特种陶瓷第四讲-电介质陶瓷PPT课件.pptx
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- 特种 陶瓷 第四 电介质 PPT 课件
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1、第一章第一章 电介质陶瓷电介质陶瓷一、概念一、概念二、一般特性二、一般特性 1、电绝缘与极化、电绝缘与极化 2、介电损耗、介电损耗三、性能与分类三、性能与分类四、电绝缘陶瓷生产工艺、性能及应用四、电绝缘陶瓷生产工艺、性能及应用五、非铁电电容器陶瓷五、非铁电电容器陶瓷六、铁电电容器陶瓷六、铁电电容器陶瓷七、反铁电电容器陶瓷七、反铁电电容器陶瓷1一、一、 概念概念n电介质陶瓷是指电阻率大于电介质陶瓷是指电阻率大于108m的陶瓷材料,的陶瓷材料,能承受较强的电场而不被击穿。能承受较强的电场而不被击穿。n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(insulati
2、on ceramics)和电容器陶瓷)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。压电、热释电和铁电等性能。2二、二、 一般特性一般特性 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(性是电绝缘性、极化(polarization)和介电损耗)和介电损耗(dielectric loss)。)。1、电绝缘与极化、电绝缘与极化n电介质陶瓷中的分子正负电荷在弱电场的作用下,电介
3、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,此具有较高的体积电阻率,具有绝缘性。具有绝缘性。3u由于电荷的移动,造成了正负电荷中心不重合,在电介质陶由于电荷的移动,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,瓷内部形成偶极矩,产生了极化产生了极化。在与外电场垂直的电介质。在与外电场垂直的电介质表面上出现了感应电荷表面上出现了感应电荷Q,这种感应电荷不能自由迁移,称,这种感应电荷不能自由迁移,
4、称之为之为束缚电荷束缚电荷。束缚电荷的面密度即为。束缚电荷的面密度即为极化强度极化强度P。u对于平板型真空电容器,极板间无电介质存在,当电场强度对于平板型真空电容器,极板间无电介质存在,当电场强度为为E时,其表面的束缚电荷为时,其表面的束缚电荷为Q0,电容为,电容为C0,在真空中插入,在真空中插入电介质陶瓷时,则束缚电荷增为电介质陶瓷时,则束缚电荷增为Q,电容也增至,电容也增至C。评价同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。表示。用下式计算:用下式计算: Q / Q0 = C / C0 = r 相对介电常数越大,极化强度越大
5、,即电介质陶瓷表面的束相对介电常数越大,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,缚电荷面密度大。用于制作陶瓷电容器的材料, r越大,电越大,电容量越高,相同容量时,电容器的体积可以做的更小。容量越高,相同容量时,电容器的体积可以做的更小。42、介电损耗、介电损耗 电介质在电场作用下,把部分电能转变成热能使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介质发热,在单位时间内因发热而消耗的能量称为为损耗功率损耗功率或简称为或简称为介电损耗介电损耗。常用。常用tg表示,其表示,其值越大,损耗越大,其中值越大,损耗越大,其中称为
6、介质损耗角。称为介质损耗角。 5三、三、 性能与分类性能与分类 根据根据体积电阻率体积电阻率、介电常数介电常数和和介电损耗介电损耗等参数的等参数的不同,可把电介质陶瓷分为不同,可把电介质陶瓷分为电绝缘陶瓷及装置陶电绝缘陶瓷及装置陶瓷和电容器陶瓷瓷和电容器陶瓷。此外,某些具有特殊性质,如。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,按性压电性、铁电性及热释电性的电介质陶瓷,按性质分别称为质分别称为压电陶瓷压电陶瓷、热释电陶瓷热释电陶瓷和和铁电陶瓷铁电陶瓷。(一一)电绝缘陶瓷电绝缘陶瓷n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
7、定、支撑、保护、绝缘以及连接各种无安装、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。6作为装置陶瓷要求具备以下性质:作为装置陶瓷要求具备以下性质:(1)高的)高的体积电阻率体积电阻率(室温下,大于(室温下,大于1012m )和高)和高介电介电强度强度(大于(大于104 kV/m)。以减少漏导损耗和承受较高的)。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)介电常数小(常小于9)。可以减少不必要的)。可以减少不必要的分布电分布电容值容值,避免在线路中产生恶劣的影响,从而保证整机的,避免在线路中产生恶劣的影响,从而保证整机的质量。质量。
