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1、6.1 电容器介质材料 6.2 铁电材料 6.3 压电材料与热释电材料 6.4 微波陶瓷介质材料 6.5 玻璃电介质材料 6.6 有机电介质材料,第六章 电介质材料, 6-1 电容器介质材料,电容器是由两个金属板，中间夹有绝缘材料(绝缘介质)构成的。绝缘材料不同，构成电容器的种类也不同。, 6-1 电容器介质材料,电容器在电路中具有隔断直流电、通过交流电的作用，常用于级间耦合、滤波、去耦、旁路及信号调谐(选择电台)等。它是电子设备中不可缺少的基本元件。,当在电容的极板上施加电场以后，由于电介质的极化过程，使束缚电荷在两极板上积累而储存电能，因此称为电容器。,电介质材料主要分为两类, 6-1 电
2、容器介质材料,由铝、钽、铌等阀金属表面生成的介电氧化膜等。,绝缘材料 如纸、玻璃、陶瓷、云母、有机薄膜等。,（阀金属：铝、铌、钛、钽；阀的意思就是正向导通，反向开路；）, 6-1 电容器介质材料,超级电容器结构框图,超级电容器是一种高能量密度的无源储能元件。它是根据电化学双电层理论研制而成的，所以又称双电层电容器。,不存在通常所说的“电介质”，而是由“电解质”可为液体电解质，也可为“固体电解质” 或称为“快离子导体”。,在外电场的作用下，由于离子的迁移形成双电层，或在电解质/电极界面产生欠电位沉积等电化学作用而形成电容效应。, 6-1 电容器介质材料,于是，从传统静电电容器到电解电容器再发展到
3、超大容量电化学离子电容器，其中的电极化或电荷迁移载体，发生了从纯电介质到阀金属氧化物，再到具有离子输运特点的电介质的变化。, 6-1 电容器介质材料,电容器的电介质材料主要有四个方面要求： 第一，为达到高比容量的目的，应采用介电常数值尽可能高的材料。 第二，为了保证电容器具有纯容抗，即避免因极化过程造成能量损耗，导致产生热量，要求具有尽可能低的损耗角正切值，特别要求在高工频率或脉冲条件使用时，tan值低。 第三，电容器电介质还应具有高的绝缘电阻值，并保证电阻值在不同频率与温度条件下尽可能稳定，避免因为杂质的分解和材料的老化引起绝缘电阻值下降。 第四，要求电介质具有高的击穿电场强度。, 6.1.
4、1 纸电介质及其浸渍材料,纸电容器是电容器的主要类型之一，使用较早，用量很大。电容量值及工作电压范围较宽，通常为470 pF30uF，63V-1500V，甚至高压纸电容器耐压值高达3040kv。电容器纸以硫酸盐木质纤维素为主要原料，经抄纸，烘干，压光等工艺制成，要求质地密实，厚薄均匀。目前国内可生产4-22um纸，同国际水平相当。,用特制的电容器纸作为介质，铝箔或锡箔作为电极并卷绕成圆柱形，然后接出引线，再经过浸渍处理，用外壳封装或环氧树脂灌封而成。,1. 电容器纸的结构和特性,电容器纸由无纺植物纤维素和空气隙交替分布构成，其密度为1-1.3g/cm3,抗拉强度约1000 kg/cm2，未浸渍
5、前空气隙体积分数为30%，水分体积分数为5%7%，灰分体积分数为0.2%-0.3%。其主要成分纤维素为天然高分子物质，分子式（C6H10O5)n，聚合度n1000。纤维素分子是由葡萄糖环构成的长链，相互间由氧桥相连接。其分子结构如图6.1.1所示。,1. 电容器纸的结构和特性,由图6.1.1可见，纸纤维基的原子组成的摩尔分数比为：O：C：H = 49.39%：44.44%：6.7%。由于每个分子链上含有三个不相对称的(OH)基，故具有较强的极性。在交变电场作用下，(OH)基产生转向极化，纤维素介电系数6.5-7，并伴随着较高的tan值。又由于纸中有较大气孔率，所以5。,1. 电容器纸的结构和特
