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陶瓷材料的介电性能
2022年08月31日 发布 分类:粉体入门 点击量:276
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由于固态电子学领域持续迅速的扩展,陶瓷材料的介电(以非导电性为基点)和磁学特性日趋重要。在这个领域中,可用材料的局限性往往成为阻碍设计改进的瓶颈。另外,元件的可靠性对许多应用来说关系重大。例如,一个元件的失效会造成价值数百万美元的整个导弹的失灵。同时,人们通过大量的努力来减小所有通信设备的尺寸。

陶瓷电介质主要在电子电路中用做电容元件和电绝缘体。在这些应用中,人们最关心的性能是介电常数、介电损耗因子和介电强度。我们的讨论主要限于这些性能。新型器件和新的应用在不断提高频率范围和扩大环境条件(特别是温度)的范围,这些都是很有实际意义的问题。因此,我们用比目前技术所要求的更为广泛的观点来探讨这此变量。

对作为电容器介质和电绝缘体的应用来说,有机塑料是一种合适的材料它们通常比陶瓷材料更便宜,便于制成更精确的尺寸。陶瓷的优点往往也说明了它的用途,主要是具有优良的电性能、室温时在应力作用下无蠕变或形变、有较强的抵抗环境变化的能力(特别是在高温下,塑料常常会发生氧化、气化或分解),以及能够与金属进行气密封接而成为电子器件不可缺少的部分。应该指出,具体电介质的选择往往取决于其制成的气密部件在不寻常环境条件下运作的效能,取决于适宜的热膨账特性,取决于令人满意的抗热应力和抗冲击性能,取决于具有制成精确尺寸和复杂形状的性能,以及取决于虽然与电特性完全无关但对构成切合实用的器件来说却是很重要的特性。

一、极化和介电常数

电介质是指能在电场中极化的材料。 电介质在电场作用下产生感应电荷的现象叫极化。在平板电容器中,其电容量C与平板的面积S、板间距离d的关,即C=εS/d, 式中ε为静态介电常数,显然ε代表了板间电介质的性能。

当带有电介质的电容C与无电介质(真空)的电容Co之比称为电介质的相对介电常数εr。

由于电场作用电解质内部发生形变

二、电介质的介电损耗

电介质在外电场作用下,其内部会有发热现象,这说明有部分电能已转化为热能耗散掉,这种介质内的能量损耗称为介质损耗。常用tgδ表示,其值越大,能量损耗也越大。 δ称介电损耗角,其物理意义是指在交变电场下电位移D与电场强度E的相位差。

tgδ是所有应用于交变电场中电介质的重要的品质指标之一。介质损耗越小越好。

相对介电常数和介电损耗是电子陶瓷材料中的一个重要参数,不同用途的陶瓷,对它们有不同的要求.

三、介电陶瓷电容器

陶瓷电容器以其体积小、容量大、结构简单、优良的高频特性、品种繁多、价格低廉,便于批量生产而广泛应用于家用电器、通信设备、工业仪器等领域,是目前飞速发展的电子技术的基础之一。


用于制造陶瓷电容器的介电陶瓷,对材料有以下要求:

1、介电常数应尽可能高;

2、在高频、高温、高压及其他恶劣环境下,陶瓷电容器性能稳定可靠;

3、介质损耗要小;

4、比体积电阻率高于1010Ω.m(绝缘电阻率通常大于 1010Ω.m ),可保证在高温下工作;

5、具有较高的介电强度,陶瓷电容器在高压和高功率条件下,往往由于击穿而不能工作,因此必须提高电容器的耐压特性。

四、陶瓷电容器的分类和特征

1、非铁电电容器陶瓷(Ⅰ型),其特点是高频损耗小,介电常数随温度变化而呈线性变化,又称热补偿电容器陶瓷;

2、铁电电容器陶瓷(Ⅱ型),其特点是介电常数随温度变化而呈非线性变化,而且介电常数很高,又称高介电常数陶瓷;

3、反铁电电容器陶瓷(Ⅲ型),其特点是储能密度高,储能释放充分,可用于储能电容器

4、半导体电容器陶瓷(Ⅳ型)

五、介电陶瓷材料及应用

1、温度补偿电容器用介电陶瓷

主要用于高频振荡电路中作为补偿电容介质,在性能上要求具有稳定的电容温度系数和低的介质损耗。

工艺要求:采用氧化气氛烧结;不易采用湿磨;烧结温度和时间控制好,防止开裂。

2、热稳定型电容器陶瓷材料

分为高频热稳定电容器陶瓷和微波介电陶瓷。

(1)高频热稳定电容器陶瓷

其主要特点是介电常数的温度系数的绝对值很小,有的甚至接近于零。

如:MgTiO3瓷,,介电损耗低,温度系数的绝对值小,且原料丰富,成本低,但烧结温度较高(~1450℃),难以控制。

(2)微波介电陶瓷

微波介电陶瓷主要用于制作微波电路元件,在微波滤波器中用作介质谐振器。评价微波介电陶瓷材料的主要参数是介电常数、品质因素和谐振频率温度系数。

要求具有以下性能:适当大小的介电常数,且值稳定;介电损耗小;有适当的介电常数温度系数;热膨胀系数小。


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