電介質(zhì)陶瓷課件

電介質(zhì)陶瓷一、相關(guān)概念電介質(zhì)在電場下的極化介電常數(shù)介電常數(shù)的溫度系數(shù)介質(zhì)損耗++++++++導(dǎo)體內(nèi)電場強(qiáng)度外電場強(qiáng)度感應(yīng)電荷電場強(qiáng)度+++++++金屬球放入后電力線發(fā)生彎曲電場為一非均勻場尖端放電現(xiàn)象+++++++++注意導(dǎo)體表面電荷分布與導(dǎo)體形狀以及周圍環(huán)境有關(guān).帶電導(dǎo)體尖端附近電場最強(qiáng)帶電導(dǎo)體尖端附近的電場特別大，可使尖端附近的空氣發(fā)生電離而成為導(dǎo)體產(chǎn)生放電現(xiàn)象，即尖端放電.

尖端放電現(xiàn)象

尖端放電會損耗電能,還會干擾精密測量和對通訊產(chǎn)生危害。然而尖端放電也有很廣泛的應(yīng)用，如目前尖端放電及相應(yīng)的靜電技術(shù)已應(yīng)用到控制作物的生長、農(nóng)產(chǎn)品的保鮮和貯存等。尖端放電現(xiàn)象的利與弊＋＋＋＋————對于極性分子電介質(zhì)的內(nèi)部機(jī)制，如圖所示：無外場時有外電場時+++---對于非極性分子電介質(zhì)的內(nèi)部機(jī)制，如圖所示：無外場時有外電場時

電介質(zhì)在外電場的作用下，介質(zhì)內(nèi)部的正、負(fù)電荷總量依然相等，表現(xiàn)為中性。但在介質(zhì)外表面上卻出現(xiàn)了只有正電荷或負(fù)電荷的電荷層，由于這種電荷并不能象導(dǎo)體中的自由電荷那樣可以用傳導(dǎo)的方式引走，因此稱之為極化電荷或束縛電荷。圖中的為感應(yīng)電偶極矩

在外電場作用下，電介質(zhì)表面出現(xiàn)極化電荷的現(xiàn)象稱為電介質(zhì)的極化。電極化強(qiáng)度：單位體積內(nèi)分子電偶極矩的矢量和。

如用表示電極化強(qiáng)度矢量，表示電介質(zhì)中某一體積ΔV內(nèi)某分子（第i個分子）的電偶極矩，則可列成：(4—45)如令，即得電介質(zhì)中某一點的電極化強(qiáng)度：（4—46）電極化強(qiáng)度的單位為：庫侖?米-2（記作C?m-2）電介質(zhì)極化電子極化離子極化轉(zhuǎn)向計劃＋＋正負(fù)離子發(fā)生相對位移產(chǎn)生電偶極聚R為原子半徑一般為的2－5倍有永久偶極矩，通過轉(zhuǎn)向與電場取向一致－－－－－－－－－+++++++－－－－－－－－－+++++++極化平行板電容器兩極板間充滿電介質(zhì)時，電容器的電容為：

由此比較可得，平行板電容器兩極板間沒有電介質(zhì)和充滿電介質(zhì)時，電場與電場、電容與電容之間的關(guān)系為：其中：（4—59）可見，平行板電容器的電容只與自身的幾何尺寸與電介質(zhì)材料有關(guān)。兩極間為真空時此球形電容器的電容當(dāng)兩極間充滿相對介電常數(shù)為的電介質(zhì)時的電容：對于多相電介質(zhì)，如果各方向與電場平行，則多相電介質(zhì)的介電常數(shù)可表示為：如果各方向與電場垂直，則多相電介質(zhì)的介電常數(shù)可表示為：電絕緣陶瓷基本要求：1、高體電阻率2、低介電常數(shù)3、介質(zhì)損耗小4、機(jī)械強(qiáng)度高5、化學(xué)穩(wěn)定性好分類氧化物非氧化物氧化物

