如何理解电容器的容量老化

铁电体陶瓷电容器的容量和介质损耗会展现出随时间延长而衰减的趋势.这种被称为老化的现象是可逆的,其产生的原因在于铁电体晶体结构随温度而变化.
铁电介质以钛酸钡(BaTiO3)为主要成分,加入一定的氧化物以改变材料晶体惯态和对称性,产生出铁电畴.在居里点(120℃)附近,BaTiO3晶体结构由四方相转变为立方相,自发极化不再发生.而当冷却通过居里点时,材料晶体结构又重新由立方相转变为四方相,其点阵结构中不存在对称中心.Ti4+离子可以占据两个非对称位置中的一个,从而导致永久性电偶极.由于相邻晶胞相互作用的影响足以建立起极化畴,因此这些电偶极是自发产生和略微有序的.平行极化畴是随机取向的(在没有外加电场作用的情况下),给系统提供应变能.而应变能的松弛正是材料介电常数老化的原因,具有下列时间关系:
K = K0 -m log t
这里 K = 任意时间t处的介电常数
K0 = 时间t0(t0 < t)处的介电常数
m = 衰减速率
上面公式是对数关系,如果采用半对数图处理所得数据,其结果将会近似于一条直线,正如下图所示.每十倍时内K(或电容量)变化的百分数可以通过计算得出,用做衡量瓷料优劣的一个指标.
与微观结构有关,进而对极化产生影响的的因素(材料纯度、晶粒尺寸、烧结情况、晶界、空隙率,内应力)同样也决定了畴壁移动和重新取向的自由程度.
图略(请下载附件看全文)
由此可知,材料老化的速率与材料组分和工艺过程密切相关,同时对那些影响材料介电常数的因素也非常敏感.
铁电体容量的时间损耗是不可避免的,尽管通过把介质加热到居里点以上,使材料晶体结构变回“顺电”立方态的方法可以得到恢复.但一旦冷却下来,材料晶体结构再次转变为四方相,自发极化再次出现,产生的新极化畴使得老化过程重新开始.
顺电体,例如NPO,中由于不存在自发极化的机制,因此观察不到老化现象.老化速率受电容器“电压状态”的影响.元件在高温(低于居里温度)直流偏压负荷试验中表现出了容量损耗,但老化速率很低.从理论上讲,高温下的电压负荷会促进极化畴的的弛豫.当然,如果实际温度超过了居里点,电压效应则会消失.