6.2 电介质陶瓷解析

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）