质陶瓷、半导体介质陶瓷，反铁电介质陶瓷、微波介质陶瓷，反铁电介质陶瓷、微波介质陶瓷和独石结构介质陶瓷等介质陶瓷和独石结构介质陶瓷等近几年来，半导体瓷介电容器的发近几年来，半导体瓷介电容器的发展很快3v电介质陶瓷按国家标准分为三类电介质陶瓷按国家标准分为三类:v 类陶瓷介质：类陶瓷介质：介电常数约为介电常数约为1212900900，特点特点：高频下的介质损耗小，高频下的介质损耗小，介电常数的温度系数数值范围宽，介电常数的温度系数数值范围宽，用于制造高频电路中使用的瓷介质用于制造高频电路中使用的瓷介质电容器电容器 4v类陶瓷介质：类陶瓷介质：介电常数约介电常数约2002003000030000。

v特点：特点：低频下的介质损耗比低频下的介质损耗比类陶瓷类陶瓷介质大很多，介电常数随温度和电介质大很多，介电常数随温度和电场强度的变化呈强烈的非线性，具场强度的变化呈强烈的非线性，具有电滞回线和电致伸缩，经极化处有电滞回线和电致伸缩，经极化处理具有压电效应等，用于制造低频理具有压电效应等，用于制造低频电路中使用的陶瓷介质电容器电路中使用的陶瓷介质电容器5vv类陶瓷介质类陶瓷介质：也称为半导体陶瓷介质，：也称为半导体陶瓷介质，介电常数约介电常数约7000 7000 1010万以上，甚至可万以上，甚至可达到达到3030万万 4040万vv 特点：特点：该陶瓷材料的晶粒为半导体，该陶瓷材料的晶粒为半导体，利用该陶瓷的表面与金属电极间的接触利用该陶瓷的表面与金属电极间的接触势垒层或晶粒间的绝缘层作为介质，因势垒层或晶粒间的绝缘层作为介质，因而具有很高的介电常数用于制造汽车、而具有很高的介电常数用于制造汽车、电子计算机等电路中要求体积非常小的电子计算机等电路中要求体积非常小的陶瓷介质电容器陶瓷介质电容器6v 对容量要求一样时，用高介电常对容量要求一样时，用高介电常数材料制备的电容器体积小，而用数材料制备的电容器体积小，而用低介电常数材料制备的电容器体积低介电常数材料制备的电容器体积很大。

很大v 为了减小元件的几何尺寸，各国为了减小元件的几何尺寸，各国都在大力开发新的电介质陶瓷材料都在大力开发新的电介质陶瓷材料和复合电介质材料和复合电介质材料7v 随着整机发展的要求，片式陶瓷随着整机发展的要求，片式陶瓷电容器、片式陶瓷电感、片式陶瓷电容器、片式陶瓷电感、片式陶瓷电阻等片式陶瓷元件，以及微叠层电阻等片式陶瓷元件，以及微叠层陶瓷元件的研究，开发和生产的发陶瓷元件的研究，开发和生产的发展都非常快展都非常快8 铁电电容器陶瓷的主要类型：铁电电容器陶瓷的主要类型：以以钛酸钡钛酸钡(BaTi0(BaTi03 3)或钛酸铅基固溶或钛酸铅基固溶体体为主晶相的铁电陶瓷为主晶相的铁电陶瓷陶陶瓷瓷材材料料的的性性质质与与其其主主晶晶相相的的性性质质是是密密切相关的切相关的第一节第一节 铁电介质陶瓷铁电介质陶瓷92.1 BaTi02.1 BaTi03 3晶体的结构和性质晶体的结构和性质vv一、一、BaTi0BaTi03 3晶体的原子结构晶体的原子结构 vvBaTi0BaTi03 3有多种晶型，它们的稳定温度范围为：有多种晶型，它们的稳定温度范围为：vv立方相：在立方相：在120120以上是稳定的；以上是稳定的；vv四方相：在四方相：在12012055之间是稳定的；之间是稳定的；vv斜方相：在斜方相：在559090之间是稳定的；之间是稳定的；vv三方相：在三方相：在9090以下是稳定的。