6、性,电容器纸为纤维素与气隙交错分布组成，由于空气的随温度变化极小，所以其= f(T)曲线取决于纤维素的作用，即值随温度升高而增大。值与频率的关系中，由于空气的值与频率几乎无关，故也只能取决于纤维素的频率特性。空气的tan值极小，电容器纸的tan亦主要由纤维素决定，随着纤维素密度增大而增加。,2. 电容器纸的浸渍,电容器纸中的大量空气隙由于具有较低值，并成为极性基(OH)吸附水分的储存场所，故通常采用真空浸渍方法（将空气排除而将有机浸渍材料填隙其中）以达到改性的目的。可供电容器纸浸渍的材料很多，按极性程度可划分为极性和非极性；按物理状态则可分为液态和固态等不同类别。极性浸渍材料的介电性能有很大差
7、别，液态与固态浸渍材料的填充程度有所不同。液体浸渍材料可填充绝大部分气孔，适用于高压和脉冲电容器中；固体浸渍材料则可使电容器外部结构简化，甚至无需再使用外壳，但在固化收缩时会形成部分气隙，一般用于直流或低压通用电容器中。,2. 电容器纸的浸渍,图中，Cc、Cg分别为由纤维素及气隙极化形成的电容量；x为气隙在纸中所占的体积分数。由此可根据串联等效电路表示出浸渍液体介质后纸的总介电常数：,式中，f、1分别为纤维素和液体浸渍料的介电常数；x为纤维素密度系数。,2. 电容器纸的浸渍,当采用固体浸渍料时，因为固化收缩后会留下部分空隙，其等效电路如图6.1.3(b)所示。这时浸渍纸的总介电常数可表为:,式
8、中，s为固体浸渍料介电常数；y为浸渍料收缩率，通常为( 10-20)%。, 6.1.2 有机薄膜电容器介质材料,有机薄膜电容器介质分为非极性（包括弱极性）及极性薄膜两大类。,非极性主要优点是： 介质损耗很低，比纸介质约低一个数量级。一般具有较高电阻率，有机薄膜电容器的时间常数约为106 M.uF。 主要缺点是: 热胀系数大，并且在温度变化后产生不可逆形变，从而产生了不可逆的电容量变化，电容量的温度系数一般为负值。介电常数低，22.5。比率电容量为纸介电容器的1/4-1/2。此外，机械强度较差。常见的非极性有机电介质有聚苯己烯、聚乙烯、聚丙烯和聚四氟乙烯等。, 6.1.2 有机薄膜电容器介质材料
9、,极性有机电介质的损耗角正切则较大，比纸介质约低一个数量级，介电常数=33.6。为了获得比纸介质更大的应用范围，其发展方向在于提高工作温度(要求超过100-125)和工作电场强度(200V/u)；研究其在工作过程中的电化学过程机理，达到改善在高温和高场强长期工作时的老化问题。极性有机电介质品种繁多，其中最常见的有对苯二甲酸乙酯、聚碳酸酯、聚酰聚胺等。其详细内容见6.6节。, 6.1.3 电解电容器介质,电解电容器的比率电容量是各种电容器中最高的（其电容率上限可达300-500uF/cm3；标称容量可达法拉级。加之其结构、工艺与电特性跟其他类型电容器明显不同，其用量已占整个电容器的30%-4O%
10、,从而引起了人们密切的关注。 首先，电解电容器介质并不是分离存在的，它是通过电化学方法在阀金属上生成的氧化膜薄层，其厚度0.01l.5um。该氧化膜介质由于具有单向导电性，反向连接时由于电导率大大增加致使容器通过电流过大而使元件损坏，所以具有极性，而在脉动直流或交流条件使用的电解电容器，实际上是两个芯子串联，并不是真正的无极性元件，结果使比率电容量减小。电容器在工作过程中，电解质能自动修补或隔离氧化膜疵点，从而可加强和恢复绝缘能力，提高工作电场强度，称为“自愈特性”。, 6.1.3 电解电容器介质,其次作为电极的金属，因在电解槽中形成的氧化膜具有单向导电性，故被称为“阀金属”，如铝、钽、铌等。
11、阀金属在电解过程中乃至在工作时接正极，为元件的阳极。为了使电容量值进一步加大，常将阀金属活化进行腐蚀。 第三电解电容器的另一电极为与氧化膜相接触的电解质（一般为液体或半液体）称为阴极。因为电解质与氧化膜能良好接触，从而具有较高的击穿电场强度。此时再用另一金属与电解质接触作为引出端，该引出金属起“集电极”的作用。,由于氧化膜结构具有不完整性，表面上存在疵点、裂纹和空洞，从而使漏电流较大（可达1mA以上），绝缘电阻较低(可低于1M)。又因为电解质或半导体阴极电阻值较高，从而使电容的总损耗角正切值偏高，并具有tan值的频率、温度不稳定性，且老化特性较差。上述不足之处，在钽电解电容器中得到明显改善。,
