Механизм старения керамического конденсатора BaTiO3

Опубликовано 30.06.2011 Ведущий Антон Степанов

Состав керамического материала титаната бария является совокупностью, составленной из микрокристаллов от 1 до 20 миллиметров в диаметре. Каждый из таких микрокристаллов называют частицей. Каждая такая частица разделена на много доменов при температуре ниже Точки Кюри. Кристаллические оси выравнены в одном направлении в пределах домена. При нагревании до Точки Кюри и выше кристаллическая структура титаната бария изменяется от четырехугольной до кубической. Тогда, спонтанные поляризационные и доменные стены исчезают. Когда титанат бария находится в охлажденном состоянии, его кристаллическая структура поворачивается от кубической до четырехугольной, отрезки вдоль оси C и вдоль других осей – сокращаются примерно до 1 %. Тогда спонтанные поляризационные и доменные стены появляются снова. В то же время от воздействия извне частицы искажаются. В этой стадии генерируются много мелких доменных стен, и направление спонтанной поляризации в каждом домене легко полностью изменить, даже малыми электрическими полями. Так как диэлектрическая постоянная пропорциональна сумме инверсии спонтанной поляризации к единице объема, наблюдается увеличение ёмкости.
Когда конденсаторы хранятся или же применяются без нагрузки при температурах ниже Точки Кюри, размер беспорядочно ориентированных доменов становится большим, и они постепенно сдвигаются к устойчивому энергетическому состоянию. Это также облегчает сбор остаточного напряжения при кристаллическом искажении. Кроме того перемещение пространственных зарядов в пределах доменной стены приводит к поляризации пространственного заряда. Эта поляризация пространственного заряда неблагоприятно воздействует на спонтанную поляризацию, препятствуя её инверсии.
Другими словами, временный переход от генерации спонтанной поляризации к инверсии затруднен появлением поляризации пространственного заряда. В этом состоянии более высокое электрическое поле необходимо, чтобы полностью изменить спонтанную поляризацию в доменах, которые в свою очередь могут быть полностью изменены уменьшением электрического поля и снижениями емкости. Это и есть механизм старения керамики.
Однако микротекстура кристаллической решетки возвращается в исходное состояние при нагревании до температуры выше Точки Кюри, и старение решетки начинается снова.