对介电功能陶瓷性能的研究.doc

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现代科学技术概论

作业题目 材料科学基础论文
二级学院 新能源学院
专 业 新能源科学与工程
班 级 新能源一班
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对介电功能陶瓷性能的研究

【摘要】 随着材料科学技术的飞速发展，电功能陶瓷材料的低位变得日益重要，其特性方面发挥的优越性是其他材料不可代替的。电功能材料作为一种精细陶瓷，采用高度精选的原料，通过精密调配的化学组成和严格控制的制造工艺合成的陶瓷材料。近年来，电子元件随科技发展和市场需求不断向片式化、小型化、多功能化等趋势发展，其中，片式化是小型化、多功能化发展的基础。因此，片式化材料和器件的研究成为热点。在片式化多层结构中，为了使用银、铜内电极，降低元件制作成本，低温共烧陶瓷技术成为近年来兴起的一种令人瞩目的多学科交叉的整合组件技术。从介电材料的低温烧结和掺杂改性入手，通过调节成型压力，成型方式，叠层结构，以及采用零收缩技术，零收缩差技术，加入中间层等工艺技术和结构的改变，来研究层状共烧体的收缩率匹配，界面反应，界面扩散和介电性能，最终解决两种材料之间的共烧兼容问题，获得可低温烧结的无翘曲变形，无开裂等缺陷且界面结合良好的叠层共烧体。介电陶瓷和绝缘陶瓷在本质上属于同一类陶瓷，但是与绝缘陶瓷不同的是，主要利用介电性能的陶瓷称为介电陶瓷或者说，介电陶瓷是通过控制陶瓷的介电性质，使之具有较高的介电常数、较低的介质损耗和适当的介电常数温度系数的一类陶瓷。

【关键词】 陶瓷 功能 系数 介电

【引言】 介电陶瓷对人类的生活影响涉及方方面面，但是人类对功能陶瓷的利用在一些方面的利用还是个空白，我设想如果我们把介电陶瓷用在谐振器、耦合器、滤波器、电容器、半导体、变压器等生活电器中时，这些电器将在工作效率和工作寿命上有很大的提高。为了加强对介电功能陶瓷的功能的广泛利用，我对介电功能陶瓷材料的介电特性做了深入研究。通过对材料性质的分析，我采用实验分析法，设计了周密的实验方案，同时我对介电功能陶瓷的理论基础做了研究设想，设计了研究方法和实验设计。如果电功能陶瓷得到很好的利用，我们的电器和各种电子设备间的工作效率将大大提高，设备制造成本也将大大降低。所以，研究介电功能陶瓷有很深远的意义。

一、节电功能陶瓷的定义
陶瓷材料特有的高强度、耐热性、稳定性等特点，被人们普遍看好用作集成电路板的制造材料。目前作为集成电路基板的陶瓷材料主要有氧化铝、氧化铍、碳化硅及氮化铝等，其中以氧化铝应用最为普遍。 　　
这类陶瓷的介电损耗低，机械强度高，已被广泛应用于基板材料。氧化铍最大的优点是导热系数高，但制造工艺较复杂，成本高，毒性大，限制了它的使用。碳化硅的导热性优于氧化铝，有人采用热压方法，已制成高性能基板，工作到200℃左右时其性能仍能满足实用要求，但是由于添加剂有毒性，同时热压烧结工艺复杂，限制了它的发展。近年来氮化铝基板引起国内外的普遍关注。日本商品化生产氮化铝的热传导率是目前广泛使用的氧化铝瓷热传导率的10倍左右，其他电性能也和氧化铝陶瓷大致相当，有希望成为超大规模集成电路的下一代优质基板材料。
电介质陶瓷主要包括介电陶瓷、压电陶瓷、热释电陶瓷和铁电陶瓷。其中介电陶瓷的利用最为广泛，具有巨大的研究与开发空间。
二、介电陶瓷的计划与介电常数
设想在平行板电容器的两板上，充以一定的电荷，当两板间存在电 介质时，两板的电位差总是比没有电介质存在（真空）时低，在介质表面上会出现感应电荷，如下图所示。
这些感应电荷部分屏蔽了板上自由电荷所产生的静电场，这种感应电荷不能自由迁移，称为束缚电荷。
电介质在电场作用下产生感应电荷的现象，称为电极化。电介质：一切绝缘体统称为电介质，或者是在外电场的作用下内部结构发生变化，并且反过来影响外电场的物质。
电介质极化示意图

在电场作用下，电介质以正、负电荷重心不重合的电极化方式来传递并记录电的影响。
从微观上看，电极化是由于组成介质的原子（或离子）中的电子壳层在电场作用下发生畸变，以及由于正负离子的相对位移而出现感应电矩。
电极化是电介质最基本和最主要的性质，介电常数是综合反映介质内部电极化行为的一个主要的宏观物理量。
我们知道，对极板面积为，两极板表面距离为，极板间真空的平行板电容器的电容为:

式中——真空中的介电常数。
当两极板间放入电介质时，店同庆的电容增加，实验表明，两极板间为真空时的电容与两极板间充满均匀电介质时的电容的比值为:

叫作介质的相对介电常数。
所以，

式中，叫作电介质的介电常数。
为电容之比，是一个没有单位的纯数。所以电介质的介电常数的单位和真空的介电常数的单位相同。
F/m
前述电极化概念时，把感应电荷称为束缚电荷，而束缚电荷的面密度或介质中单位体的电矩即为极化强度，以表示。不仅与外电场强度有关，更与介质本身的特性有关。
真空时，电位移
式中——两极板间为真空的介质中静电场。
有电介质时，

