材料科学与技术第19课

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第三节介电陶瓷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：①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

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：②钙钛矿型陶瓷等制作工艺：③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微波介质陶瓷的电性能Ba2Ti9O20Ba(Zn1/3Ta2/3)O3Ba(Zn1/3Ta2/3)O3+1%Mn(摩尔分数)1%Mn(摩尔分数)Ba(Mg1/3Ta2/3)O3+(Zn,Sn)TiO3(Mg,Ca)TiO3—La2O3介质谐振器的频率温度系数测定频率陶瓷GHz第四节铁电陶瓷一、低温烧结电容器陶瓷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

高介电常数电容器陶瓷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、录像机磁头调节等第五节压电陶瓷一、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各向异性的实际的电介质：D1不仅与E1有关、还可能与E2和E3

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)2、介电损耗真实介质电容器的电流包括三部分：②电容器介质的极化电流③介质的漏电流①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？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①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①机械品质因数②机电耦合系数K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②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：