高介电容器瓷特性和主要原料

1、高介电容器瓷特性和主要原料7.1 概述7.2 电容器瓷的介电特性7.3 高频电容器瓷的主要原料7.4 中高压陶瓷电容器瓷1、对电容器瓷的一般要求：、介电系数大，以制造小体积、重量轻的陶瓷电容器，电容器体积整机体积、重量、介质损耗小，tg=（16）10-7，保证回路的高Q值。高介电容器瓷工作在高频下时、tg 。、对I类瓷，介电系数的温度系数要系列化。对II类瓷，则用随温度的变化率表示（非线性）。I类瓷II类瓷 7-1 概述 、体积电阻率v高（v1012cm） 为保证高温时能有效工作，要求v高、抗电强度Ep要高 a、小型化，使=V/d b、陶瓷材料的分散性，即使Ep，可能仍有击穿。 7-1 概述2

2、、电容器瓷分类： 7-1 概述低频：高 ，较大的tg高频低介（0 +0的瓷料获得0的瓷料。 7-2 电容器瓷的介电特性金红石型和钙钛矿型结构的陶瓷具有特殊的结构，离子位移极化后，产生强大的局部内电场，并进一步产生强烈的离子位移极化和电子位移极化，使得作用在离子上的内电场得到显著加强，故大。钛酸锶铋也是利用SrTiO3钙钛矿型结构的内电场，而加入钛酸铋等，使之产生锶离子空位，产生离子松弛极化，从而使增大。7-2-4 产生高介电系数的原因 7-2 电容器瓷的介电特性 低温下高频电容器瓷的tg较小，但在一定的频率下，当温度超过某一临界温度后，由离子松弛极化和电子电导所引起的大量能量损耗，使材料的介质

3、损耗急剧地增大。另外：TiO2的二次再结晶，破坏晶粒的均匀度，使材料的机械性能和介电性能恶化；Ti7+Ti3+tg 7-2-5 含钛陶瓷的介质损耗 7-2 电容器瓷的介电特性 7-3-1 热补偿电容器瓷 7-3-2 热稳定电容器瓷 7-3-3 温度系数系列化的电容器瓷 7-3 高频电容器瓷的主要原料定义：具有很大的负值，用来补偿振荡回路中电感的正温度系数，以使回路的谐振频率保持稳定。1、金红石瓷：8090，：-750-85010-6/ 2、钛酸钙瓷：150160：-230010-6/( -60120 )- (15001600)10-6/( +2080 ) 7-3-1 热补偿电容器瓷 7-3 高

4、频电容器瓷的主要原料 1、金红石瓷(1) TiO2的结构(2) 钛离子变价及防止措施(3) 用途 7-3 高频电容器瓷的主要原料 TiO2的结构 rTi4+=0.68A，rO2-=1.70A，r+/r- 形成TiO6八面体 Ti4+取六配位，用电价规则算得每个O2-离子为三个TiO6八面体共用。自然界中TiO2有三种晶型（同质异型体），其性能特点如下： 7-3 高频电容器瓷的主要原料 金红石板钛矿锐钛矿晶系正方晶系斜方晶系正方晶系八面体共棱数2条3条7条比重7.257.113.87莫氏硬度65656介电系数1177831 7-3 高频电容器瓷的主要原料 由此可见，金红石结构最稳定、最紧凑、介电

5、系数最大、性能最好，锐钛矿最差。然而，工业用TiO2主要是锐钛矿和微量的金红石，因此，必须在12001300氧化气氛中预烧，使TiO2全部转变为金红石结构，同时也使产品在烧结时不致因晶型转变、体积收缩过大而变形或开裂。 7-3 高频电容器瓷的主要原料 (2) 钛离子变价及防止措施 钛原子的电子排布：1s22s22p63s23p67s23d2，7s的能级比3d稍低，3d层的电子容易失去，可为Ti4+、Ti3+、Ti2+，可见Ti4+易被还原（Ti4+eTi3+=Ti4+ee-弱束缚电子） 7-3 高频电容器瓷的主要原料Ti4+Ti3+的原因：a、 烧结气氛b、 高温热分解：c、 高价（5价）杂质

