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电介质陶瓷电介质陶瓷

作者:威尼斯APP登录    更新时间:2020-08-06 19:29

  电介质陶瓷电介质陶瓷_材料科学_工程科技_专业资料。电介质陶瓷电介质陶瓷

  6.2 电介质陶瓷 一、概念 二、一般特性 般特性 1、电绝缘与极化 2、介电损耗 三、性能与分类 四、电绝缘陶瓷生产工艺、性能及应用 五、非铁电电容器陶瓷 六、铁电电容器陶瓷 七、反铁电电容器陶瓷 一 一、 概念 ? 电介质陶瓷是指电阻率大于108?·m的陶瓷材料, 能承受较强的电场而不被击穿。 按其在电场中的极化特性,可分为电绝缘陶瓷 按其在电场中的极化特性 可分为电绝缘陶瓷 (insulation ceramics)和电容器陶瓷 (capacitor ceramics;condenser ceramics)。 随着材料科学的发展 在 类材料中又相继发现了 随着材料科学的发展,在这类材料中又相继发现了 压电、热释电和铁电等性能。 ? 二、 一般特性 电介质陶瓷在静电场或交变电场中使用,其一般特 性是电绝缘性 极化(polarization)和介电损耗 性是电绝缘性、极化( (dielectric loss)。 1、电绝缘与极化 电绝缘与极化 电介质陶瓷中的分子正负电荷在弱电场的作用下, 虽然正电荷沿电场方向移动,负电荷逆电场方向移 动,但它们并不能挣脱彼此的束缚而形成电流,因 此具有较高的体积电阻率,具有绝缘性。 ? 由于电荷的移动,造成了正负电荷中心不重合,在 电介质陶瓷内部形成偶极矩,产生了极化。在与外 电场垂直的电介质表面上出现了感应电荷Q,这种 感应电荷不能自由迁移,称之为束缚电荷。束缚电 荷的面密度即为极化强度P。 静电场中介质的极化 ? 对于平板型真空电容器,极板间无电介质存在, 当电场强度为E时,其表面的束缚电荷为Q0,电 容为C0,在真空中插入电介质陶瓷时,则束缚电 荷增为Q,电容也增至C。评价同一电场下材料的 极化强度,可用材料的相对介电常数εr 表示。用 下式计算: Q / Q0 = C / C0 = εr 相对介电常数越大,极化强度越大,即电介质陶 瓷表面的束缚电荷面密度大。用于制作陶瓷电容 器的材料, εr越大,电容量越高,相同容量时, 电容器的体积可以做的更小。(C/A= εr /d) 2、介电损耗 电介质在电场作用下,把部分电能转变成热能使介质发 电介质在电场作用下 把部分电能转变成热能使介质发 热,在单位时间内因发热而消耗的能量称为损耗功率或 简称为介电损耗。常用tgδ表示,其值越大,损耗越大, 其中δ称为介质损耗角。 实际中所使用的电绝缘材料都不是完全理想的电介质, 其电阻不是无穷大的。在外电场的作用下,总有 些带 其电阻不是无穷大的。在外电场的作用下,总有一些带 电质点会发生移动而引起漏导电流,漏导电流流经介质 时使介质发热而损耗了电能。这种因电导而引起的介质 损耗称为“漏导损耗”。 损耗称为“漏导损耗” 三、 、 性能与分类 根据体积电阻率、介电常数和介电损耗等参数的 不同 可把电介质陶瓷分为电绝缘陶瓷即装置陶 不同,可把电介质陶瓷分为电绝缘陶瓷即装置陶 瓷和电容器陶瓷。此外,某些具有特殊性质,如 压电性、铁电性及热释电性的电介质陶瓷,按性 质分别称为压电陶瓷、热释电陶瓷和铁电陶瓷。 (一)电绝缘陶瓷 ? 