电介质陶瓷20091113演示文稿.ppt

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（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。 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（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。 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，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。 （