6、：d、 电化学老化 7-3 高频电容器瓷的主要原料 还原气氛夺去TiO2的O2-，使晶格出现a、烧结气氛 7-3 高频电容器瓷的主要原料b、高温热分解烧成温度过高，尤其在超过1700时，TiO2脱氧严重，即产生高温分解。 7-3 高频电容器瓷的主要原料 Ti4+、Nb5+、Ta5+、Sb5+半径相近，5价离子取代Ti7+形成置换固溶体多余一个价电子c、高价（5价）杂质 7-3 高频电容器瓷的主要原料 金红石瓷在使用过程中，长期工作在高温、高湿、强直流电场下，表面、界面、缺陷处活性大的O2-离子向正极迁移，到达正极后，氧分子向空气中逸出，留下氧空位，是不可逆过程。银电极在高温高湿、强直流电场下：

7、Ag-eAg+，Ag+迁移率大，进入介质向负极迁移 d、电化学老化 7-3 高频电容器瓷的主要原料 防止Ti4+Ti3+的措施： 采用氧化气氛烧结：抑制还原 加入添加剂：降低烧结温度，抑制高温失氧再氧化过程：在低于烧结温度2070，强氧化气氛回炉 掺入低价杂质（受主）：抑制高价杂质 加入La2O3等稀土氧化物：改善电化学老化特性 加入ZrO2：阻挡电子定向移动，阻碍Ti7+变价 7-3 高频电容器瓷的主要原料(3) 用途 电容器介质：由于-tg与温度、频率有关，适宜于工作在低温高频下（85），通常作热补偿电容器。 作为 的负值调节剂。 7-3 高频电容器瓷的主要原料2、钛酸钙瓷 以钛酸盐为主的

8、陶瓷是高频高介电容器瓷中的又一大类，常用的有钛酸钙、钛酸锶等，这里介绍常用的钛酸钙瓷。(1) CaTiO3的结构及介电性能(2) 钛酸钙瓷的成份及工艺要求 7-3 高频电容器瓷的主要原料(1) CaTiO3的结构及介电性能 钙钛矿结构，由Ca2+和O2-离子共同作立方密堆积，Ti7+离子处于氧的六配位位置，形成TiO6八面体，八面体间共顶点连接，Ca2+离子处于八个TiO6八面体之间。由于其特殊结构，在外电场作用下，Ti7+发生离子位移（相对于O2-离子），使作用于Ti-O线上的O2-离子电场O2-电子云畸变（电子位移极化）作用在Ti7+上有效电场O2-有效电场极化 7-3 高频电容器瓷的主要

9、原料钛酸钙瓷工作温度高，适合制造小型、大容量、对电容量稳定性要求不高的耦合旁路、隔直流等场合或者电容器温度系数的调节剂。钛酸钙瓷与金红石瓷性能比较 7-3 高频电容器瓷的主要原料性能指标金红石瓷钛酸钙瓷原因7080150160结构不同（+20+80）-（700100）10-6/-（15001600）10-6/Ei、线性膨胀系数大tg（1MHz，20）（75） 10-7（23） 10-7玻璃相含量少V（cm）101110121017同上工作温度85150(2) 钛酸钙瓷的成份及工艺要求天然CaTiO3含杂质多，不能直接作原料，而采用化工原料方解石（CaCO3）和TiO2经高温合成：钛酸钙瓷的主要

10、工序为： 7-3 高频电容器瓷的主要原料球磨干燥预烧研磨成型烧结工艺注意事项：TiO2与CaCO3应充分混合均匀、确保Ca、Ti摩尔比为1：1，因此球磨后不能过滤去水。否则易去Ca。（CaO+H2OCa(HO)2流失）严格控制烧结温度，既要使CaCO3与TiO2反应充分，防止游离CaO生成（0） 7-3 高介电容器瓷的主要原料 CaTiO3与CaSnO3性能比较CaTiO3CaSnO315017（2080）10-6/-1300+110tg/10-7（20）233工作温度（）150150 7-3 高介电容器瓷的主要原料 CaSnO3瓷在高温时的性能较好，但太低，另在直流电场与还原气氛下较稳定。C

11、aSnO3可用作高频热稳定型电容器介质，为了调节瓷料的，可加入CaTiO3或TiO2。 7-3 高频电容器瓷的主要原料 (2) 锡酸钙瓷的成分及工艺要求： 锡酸钙瓷的工艺过程与CaTiO3瓷相同CaSnO3烧块的典型配方烧结工艺要求 7-3 高频电容器瓷的主要原料(1) CaSnO3烧块的典型配方 CaCO3：SnO2：1，防止SnO2游离（SnO2电子电导大） 7-3 高频电容器瓷的主要原料 (2) 烧结工艺要求： 7-3 高频电容器瓷的主要原料 这类电容器瓷的可在（+120-750）10-6/相当宽的范围内任意调节，可根据电路的要求来选择配方。 常用的该类瓷料有钛锆系、镁镧钛系及钛硅酸钙、

