摘 要 本文對(duì)陶瓷電容器材料提出了一種新的三級(jí)分類方法，并對(duì)該分類法的依據(jù)予以探討，同時(shí)說明了本分類系統(tǒng)的特點(diǎn)。
1、前 言：五十年代初，隨著電視工業(yè)的發(fā)展，為了解決電容器因潮濕而失效的問題，以陶瓷為材料、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的瓷片電容器已在低容量電路中廣泛應(yīng)用。此后，不同介電常數(shù)、不同結(jié)構(gòu)、不同功能的陶瓷電容器相繼出現(xiàn)。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(bǔ)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(duì)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(shì)。當(dāng)今陶瓷電容器無論在數(shù)量還是在未來發(fā)展的潛力方面，都已占據(jù)了主導(dǎo)地位。
為進(jìn)一步開發(fā)與研究陶瓷電容器材料，有必要全面了解當(dāng)今陶瓷電容器材料的現(xiàn)狀，因而首先需要一個(gè)完整、合理的分類系統(tǒng)。但是，至今陶瓷電容材料的分類方法較多，各有優(yōu)缺點(diǎn)，尚未達(dá)到統(tǒng)一與公認(rèn)的程度。為此，我們?cè)谝酝鞣N分類方法的基礎(chǔ)上，提出一種新的分類方法，以供參考。
2、有關(guān)陶瓷電容器材料分類法簡(jiǎn)介：
a.龜子陶瓷材料》一書中，將陶瓷介電材料分為3類，即:①介電系數(shù)低于12的絕緣材料;②介電系數(shù)高于12的介電材料;③鐵電性陶瓷。而障壁層電容器材料有3類，即:Ti0 z, BaTiO s及SrTiO s 。
b.規(guī)代陶瓷及其應(yīng)用》一書中，將介電陶瓷分成非鐵電、鐵電和反鐵電3類。另外提到了半導(dǎo)體陶瓷是另一類陶瓷電容器材料，按其結(jié)構(gòu)分成3類:阻擋層半導(dǎo)體陶瓷、還原氧化型半導(dǎo)體陶瓷、晶界層半導(dǎo)體陶瓷!z1 C. A. .1. Moulson, .1. M. Herbert于1990年將陶瓷介電材料分為3類;①低個(gè)電常數(shù)陶瓷，主要用作簡(jiǎn)單的絕緣器，還可用于高頻狀態(tài)下具有小電容特點(diǎn)的電容器;②中介電常數(shù)陶瓷;③高介電常數(shù)陶瓷，又分改性欽酸鋇電介質(zhì)、其他鈣欽礦結(jié)構(gòu)、阻擋層介電材料3類31 d.特種陶瓷》一書中，將電容器陶瓷分為3類:①非鐵電電容器陶瓷;②鐵電電容器陶瓷;③反鐵電電容器陶瓷。又將陶瓷電容器分為4類:①溫度熱)補(bǔ)償型電容器;②溫度熱)穩(wěn)定型電容器;③高介電常數(shù)電容器;④半導(dǎo)體陶瓷電容器!
3、陶瓷電容器材料新分類法：
本分類法將電容器材料按3級(jí)分類，首先分為2大類:i)絕緣體類陶瓷電容器材料;交)半導(dǎo)體類陶瓷電容器材料。其中絕緣體類又分2類:1)非鐵電體類;如鐵電體類。半導(dǎo)體類亦可分為2類:1)還原氧化類;卯晶界層類。鐵電類又分3小類:1)鐵電體;卯反鐵電體;卯弛豫型鐵電體。各大類、類及小類關(guān)系見下圖。
下面就此分類系統(tǒng)中各類常用材料作簡(jiǎn)要說明。
3. 1、非鐵電類陶瓷材料：
非鐵電類陶瓷材料包括金紅石基、欽酸鹽基、錫酸鹽基和妮酸鹽基陶瓷材料:金紅石基材料可制成高頻溫度熱)補(bǔ)償型陶瓷電容器;欽酸鹽基材料包括欽酸鈣、欽酸鎂陶瓷材料;錫酸鹽基材料包括錫酸鈣、錫酸鋇、錫酸銘等陶瓷材料;妮酸鹽材料包括妮銘鎂系和妮銘鋅系等陶瓷材料。
3. 2、鐵電類陶瓷材料：
鐵電類陶瓷材料中3小分類是:①鐵電體，主要有鈣欽礦系材料的欽酸鋇陶瓷或以欽酸鋇為基的固溶體。另外，欽酸銘也是鐵電體材料;②反鐵電體，主要有錯(cuò)酸鉛或以錯(cuò)酸鉛為基的固溶體、妮酸斕等③馳豫型鐵電體，包括鈣欽礦系的妮鎂酸鉛、妮鋅酸鉛等，它是目前最有發(fā)展前途的電容器材料之一。
3. 3、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，是以欽酸鋇為材料經(jīng)還原、氧化等處理制成。晶界層類是以摻雜的欽酸鋇或欽酸銘涂覆金屬氧化物、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(huì)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。
4、新分類法的依據(jù)：
a.從材料的電性能上看，固體材料可分為四大類，即絕緣體、半導(dǎo)體、導(dǎo)體和超導(dǎo)體。目前能用作陶瓷電容器材料，僅涉及上述前2類中的一部分，即所有陶瓷電容器材料，均為絕緣體或半導(dǎo)體，但不是所有絕緣體或半導(dǎo)體都能作陶瓷電容器材料。所以我們從物質(zhì)這一基本屬性出發(fā)，將陶瓷電容器材料分為絕緣體與半導(dǎo)體兩大類。絕緣體可用作兩類材料即絕緣材料和介電材料。
