為什么電容器的容量會老化?

發(fā)布時間:2023-08-15

鐵電體陶瓷電容器的容量和介質(zhì)損耗會展現(xiàn)出隨時間延長而衰減的趨勢。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)和對稱性,產(chǎn)生出鐵電疇。在居里點(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)冷卻通過居里點時,材料晶體結(jié)構(gòu)又重新由立方相轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆较啵潼c陣結(jié)構(gòu)中不存在對稱中心。ti4+離子可以占據(jù)兩個非對稱位置中的一個,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(在沒有外加電場作用的情況下),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,具有下列時間關(guān)系:
k=k0-m log t
這里
k=任意時間t處的介電常數(shù)
k0=時間t0(t0<t)處的介電常數(shù)
m=衰減速率
上面公式是對數(shù)關(guān)系,如果采用半對數(shù)圖處理所得數(shù)據(jù),其結(jié)果將會近似于一條直線,正如下圖所示。每十倍時內(nèi)k(或電容量)變化的百分?jǐn)?shù)可以通過計算得出,用做衡量瓷料優(yōu)劣的一個指標(biāo)。
與微觀結(jié)構(gòu)有關(guān),進(jìn)而對極化產(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和重新取向的自由程度。
例(a)老化速率=-5%/5十倍時=1.0%/十倍時(小時)
例(b)老化速率=-15%/6十倍時=2.5%/十倍時(小時)
由此可知,材料老化的速率與材料組分和工藝過程密切相關(guān),同時對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,容量的時間損耗是不可避免的,盡管通過把介質(zhì)加熱到居里點以上,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,材料晶體結(jié)構(gòu)再次轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆较?,自發(fā)極化再次出現(xiàn),產(chǎn)生的新極化疇使得老化過程重新開始。
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)荷會促進(jìn)極化疇的弛豫。當(dāng)然,如果實際溫度超過了居里點,電壓效應(yīng)則會消失。
電容器廠家往往通過調(diào)整測量時的限定值來補(bǔ)償鐵電介質(zhì)的容量損耗,這樣元件在長時間使用后也不至于因老化而超出公差范圍。例如,對于老化速率為1.5%/十倍時的介質(zhì)材料,測量標(biāo)準(zhǔn)需提高到3%,即兩個十倍時。被長時間置于居里溫度點之后又通過100小時測試的元件仍可以保證再經(jīng)過兩個十倍時,或者說10000小時,都不會超出公差范圍。
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