12、硅酸镁系列。1、钛锆系瓷2、镁镧钛系陶瓷3、CaTiO3-CaTiSiO5瓷4、以2MgOSiO2为主晶相的陶瓷7-3-3 温度系数系列化的电容器瓷 7-3 高频电容器瓷的主要原料 1、钛锆系瓷 由TiO2-ZrO2系相平衡图可知，在1800以下，存在稳定的ZrTiO7化合物，并且ZrO2和TiO2均不能与ZrTiO7生成无限固溶体，因此在ZrO2：TiO2=1：1的等分子比线两旁有ZrO2相或金红石相析出。由P62图7-17可知，通过调节TiO2与ZrO2的相对成分比来调节-80010-6/+10010-6/ 7-3 高频电容器瓷的主要原料 典型的钛锆系瓷配方：TiO2+ZrO2：70%Sn

13、O2： 11.5%矿化剂，防止ZrO2多晶转变BaCO3： 4.5%压碱ZnO： 3% 矿化剂（在还原气氛中易挥发）膨闰土： 11% 增塑剂 7-3 高频电容器瓷的主要原料 7-3 高频电容器瓷的主要原料 2、镁镧钛系陶瓷对于正钛酸镁为主晶相的陶瓷的缺点：约1718，较小；0，热稳定性较差。我国有丰富的La2O3原料，研究与制造温度系数可系列化的镁镧钛（MgO-La2O3-TiO2）系陶瓷是很有意义的。 7-3 高频电容器瓷的主要原料 晶相烧结温度（）tg（107）（10-6/，30150）MgO2TiO21380178207La2O32TiO21700522-20La2O37TiO21380

14、371-96TiO213808612-760 7-3 高频电容器瓷的主要原料四种晶相的性能如下表：因此，MgOTiO2La2O3TiO2TiO2系的性能为： 7-3 高频电容器瓷的主要原料tg510-7：2087 ：（+100-650) 10-6/烧结温区范围：35 50 工艺特点：a、防止游离La2O3吸水水解，使瓷体开裂，必须使TiO2过量（50%）并且预烧b、La2O3原料在900以上焙烧，去除H2O及CO2c、氧化气氛烧结，避免Ti4+Ti3+ 7-3 高频电容器瓷的主要原料 3、CaTiO3-CaTiSiO5瓷一般热稳定电容器瓷的共同缺点：在接近于零或在零的附近时，小；并且很难获得很

15、大的正值。CaTiSiO5是榍石型结构，单斜晶系，其主要性能： 7-3 高频电容器瓷的主要原料作为添加物时，可使接近于零时，达100以上，且这种瓷料有很大的正的，介电性能较好，tg较小，抗电强度高（同类材料中最廉价的高介材料）常见的温度系数调节剂有CaTiO3、TiO2、SrTiO3 7-3 高频电容器瓷的主要原料CaTiSiO5-CaTiO3系瓷料的介电性能尚好，但烧结范围狭窄；CaTiSiO5-TiO2系瓷料高、tg小，工艺性能好。CaTiSiO5-TiO2-SrTiO3系瓷料tg很小，较高 。 7-3 高频电容器瓷的主要原料 4、以2MgOSiO2（镁橄榄石）为主晶相的陶瓷特点： 工艺简

16、单，性能稳定，烧成温度为1280。 7-3 高频电容器瓷的主要原料7-7-1 用途 彩电、激光器、雷达、电子显微镜、X光机及各种测试仪器的倍压电源电路、交流电断路器等中高压电器线路，军事天线的发射及接收设备。7-7 中高压陶瓷电容器瓷领域用途具体设备和系统送电、配电、供电系统电压分担遮断器，避雷器零相检测相负载控制，漏电检查载波耦合自动检测，负载集中控制高压电源倍压整流电路复印机电源，大型照明电源脉冲电压发生电路激光电源，大型电磁开关电源高频感应电路热处理炉，冶炼熔炉视频设备电容量补偿视频设备的阴极射线管中高压陶瓷电容器用途7-7 中高压陶瓷电容器瓷7-7-2 分类及特点： BaTiO3：铁电体，介电常数大，但介电损耗较大，介电常数随电压变化大。 SrTiO3：顺电体，介电常数随电压变化小，介质损耗低，抗电强度高。但介电常数仅为250左右。 纯SrTiO3、BaTiO3难以满足要求，必须进行掺杂改性。 SrTiO3作为中高压电容器介质优于BaTiO3 。 反铁电体PLZT：介电常数与铁电陶瓷相近，耐压较好，适于作中高压电容器介