介电铁电陶瓷概况

1、第2章介电铁电陶瓷主要内容 2.1概述 2.2陶瓷的极化 2.3介电陶瓷材料 2.4铁电陶瓷材料铁电体 2.5压电及热释电陶瓷概述是电子和电气工程中不可 缺少的功能材料，它主要应用材料的介电性能。这 一类材料总称为电介质。电导率很低的材料，在电场作用下会沿电场方向产生电偶极矩，在靠近电极的材料表 面会产生束缚电荷，这种材料成为介电体或电介质, 这种现象称为电介质的极化指电阻率108 Q皿的陶瓷材料，能承受较强的电场而不被击穿O2.1概述按其在电场中的极化特性，可分为：-电绝缘陶瓷-电容器陶瓷-后来又发现了压电、铁电和热释电陶瓷2.2陶瓷的极化导体中的在电场作用下定向运动，形成传导电流。但在电介

2、质中，原子、分子或离子中的正负电荷则以共价键或离子键的形式被相互强烈地束缚着，通常称为在电场作用下，束缚电荷间的相对偏移，产生感应偶极矩。在外电场作用下，电介质内部感生偶极矩的现 象，称为电介质的极化。偶极子偶极子ji=q/ （单位：库仑米）电偶极矩外场越强，/越大，口越大；电场消失,日消失性质有关，表征材料的极化能力极化的基本形式电子极化离子极化空间电荷极化2.2陶瓷的极化介电材料的极化，其原理是 对材料施以一个电场或磁场 都能使其产生不平衡电荷的 原子或原子团，结果材料内 的电荷立即重新分布。对于理想的介电材料电压加 上时立刻产生电荷与极化， 提高了材料的介电系数化是由电子极化、离子极化和

3、偶极 化组成的，大致可分为以下两类是一种弹性的极 化、瞬时完成， 过程不消耗能量与热运动有关， 属非弹性极化， 需要一定的时间 需要能量电子极化在外电场作用下,Electronic PolarizationE=0外围的电子云相对于原子核发生相对位移形成的极化。4 = 4在。/建立或消除电子极化的 时间极短，约为10一6 10-I6s当电子轨道半径增大时，电子极化率很快地增加。-T/VWW在外电场作用下，构 成分子的离子发生相 对位移而形成的极化 离子极化建立或消除 的时间很短，与离子 在晶格振动的周期有 相同数量级，约为10 12 1013s无电场有电场离子极化示意图偶极子转向极化具有恒定偶极

4、矩的极性分子,在外加电场作用下，偶极于发生 转向，趋于和外加电 场方向一致，整体表 现为宏观偶极矩。偶极子趋向极化Dipolar PolarizationE=0E£ 3k T(4)空间电荷费化 陶瓷多晶体在电场中空间电 荷在晶粒内和电畴中移动，聚 集于边界和表面而产生的极化。 在不均匀介质中，如介质中 存在晶界、相界、晶格畸变、 杂质、气泡等缺陷区，都可形 成空间电荷极化r随温度升高而下降温度升高，离子运动 加剧，离子扩散容易, 使空间电荷减少 空间电荷的建立需要较长时 间，大约几秒到数十分钟，甚 至数十小时，因此只对直流和 低频下的介电性质有影响子取向被化四种极化叠加2.3介电陶瓷

5、材料介电陶瓷可分为电绝缘陶瓷和-由于振荡回路总是由电感和电容构成，回路中的电 感元件一般具有正的电感温度系数，为了保持振荡 回路的频率不随温度变化而发生漂移，就必须使用 适当负温度系数的电容器来补偿，这种电容器就称 之为温度补偿电容器。 2.3.1温度补偿电容器用介电陶瓷-这种陶瓷介质一般具有中低介电常数，要 求温度系数值稳定，特别在高频及较高温 2.3.2微波介质陶瓷(微波通信等)PMnOBaTiQg微波是一种频率为 米到1毫米范围内口 段对应的频率,厂 如下图所示。而的电磁波。把波长从1 7支称为微波波波 >'HZo3X I (f3X10 3Xltf 3X1(? 3XI(f

6、3XI0，CA(m) idl(fIff IO110410110,a，要求具有高介电常数,低介质损耗,低膨胀系数 和低介电常数温度系数微波波段划分如卜.:波段波长范围频率范围波段名称分米波厘米波毫米波lm 10cm 0. 3 3GHz1 Ocm 1cm 3 30GHz1cm 1mm 30 - 300GHz特高频(UHF)超高频JW1_极高频(EHF)微波信号由于其频率极高，波长极短，因而 具有如下特点为：由于频率高，信息量大，所以十分有利于在通信 技术领域中应用。目前微波通信所包含在可使用 波段已超过整个长、中、短波段的1000倍以上。可直线传播，具有很强的传播方向性，以及高能 量和对于金属目标

