電容是一種常見的電子元件，然而，電容會(huì)出現(xiàn)老化現(xiàn)象，這一現(xiàn)象值得我們深入探究。
高介電常數(shù)型陶瓷電容器（標(biāo)準(zhǔn)的主要材料為 BaTiO?，溫度特性為 X5R、X7R、Y5V 等）存在一個(gè)特殊現(xiàn)象，即其電容量會(huì)隨時(shí)間而減小，這一特性被稱為電容老化。電容老化是具有自發(fā)性極化現(xiàn)象的鐵電陶瓷獨(dú)有的現(xiàn)象。當(dāng)陶瓷電容器加熱到居里點(diǎn)以上的溫度（大約為 150°C，在該溫度晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，自發(fā)性極化消失），并使之處于無載荷狀態(tài)，直到它冷卻到居里點(diǎn)以下，隨著時(shí)間的流逝，逆轉(zhuǎn)自發(fā)性極化變得越來越困難，結(jié)果所測的電容值會(huì)隨著時(shí)間而減小。
上述現(xiàn)象在所有高介電常數(shù)（BaTiO?）的一般性陶瓷電容器都可以觀察到。當(dāng)電容值由于老化而不斷減小的電容器重新加熱到居里點(diǎn)以上溫度并讓其冷卻時(shí)，電容值會(huì)得到恢復(fù)，這種現(xiàn)象稱之為去老化現(xiàn)象，發(fā)生去老化后正常的老化過程重新開始。
BaTiO?質(zhì)陶瓷的自發(fā)極化與鐵電現(xiàn)象具有獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。BaTiO?質(zhì)陶瓷具有鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)。在居里點(diǎn)（約 130°C）溫度以上，它呈立方體，且鋇（Ba）的位置位于點(diǎn)，氧（O）位于晶面的中心，鈦（Ti）位于晶體的中心。
圖 3 BaTiO?質(zhì)陶瓷晶體結(jié)構(gòu)
當(dāng)在居里點(diǎn)以下正常溫度范圍內(nèi)，一條晶軸（C 軸）伸長約 1%，而其他晶軸縮短，晶體變成四方晶格。在這種情況下，Ti??離子將占據(jù)附近 O2?的位置，而后者從晶體中心沿晶軸伸展的方向偏移 0.12?。這種偏移導(dǎo)致正、負(fù)電荷的生點(diǎn)發(fā)生偏差，造成極化現(xiàn)象。極化現(xiàn)象是由于晶體結(jié)構(gòu)的不對稱造成的，在不施加外電場或壓力的情況下，這種極化現(xiàn)象從一開始就存在，這種類型的極化稱為自發(fā)性極化現(xiàn)象。
圖 4 自發(fā)性極化現(xiàn)象
BaTiO?質(zhì)陶瓷自發(fā)極化的方向（Ti??離子的位置）在施加外部電場的情況下可以輕易逆轉(zhuǎn)，這種具有自發(fā)極化現(xiàn)象且在外電場作用下逆轉(zhuǎn)方向的能力專門稱之為鐵電現(xiàn)象。
接下來我們深入了解老化的機(jī)理。BaTiO?質(zhì)陶瓷宏觀晶體的聚合體（復(fù)晶型）直徑比 μm 小一個(gè)數(shù)量級(jí)，這些微觀晶體稱為晶粒，其晶體結(jié)構(gòu)排列整齊。上述晶粒在溫度低于居里點(diǎn)時(shí)可分成很多磁場，在每個(gè)磁場內(nèi)有一個(gè)共用方向，因此自發(fā)性極化的方向也相同。
圖 5 晶粒結(jié)構(gòu)
當(dāng) BaTiO?質(zhì)陶瓷加熱到居里點(diǎn)以上時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了一個(gè)從四方晶系向立方晶體相變過程，隨著自發(fā)性極化的進(jìn)行，上述磁場也逐漸消失。當(dāng)晶體冷卻到居里點(diǎn)以下時(shí)，在居里點(diǎn)附近發(fā)生從立方晶系向四方晶系的相變過程，C 軸沿軸線方向伸長 1%，其他軸稍微收縮，形成自發(fā)性極化和磁場，同時(shí)晶粒受到其環(huán)境扭曲而產(chǎn)生的應(yīng)力。在該點(diǎn)，晶粒中產(chǎn)生若干小磁場，利用一個(gè)低壓電場可很容易將每個(gè)磁場的自發(fā)性極化進(jìn)行逆轉(zhuǎn)。因?yàn)橄鄬殡姵?shù)與每單位何種的自發(fā)性極化的逆轉(zhuǎn)是對應(yīng)的，其測量到的結(jié)果即為高電容量。
在電容器在居里點(diǎn)以下溫度不帶任何負(fù)載時(shí)，在任何隨機(jī)方向的磁場隨時(shí)間的推移逐漸自我對正成為一個(gè)更大、能量更穩(wěn)定的晶體（圖 3: 90° 磁場），并釋放晶體扭曲產(chǎn)生的應(yīng)力。另外，邊界層的空間電荷（緩慢運(yùn)動(dòng)的離子和晶格空位）向外遷移，導(dǎo)致空間電荷發(fā)生極化?？臻g電荷的極化防止自發(fā)性極化發(fā)生逆轉(zhuǎn)。換句話說，自發(fā)性極化發(fā)生后，隨著時(shí)間的推移，晶格重新對排列成一個(gè)更穩(wěn)定的狀態(tài)，而空間電荷極化在邊界層防止自發(fā)性極化發(fā)生逆轉(zhuǎn)。在這種情況下，我們需要利用高壓電場使磁場的自發(fā)性極化發(fā)生逆轉(zhuǎn)，這意味著電場電壓越低，發(fā)生逆轉(zhuǎn)的磁場越少，且電容值越低，這被認(rèn)為是老化的機(jī)理。當(dāng)加熱到居里點(diǎn)以上溫度時(shí)，晶體的微觀結(jié)構(gòu)也回到初始狀態(tài)，當(dāng)晶體冷卻時(shí)，老化過程重新開始。
了解電容老化的原理和機(jī)制，對于電子設(shè)備的設(shè)計(jì)、維護(hù)和可靠性評(píng)估都具有重要意義。在實(shí)際應(yīng)用中，我們可以根據(jù)電容老化的特點(diǎn)，合理選擇電容的類型和使用條件，以提高電子設(shè)備的性能和穩(wěn)定性。
