鐵電體陶瓷電容器的容量和介質(zhì)損耗會(huì)展現(xiàn)出隨時(shí)間延長(zhǎng)而衰減的趨勢(shì)。這種被稱為老化的現(xiàn)象是可逆的,其產(chǎn)生的原因在于鐵電體晶體結(jié)構(gòu)隨溫度而變化。
鐵電介質(zhì)以鈦酸鋇(BaTiO3)為主要成分,加入一定的氧化物以改變材料晶體慣態(tài)和對(duì)稱性,產(chǎn)生出鐵電疇。在居里點(diǎn)(120℃)附近,BaTiO3晶體結(jié)構(gòu)由四方相轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎较?,自發(fā)極化不再發(fā)生。而當(dāng)冷卻通過(guò)居里點(diǎn)時(shí),材料晶體結(jié)構(gòu)又重新由立方相轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆较?,其點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中不存在對(duì)稱中心。Ti4+離子可以占據(jù)兩個(gè)非對(duì)稱位置中的一個(gè),從而導(dǎo)致永久性電偶極。由于相鄰晶胞相互作用的影響足以建立起極化疇,因此這些電偶極是自發(fā)產(chǎn)生和略微有序的。平行極化疇是隨機(jī)取向的(在沒(méi)有外加電場(chǎng)作用的情況下),給系統(tǒng)提供應(yīng)變能。而應(yīng)變能的松弛正是材料介電常數(shù)老化的原因,具有下列時(shí)間關(guān)系:
K = K0-m log t
這里
K = 任意時(shí)間t處的介電常數(shù)
K0 = 時(shí)間t0(t0 < t)處的介電常數(shù)
m = 衰減速率
上面公式是對(duì)數(shù)關(guān)系,如果采用半對(duì)數(shù)圖處理所得數(shù)據(jù),其結(jié)果將會(huì)近似于一條直線,正如下圖所示。每十倍時(shí)內(nèi)K(或電容量)變化的百分?jǐn)?shù)可以通過(guò)計(jì)算得出,用做衡量瓷料優(yōu)劣的一個(gè)指標(biāo)。
與微觀結(jié)構(gòu)有關(guān),進(jìn)而對(duì)極化產(chǎn)生影響的的因素(材料純度、晶粒尺寸、燒結(jié)情況、晶界、空隙率,內(nèi)應(yīng)力)同樣也決定了疇壁移動(dòng)和重新取向的自由程度。
例 (a) 老化速率 = -5% / 5 十倍時(shí) = 1.0% / 十倍時(shí)(小時(shí))
例 (b) 老化速率 = -15% / 6 十倍時(shí) = 2.5% / 十倍時(shí)(小時(shí))
由此可知,材料老化的速率與材料組分和工藝過(guò)程密切相關(guān),同時(shí)對(duì)那些影響材料介電常數(shù)的因素也非常敏感。
鐵電體,例如X7R,容量的時(shí)間損耗是不可避免的,盡管通過(guò)把介質(zhì)加熱到居里點(diǎn)以上,使材料晶體結(jié)構(gòu)變回“順電”立方態(tài)的方法可以得到恢復(fù)。但一旦冷卻下來(lái),材料晶體結(jié)構(gòu)再次轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆较啵园l(fā)極化再次出現(xiàn),產(chǎn)生的新極化疇使得老化過(guò)程重新開(kāi)始。
順電體,例如COG,中由于不存在自發(fā)極化的機(jī)制,因此觀察不到老化現(xiàn)象。老化速率受電容器“電壓狀態(tài)”的影響。元件在高溫(低于居里溫度)直流偏壓負(fù)荷試驗(yàn)中表現(xiàn)出了容量損耗,但老化速率很低。從理論上講,高溫下的電壓負(fù)荷會(huì)促進(jìn)極化疇的弛豫。當(dāng)然,如果實(shí)際溫度超過(guò)了居里點(diǎn),電壓效應(yīng)則會(huì)消失。
電容器廠家往往通過(guò)調(diào)整測(cè)量時(shí)的限定值來(lái)補(bǔ)償鐵電介質(zhì)的容量損耗,這樣元件在長(zhǎng)時(shí)間使用后也不至于因老化而超出公差范圍。例如,對(duì)于老化速率為1.5% / 十倍時(shí)的介質(zhì)材料,測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)需提高到3%,即兩個(gè)十倍時(shí)。被長(zhǎng)時(shí)間置于居里溫度點(diǎn)之后又通過(guò)100小時(shí)測(cè)試的元件仍可以保證再經(jīng)過(guò)兩個(gè)十倍時(shí),或者說(shuō)10000小時(shí),都不會(huì)超出公差范圍。