7、的强反射能力。因此，在雷达、 导航等方面有利于提高发射和跟踪目标的准确性对不同介质具有强穿透和强吸收能力，从而可实 现穿透高空中电离层的卫星通信，时行微波医疗 诊断、微波探伤以及作为微波吸收材料和发热体微波设备的数字化可实现通信的保密性。2.3介电陶瓷材料 2.3.3高介电容器陶瓷-£可高达40008000,在滤波、旁路、稳压、 整流及交流断路器中广泛使用-这类陶瓷不仅要£高，而且温度稳定性好，居里 点在工作温度范围内，且能方便地被调整 2.3.4 高压陶瓷电容器（电子线路中）电容器常用的电容器24铁电陶瓷会 一般介电体，加上电场发生极化去掉电场极化就消失，而铁电体有自发极

8、化现象。自发极化：在无外电场作用下存在的极化现象称 为自发极化。铁电又称强介电，在一定温度范围内可发生自极 化，在外场作用下自发极化能够随电场改变电偶 极子方向，并且撤去外场后能保留剩余极化，这 种性质叫铁电性铁电体的极化强度P随外加电场强度E的变化轨迹铁电体的自发极化只在某一温度范围内才存在， 当温度超过某一极限值以后，自发极化即行消失。 这一物理过程的临界温度厂被成为“居里温度”-存在自发极化的晶体结构称为“铁电相”-自发极化消失的晶体结构称为“顺电相”如果晶体出现不止一次相变，存在不止一种铁电，汨）则将温度 发为居里点,其他相变则称为转变点1CWP ttrtkw-ISC -1。0BaTR

9、介电常数的温度关系主要铁电陶瓷以BaTiC或PbTi/基固溶体为主晶相的铁 电陶瓷，是铁电陶瓷的代表性陶瓷材料，是 制造电容器的重要材料之一 BaTiC 具有-六方相: 一立方相:-四方相:-斜方相:-三方相:> 1460 （铁电陶瓷中应尽量避免）压力对BaTiC)3基铁电陶瓷的影响J500.2000、z300,7W)80 KM) 120 140TfV(h)00020 40 60 80 100 12014016() 77V (b)X) 4 4封归百图f> JS H力对"J陶资介电常数-温度曲线的影胸标他耻单向压力”1的情况(的中数字第位为过um . lkKf nn - -

10、98l665kP小 (b)能加等静压时的以此国中数字单位为MJ，a$铁电电容器陶瓷-BaTiC>3高电容的电容器-PbTiO3-锯酸铅透明铁电陶瓷- PLZT PbxLax(ZyTi.y) 1/4。3 2.5 ,压电及热释电陶瓷 1990年，居里兄弟发现：当对a石英晶体在 某些特定方向上加压力时，在力方向的垂直于 面上出现正、负束缚电荷，这科现象称为压电 效应某些电介质晶体中，可,并因而引起表面电荷的现象称为克力作用而发生战陶瓷是由许多小晶粒构成的多晶体，这些小晶粒通常是无规则地排列，使陶瓷为各向同性材料，一般不显示压电效应。铁电陶瓷在居里温度以下时具有自发极化和电畴,在强直流电场作用下

11、，电畴将沿电场的方向取向，当撤去电场后，陶瓷仍保留具有沿电场方向的剩余极化,表现为单轴的各向异性。F口如累在铁电陶崖片两恻放上电遇，进行极化,使内 邪晶救定向排列，陶亮便具有压电性，成为压电陶企任电性的条件:工极化处理的徐电陶金-陶瓷内的晶粒呈铁电性-陶瓷经强直流电场处理，即极化处理目前应用最广泛的压电陶瓷都属于钙钛矿 型(ABO3)结构，如钛酸钢，钛酸铅 PbTiO. (PT).,错钛酸铅Pb(Ti“ZQO3 (PZT)：错钛酸铅镯，锯酸钾钠'.压电效应正压电效应：当对某些晶体施加压力、张力或切向 力时，则发生与应力成正比例的介质极化，同时在 晶体两端将出现数量相等、符号相反地束缚电