氧化鋁氧化鎂多元系統(tǒng)陶瓷高鋁瓷（氧化鋁—氧化硅系）99、95、75瓷鎂質(zhì)瓷（氧化鎂—氧化鋁—氧化硅系）電容器陶瓷當(dāng)代電子技術(shù)向著高頻方向發(fā)展，只有陶瓷電容器才能在千兆赫以上頻率范圍內(nèi)有效地發(fā)揮作用。溫度補償電容器，可保證在環(huán)境溫度變化的情況下，也能正常工作。近年來，電子元件朝著輕薄和小型化發(fā)展，對電容器的要求則為增加電容器每單位體積的電容量，多層陶瓷電容器以大容量、小體積而適應(yīng)了這一趨勢。分類非鐵電類陶瓷材料非鐵電類陶瓷材料包括金紅石基、鈦酸鹽基、錫酸鹽基和鈮酸鹽基陶瓷材料：金紅石基材料可制成高頻溫度（熱）補償型陶瓷電容器；鈦酸鹽基材料包括鈦酸鈣、鈦酸鎂陶瓷材料；錫酸鹽基材料包括錫酸鈣、錫酸鋇、錫酸鍶等陶瓷材料；鈮酸鹽材料包括鈮鉍鎂系和鈮鉍鋅系等陶瓷材料。鐵電類陶瓷材料

鐵電類陶瓷材料中3小分類是：鐵電體，主要有鈣鈦礦系材料的鈦酸鋇陶瓷或以鈦酸鋇為基的固溶體。另外，鈦酸鍶也是鐵電體材料；反鐵電體，主要有鋯酸鉛或以鋯酸鉛為基的固溶體、鈮酸鑭等；馳豫型鐵電體，包括鈣鈦礦系的鈮鎂酸鉛、鈮鋅酸鉛等，它是目前最有發(fā)展前途的電容器材料之一。鐵電晶體的一般特性：?其最基本的特性為在某些溫度范圍會具有自發(fā)極化，而且極化強(qiáng)度可以隨外電場反向而反向，從而出現(xiàn)電滯回線。?自發(fā)極化：鐵晶體管是電介質(zhì)中一類特別重要的介晶體管。電介質(zhì)的特性是：他們以感應(yīng)而非以傳導(dǎo)的方式傳播電的作用與影響。按照這個意義來說，不能簡單的認(rèn)為電介質(zhì)就是絕緣體。在電介質(zhì)中起主要作用的是束縛著的電荷，在電的作用下，他們以正、負(fù)電荷重心不重和的電極化方式傳遞和紀(jì)錄電的影響。而鐵電晶體是-------即使沒有外加電場，也可以顯現(xiàn)出電偶極距的特性。因其每單位晶胞帶有電偶極矩，且其極化率與溫度有關(guān)。?極化強(qiáng)度隨場強(qiáng)呈非線性變化關(guān)系。

電滯回線飽和極化強(qiáng)度剩余極化強(qiáng)度矯頑電場強(qiáng)度?鐵電晶體的分類：現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)，具有鐵電性的晶體很多，但概括起來可以分為兩大類：a.一類以磷酸二氫鉀KH2PO4--簡稱KDP--為代表，具有氫鍵，他們從順電相過渡到鐵電相是無序到有序的相變。以KDP為代表的氫鍵型鐵電晶體，中子繞射的數(shù)據(jù)顯示，在居里溫度以上，質(zhì)子沿氫鍵的分布是成對稱沿展的形狀。在低于居里溫度時，質(zhì)子的分布較集中且不對稱于臨近的離子，質(zhì)子會較靠近氫鍵的一端。b.另一類則以鈦酸鋇為代表，從順電相到鐵電像的過渡是由于其中兩個子晶格發(fā)生相對位移。對于以為代表的鈣鈦礦型鐵電體，繞射實驗證明，自發(fā)極化的出現(xiàn)是由于正離子的子晶格與負(fù)離子的子晶格發(fā)生相對位移。Ba2+O2-Ti4+反鐵電體在一定溫度范圍內(nèi)相鄰離子聯(lián)線上的偶極子呈反平行排列，宏觀上自發(fā)極化強(qiáng)度為零，無電滯回線的材料，稱為反鐵電體。

