《电介质陶瓷》PPT课件.ppt

1、6.2 电介质陶瓷,一、概念 二、一般特性 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、 概念 电介质陶瓷是指电阻率大于108m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（insulation ceramics）和电容器陶瓷（capacitor ceramics；condenser ceramics）。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

2、化（polarization）和介电损耗（dielectric loss）。 1、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。 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

3、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r 表示。用下式计算： Q / Q0 = C / C0 = r 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， r越大，电容量越高，相同容量时，电容器的体积可以做的更小。,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tg表示，其值越大，损耗越大，其中称为介质损耗角。,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瓷和电容器陶瓷。此外

4、，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。,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1012m ）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。 （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。 （4）机械强度要

5、高，通常抗弯曲强度为45300MPa，抗压强度为4002000MPa。 （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、人造蓝宝石、尖晶石、氧化铍及

6、石英等。,（二）电容器陶瓷 根据陶瓷电容器所采用陶瓷材料的特点，电容器分为： 温度(热)补偿型（型）：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，维持谐振频率的稳定。,温度(热)稳定型：使用非铁电陶瓷，特点是介电常数随温度变化很小，接近于零，适用于高频和微波电路中。 高介电常数型：采用铁电或反铁电陶瓷，特点是介电常数非常高，可达30000，适用于低频高容量电容器。 半导体型：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。,按制造陶瓷电容器的材料性质分：第一类为非铁电电容器陶瓷（型），又称热补偿电容器陶瓷。第二类为铁电电容器陶瓷（型），

7、又称强介电常数电容器陶瓷。第三类为反铁电电容器陶瓷（型）。第四类为半导体电容器陶瓷（型）。,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1010m ，可保证在高温下工作。 （5）高的介电强度。,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（3Al2O32SiO2）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

8、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，工艺性能好，烧结温度不高，且烧结温度范围宽。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。,(1)一次莫来石的生成 偏高岭石（ Al2O32SiO2 ）或硅线石（ Al2O3SiO2 ）在高温下按下式分解： 1200 3（Al2O32SiO2） 3Al2O32SiO2+4SiO2 13001500 3（Al2O3SiO2） 3 Al2O32SiO2+4SiO2 这种从原料矿物高温分解直接生成的莫来

9、石称为一次莫来石。,(2)二次莫来石的生成 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来石。 3Al2O3 + 2SiO2 3Al2O32SiO2,2、莫来石的生成,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 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工处理： 混料球磨 成型烧结,（二）镁质瓷 按照主晶

10、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。,滑石瓷介电损耗小，用于一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。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。,（三）绝缘陶瓷的应用及未来

11、 1、应用 1）电力：绝缘子、绝缘管、绝缘衬套、真空开关。 2）汽车：火花塞、陶瓷加热器。 3）耐热用：热电偶保护管、绝缘管。 4）电阻器：膜电阻芯和基板、可变电阻基板。 5）电子管：管壳、磁控管、管座。 6）半导体：Si晶体管管座、二极管管座、超高频晶体管外壳。 7）封接用：金属喷镀法加工、玻璃封接。 8）光学用：高压钠灯、紫外线透过窗口、红外线透过窗口。,2、绝缘陶瓷的未来发展 1）向极端发展：高纯度、大型化（超大型绝缘子）、小型化（超小型半导体管壳）。 2）向更大功能和多功能发展 3）向节约并开发资源和能源发展,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

12、路和高功率的损耗少 体积电阻高：1010W.cm，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。,非铁电陶瓷的种类 1.金红石陶瓷： 组成：TiO2含量约90，另有10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。 烧成：金红石陶瓷一般在132510氧化气氛中烧成，还原气氛也对电性能不利。 性能：介常100，介损4104，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

13、容器等。 (1)配方： 钛酸钙瓷的制备一般分两步进行。先合成CaTiO3 ，然后再配方。典型的配方如下： CaTiO3烧块 99% ZrO2 1% 瓷料的烧结温度为136020 。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）生产工艺 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晶粒长大。,六、铁电电容器陶瓷 特点：铁电陶瓷晶体中存在着许多自发极化的偶极子，在电场中会产生一类似磁滞回线的电滞回线，故称为铁电体。铁电陶瓷在高于某温度时会失去自发极化，低于该温度时又重新获得铁电性，这一转变温度称为居里温度(Curie Point),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：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：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