Диссертация (1143983), страница 11
Текст из файла (страница 11)
2.2.Вначалебылиизученычастотныеспектрыосновныххарактеристиксегнетокерамических конденсаторов в широком диапазоне частот 0.1 Гц – 5 МГц.Пример полученных частотных спектров модуля комплексной проводимости | Ẏ |,фазового угла φ, относительной диэлектрической проницаемости ε' и факторапотерь ε'' для конденсаторов типа X7R показан на рисунке 3.1. Было обнаружено,что исследуемые конденсаторы имеют собственные резонансные частоты вдиапазоне 1 – 1.5 МГц, что соответствует собственным индуктивностям 14 – 27нГн.Рисунок 3.1 – Частотные спектры | Ẏ |, φ, ε' и ε'' для конденсатора X7R70В дальнейшем из широкого частотного диапазона будет рассматриватьсятолько поддиапазон 100 Гц – 1 кГц, что обусловлено необходимостью сокращениявремени измерения температурно-частотных характеристик, а также тем фактом,что работоспособность конденсаторов исследуется в пределах данных частот.На рисунках 3.2 – 3.5 показаны температурно-частотные зависимостиотносительнойдиэлектрическойпроницаемостиифакторапотерьдляисследуемых конденсаторов.
Характеристики представлены для ограниченногонабора частот, соответствующего частотам испытательного напряжения приизучении работоспособности конденсаторов в режиме повышенных нагрузок.Видно, что диэлектрическая проницаемость имеет слабую частотную зависимость.Температурная зависимость ε' характеризуется резким спадом после достиженияпредельных рабочих температур 85 – 125 ℃. Изменения проницаемости в пределахрабочих температур не выходят за рамки, оговоренные в технических условиях наизучаемые конденсаторы. Резкий спад ε' связан с фазовым переходом, характернымдля сегнетоэлектриков: сегнетоэлектрик переходит в параэлектрическую фазу, чтосопровождается также уменьшением потерь, связанных с переориентациейдоменов.Рисунок 3.2 – Температурно-частотные характеристики ε' и ε'' для конденсатораX7R71Рисунок 3.3 – Температурно-частотные характеристики ε' и ε'' для конденсатораY5VРисунок 3.4 – Температурно-частотные характеристики ε' и ε'' для конденсатораZ5U72Рисунок 3.5 – Температурно-частотные характеристики ε' и ε'' для конденсатораН50После спада фактора потерь, связанного с ориентационной поляризацией,следует его рост, имеющий экспоненциальный характер, как можно видеть изграфиков.
Столь резкий рост связан, по-видимому, с потерями сквознойпроводимости сегнетоэлектрика. При уменьшении частоты измерительногосигнала потери проводимости возрастают, минимум фактора потерь смещается вобласть более низких температур.На рисунках 3.6 – 3.7 дано сравнение температурных зависимостейотносительной диэлектрической проницаемости и фактора потерь исследуемыхтипов конденсаторов для частоты 1 кГц. Большая часть конденсаторныхсегнетоэлектриков обладает близкими по величине проницаемостями около 3500,за исключением Z5U с исходным значением порядка 6000.
Относительныеизменения проницаемостей для X7R, Y5V и H50 довольно близки между собой, чтосоответствует заявленным предельным отклонениям емкости – для X7R – 15% впределах 125 ℃, для Y5V – 22% в пределах 85 ℃, для H50 – 20% в пределах 85 ℃.73Диэлектрическая проницаемость в области высоких температур меняется слабо илежит в пределах (500 – 1000) для всех конденсаторов.Фактор потерь изменяется с ростом температуры сходным образом для всехтипов изучаемых конденсаторов: начальный спад, минимум, экспоненциальныйрост.
Наибольшим значением ε'' характеризуется тип конденсаторов Y5V,обладающий также резким ростом потерь проводимости после 200 ℃.Конденсаторы X7R и Н50 также демонстрируют резкий рост потерь послеуказанной температуры, однако скорость этого роста (наклон прямой вполулогарифмических осях) различна.
Для Z5U рост потерь начинается сосниженной температуры 150 ℃ и имеет наименьший наклон. Особенностиповеденияфакторапотерьввысокотемпературнойобластисвязанысхарактеристиками сквозной проводимости сегнетоэлектрика, такими как энергияактивация проводимости и ее величина, результаты изучения которых будут даныниже.Рисунок 3.6 – Сопоставление температурно-частотных характеристик ε' дляисследуемых конденсаторов. Частота измерительного сигнала f = 1 кГц.74Рисунок 3.7 – Сопоставление температурно-частотных характеристик ε'' дляисследуемых конденсаторов. Частота измерительного сигнала f = 1 кГц.Температура, при которой происходит потеря спонтанной поляризациисегнетоэлектрика, называется температурой Кюри TC.
Область температур вышеточки Кюри называется параэлектрической областью. В параэлектрическойобластитемпературнаяпроницаемостизависимостьудовлетворяетотносительнойэмпирическомузаконудиэлектрическойКюри-Вейссадлясегнетоэлектриков 0 Cw ,T T0(3.1)где ε0 – компонента диэлектрической проницаемости, мало зависящая оттемпературы, Сw – постоянная Кюри-Вейсса, Т0 – температура Кюри-Вейсса.Чаще всего ε >> ε0, и приближенно можно полагать, что Сw .T T0(3.2)Величина, обратная диэлектрической проницаемости, будет представлятьсобой линейно растущую функцию. Зависимость обратной емкости от абсолютной75температуры для исследуемых конденсаторов показана на рисунке 3.8.