式中——两极板间有电介质时的介质中的宏观静电场；
——截止的介电常数。
电位移为

介质的介电常数，为相对介电常数，是电子陶瓷材料中一个十分重要的参数，不同用途的陶瓷对有不同的要求。例如，绝缘陶瓷一般要求9，否则使线路的分布电容太大，影响线路的参数，而电容器陶瓷一般要求越大越好，大可以做成大容量小体积的电容器。
三、极化与介质损耗
任何介质的电场作用下，总是或多或少地把部分电能转变成热能而使介质发热。在单位时间内因发热而消耗的能量称为损耗功率或简称介质损耗，常用来表示，其值越大，能量损耗也越大，称为介质损耗角，其物理意义是指在交变电场下电介质的电位移与电场强度的相位差。
介质损耗是所有应用于交变电场中电介质的重要的品质指标之一，因为介质在电工或电子工业可能影响元器件的正常工作。例如用于谐振回路中的电容器，其介质损耗过大时，将影响整个回路的调谐锐度，从而影响整机的灵敏度和选择性。介质损耗严重时，甚至会导致介质过热而破坏绝缘。从这种意义上说，介质损耗越小越好。
实际用的绝缘材料，其电阻不可能无穷大，在外电场作用下，总有一些带电质点会发生移动而引起漏导损耗。
一切介质在电场中均会呈现出极化现象，除电子、离子的弹性位移极化基本上不消耗能量外，其他缓慢极化（如松弛极化、空间电荷极化等）在极化缓慢建立的过程中都会因克服阻力而引起能量的损耗，这种介质损耗一般称为极化损耗。
tgδ的倒数Q（Q=1/tgδ）称为介电陶瓷材料的电学品质因数，这也是介电陶瓷重要的特征评价参数。
1、松弛极化：当材料中存在弱联系电子、离子和偶极子等松弛质点时，热运动使这些松弛质点分布混乱，而电场力图使这些质点按电场规律分布，最后在一定温度下发生极化。松弛极化的带电质点在热运动时移动的距离，可与分子大小相比拟，甚至更大，并且质点需要克服一定的势垒才能移动，因此这种极化建立的时间较长（可达到10-2-10-9s），需要吸收一定的能量，是一种非可逆过程。包括电子松弛极化、离子松弛极化和偶极子松弛极化，多出现在晶体缺陷区或玻璃体内。
2、空间电荷极化：常发生不均匀介质中。在电场作用下，不均匀介质内部的正负间隙离子分别向负、正极移动，引起介质内各点离子密度的变化，即出现电偶极矩，这种极化称为空间电荷极化。在电极附近积聚的离子电荷就是空间电荷。随着温度的升高而下降，这是由于温度升高，离子运动加剧，离子容易扩散，因而空间电荷减少。空间电荷的建立需要较长时间，大约几秒到数十分钟，甚至可达数十小时。
四、介电陶瓷材料及其应用
介电陶瓷主要用于陶瓷电容器和微波介质元件。陶瓷电容器是现代电子线路中必不可少的元件，每个电视机或录像机中都含有100-200个陶瓷电容器，由于陶瓷的介电特性好，可制成体积小、容量大的电容器。电视机超高频（UHF）的频率为300MHz，通讯卫星的频率大于10000MHz，只有陶瓷电容器才能在1000MHz以上的频率有效的工作。
在微波应用中，当使用空腔共振器的过滤器时，体积很大，而采用介电陶瓷，则可使微波通信和其他微波设备小型化。
1、 陶瓷电容器
用于制造电容器的介电陶瓷，在性能上一般应达到如下要求：
（1）介电常数应尽可能高，介电常数越高，陶瓷电容器的体积可以做得越小。
（2）在高频、高温、高压及其他恶劣环境下，陶瓷电容器性能稳定可靠。
（3）介电损耗要小，这样可以在高频电路中充分发挥作用，对于高功率陶瓷电容器，能提高无功功率。
（4）比体积电阻高于1010Ω·m，这样可保证在高温下工作。
（5）具有较高的介电强度，陶瓷电容器在高压和高功率条件下，往往由于击穿而不能工作，因此提高电容器的耐压性能，对充分发挥陶瓷的功能有重要作用。
陶瓷电容器有温度补偿电容器用于介电陶瓷、半导体电容器陶瓷、高介电常数电容器用陶瓷、高压电容器陶瓷。
2、微波介质陶瓷
微波介质陶瓷主要用于制作微波电路元件，微波电路元件要求介电陶瓷在微波频率下具有如下性能：
（1）介电常数适当且稳定；
（2）介质损耗小；
（3）介电常数温度系数小；
（4）热膨胀系数小。
微波介质陶瓷主要用于谐振器、耦合器、滤波器等微波器件以及微波介质基片。

【结论】
1、固体介质的击穿场强往往取决于材料的均匀性；
2、大部分材料在交变电场下的击穿场强低于直流下的击穿场强，在高频下由于局部放电的加剧，使得击穿场强下降得厉害，并且材料得介电常数越大，击穿场强下降得越多；
3、无机电介质在高频下得击穿往往具有热得特征，发生纯粹电击穿得情况并不多见；
4、在室温附近，高分子电介质的击穿场强往往比陶瓷等无机材料要大，并且极性高聚物的击穿场强比非极性的大；
5、在软化温度附近，热塑性高聚物的击穿场强急剧下降。

【参考文献】
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