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1、6.2 电介质陶瓷电介质陶瓷一、概念一、概念二、一般特性二、一般特性 1、电绝缘与极化、电绝缘与极化 2、介电损耗、介电损耗三、性能与分类三、性能与分类四、电绝缘陶瓷生产工艺、性能及应用四、电绝缘陶瓷生产工艺、性能及应用五、非铁电电容器陶瓷五、非铁电电容器陶瓷六、铁电电容器陶瓷六、铁电电容器陶瓷七、反铁电电容器陶瓷七、反铁电电容器陶瓷一、一、概念概念n电介质陶瓷是指电阻率大于电介质陶瓷是指电阻率大于108m的陶瓷材料，的陶瓷材料，能承受较强的电场而不被击穿。能承受较强的电场而不被击穿。n按其在电场中的极化特性，可分为电绝缘陶瓷按其在电场中的极化特性，可分为电绝缘陶瓷（insulation ce
2、ramics）和电容器陶瓷）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。压电、热释电和铁电等性能。二、二、一般特性一般特性 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（性是电绝缘性、极化（polarization）和介电损耗）和介电损耗（dielectric loss）。）。1、电绝缘与极化、电绝缘与极化v电介质陶瓷中的分子正负电荷在弱电场的作用下，电介质陶瓷中的分子
3、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，此具有较高的体积电阻率，具有绝缘性。具有绝缘性。u由于电荷的移动，造成了正负电荷中心不重合，在电介质陶由于电荷的移动，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，瓷内部形成偶极矩，产生了极化产生了极化。在与外电场垂直的电介质。在与外电场垂直的电介质表面上出现了感应电荷表面上出现了感应电荷Q，这种感应电荷不能自由迁移，称这种感应电荷不能自由迁移，称之为之为束缚电荷
4、束缚电荷。束缚电荷的面密度即为。束缚电荷的面密度即为极化强度极化强度P。u对于平板型真空电容器，极板间无电介质存在，当电场强度对于平板型真空电容器，极板间无电介质存在，当电场强度为为E时，其表面的束缚电荷为时，其表面的束缚电荷为Q0，电容为电容为C0，在真空中插入在真空中插入电介质陶瓷时，则束缚电荷增为电介质陶瓷时，则束缚电荷增为Q，电容也增至电容也增至C。评价同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。表示。用下式计算：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相对介电常数越大，极
5、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，缚电荷面密度大。用于制作陶瓷电容器的材料，r越大，电越大，电容量越高，相同容量时，电容器的体积可以做的更小。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、介电损耗 电介质在电场作用下，把部分电能转变成热能使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介质发热，在单位时间内因发热而消耗的能量称为为损耗功率损耗功率或简称为或简称为介电损耗介电损耗。常用。常用tg表示，其表示，其值越大，损耗越大，其中值越大，损耗越大，其中称为介质损耗角。称为介质损耗角。三、三、性能与分类
6、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不同，可把电介质陶瓷分为电绝缘陶瓷即装置陶电绝缘陶瓷即装置陶瓷和电容器陶瓷瓷和电容器陶瓷。此外，某些具有特殊性质，如。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，按性压电性、铁电性及热释电性的电介质陶瓷，按性质分别称为质分别称为压电陶瓷压电陶瓷、热释电陶瓷热释电陶瓷和和铁电陶瓷铁电陶瓷。(一一)电绝缘陶瓷电绝缘陶瓷v电绝缘陶瓷又称装置陶瓷，是在电子设备中作为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安装、固定、支撑
7、、保护、绝缘以及连接各种无线电元件及器件的陶瓷材料。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：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）高的体积电阻率（室温下，大于1012m）和高介电）和高介电强度（大于强度（大于104 kV/m）。以减少漏导损耗和承受较高的）。以减少漏导损耗和承受较高的电压。电压。（2）介电常数小（常小于）介电常数小（常小于9）。可以减少不必要的分布电容）。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。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）
8、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。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）机械强度要高，通常抗弯曲强度为45300MPa，抗压，抗压强度为强度为4002000MPa。（5）良好的化学稳定性。能耐风化、耐水、耐化学腐蚀，）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。不致于性能老化。此外，随着电绝缘陶瓷的应用日益广泛，有此外，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，还要求热膨高频装置瓷，除要求介质损耗
