6.2 电介质陶瓷(2009.11.13)

6.2 电介质陶瓷(2009.11.13)

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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108Ω·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(insulationceramics)和电容器陶瓷(capacitorceramics;condenserceramics)。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(dielectricloss)。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。 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tgδ表示,其值越大,损耗越大,其中δ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,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1012Ω·m)和高介电强度(大于104kV/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)机械强度要高,通常抗弯曲强度为45~300MPa,抗压强度为400~2000MPa。(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(Ⅰ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(Ⅰ型),又称热补偿电容器陶瓷。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。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)。 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1010Ω·m,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(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,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(Al2O3·2SiO2)或硅线石(Al2O3·SiO2)在高温下按下式分解:1200℃3(Al2O3·2SiO2)3Al2O3·2SiO2+4SiO21300~1500℃3(Al2O3·SiO2)3Al2O3·2SiO2+4SiO2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+2SiO23Al2O3·2SiO22、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1325±10℃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≤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。(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%ZrO21%瓷料的烧结温度为1360±20℃。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(CuriePoint) 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 七、反铁电电容器陶瓷特点:高介电常数,温度系数非线性,存在居里点,该类材料中的每个电畴中存在两个方向相反、大小相等的自发极化,而不是方向相同的偶极子,因此,具有双电滞回线。组成:反铁电陶瓷常以PbZrO3或LaNbO3为主要组成的固溶体。 多层电子封装 电子陶瓷片式器件(电容、电感、电阻)

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