在外電場、熱應(yīng)力誘導(dǎo)下反鐵電相將向鐵電相轉(zhuǎn)變，呈現(xiàn)雙電滯回線。

利用反鐵電相-鐵電相的相變可作機(jī)-電換能器，儲能電容器應(yīng)用。在紅外探測、參量放大、高壓發(fā)生等方面亦有應(yīng)用的可能性。

鋯酸鉛、鉿酸鉛、鈮酸鈉、磷酸二氫銨、碘酸銨及三氧化鎢等都是典型的反鐵電材料。

弛豫型鐵電體弛豫鐵電體就是從加電場到極化方向反轉(zhuǎn)或重新定向有一段時間的材料比如新型弛豫鐵電單晶鈮鎂酸鉛(簡稱PMNT)或鈮鋅酸鉛(簡稱PZNT)是一類新興的功能材料，其在準(zhǔn)同型相界附近具有優(yōu)于傳統(tǒng)壓電陶瓷的較高的壓電常數(shù)和電致伸縮系數(shù)，可完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)的壓電陶瓷具有優(yōu)良的鐵電、壓電、熱釋電、非線性光學(xué)性能的鎢青銅結(jié)構(gòu)陶瓷是功能陶瓷領(lǐng)域的前沿研究方向之一。

弛豫型鐵電體(relaxorferroelectrics,簡稱RFE)近40年來,由于鈣鈦礦結(jié)構(gòu)RFE極大的介電常數(shù)、無滯后的電致伸縮系數(shù)和獨特的微觀極化機(jī)制,受到應(yīng)用及理論研究者的廣泛關(guān)注。鈮鎂酸鉛(Pb(Mg1/3Nb2/3)O3,簡稱PMN)是典型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)RFE。半導(dǎo)體類陶瓷電容器材料半導(dǎo)體類陶瓷電容器材料中的還原氧化類，是以鈦酸鋇為材料經(jīng)還原、氧化等處理制成。晶界層類是以摻雜的鈦酸鋇或鈦酸鍶涂覆金屬氧化物、熱處理等工藝而制成。用上述半導(dǎo)體材料制成多層陶瓷電容器，將會使其體積更小、容量更大，這是今后電容器發(fā)展的方向。另外，我們未將以往書刊中提到的阻擋層型半導(dǎo)體陶瓷電容器材料列入分類中，是因其性能不佳，現(xiàn)已被淘汰。壓電陶瓷的結(jié)構(gòu)與原理壓電效應(yīng)是在一八八○年由居禮兄弟（PierreCurie,1859-1906及JacquesCurie,1856-1941）二位研究人員，針對石英、閃鋅礦、電氣石等單晶體研究其在承受壓力時的反應(yīng)所發(fā)現(xiàn)的。其后，又在鈦酸鋇、鈦酸鉛、鋯酸鉛等多種陶瓷體上發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象。上述的陶瓷體在受到壓力時，晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生電荷分布的偏極化，而在不同端具有不同的表面電荷，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)，可應(yīng)用在點火器、應(yīng)力偵測器、壓電觸摸開關(guān)等裝置中。

若在壓電陶瓷體上加以電位差，則可使陶瓷體產(chǎn)生變形，因而將外加的電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，這種現(xiàn)象稱為負(fù)壓電效應(yīng)。負(fù)壓電效應(yīng)可應(yīng)用于超音波裝置，如超音波洗凈器、魚群偵測器、超音波診斷機(jī)及蜂鳴器，此外亦可應(yīng)用于精密位移定位系統(tǒng)、壓電馬達(dá)、噴墨打印機(jī)噴頭等裝置中。除了上述的單一效應(yīng)外，亦可將正、負(fù)效應(yīng)組合應(yīng)用在濾波器、共振器及壓電變壓器等裝置上。