9、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的热膨胀系数、平整、高表面光洁度及易镀膜或表面金属化。表面金属化。v电绝缘陶瓷按化学组成可分为电绝缘陶瓷按化学组成可分为氧化物系氧化物系（如氧化铝（如氧化铝瓷、氧化镁瓷等）和瓷、氧化镁瓷等）和非氧化物系非氧化物系（如氮化硅瓷、氮（如氮化硅瓷、氮化硼瓷等）两大类。除上述多晶陶瓷外，近年来发化硼瓷等）两大类。除上述多晶陶瓷外，近年来发展了展了单晶电绝缘陶瓷单晶电绝缘陶瓷，如人
10、工合成云母、人造蓝宝，如人工合成云母、人造蓝宝石、尖晶石、氧化铍及石英等。石、尖晶石、氧化铍及石英等。（二）电容器陶瓷（二）电容器陶瓷v根据陶瓷电容器所采用陶瓷材料的特点，电容器根据陶瓷电容器所采用陶瓷材料的特点，电容器分为：分为：n温度温度(热热)补偿型（补偿型（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。n温度温度(热热)稳定型稳定型：使用非铁电陶瓷，特点是介电：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，适用于高频和常数随温度变化很小，接近于零，适用于高频和微波电路中。微波电路中。n高介电常数型高介电
11、常数型：采用铁电或反铁电陶瓷，特点是：采用铁电或反铁电陶瓷，特点是介电常数非常高，可达介电常数非常高，可达30000，适用于低频高容，适用于低频高容量电容器。量电容器。n半导体型半导体型：非线性电阻电容器，用于开关电路或：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。热保护电路中，起自动开关作用。v按制造陶瓷电容器的材料性质分：按制造陶瓷电容器的材料性质分：第一类为非第一类为非铁电电容器陶瓷（铁电电容器陶瓷（型），又称热补偿电容器型），又称热补偿电容器陶瓷。第二类为铁电电容器陶瓷（陶瓷。第二类为铁电电容器陶瓷（型），又型），又称强介电常数电容器陶瓷。第三类为反铁电电称强介电常数
12、电容器陶瓷。第三类为反铁电电容器陶瓷（容器陶瓷（型）。第四类为半导体电容器陶型）。第四类为半导体电容器陶瓷（瓷（型）。型）。v用于制造电容器的陶瓷材料的性能要求：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）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。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。）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，）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。能提高无功功率。（4）比体积电阻高于）比体积电阻高于1010m
13、，可保证在高温下工作。可保证在高温下工作。（5）高的介电强度。）高的介电强度。四、四、电绝缘陶瓷生产工艺、性能及应用电绝缘陶瓷生产工艺、性能及应用（一）刚玉（一）刚玉-莫来石瓷及莫来石瓷莫来石瓷及莫来石瓷1、概述、概述v莫来石瓷莫来石瓷是以莫来石（是以莫来石（3Al2O32SiO2）和石英（）和石英（SiO2）为）为主晶相的陶瓷，它是应用最早的高频装置瓷。主晶相的陶瓷，它是应用最早的高频装置瓷。v刚玉刚玉-莫来石瓷莫来石瓷的结晶相不是单一的刚玉，而是共存有莫来的结晶相不是单一的刚玉，而是共存有莫来石，因此称为刚玉石，因此称为刚玉-莫来石瓷。其主要原料是粘土、氧化铝莫来石瓷。其主要原料是粘土、氧
14、化铝和碳酸盐。刚玉和碳酸盐。刚玉-莫来石瓷的电性能较好，机械强度较高，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。外壳及其他绝缘支柱，高压开关及其他大型装置器件等。(1)一次莫来石的生成一次莫来石的生成v偏高岭石偏高岭石（Al2O32SiO2）或硅线石（或硅线石（Al2O3SiO2）在在高温下按下式分解：高温下按下式分解：1200 3（Al2O32SiO2
15、）3Al2O32SiO2+4SiO2 130015003（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一次莫来石。(2)二次莫来石的生成二次莫来石的生成v一一次次莫莫来来石石生生成成的的同同时时，还还伴伴生生游游离离石石英英。石石英英有有多多晶晶转转变变，对对瓷瓷质质不不利利，在在生生产产高高铝铝瓷瓷时时要要增增加加Al2O3成成分分，使使之之与与游游离离石石英英起起反反应应生生成成莫莫来来石石，这这时时所所生生成成的的莫莫来来石石称称为为二二次次莫莫来石来石。3Al2O3+2SiO2
16、3Al2O32SiO22、莫来石的生成、莫来石的生成3、莫来石瓷及刚玉、莫来石瓷及刚玉-莫来石瓷的配方莫来石瓷的配方v莫来石瓷及刚玉莫来石瓷及刚玉-莫来石瓷属于高铝瓷的范畴，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，常用的外加剂有金属氧化物做外加剂，常用的外加剂有BaO、SrO、CaO、MgO等。等。4、生产工艺、生产工艺v莫来石瓷及刚玉莫来石瓷及刚玉-莫来石瓷的生产工艺可按一般莫来石瓷的生产工艺可按一般陶瓷的生产过程加工处理：陶瓷的生产过程加工处理：混料球磨混料球磨 成型成型烧结烧结（二）镁质瓷（二）镁质