Послеперехода через точку температуры Кюри можно наблюдать прямолинейныйхарактер зависимости обратной величины емкости от абсолютной температуры.Видно, что ход зависимости не имеет резких переломов, характерных длямонокристаллов односоставных сегнетоэлектриков, точка Кюри смещена в областькомнатной температуры для конденсаторов типа Z5U, однако для X7R, Y5V и Н50прямолинейнаязависимостьобратнойдиэлектрическойпроницаемостинаблюдается лишь с температур 120 – 130 ℃.Рисунок 3.8 – Температурные зависимости обратной диэлектрическойпроницаемости для исследуемых конденсаторов763.3.Температурно-полевые характеристики относительнойдиэлектрической проницаемости и фактора потерьТемпературно-полевыехарактеристикиисследовалисьспомощьюизмерительного оборудования и методики, описание которых было дано в п. 2.3.Исследование характеристик производилось на частоте измерительного сигнала f =1 кГц.
Диапазон температур был ограничен сверху, так как при высокихтемпературах более 240 ℃ подаваемое на конденсатор напряжение смещенияприводит к стремительному росту тока утечки через конденсатор, что делаетизмерения фактора потерь неопределенными и недостоверными.Температурно-полевыехарактеристикиизучаемыхконденсаторовпредставлены на рисунках 3.9 – 3.12. Можно заметить, что полевая зависимостьотносительной проницаемости по мере увеличения температуры становится менеерезкой, что связано с нарушением доменной структуры при высоких температурах.По этой же причине потери уменьшаются с ростом температуры.
Рост потерьначинается с температурных точек 150 – 200 ℃, как было показано ранее. Начинаяс температуры 240 – 260 ℃, проявляется полевая зависимость потерь, которыеиспытывают особенно резкий рост во всех случаях, кроме конденсаторов типа Н50.Анализ показывает, что этот рост имеет степенную зависимость от напряженностиэлектрического поля.В шестой главе данной работы, исходя из общих теоретическихсоображений, показано, что ε' ~ E-2.
Анализ полевых зависимостей фактора потерьпоказывает, что для всех типов исследуемых конденсаторов в широком интервалетемператур также выполняется ε'' ~ E-2, вплоть до начала роста потерь в силусквозной проводимости. Данный факт не находит простого объяснения ипредставляется новым. Полученные характеристики указывают на резкий ростпотерь в сегнетокерамических конденсаторах, обусловленный как воздействиемтемпературы, так и напряженности электрического поля.77Рисунок 3.9 – Температурно-полевые характеристики ε' и ε'' для конденсатораX7RРисунок 3.10 – Температурно-полевые характеристики ε' и ε'' для конденсатораY5V78Рисунок 3.11 – Температурно-полевые характеристики ε' и ε'' для конденсатораZ5UРисунок 3.12 – Температурно-полевые характеристики ε' и ε'' для конденсатораН50793.4.Температурная зависимость удельной проводимости сегнетоэлектрикаУдельная проводимость исследовалась с помощью методики, описанной в п.2.4.
Температурная зависимость удельной проводимости сегнетокерамическихконденсаторов интересна с точки зрения приложений, в которых конденсаторыиспользуются в цепях постоянного тока, так как ток утечки (или сопротивлениеизоляции) является одной из важных характеристик конденсаторов в целом.Температурная зависимость удельной проводимости сегнетоэлектрикаизучаемых конденсаторов показана на рисунке 3.13.
Проводя сравнение стемпературно-частотными и температурно-полевыми характеристиками, заметим,чтонаибольшемузначениюфакторапотерьсоответствуетнаибольшаяпроводимость постоянного тока. Это подтверждает предположение о механизмепотерь в высокотемпературной области в силу сквозной проводимости.Рисунок 3.13 – Температурная зависимость удельной проводимостисегнетоэлектрика исследуемых конденсаторовДля большей информативности перестроим график в осях lgγ = f(1/T), где T –абсолютная температура. На рисунке 3.14 показана зависимость lgγ = f(5040/T), так80как в таких координатах легко находится энергия активации в электрон-вольтах(эВ). На графике обозначены вычисленные по наклону прямых энергии активации.Видно, что все зависимости удельной проводимости имеют два характерныхучастка, разделенных изломом.
Это хорошо соответствует известной для твердыхдиэлектриков формуле термоактивационной проводимости для нескольких видовносителей заряда [70]Wai 0i exp ,kT i(3.3)где γ0i – предэкспоненциальный множитель, Wai – энергия активации, k = 1.38·10-23Дж/К – постоянная Больцмана, T – абсолютная температура.Рисунок 3.14 – Температурные зависимости проводимости диэлектрика дляисследуемых конденсаторовИз рисунка 3.14 можно заметить, что излом температурной зависимостиудельной проводимости для всех конденсаторов, кроме Y5V, наступает в районе 90– 110 ℃ (для Y5V излом сдвинут к точке 190 ℃).
Более резкий рост фактора потерь81вобщемслучаекоррелируетсболеенизкойэнергиейактивацииввысокотемпературной области (температуры выше 100 ℃ для X7R, Z5U, Н50).Энергии активации в высокотемпературной области обозначаются индексом «2».Исключение составляет Y5V, для которого энергия активация Wa2 = 0.95 эВ, однакотемп роста фактора потерь от температуры максимальный.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