概念在無對稱中心的晶體上施加一應(yīng)力時，晶體發(fā)生與應(yīng)力成比例的極化，導(dǎo)致晶體兩端表面出現(xiàn)符號相反的電荷；反之，當(dāng)對這類晶體施加一電場時，晶體將產(chǎn)生與電場強(qiáng)度成比例的應(yīng)變。這兩類效應(yīng)都稱為壓電效應(yīng)，前者稱為正壓電效應(yīng)，后者稱為逆壓電效應(yīng)。從晶體結(jié)構(gòu)看，屬于鈣鈦礦、鎢青銅型、含鉍層結(jié)構(gòu)的陶瓷都具有壓電性。但目前應(yīng)用最廣的壓電陶瓷，如鈦酸鋇、鈦酸鉛、鋯鈦酸鉛等都屬于鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。Ba,Pb,CaOTi1880年法國人居里兄弟發(fā)現(xiàn)了“壓電效應(yīng)”。1942年,第一個壓電陶瓷材料———鈦酸鋇先后在美國、前蘇聯(lián)和日本制成。1947年,鈦酸鋇拾音器———第一個壓電陶瓷器件誕生了。上世紀(jì)50年代初,又一種性能大大優(yōu)于鈦酸鋇的壓電陶瓷材料———鋯鈦酸鉛研制成功。從此,壓電陶瓷的發(fā)展進(jìn)入了新的階段。60年代到70年代,壓電陶瓷不斷改進(jìn),逐趨完美。如用多種元素改進(jìn)的鋯鈦酸鉛二元系壓電陶瓷,以鋯鈦酸鉛為基礎(chǔ)的三元系、四元系壓電陶瓷也都應(yīng)運而生。這些材料性能優(yōu)異,制造簡單,成本低廉,應(yīng)用廣泛。發(fā)展過程利用壓電陶瓷將外力轉(zhuǎn)換成電能的特性,可以制造出壓電點火器、移動X光電源、炮彈引爆裝置。用兩個直徑3毫米、高5毫米的壓電陶瓷柱取代普通的火石,可以制成一種可連續(xù)打火幾萬次的氣體電子打火機(jī)。用壓電陶瓷把電能轉(zhuǎn)換成超聲振動,可以用來探尋水下魚群的位置和形狀,對金屬進(jìn)行無損探傷,以及超聲清洗、超聲醫(yī)療,還可以做成各種超聲切割器、焊接裝置及烙鐵,對塑料甚至金屬進(jìn)行加工。壓電陶瓷的應(yīng)用壓電陶瓷對外力的敏感使它甚至可以感應(yīng)到十幾米外飛蟲拍打翅膀?qū)諝獾臄_動,并將極其微弱的機(jī)械振動轉(zhuǎn)換成電信號。利用壓電陶瓷的這一特性,可應(yīng)用于聲納系統(tǒng)、氣象探測、遙測環(huán)境保護(hù)、家用電器等方面。如今壓電陶瓷已經(jīng)被科學(xué)家應(yīng)用到國防建設(shè)、科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)以及和人民生活密切相關(guān)的許多領(lǐng)域中,成為信息時代的多面手。在航天領(lǐng)域,壓電陶瓷制作的壓電陀螺,是在太空中飛行的航天器、人造衛(wèi)星的“舵”。依靠“舵”,航天器和人造衛(wèi)星,才能保證其既定的方位和航線。傳統(tǒng)的機(jī)械陀螺,壽命短,精度差,靈敏度也低,不能很好滿足航天器和衛(wèi)星系統(tǒng)的要求。而小巧玲瓏的壓電陀螺靈敏度高,可靠性好。在潛入深海的潛艇上,都裝有人稱水下偵察兵的聲納系統(tǒng)。它是水下導(dǎo)航、通訊、偵察敵艦、清掃敵布水雷的不可缺少的設(shè)備,也是開發(fā)海洋資源的有力工具,它可以探測魚群、勘查海底地形地貌等。在這種聲納系統(tǒng)中,有一雙明亮的“眼睛”———壓電陶瓷水聲換能器。當(dāng)水聲換能器發(fā)射出的聲信號碰到一個目標(biāo)后就會產(chǎn)生反射信號,這個反射信號被另一個接收型水聲換能器所接收,于是,就發(fā)現(xiàn)了目標(biāo)。目前,壓電陶瓷是制作水聲換能器的最佳材料之一。在醫(yī)學(xué)上,醫(yī)生將壓電陶瓷探頭放在人體的檢查部位,通電后發(fā)出超聲波,傳到人體碰到人體的組織后產(chǎn)生回波,然后把這回波接收下來,顯示在熒光屏上,醫(yī)生便能了解人體內(nèi)部狀況。在工業(yè)上,地質(zhì)探測儀里有壓電陶瓷元件,用它可以判斷地層的地質(zhì)狀況,查明地下礦藏。還有電視機(jī)里的變壓器———電壓陶瓷變壓器,它體積變小、重量減輕,效率可達(dá)60%～80%,能耐住3萬伏的高壓,使電壓保持穩(wěn)定,完全消除了電視圖像模糊變形的缺陷?，F(xiàn)在國外生產(chǎn)的電視機(jī)大都采用了壓電陶瓷變壓器。一只15英寸的顯像管,使用75毫米長的壓電陶瓷變壓器就行了。這樣就使電視機(jī)體積變小、重量減輕了。壓電陶瓷也廣泛用于日常生活中。用兩個直徑3毫米、高5毫米的壓電陶瓷柱取代普通的火石制成的氣體電子打火機(jī),可連續(xù)打火幾萬次。利用同一原理制成