17、瓷v按照主晶相的不同，它可分为以下四类：按照主晶相的不同，它可分为以下四类：原顽辉石瓷原顽辉石瓷(即滑石瓷即滑石瓷)、镁橄榄石瓷、尖、镁橄榄石瓷、尖晶石瓷及堇青石瓷。晶石瓷及堇青石瓷。v滑石瓷滑石瓷介电损耗小介电损耗小，用于一般高频无线电设备中，如雷，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。达、电视机常用它制造绝缘零件。v镁橄榄石瓷镁橄榄石瓷的的介质损耗低介质损耗低，而且随频率的变化小，在微，而且随频率的变化小，在微波范围内也不增加，它的波范围内也不增加，它的比体积电阻大比体积电阻大，并且在高温，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。但下仍然具有相当高的数值
18、，可作为高频绝缘材料。但它的它的热膨胀系数高热膨胀系数高，因此热稳定性较差。，因此热稳定性较差。v尖晶石瓷尖晶石瓷的的介质损耗低于滑石瓷，而介电常数稍高，化介质损耗低于滑石瓷，而介电常数稍高，化学稳定性良好学稳定性良好。在电子工业中，它是低压高频电容器、。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。感应线圈骨架及电子管插座等的良好材料。v堇青石瓷堇青石瓷的的膨胀系数低，热稳定性好膨胀系数低，热稳定性好，可用于要求体积，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。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（三）绝缘陶瓷的应用及
19、未来 1、应用、应用1）电力：绝缘子、绝缘管、绝缘衬套、真空开关。）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。）汽车：火花塞、陶瓷加热器。3）耐热用：热电偶保护管、绝缘管。）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。）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。）电子管：管壳、磁控管、管座。6）半导体：）半导体：Si晶体管管座、二极管管座、超高频晶体管外晶体管管座、二极管管座、超高频晶体管外壳。壳。7）封接用：金属喷镀法加工、玻璃封接。）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、
20、红外线透过窗口。）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、绝缘陶瓷的未来发展 1）向极端发展）向极端发展：高纯度、大型化（超大型绝缘子）：高纯度、大型化（超大型绝缘子）、小型化（超小型半导体管壳）。、小型化（超小型半导体管壳）。2）向更大功能和多功能发展）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）向节约并开发资源和能源发展五、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：1010，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。n非铁电陶瓷的种类1
21、.金红石陶瓷金红石陶瓷：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2.钛酸钙陶瓷钛酸钙陶瓷 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。电容器等。(1)配方：配方：钛酸钙瓷的制备一般分两
22、步进行。先合成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：，然后再配方。典型的配方如下：CaTiO3烧块烧块 99%ZrO2 1%瓷料的烧结温度为瓷料的烧结温度为136020。在国外，为了降低烧结温。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（加入少量氧化钴（2.5%）。）。（2）生产工艺）生产工艺v钛酸钙瓷是一种含钛陶瓷，其合成与烧结必须在氧化气氛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。中进行。v原料球磨时原料球磨时CaO可能水解生成水溶性可能水解
23、生成水溶性Ca(OH)2，故球磨后，故球磨后应进行烘干，不能过滤除水，否则会因应进行烘干，不能过滤除水，否则会因Ca(OH)2流失而影流失而影响配比。响配比。v钛酸钙的结晶能力较强，为防止晶粒长大，烧结温度和保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。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电滞回线线，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
24、居里温度(Curie Point)材料及工艺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，具有双双电滞回线电滞回线。组成：反铁电陶瓷常以PbZrO3或LaNbO3为主要组成的固溶体。多层电子封装多层电子封装电子陶瓷片式器件（电容、电感、电阻）电子陶瓷片式器件（电容、电感、电阻）