以下是稳定的vv当当烧烧成成温温度度过过高高时时会会出出现现六六方方相相，是是应应该该避避免出现的晶相免出现的晶相10 是是理理想想的的钙钙钛钛矿矿型型结结构构，每每个个钙钙钛钛矿矿型型晶晶胞胞中中包包含含一一个个分分子子单位1、立方、立方BaTi0311钙钛矿结构钙钛矿结构BaBa2+2+OO2-2-TiTi4+4+12v 从从离离子子堆堆积积的的角角度度看看，O O2-2-离离子子和和BaBa2+2+共共同同按按立立方方最最紧紧密密堆堆积积，堆堆积积成成O O2-2-离离子子处处于于面面心心位位置置的的“立立方方面面心心结结构构”，TiTi4+4+离离子子占占据据着着6 6个个O O2-2-组组成的八面体空隙的中间成的八面体空隙的中间13v2 2、四方、四方BaTi0BaTi03 3v 四四方方BaTi0BaTi03 3的的结结构构亦亦属属钙钙钛钛矿矿型型结结构构，与与理理想想钙钙钛钛矿矿型型相相比比晶晶格格发发生生了了一一定定程程度度的的畸畸变变使使四四方方BaTi0BaTi03 3的的c c轴轴变变长长，a a、b b轴轴变变短14立方相立方相四方相四方相15v 在立方在立方BaTiOBaTiO3 3中，处于氧八面中，处于氧八面体孔隙中的钛离子可以偏离八面体体孔隙中的钛离子可以偏离八面体的中心位置，在一定的范围内进行的中心位置，在一定的范围内进行振动。

在钛离子振动时，其偏离或振动在钛离子振动时，其偏离或靠近周围靠近周围6 6个氧离子的机会是均等个氧离子的机会是均等的，即对八面体中心位置的平均偏的，即对八面体中心位置的平均偏离为零16v 随随温温度度TT，TiTi4+4+热热运运动动变变弱弱，当当T120T120，TiTi4+4+的的振振动动中中心心向向周周围围的的6 6个个O O2-2-离离子子之之一一靠靠近近，即即TiTi4+4+离离子子沿沿c c轴轴方方向向产产生生离离子子位位移移极极化化，这这是是在在无无外外电电场场时时TiTi4+4+自自发发进进行行的的极极化化，称称为为自自发发极极化化，由由于于TiTi4+4+位位移移，O O2-2-也也偏偏离离了了它它的的对对称称位位置置，进进行行相相应应的的位移17v自发极化强度通常用自发极化强度通常用PsPs表示v 自自发发极极化化是是TiTi4+4+、O O（近近）和和其其它它离离子子共共同同作作用用的的结结果果，它它们们对对PsPs的的贡贡献献分分别别为为：31%31%，59%59%，10%10%18vv3 3、斜方、斜方BaTi0BaTi03 3vv TiTi4+4+离离子子沿沿x x方方向向进进行行位位移移，并并导导致致O O2-2-离离子子产产生生相相应应的的移移动动。

所所以以a a轴轴的的方方向向为为自自发发极极化化的的方方向向，即即在在斜斜方方BaTi0BaTi03 3中中，自自发发极极化化沿沿着着假假立立方方晶晶胞胞的面对角线的方向进行的面对角线的方向进行19v4 4、三方、三方BaTi0BaTi03 3v 三三方方BaTi0BaTi03 3中中也也存存在在着着自自发发极极化化，极极化化沿沿着着原原来来立立方方晶晶胞胞的的立方体对角线方向进行立方体对角线方向进行v 以上几种晶相及自发极化结以上几种晶相及自发极化结果，可用下图表示果，可用下图表示P166P166，图，图5-5-4 420 （2 2）四方相，自发极化强度四方相，自发极化强度PscPsc轴方轴方向，即沿立方面方面向，即沿立方面方面立方相立方相四方相四方相（1 1）立方相，不存在自发极化，）立方相，不存在自发极化，Ps=0Ps=0；21vv（3 3）斜斜方方相相，自自发发极极化化PsPs面面对对角角线线方向方向110110，即沿立方面的对角线方向即沿立方面的对角线方向斜方相斜方相三方相三方相（4 4）三方相，自发极化）三方相，自发极化Ps111Ps111方向，方向，即沿立方体的对角线方向。