电绝缘陶瓷又称装置陶瓷,是在电子设备中作为 电绝缘陶瓷又称装置陶瓷 是在电子设备中作为 安装、固定、支撑、保护、绝缘以及连接各种无 线电元件及器件的陶瓷材料 线电元件及器件的陶瓷材料。 作为装置陶瓷要求具备以下性质: (1)高的体积电阻率(室温下,大于1012?·m )和高介电 强度(大于104 kV/m)。以减少漏导损耗和承受较高的 电压。 电压 (2)介电常数小(常小于9)。可以减少不必要的分布电 容值,避免在线路中产生恶劣的影响,从而保证整机的 质量。 (3)高频电场下的介电损耗要小。介电损耗大会造成材料 发热 使整机温度升高 影响工作 发热,使整机温度升高,影响工作。 (4)机械强度要高,通常抗弯曲强度为45~300MPa,抗压 强度为400 400~2000MPa 2000MPa。 (5)良好的化学稳定性。能耐风化、耐水、耐化学腐蚀, 不致于性能老化。 此外,随着电绝缘陶瓷的应用日益广泛,有 时还要求具有耐机械力冲击和热冲击的性能 如 时还要求具有耐机械力冲击和热冲击的性能。如 高频装置瓷,除要求介质损耗小外,还要求热膨 胀系数小 热导率高 能承受较大的热冲击 作 胀系数小,热导率高,能承受较大的热冲击。作 为集成电路的基片材料,要求高导热系数,合适 的热膨胀系数 平整 高表面光洁度及易镀膜或 的热膨胀系数、平整、高表面光洁度及易镀膜或 表面金属化。 ? 电绝缘陶瓷按化学组成可分为氧化物系(如氧化 铝瓷、氧化镁瓷等)和非氧化物系(如氮化硅瓷、 氮化硼瓷等)两大类。除上述多晶陶瓷外,近年 来发展了单晶电绝缘陶瓷 如人工合成云母 人 来发展了单晶电绝缘陶瓷,如人工合成云母、人 造蓝宝石、尖晶石、氧化铍及石英等。 四、 电绝缘陶瓷生产工艺、性能及应用 (一)刚玉-莫来石瓷及莫来石瓷 1、概述 ? 莫来石瓷是以莫来石(3Al2O3·2SiO2)和石英(SiO2)为 主晶相的陶瓷,它是应用最早的高频装置瓷。 ? 刚玉-莫来石瓷的结晶相不是单一的刚玉,而是共存有莫来 石,因此称为刚玉-莫来石瓷。其主要原料是粘土、氧化铝 和碳酸盐。刚玉-莫来石瓷的电性能较好,机械强度较高, 热稳定性能好 热稳定性能好,工艺性能好,烧结温度不高,且烧结温度 艺性能好 烧结温度不高 烧结温度 范围宽。可用来制造高频高压绝缘子,线圈骨架,电容器 外壳及其他绝缘支柱,高压开关及其他大型装置器件等。 2、莫来石的生成 (1)一次莫来石的生成 ? 偏高岭石( Al2O3·2SiO2 )或硅线 )在高 温下按下式分解: 1200℃ 3(Al2O3·2SiO2) 1300~1500℃ 3Al2O3·2SiO2+4SiO2 3 Al2O3·2SiO2+4SiO2 3(Al2O3·SiO2) 这种从原料矿物高温分解直接生成的莫来石称为一次莫来石。 (2) ( )二次莫来石的生成 次莫来石的 成 ? 一次莫来石生成的同时,还伴生游离石英。石英有多晶转变, 对瓷质不利,在生产高铝瓷时要增加 Al2O3 成分,使之与游 离石英起反应生成莫来石 这时所生成的莫来石称为二次莫 离石英起反应生成莫来石,这时所生成的莫来石称为二次莫 来石。 3Al2O3 + 2SiO2 3Al2O3·2SiO 2SiO2 3、莫来石瓷及刚玉-莫来石瓷的配方 ? 莫来石瓷及刚玉-莫来石瓷属于高铝瓷的范畴, 其烧结温度高,为了降低烧结温度,常引入碱土 金属氧化物做外加剂,常用的外加剂有BaO、 SrO、CaO、MgO等。 4、生产工艺 生产工艺 ? 莫来石瓷及刚玉-莫来石瓷的生产工艺可按一般 陶瓷的生产过程加 处 陶瓷的生产过程加工处理: 混料球磨 →成型→烧结 (二)镁质瓷 ? 