絕緣材料介電系數(shù)通常小于12，只起絕緣作用，不能用作電容器材料，而介電材料可用作電容器材料，它的介電常數(shù)和熱損耗角正切tan 8對(duì)其在電路中發(fā)揮作用最為重要。在分類時(shí)不應(yīng)將絕緣體大類中分支的介電材料與半導(dǎo)體大類并列。其實(shí)在一級(jí)類別中的鮑緣體類”與竿導(dǎo)體類”均未直接涉及到某一具體材料，為了方便，似乎均可省略。以往有的分類法是將鮑緣體’夕省略了，而將竿導(dǎo)體”作為另一類材料提出。但從各類材料來源看，絕緣體’夕和竿導(dǎo)體’夕一樣，都列入大類 于級(jí)類別)中，似更妥當(dāng)。
b.為了分類的合理、簡(jiǎn)明、實(shí)用，我們又將人們常用的能作電容器材料的價(jià)電材料’夕一詞不列入分類中，而用它包括的非鐵電類與鐵電類作為二級(jí)類別，二者均可作陶瓷電容器材料。鐵電類具有高介電常數(shù)，而非鐵電類具有低介電常數(shù)，并無自發(fā)極化。同理，我們也不將能作電容器的半導(dǎo)體”一詞列入分類中，只用其包括的還原氧化類及晶界層類作為二級(jí)類別，這樣可避免分類中的層次紊亂。 c.在三級(jí)類別中，我們將鐵電類再分為鐵電體、反鐵電體、馳豫型鐵電體3小類。
因?yàn)檎叨季哂懈呓殡姵?shù);鐵電體與反鐵電體有相似處，如①都有自發(fā)極化，只是反鐵電體的每個(gè)電疇中存在兩個(gè)方向相反、大小相等的自發(fā)極化;②都有居里點(diǎn);③鐵電體有電滯回線，反鐵電體有類似的雙電滯回線;④介電常數(shù)與溫度均有非線性關(guān)系。卯馳豫型鐵電體與鐵電體也有密切關(guān)系，如①馳豫型鐵電體將互不聯(lián)系的馳豫現(xiàn)象和鐵電現(xiàn)象聯(lián)系到一起;② Smolensky和Isupov等用成份起伏模型理論說明了高溫時(shí)馳豫型鐵電體處于完全順電態(tài)，低溫時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆F電態(tài);. Sette:和stenge:提出有序無序模型理論，說明了退火時(shí)間越長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)有序度越高，S值越大，材料介電頻率色散逐漸消失，彌散相變逐漸退化，最后轉(zhuǎn)變?yōu)檎ｈF電體現(xiàn)象;④姚熹、Cross等用微疇—宏疇轉(zhuǎn)變與超順電態(tài)模型理論，解釋了弛豫型鐵電體在直流偏置電場(chǎng)下降溫冷卻，相鄰的微疇會(huì)形成較大的宏疇，介電頻率色散消失，其性能轉(zhuǎn)變?yōu)榕c正常鐵電體相近的現(xiàn)象;⑤按B urn等學(xué)者提出的玻璃化模型理論，程忠陽、姚熹等利用馳豫型鐵電體介于偶數(shù)介質(zhì)與正常鐵電體之間，將玻璃體、De場(chǎng)e介質(zhì)和鐵電體等各類電介質(zhì)材料有機(jī)聯(lián)系起來的特征，而得到Tm和。的關(guān)系:
式中:P—為描述介電馳豫強(qiáng)弱程度的一個(gè)物理參數(shù)。 典型偶極介質(zhì)的P=1，馳豫行為最強(qiáng);典型鐵電相變介質(zhì)的p= ，則無介電馳豫;而馳豫型鐵電體處于二者之間，其P值為大于1的數(shù)值!“’。 d.本分類法是采用功能與結(jié)構(gòu)相結(jié)合的分類方法，有的部分是以材料的某主要特性作為分類標(biāo)志，但有的只能以材料結(jié)構(gòu)分類，如半導(dǎo)體類陶瓷電容器材料中的2個(gè)類是以結(jié)構(gòu)劃分的。有的同一材料由于摻雜或加工工藝不同，而出現(xiàn)不同特征，故可能同時(shí)出現(xiàn)在多個(gè)類別中，并非屬于分類中的重復(fù)現(xiàn)象。
5、結(jié)語：
上述陶瓷電容器材料的新分類法有3個(gè)特點(diǎn): 寶)將絕緣體類與半導(dǎo)體類并列，作為兩個(gè)大類別，較之將介電材料與半導(dǎo)體材料并列的分類方法，在邏輯上似更合理;婦將過去不少分類方法未列入的馳豫型鐵電體歸納入鐵電類中;獷按三級(jí)分類，層次清楚。 我們認(rèn)為本分類系統(tǒng)有簡(jiǎn)明、合理、實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)，并將隨著科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，新材料、新功能不斷發(fā)現(xiàn)，可繼續(xù)在各大類、類及小類中予以補(bǔ)充，使這個(gè)系統(tǒng)更加豐富·完善。