介電材料的應(yīng)用.doc

介電材料的研究與發(fā)展介電材料dielectric material ，又稱電介質(zhì)，是電的絕緣材料。主要用于制造電容器。要求材料的電阻率高，介電常量大。種類很多，重要的有金紅石（TiO2）瓷，含二氧化鈦的復(fù)合氧化物陶瓷，如鈦酸鈣、鈦酸鎂、鈦酸鋇等。云母具有層狀結(jié)構(gòu)，易剝離成薄片，適于用作疊層型電容器。六方氮化硼耐高溫、導(dǎo)熱系數(shù)大，是理想的高溫導(dǎo)熱絕緣材料。白寶石（-Al2O3）、尖晶石（MgOAl2O3）等可作電子器件的襯底材料，可在它上面生長(zhǎng)單晶硅膜。電容器是電子、電力工業(yè)中一種常用的電子、電器元器件，它的用途十分廣泛、電容器是儲(chǔ)存從電路中得到的電荷的器件，它可以使信號(hào)的波動(dòng)趨于平滑，積蓄電荷使電路的其余部分免遭破壞，儲(chǔ)存的電荷供以后分配、使用，甚至還可以改變電信號(hào)的頻率，電容器的設(shè)計(jì)原則是使電荷儲(chǔ)存在兩個(gè)導(dǎo)體之間的極化材料(介電材料)中。對(duì)介電材料的要求是必須容易極化，同時(shí)還必須有很高的電阻率和介電強(qiáng)度，以防止電荷在兩個(gè)導(dǎo)體板之間通過(guò)。這種限制電流不能在兩個(gè)導(dǎo)體之間通過(guò)的作用和絕緣材料的作用一樣，從這個(gè)意義上說(shuō)，介電材料是一類特殊的絕緣材料，它又有絕緣材料不具備的儲(chǔ)存電荷的功能，能夠儲(chǔ)存電荷是介電材料的主要功能，因此，它必須是具有很高介電常數(shù)的一舉材料。在電工技術(shù)中，電介質(zhì)主要用作為電氣絕緣材料，故電介質(zhì)亦稱為電絕緣材料。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)一些電介質(zhì)具有與極化過(guò)程有關(guān)的特殊性能。如不具有對(duì)稱中心的晶體電介質(zhì)，在機(jī)械力的作用下能產(chǎn)生極化，即壓電性；不具有對(duì)稱中心，而具有與其他方向不同的唯一的極軸晶體存在自發(fā)極化，當(dāng)溫度變化能引起極化，即具有熱釋電性；當(dāng)自發(fā)極化偶極矩能隨外施電場(chǎng)的方向而改變，它的極化強(qiáng)度與外施電場(chǎng)的關(guān)系曲線與鐵磁材料的磁化強(qiáng)度與磁場(chǎng)的關(guān)系曲線極為相似，即具有電滯曲線(鐵電性)。具有壓電性、熱釋電性、鐵電性的材料分別稱為壓電材料、熱釋電材料、鐵電材料。這些具有特殊性能的材料統(tǒng)稱為功能材料。它是電介質(zhì)的一個(gè)重要組成部分?？捎米鳈C(jī)械、熱、聲、光、電之間的轉(zhuǎn)換，在國(guó)防、探測(cè)、通信等領(lǐng)域具有極為重要的用途。用于顯示的液晶，在靜電效應(yīng)的應(yīng)用和防護(hù)方面的材料，可以用于隱形技術(shù)方面的微波電介質(zhì)材料，以及作為結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用的電介質(zhì)介電材料的應(yīng)用： 這里指的是利用介電常數(shù)的實(shí)部和虛部的材料。日前主要用作電容器的介質(zhì)；它要求有高的介電常數(shù)和擊穿場(chǎng)強(qiáng)，還要有低的損耗和漏電電流，鐵電相變和介電損耗在介電材料中的利用。