特种陶瓷第四讲电介质陶瓷

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1、1,第一章 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,2,一、 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。,3,二、 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

2、电绝缘性、极化（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。,4,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

3、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。,5,2、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。,6,三、 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及装

4、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。,7,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，

5、影响工作。 （4）机械强度要高，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。,8,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。,9,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

6、成云母、人造蓝宝石、尖晶石、氧化铍及石英等。,10,（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。,11,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。,12,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）

7、，又称热补偿电容器陶瓷。第二类为铁电电容器陶瓷（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（型）。第四类为半导体电容器陶瓷（型）。,13,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。,14,四、 电绝缘陶瓷生产工艺、性能及应用,（一）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

8、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。,15,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

9、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。,16, 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。,17,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

10、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”。,18,（二）电绝缘陶瓷性能 无论哪种绝缘陶瓷，必须具备以下性能： 1.高的体积电阻率1012m； 2.小的相对介电系数r30； 3.损耗因子tg 0.001； 4.介电强度高500kV/cm,19,其他性能 良好的导热性:热导率为2428WmK ； 耐腐蚀，不变形，可在-55+860温度范围内使用 ； 良好的机械性能； 与半导体材料尽可能一致的热膨胀系数。,20,（三）刚玉-莫来石瓷及莫来石瓷 1、概

11、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。,21,(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

12、+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,22,3、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

13、、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,23,（四）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。,24,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

14、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。,25,（五）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。,26,1855年：陶瓷绝缘子作为电绝缘材料应用于铁路通信线路 1880年：美国在电

15、力输电线路中开始使用陶瓷绝缘子 现在：已经能够制造出耐压500 kV以上的超高压输电用高性能陶瓷绝缘子,27,28,汽车陶瓷火花塞、燃气灶具用点火针,29,30,集成电路是一种把大量微晶体管电路元件组装在一块基片上所构成的超小型、高密度的电路，这类电路通常要封装在集成电路的管壳内。 电子工业中，Al2O3、BeO、SiC、AlN、单晶硅绝缘陶瓷用于集成电路的基片和封装材料,31,氧化铝陶瓷基片,32,33,34,陶瓷管壳、封装材料,35,36,整流管用陶瓷管壳,37,陶瓷管保险丝、陶瓷管座,陶瓷管保险丝,陶瓷管座,38,电子电器用陶瓷绝缘管,39,陶瓷真空开关管,40,高温陶瓷炉管、热电偶保护

16、管,41,2、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,42,五、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。,43,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,44,2.钛酸钙陶瓷 钛酸钙陶