即沿立方体的对角线方向22vv 这这就就是是BaTi0BaTi03 3不不同同晶晶体体的的自自发发极极化及自发极化方向化及自发极化方向vv二、二、BaTi0BaTi03 3晶体的电畴结构晶体的电畴结构vv1 1、自发极化、自发极化vv 一一部部分分相相互互邻邻近近的的晶晶胞胞都都步步调调一一致致地地沿沿着着原原来来的的某某个个晶晶轴轴方方向向自自发发极极化化，而而另另一一部部分分相相互互邻邻近近的的晶晶胞胞则则又又都都步步调调一一致致地地沿沿着着另另外外的的晶晶轴轴方向进行自发极化方向进行自发极化23vv2 2、电畴、电畴vv 许许许许多多多多晶晶胞胞组组成成的的具具有有相相同同的的自自发发极极化化方方向向的的小小区区域域称称为为电电畴畴电电畴畴可可以以只只是是一一个个晶晶胞胞，也也可可以以是是整整个个晶晶体体，称为称为单畴晶体单畴晶体243 3、铁电体、铁电体 具有电畴结构的晶体称为具有电畴结构的晶体称为铁电体铁电体4 4、居里温度（、居里温度（TcTc）vv 使使铁铁电电体体失失去去自自发发极极化化因因而而使使电电畴畴结结构构消消失失的的最最低低温温度度即即居居里里温温度度（用（用TcTc表示）。

表示）vv 对于对于BaTi0BaTi03 3，TcTc12012025vv5 5、畴壁：、畴壁：电畴与电畴之间的界面，称电畴与电畴之间的界面，称为畴壁vv分为两种：分为两种：vv（1 1）9090o o畴畴壁壁：相相邻邻电电畴畴之之间间的的取取向向相相差差9090o ovv（2 2）180180o o畴畴壁壁：相相邻邻电电畴畴之之间间的的取取向向相相差差180180o o26276 6、电畴结构电畴结构vv（1 1）如如形形成成的的是是9090o o畴畴壁壁，且且9090o o畴畴壁壁两两边边电电畴畴首首尾尾相相连连，畴畴壁壁两两边边带带异异性性电电荷荷，能能相相互互吸吸引引如如果果两两个个电电畴畴之之间间是是带带同同种种电电荷荷，则则内内部部存存在在很很大大的的内内能能，势势必必使使一一个个电电畴畴方方向向发发生生转转化化，使使畴畴壁壁两两边边带不同的电荷内能带不同的电荷28vv（2 2）9090o o畴壁交角畴壁交角9090o ovv 晶晶体体产产生生自自发发极极化化，沿沿c c轴轴方方向向伸伸长长，在在局局部部伸伸长长量量不不同同，产产生生了了偏转，使交角偏转，使交角9090o o。

vv（3 3）Psi=0Psi=0vv 没有经过人工极化时，相反方向没有经过人工极化时，相反方向分布的电畴的自发极化强度可以相分布的电畴的自发极化强度可以相互抵消宏观上不呈现极性宏观上不呈现极性29vv（4 4）内应力）内应力vv 在在产产生生极极化化的的同同时时，每每个个电电畴畴可可看看作作一一个个单单元元，在在c c轴轴方方向向伸伸长长，但但却却受受到到相相邻邻单单元元的的限限制制，受受到到压压应应力力，而而在在a a、b b轴轴方方向向压压缩缩，却却受受到到相相邻邻单单元元的的限限制制，受受到到拉拉应应力力，对对每个单元存在很大的内应力每个单元存在很大的内应力30v三、三、BaTi0BaTi03 3晶体的介电晶体的介电-温度特性温度特性v（1 1）BaTi0BaTi03 3晶晶体体介介电电常常数数很很高高，=2000=200070007000；v（2 2）介电强度）介电强度 各向异性各向异性v a a c c，a a轴轴方方向向大大于于c c轴轴方方向向，说说明明在在电电场场作作用用下下，BaTi0BaTi03 3晶晶体体中中的的离离子子沿沿a a轴轴方方向向具具有有更更大大的的可动性。

可动性31v（3 3）在在相相变变温温度度附附近近，出出现现峰峰值值，TcTc下下，达达最最大大，这这与与相相变变温温度度附附近近离离子子具具有有。