在鐵電相變或反鐵電相變點(diǎn)附近，電介質(zhì)的介電常數(shù)有很大值。從理論k，對(duì)于理想完整的單晶體，根據(jù)居里外斯(Curie：Weiss)定律，在居里點(diǎn)附近介電常數(shù)向無(wú)限大發(fā)散。但這么一來(lái)溫度范圍就太窄了，在工藝上的方法是以鐵電體和反鐵電體的這一特性為基礎(chǔ)，采用摻雜等技術(shù)使相變點(diǎn)變?yōu)橐粋€(gè)溫度范圍較寬的相變區(qū)，在區(qū)內(nèi)仍有足夠大的介電常數(shù)這時(shí)的相變成為擴(kuò)散型的相變。增加電容器單位體積(或單位重量)的電容量的巧妙的一些新方法。目前，電容器還主要用于電子技術(shù)和電工方面注意到電容器貯存的電能為專Cy2，若能提高它的耐壓以及單位體積的電容量C，則電容器所貯存的電能是十分可觀的，在引發(fā)可控?zé)岷朔磻?yīng)時(shí)，方法之一就是利用電容器貯存的能量在很短時(shí)間內(nèi)釋放出來(lái)以產(chǎn)生足夠高的溫度如果電容器單位重量貯存的能量能達(dá)到一般鉛蓄電池的水平(324whk8)，則電容器就有可能進(jìn)一步發(fā)展為能源貯存之用目前許多學(xué)者對(duì)這方面的研究還是樂(lè)觀的。高分子聚合物從來(lái)都是良好的絕緣電介質(zhì)材料但是近年夫卻研制出導(dǎo)電的聚乙抉(PA)在摻雜PA塑料中，其室溫導(dǎo)哇串已可達(dá)到銅的14因?yàn)镻A的密度比Cu小很多，若按同禍重量計(jì)，接雜PA的電導(dǎo)已比銅大二倍，可見對(duì)電介質(zhì)材料的研究往往還涉及到許多重要的非電介質(zhì)的問(wèn)題。下面就各種類型的介電材料的性能特點(diǎn)簡(jiǎn)述如下：1.紙電容器：它是由不合雜質(zhì)的超薄紙與鋁箔一起卷繞成芯子，焊外部引出線后裝入外殼中，然后再用經(jīng)過(guò)脫氣的石蠟或絕緣油進(jìn)行防潮封裝制成。它具有容量大，使用溫度高，價(jià)格低等特點(diǎn)。由于紙是纖維素組成，它含有0H基。oH基團(tuán)使電容器具有較高的介電常數(shù)。但是由于0H基的存在也較易吸潮。在電場(chǎng)的作用下，它相對(duì)整個(gè)分子鍵而轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)極化效應(yīng)。因而適用于高壓、高能量領(lǐng)域，但不適用于高頻領(lǐng)域。具體的應(yīng)用范圍如：發(fā)報(bào)機(jī)、車輛控制設(shè)備、通信機(jī)、計(jì)算機(jī)、制冷機(jī)、冷凍機(jī)、電風(fēng)扇、洗衣機(jī)等產(chǎn)品中。2.鍍金屬紙電容器或叫金屬化紙電容器是在薄紙上先涂布一層涂料，然后用真空鍍膜的方法在薄紙上沉淀一層金屬膜代替鋁箔作為電極的電容器。其制作方法和紙電容器的制作方法一樣。 塑料薄膜電容器是以各種塑料薄膜為介電材料。其生產(chǎn)工藝和紙電容器相似，包括塑料薄膜和金屬箔纏繞成芯子，焊外部引出線，浸蠟密封等幾個(gè)工序。它具有比紙電容器的介電常數(shù)更大，而且無(wú)吸濕性等特點(diǎn)。所以絕緣電阻大，體積也比紙電容器小，可靠性高。因此從第：次世界大戰(zhàn)后，它逐漸取代歷史悠久的紙電容器市場(chǎng)。