12、1、箔式铝电解电容器氧化膜介质,通过电化学法在阀金属阳极表面生长氧化膜电解质过程称为“形成”( Forming,日文称“化成”)，俗称“赋能”。氧化膜的结构和特性同阀金属-电解液的组合相关。,铝电解液,第一类为不（或很少）溶解阀金属及其氧化膜的电解液，如硼酸、硼砂及柠檬酸等，这是生成氧化膜的主要成分。,第二类，则是不（或很少）溶解阀金属，但却能很好地溶解其氧化膜的电解液，如硫酸、草酸、磷酸等，常用于电解质的预形成，以缩短形成时间，提高效率。,1、箔式铝电解电容器氧化膜介质,Al2O3通常以三种晶型存在，经高温处理的-Al2O3为斜方晶系，结构最紧密，是电子陶瓷的主要原料。在较低温度下的-Al2
13、O3具有尖晶石型结构，密度较小，天然的无定形Al2O3在加热至100左右时，形成立方晶系的过渡相-Al2O3。当温度升高至500 后-Al2O3又转变成-Al2O3。此外，-Al2O3(密度3.31gcm3)不是纯Al2O3，不属于Al2O3一元系，其化学式为Na2O11Al2O3。由于-Al2O3开始发现时忽视了Na2O的存在，而被误认为是Al2O3的一种变体，采用了-Al2O3这一名称，并沿用至今。其密度最小，硬度最差。电解电容器的Al2O3 膜主要是：不含水的无定形的Al2O3，立方晶型的-Al2O3，水合氧化铝Al(OH)3及多孔性Al2O3。,1、箔式铝电解电容器氧化膜介质,Al2O
14、3介质膜的结构和特性与电解液及形成条件关系很大。对于不溶解铝也不溶解Al2O3的第一类电解液，在适当控制温度和形成电流时，可获得无定形Al2O3膜，在经过100热处理后可使之转变为-Al2O3。,1、箔式铝电解电容器氧化膜介质,2、固体钽电解电容器钽氧化膜结构及晶化,烧结型固体电解质片状钽电容器,固体钽电容器是1956年由美国贝尔试验室首先研制成功的，它的性能优异，是所有电容器中体积小而又能达到较大电容量的产品。,钽电容器外形多种多样，并容易制成适于表面贴装的小型和片型元件。目前生产的钽电解电容器主要有烧结型固体、箔形卷绕固体、烧结型液体等三种，其中烧结型固体约占目前生产总量的95%以上，而又
15、以非金属密封型的树脂封装式为主体。小型化、片式化配合SMT技术下方兴未艾，片式烧结钽电容器已逐渐成主流。,固体钽电解电容器的结构示意图,它的正极的制造过程为:用非常细的钽金属粉压制成块，在高温及高真空条件下烧结成多孔形基体，然后再对烧结好的基体进行阳极氧化，在其表面生成一层Ta2O5膜，构成以Ta2O5膜为绝缘介质的钽粉烧结块正极基体。,其负极的制造过程是:在钽正极基体上浸渍硝酸锰，经高温烧结而形成固体电解质MnO2再经过工艺处理形成负极石墨层，接着再在石墨层外喷涂铅锡合金等导电层，便构成了电容器的芯子。可以看出，固体钽电解电容器的正极是钽粉烧结块，绝缘介质为Ta2O5，负极为MnO2固体电解
16、质。将电容器的芯子焊上引出线后再装入外壳内，然后用橡胶塞封装，便构成了固体钽电解电容器。,、介电系数大，以制造小体积、重量轻的陶瓷电容器，电容器体积整机体积、重量 、介质损耗小，tg=（16）10-4，保证回路的高Q值。高介电容器瓷工作在高频下时、tg 。 、陶瓷电介质及高稳定导电电极Ag、Pt、Pd等均经过高温烧 结，具有高强度结构和高可靠性，耐高工作温度。本身不仅作为电介质，同时作为基体和支承结构。 具有高电阻率，高耐电强度。, 6.1.4 陶瓷电容器介质,陶瓷电容器的用量约占整个电容器的40%左右，相当于铝电解和钽电解电容器的总和，作为陶瓷电容器钓介质称为“介电陶瓷”，其特点有四个：,电容器瓷分类：, 6.1.4 陶瓷电容器介质,1、 高频温度补偿性介电陶瓷（型）； 2、 高频温度稳定型介电陶瓷（型）； 3、