按照主晶相的不同,它可分为以下四类:原顽辉石瓷(即滑 石瓷)、镁橄榄石瓷、尖晶石瓷及堇青石瓷。 名稱 編號 SiO2 Al2O3 TiO2 Fe2O3 CaO MgO RbO BaO B2O3 CaF2 ZnO ?石瓷 1 54.72 1 90 1.90 0.003 0.43 0 005 0.005 27.90 0.007 6 28 6.28 3.8 ?石瓷 2 55.60 3 15 3.15 0.07 0.75 0 23 0.23 26.00 0.10 ?石瓷 3 55.90 1 98 1.98 0.007 0.42 0 006 0.006 29.00 0.007 7 72 7.72 鎂橄欖石瓷 4 44.5 51 5.1 0.1 0.2 49 7 49.7 0.2 堇青石瓷 5 53.90 31 58 31.58 0.09 0.60 0 34 0.34 10.75 2.45 尖晶石 瓷 6 8.51 58 52 58.52 0.16 0.30 0 48 0.48 20.36 0.37 2 10 2.10 3.42 2.97 ? 滑石瓷介电损耗小,用于一般高频无线电设备中,如 滑石瓷介电损耗小 用于 般高频无线电设备中 如 雷达、电视机常用它制造绝缘零件。 镁橄榄石瓷的介质损耗低,而且随频率的变化小,在 微波范围内也不增加,它的比体积电阻大,并且在高 温下仍然具有相当高的数值 可作为高频绝缘材料 温下仍然具有相当高的数值,可作为高频绝缘材料。 但它的热膨胀系数高,因此热稳定性较差。 尖晶石瓷的介质损耗低于滑石瓷,而介电常数稍高, 化学稳定性良好。在电子工业中,它是低压高频电容 器、感应线圈骨架及电子管插座等的良好材料。 堇青石瓷的膨胀系数低,热稳定性好,可用于要求体 积不随温度变化、耐热冲击的绝缘材料或电热材料。 ? ? ? (二)电容器陶瓷 ? ? 按制造陶瓷电容器的材料性质分: 第 类为非铁电电容器陶瓷(Ⅰ型),又称热补偿电容器 第一类为非铁电电容器陶瓷(Ⅰ型),又称热补偿电容器 陶瓷:使用非铁电陶瓷,高频损耗小,介电常数随温度线 性变化 可补偿电路中或电阻随温度系数的变化 维持谐 性变化,可补偿电路中或电阻随温度系数的变化,维持谐 振频率的稳定。 第二类为铁电电容器陶瓷(Ⅱ型),又称强介电常数电容 第二类为铁电电容器陶瓷(Ⅱ型) 又称强介电常数电容 器陶瓷:介电常数随温度呈非线性变化,而且介电常数非 常高 可达30000,适用于低频高容量电容器。 常高,可达 适用于低频高容量电容器 第三类为反铁电电容器陶瓷(Ⅲ型)。 第四类为半导体电容器陶瓷(Ⅳ型):非线性电阻电容器, 用于开关电路或热保护电路中,起自动开关作用。 ? ? ? 用于制造电容器的陶瓷材料的性能要求: (1)介电常数要尽可能高 )介电常数要尽可能高。介电常数越高,陶瓷电容 介电常数越高,陶瓷电容 器的体积可以做得越小。 (2)在高频、高温、高压及其它恶劣环境下稳定可靠。 (3)介质损耗角正切值小。对于高功率陶瓷电容器, 能提高无功功率。 (4)比体积电阻高于1010?·m ,可保证在高温下工作。 (5)高的介电强度。 )高的介电强度 ? 五、非铁电电容器陶瓷 ? ? ? ? ? 介电常数高:体积小,小型化和集成化 介电损耗小:高频电路和高功率的损耗少 体积电阻高:≥1010W.cm W cm,高温下不失效 高温下不失效 介电强度高:避免意外击穿 化学稳定性好:保证在高频、高压及其它恶劣环 境中工作可靠。 