對(duì)于耐熱性較好的塑料薄膜也可以像紙電容器那樣，在薄膜表面金屬化，制成金屬化的薄膜，在上述的各種塑料薄膜電容器中以滌綸即對(duì)苯二甲酸乙二醇酯應(yīng)用最為廣泛，由于它具有優(yōu)異的電氣性能、耐熱性能和機(jī)械性能，而且價(jià)格便宜，可以表面金屬化等特點(diǎn)，因此它占有塑料薄膜電容器一半以上的市場(chǎng)。塑料薄膜電容器大量用于工業(yè)測(cè)量?jī)x器、工業(yè)計(jì)量?jī)x器、計(jì)算機(jī)以及電視機(jī)、發(fā)電機(jī)、音響等家用電器設(shè)備中。鋁電解電容器：制法是將厚度為50100尸m的鋁箔脫脂洗凈后，用電化學(xué)方法進(jìn)行腐蝕，使表面凹凸不平，使實(shí)際有效面積擴(kuò)大十至數(shù)十倍。然后進(jìn)行陽(yáng)極氧化，使鋁箔表面生成一層三氧化二鋁的介電薄膜。這層三氧化二鋁作為電介質(zhì)，根據(jù)電介質(zhì)外面緊靠著的電解質(zhì)的不同，可分別制成濕式電解電容器和固體電解電容器。若是電解質(zhì)為液體，就是濕式電解電容器。如將上面陽(yáng)極氧化后得到的鋁箔，再用不含有雜質(zhì)的吸水性較強(qiáng)的紙作為隔離層，將紙與上述鋁箔一起卷繞起來(lái)，加入預(yù)先配制的乙二胺硼酸溶液(電解液)進(jìn)行浸漬，最后裝于電容器外殼并進(jìn)行密封處理，即可得到濕式電解電容器。在這種電容器中，鋁箔是正極，而電解液是負(fù)極。固體電解電解器的制法是：在表面積增大了的高純度鋁金屬燒結(jié)塊表面或鋁箔的表面上形成電介質(zhì)氧化膜后，浸入硝酸錳的水溶液中，然后取出，加熱，使硝酸錳分解生成二氧化錳，并附著在電介質(zhì)上。這種二氧化錳層作為陰極，浸石墨，焊錫后，用引線引出外部。陽(yáng)極預(yù)先從鋁金屬直接引出。裝入外殼封裝或直接用樹脂封裝。袒的化學(xué)穩(wěn)定性很好，而且Ta205的介電常數(shù)為A120；的4倍，因此，用袒作為陽(yáng)極來(lái)制作電解電容器，比鋁電解電容器的性能更好，但成本比鋁電容器高。其制造方法和鋁電解電容器的方法一樣，一般鈕電解電容器采用固體電解電容器。鋁電解電容器已廣泛應(yīng)用于要求大容量的電子線路中，例如，收音機(jī)、電視機(jī)、立體音響設(shè)備、民用顯像電子設(shè)備、照相閃光燈、氖燈、點(diǎn)火機(jī)等放電電源，以及計(jì)算機(jī)穩(wěn)壓電源和用于馬達(dá)起動(dòng)等。鈕電解電容器適用于高溫、低溫和高頻的場(chǎng)合，通常情況下，僅用于要求可靠性高的通信機(jī)，測(cè)量?jī)x，計(jì)算機(jī)等工業(yè)用電子設(shè)備中。民用一般限于小型大容量特殊要求的部分電子設(shè)備中。這種電容器還不能集成化。陶瓷電容器雖然靜電電容范圍較小，但是由于電子計(jì)算機(jī)，電視攝像機(jī)及汽車、鐘表等機(jī)電一體化，特別是集成電路的發(fā)展，陶瓷電容器得到了很大的發(fā)展。陶瓷電容器的制造方法是將上面所提到的如二氧化鉆、鉆酸鹽、鈕酸鹽、鉻酸鹽等原料，按一定配比制成電介質(zhì)材料后，再將它加工成所需的形狀和尺寸，燒結(jié)成陶瓷，然后在陶瓷的兩面涂附金屬電極，焊接引出端線，涂絕緣層。目前這種制造工序已有相當(dāng)部分可以實(shí)行自動(dòng)化生產(chǎn)。為了擴(kuò)大陶瓷電容器的電容量范圍，現(xiàn)已開發(fā)出了半導(dǎo)體陶瓷電容器，這種電容器開發(fā)成功可制造出適合晶體管低壓電路所需的小型大容量陶瓷電容器，由于半導(dǎo)體陶瓷電容器擴(kuò)大了陶瓷電容器的電容量，因而能夠同有機(jī)薄膜電容器。