8、(3)高频电场下的)高频电场下的介电损耗介电损耗要小。介电损耗大会造成材料要小。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)机械强度机械强度要高,通常抗弯曲强度为要高,通常抗弯曲强度为45300MPa,抗压,抗压强度为强度为4002000MPa。(5)良好的)良好的化学稳定性化学稳定性。能耐风化、耐水、耐化学腐蚀,。能耐风化、耐水、耐化学腐蚀,不致于性能老化。不致于性能老化。 7 此外,随着电绝缘陶瓷的应用日益广泛,有此外,随着电绝缘陶瓷的应用日益广泛,有时还要求具有时还要求具有耐机械力冲击耐机械力冲击和和热冲击热冲击的性能。如的性能。如高频装置瓷
9、,除要求介质损耗小外,还要求高频装置瓷,除要求介质损耗小外,还要求热膨热膨胀系数胀系数小,小,热导率热导率高,能承受较大的热冲击。作高,能承受较大的热冲击。作为集成电路的基片材料,要求为集成电路的基片材料,要求高导热系数高导热系数,合适,合适的热膨胀系数、的热膨胀系数、平整、高表面光洁度平整、高表面光洁度及易镀膜或及易镀膜或表面金属化。表面金属化。8v电绝缘陶瓷按化学组成可分为电绝缘陶瓷按化学组成可分为氧化物系氧化物系(如氧化(如氧化铝瓷、氧化镁瓷等)和铝瓷、氧化镁瓷等)和非氧化物系非氧化物系(如氮化硅瓷、(如氮化硅瓷、氮化硼瓷等)两大类。除上述多晶陶瓷外,近年氮化硼瓷等)两大类。除上述多晶陶
10、瓷外,近年来发展了来发展了单晶电绝缘陶瓷单晶电绝缘陶瓷,如人工合成云母、人,如人工合成云母、人造蓝宝石、尖晶石、氧化铍及石英等。造蓝宝石、尖晶石、氧化铍及石英等。 9(二)电容器陶瓷(二)电容器陶瓷v根据陶瓷电容器所采用陶瓷材料的特点,电容器根据陶瓷电容器所采用陶瓷材料的特点,电容器分为:分为:温度温度(热热)补偿型(补偿型(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。10n温度温度(热热)稳定型稳定型:使用:使用非铁电陶瓷非铁电陶瓷,特点是介电,特点是介电常数随温度变化很小,接近于零,适用于高频和常数随温度变化很小,
11、接近于零,适用于高频和微波电路中。微波电路中。n高介电常数型高介电常数型:采用:采用铁电或反铁电陶瓷铁电或反铁电陶瓷,特点是,特点是介电常数非常高,可达介电常数非常高,可达30000,适用于,适用于低频高容低频高容量量电容器。电容器。n半导体型半导体型:非线性电阻电容器非线性电阻电容器,用于开关电路或,用于开关电路或热保护电路中,起自动开关作用。热保护电路中,起自动开关作用。11v按制造陶瓷电容器的材料性质分:按制造陶瓷电容器的材料性质分:第一类为第一类为非铁电电容器非铁电电容器陶瓷(陶瓷(型),又称热补偿电型),又称热补偿电容器陶瓷。第二类为容器陶瓷。第二类为铁电电容器铁电电容器陶瓷(陶瓷(
12、型),又称强介电常数电容器陶瓷。第三类型),又称强介电常数电容器陶瓷。第三类为为反铁电电容器反铁电电容器陶瓷(陶瓷(型)。第四类为型)。第四类为半半导体电容器导体电容器陶瓷(陶瓷(型)。型)。12v用于制造电容器的陶瓷材料的性能要求: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)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。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。)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,)介质损耗角正切值小。对于高功率陶瓷电容器,能提高
13、无功功率。能提高无功功率。(4)比体积电阻高于)比体积电阻高于1010m ,可保证在高温下工作。,可保证在高温下工作。(5)高的)高的介电强度介电强度。13四、四、 电绝缘陶瓷生产工艺、性能及应用电绝缘陶瓷生产工艺、性能及应用n(一)(一)电绝缘陶瓷的生产特点电绝缘陶瓷的生产特点 电绝缘陶瓷的性能,主要强调三个方面,即高体积电阻率、低介电常数和低介电损耗。除此之外,还要求具有一定的机械强度。 陶瓷材料是晶相、玻璃相及气相组成的多相系统,其电学性能主要取决于晶相和玻璃相的组成和结构,尤其是晶界玻璃相中的杂质浓度较高,且在组织结构形成连续相,所以陶瓷的电绝缘性和介电损耗性主要受玻璃相的影响。14n
14、通常陶瓷材料的导电机制为离子导电。离子导电又可分为本征离子导电、杂质离子导电和玻璃离子导电。要获得高体积电阻率的陶瓷材料,必须在工艺上考虑以下几点; 选择体积电阻率高的晶体材料为主要相。 严格控制配方,避免杂质离子,尤其是碱金属和碱土金属离子的引入,在必须引入金属离子时,充分利用中和效应和压抑效应,以降低材料中玻璃相的电导率。 由于玻璃的电导活化能小,因此应尽可能控制玻璃相的数量,甚至达到无玻璃相烧结。15 避免引入变价金属离子,以免产生自由电子和空穴,引起电子式导电,使电性能恶化。 严格控制温度和气氛,以免产生氧化还原反应而出现自由电子可空穴。 当材料中已引入了产生自由电子或空穴的离子时,可
15、引入另一种产生空穴或自由电子的不等价杂质离子,以消除自由电子和空穴,提高体积电阻率这种方法称作杂质补偿。16n另外,对于绝缘陶瓷还要求低介电损耗,陶瓷损耗的 主要来源是漏导损耗、松弛质点的极化损耗及结构损耗。因此,降低材料的介电损耗主要从降低漏导损耗和极化损耗入手: 选择合适的主晶相。 在改善主晶相性质时尽量避免产生缺位固溶体或填隙固溶体,最好形成连续固溶体。 尽量减小玻璃相含量。 防止产生多晶转换,因为多晶转变时晶格缺陷多,电性能下降,损耗增加。 注意烧结气氛,尤其对含有变价离子的陶瓷的烧结。 控制好最终烧结温度,使产品“正烧”。17n(二)电绝缘陶瓷性能(二)电绝缘陶瓷性能 无论哪种绝缘陶
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