境中工作可靠 ? ? ? 非铁 陶瓷的种类 非铁电陶瓷的种类 1.金红石陶瓷: 组成:TiO2含量约90%,另有 组成 % 另有10%的添加剂,如 %的添加剂 如 ZrO2、高岭土、BaCO3、CaF2、钨酸、ZnO、La2O3 等 SiO2的存在对介电性能有害。 等, 的存在对介电性能有害 烧成:金红石陶瓷一般在1325±10℃氧化气氛中烧 成 还 气氛也对电性能 利 成,还原气氛也对电性能不利。 性能:介常≤100,介损≤4×10-4,电阻≥1010 问题:直流老化,与银电极反应 ? ? ? 2.钛酸钙陶瓷 钛酸钙陶瓷是目前国内外大量使用的材料,它具有较高的介电系数和 负温度系数 可以制成小型高容量的高频陶瓷电容器等 负温度系数,可以制成小型高容量的高频陶瓷电容器等。 以钛酸钙(CaO·TiO2)为主晶相的陶瓷材料。立方晶系。钙钛矿型结构。 相对介电常数140~150。介电常数温度系数为(-1000~-1500)×106/℃,介质损耗角正切值小于6×10-4(20℃,1MC)。主要原料为二氧 化钛和方解石。纯钛酸钙很难烧结成陶瓷,可加入1%~2%二氧化锆, 降低烧成温度至1360℃左右温度下烧结,可以防止高温下钛离子高温 还原成低价钛离子,从而改善瓷料性能。 (1)配方: 钛酸钙瓷的制备一般分两步进行。先合成 C TiO3 ,然后再配方。典型的配方如下: CaTiO 然后再配方 典型的配方如下 CaTiO3烧块 99%+ ZrO2 1% 在国外,为了降低烧结温度,改善烧结性能和结晶 状态,从而提高介电性能,还可加入少量氧化钴 (≤2.5% )。 (2)生产 )生产工艺 艺 ? 钛酸钙瓷是一种含钛陶瓷,其合成与烧结必须在氧化气氛 中进行。 ? 原料球磨时CaO可能水解生成水溶性Ca(OH)2,故球磨后 应进行烘干,不能过滤除水,否则会因Ca(OH)2流失而影 响配比。 ? 钛酸钙的结晶能力较强,为防止晶粒长大,烧结温度和保 温时间均要控制好 生产中往往采用高温快速冷却来控制 温时间均要控制好。生产中往往采用高温快速冷却来控制 晶粒长大。 ? 材料及工艺 高介电常数铁电介电陶瓷:钛酸钡基陶瓷 居里点移动剂: 点移动剂 BaSnO3、BaZrO3、CaZrO3、SrTiO3、 PbTiO3、La2O3、CeO2等,能将居里点从120℃移至室温附近。 居里点压降剂: 降 CaTiO3、MgTiO3、MgZrO3、Bi2(SnO3)3、 NiSnO3、MgSnO3等,能降低居里点处的e峰值,并使e随湿度 的变化变得平坦。 的变化变得平坦 烧结助剂:Al2O3、SiO2、ZnO、CeO、B2O3、Nb2O5、WO3 防止还原添加剂:MnO2、Fe2O3、CuO等 鐵電陶瓷 圖3.4 BaTiO3的原胞晶體結構(a)和晶格在(100)面上的投影(b) 圖3.5 BaTiO3單晶體的電疇結構示意圖 (a)最簡單的疇結(180°疇 疇);(b)90°疇和 疇和180°疇同時存在 疇同時存在 圖3.6 3 6 鐵電陶瓷的電滯回線 圖3.7 鈦酸鋇鐵電體的介電常數與溫度的關係 圖3.8 多層陶瓷電容器的構造 圖3.9 3 9 多層陶瓷電容器研製與開發的發展趨勢 及其對材料、製備技術的要求 多层电子封装 电容器 32 电子陶瓷片式器件(电容、电感、电阻)

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