固體鈕電解電容器等相媲美，而且在價(jià)格上半導(dǎo)體陶瓷電容器較低，因而很有發(fā)展前途。半導(dǎo)體陶瓷電容器按其微觀結(jié)構(gòu)可分為阻擋層型、還原再氧化型、晶界型三種類型、這三種半導(dǎo)體陶瓷電容器中，第一種由于結(jié)構(gòu)上絕緣性能不高，近年來(lái)，產(chǎn)量逐漸減少，后兩種半導(dǎo)體陶瓷電容器，產(chǎn)量增加較快，還原再氧化型性能好，質(zhì)量高、生產(chǎn)技術(shù)成3.溫度補(bǔ)償電容器主要用于高頻振蕩電路中作為補(bǔ)償電容介質(zhì)，在性能上要求具有穩(wěn)定的電容溫度系數(shù)和低的介質(zhì)損耗。4.熱穩(wěn)定型電容器陶瓷材料（1）高頻熱穩(wěn)定電容器陶瓷，其主要特點(diǎn)是介電常數(shù)的溫度系數(shù)的絕對(duì)值很小，有的甚至接近于零。（2）高介電常數(shù)電容器（新型電容器陶瓷材料）分為：高溫?zé)Y(jié)型（1300 以上）、中溫?zé)Y(jié)型（10001250 ）、低溫?zé)Y(jié)型（低于900 ）（3）微波介電陶瓷，主要用于用作諧振器、濾波器、介質(zhì)天線、介質(zhì)導(dǎo)波回路等微波元器件?？捎糜谝苿?dòng)通訊、衛(wèi)星通訊和軍用雷達(dá)等方面評(píng)價(jià)微波介電陶瓷的主要技術(shù)參數(shù)是介電常數(shù) ，品質(zhì)因數(shù)Q和頻率溫度系數(shù)TCF。用于微波頻段的介質(zhì)一般要滿足如下4個(gè)要求：（1）高介電常數(shù)（2）低介質(zhì)損耗（高Q）（3）溫度膨脹系數(shù)?。?）低頻率溫度系數(shù)TCF微波陶瓷材料的研究進(jìn)展：1）新材料系統(tǒng)相圖的研究，晶體結(jié)構(gòu)和微波介電性能的關(guān)系的研究，化合物形成的機(jī)理及動(dòng)力學(xué)研究2）材料摻雜改性技術(shù)的研究3）材料制備工藝技術(shù)的研究4）低燒材料的開發(fā)研究5）工程化生產(chǎn)技術(shù)研究6）器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、性能的優(yōu)化及測(cè)試技術(shù)的研究7）器件多層片式化的技術(shù)5.液晶是一類重要的電介質(zhì)功能材料。液晶（liquid crystal）是一種特殊的液態(tài)晶體或者晶態(tài)液體，即液態(tài)和晶態(tài)的中間態(tài)。它既具有液體的易流動(dòng)性，又具有晶體的某些各向異性特點(diǎn)。液晶本身是一種流體，但其中的分子取向表現(xiàn)出某種規(guī)則排列。液晶分子為細(xì)長(zhǎng)的棒狀，這些分子具有電偶極距。由于液晶分子間的相互作用力很弱，故其排列規(guī)律很容易受到力學(xué)的，電學(xué)的，熱學(xué)的和化學(xué)的影響；從而產(chǎn)生介電性質(zhì)的變化并提供一定的技術(shù)應(yīng)用。按照分子排列狀態(tài)可以將液晶分為向列型，膽甾型，近晶型。 1963年，最先用膽舀相液晶成功地測(cè)定了物體表面的溫度變化。將液晶涂在物體表面，表面的溫度不同可以使液晶呈現(xiàn)不同顏色一些膽舀相液晶化合物在1左右的溫度