电介质陶瓷解析.ppt

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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

2、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,

3、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

4、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。

5、(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

6、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

7、: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。(

8、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

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