12、荷， 这种现象称为正压电效应。逆压电效应：在晶体上施加电场引起极化时，将产 生与电场强度成正比例的变形或机械应力。正、逆压电效应统称为压电效应。压电效应的机理陶瓷由许多排列无序的小晶粒构成，具有各向同性，不显 示压电性。经电场处理后,陶瓷存在剩余极化强度，它是以 束缚电荷的形式表现出来，且由各向同性变成各向异性,从 而具有压电性。由于束缚电荷的作用,在陶密片两极板上吸附了一层表面电荷，这些附电荷与片内束缚电荷数量相等,符号相反, 起屏蔽和抵消片内极化强度对外界的作用。电场处理后的陶瓷片当在瓷片上加一个与极化方向平行的压 力F时,在应力的作用下瓷片发生压缩形变,片 内的正、负电荷之间的距离变小，

13、极化强度也变小，原来吸附在电极上的自由电荷有一部分被释放出来,这就是被压缩后出现的压电效应 （正压电）。其过程示意所示：图IX 20 正用电效ZB示意便实总代，利会IfirME况，mm代&帝交G幻帔泥当压力撤去后,陶瓷片恢复原状（膨胀 过程），陶瓷片内的正、负电荷之间的距离 变大，极化强度也变大，因此，电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。当在瓷片上施加与极化方向相同的时，此时增大了极化强度，瓷片发生伸长形变，此时，电能变为机械能（逆压电）。此 过程示意如下：网13.21逆色电效友示意国实株代友也先相的侑况金长代表至交行的情田）量化方育ffl 13.20正Hi电效应示意图（文猿代表

14、胪女的的情况,戊代去影交后的情况，压电陶瓷的性能参数介电性质方面：介电常数、介质损耗-介电常数£反映材料的介电性质，或者说反映材料的极 化性质，不同用途的压电元件对材料的介电常数要求 也木向陶直扬声器、送话器要求£大一些好高频压电元件刚要求£小一些好-介电损耗（小）弹性性质方面：弹性常数、机械品质因子Qm-表示陶瓷材料在谐振时机械损耗的大小- Qm与机械损耗成反比压电性质方面：压电常数、机械耦合系数居里温度、频单常数、密度以及与老化性能和温 度性能有关的参数I籥色mnn压电材料主要工程参数2 =通过正压电效应转换的电能输入的机械能2 =通过逆压电效应转换的械能&q

15、uot;输入的电能压电陶瓷的应用:在水声技术中的应用上在超声技术中的应用主在高电压发生装置上的应用任 在滤波器上的应用上压电陶瓷水声换能器是利用压电陶瓷的正、声波来完成水下观察、逆压电效应发射声波或接收 通信和探测工作。具体过程如下：压电陶瓷在电场作用下具有正负极, 能产生电致伸缩效应，在交变电场作用下发生振动,振动在声频范围内就能发出声音，当在共振频率时就能发出很强的声波，能传几海里以至几十海里,碰到障碍物就能反射回来，压电陶瓷接收反射波并转变为电信号，记录电信号，计算传播时间和方向就可判断障碍物的方向和位置。具有水中雷达的作用。 超声清洗装置¥利用压电陶瓷的，在高驱动电场下产生高

16、强度超声波，用这种压电振子来振荡液体，连细 小深孔中的油污都能清除干净。 超声医疗诊断技术用压电陶瓷制成的超声波发生探头发出的超声波在 体内传输，遇到病灶能反射回来，压电陶瓷传感器 接收并在荧光扉上显示出来。 超声乳化、超声打孔、超声粉碎、超声波测距计、 电视机遥控等。利用压电陶瓷的正压电效应，可以简单地将机 械能转换成电能，产生高电压。压电陶瓷可作为：压电点火器、煤气灶点火器、打火机、压电开关等。#滤波器的主要功能是决定或限制电路的工作频 率，压电陶瓷滤波器利用压电陶瓷的谐振效应, 在线路中分割频率，只允许一段频率通过。 应用：电视机的视屏中间滤波器、调频接收机 用中频滤波器等。A主要用途：

17、高档医用B超探头材料性能：介电常数可高达5000、6000、7000系歹ij热释电效应：晶体由于温度的变化而发生自发极 化，在晶体的一定方向上产生表面电荷的现象称 为热释电效应。具有这种效应的陶瓷称为热释电 陶瓷具有热释电效应的必要条件一自发极化O钛酸铁，钛酸铅，错钛酸铅热释电红外探测器（红外传感器） 入侵报警 火焰探测 红外热象仪等应用：红外探测器是一种高科技产品，具有很高的性价比。除了军事应 用外，在工业设备检测和监控、疾病早期诊断与医疗监控、消防和海上 救援用头盔夜视仪、高速公路和银行夜间安全监视、森林火灾预警、仓 库和重要物资的夜间监控与保卫、执法辑毒和生活小区防范等领域具有 广阔的应用前景与巨大的市场潜力。未来20年红外探测器的需求量预计 年增长率将达到20%以上。特点：热释电材料（单晶、陶姿和薄膜）是红外探测器的关