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特種陶瓷第四講電介質(zhì)陶瓷詳解演示文稿1現(xiàn)在是1頁\一共有48頁\編輯于星期一(優(yōu)選)特種陶瓷第四講電介質(zhì)陶瓷2現(xiàn)在是2頁\一共有48頁\編輯于星期一二、一般特性電介質(zhì)陶瓷在靜電場或交變電場中使用,其一般特性是電絕緣性、極化(polarization)和介電損耗(dielectricloss)。1、電絕緣與極化電介質(zhì)陶瓷中的分子正負(fù)電荷在弱電場的作用下,雖然正電荷沿電場方向移動(dòng),負(fù)電荷逆電場方向移動(dòng),但它們并不能掙脫彼此的束縛而形成電流,因此具有較高的體積電阻率,具有絕緣性。3現(xiàn)在是3頁\一共有48頁\編輯于星期一由于電荷的移動(dòng),造成了正負(fù)電荷中心不重合,在電介質(zhì)陶瓷內(nèi)部形成偶極矩,產(chǎn)生了極化。在與外電場垂直的電介質(zhì)表面上出現(xiàn)了感應(yīng)電荷Q,這種感應(yīng)電荷不能自由遷移,稱之為束縛電荷。束縛電荷的面密度即為極化強(qiáng)度P。對(duì)于平板型真空電容器,極板間無電介質(zhì)存在,當(dāng)電場強(qiáng)度為E時(shí),其表面的束縛電荷為Q0,電容為C0,在真空中插入電介質(zhì)陶瓷時(shí),則束縛電荷增為Q,電容也增至C。評(píng)價(jià)同一電場下材料的極化強(qiáng)度,可用材料的相對(duì)介電常數(shù)εr表示。用下式計(jì)算:Q/Q0=C/C0=εr

相對(duì)介電常數(shù)越大,極化強(qiáng)度越大,即電介質(zhì)陶瓷表面的束縛電荷面密度大。用于制作陶瓷電容器的材料,εr越大,電容量越高,相同容量時(shí),電容器的體積可以做的更小。4現(xiàn)在是4頁\一共有48頁\編輯于星期一2、介電損耗電介質(zhì)在電場作用下,把部分電能轉(zhuǎn)變成熱能使介質(zhì)發(fā)熱,在單位時(shí)間內(nèi)因發(fā)熱而消耗的能量稱為損耗功率或簡稱為介電損耗。常用tgδ表示,其值越大,損耗越大,其中δ稱為介質(zhì)損耗角。5現(xiàn)在是5頁\一共有48頁\編輯于星期一三、性能與分類根據(jù)體積電阻率、介電常數(shù)和介電損耗等參數(shù)的不同,可把電介質(zhì)陶瓷分為電絕緣陶瓷及裝置陶瓷和電容器陶瓷。此外,某些具有特殊性質(zhì),如壓電性、鐵電性及熱釋電性的電介質(zhì)陶瓷,按性質(zhì)分別稱為壓電陶瓷、熱釋電陶瓷和鐵電陶瓷。(一)電絕緣陶瓷電絕緣陶瓷又稱裝置陶瓷,是在電子設(shè)備中作為安裝、固定、支撐、保護(hù)、絕緣以及連接各種無線電元件及器件的陶瓷材料。6現(xiàn)在是6頁\一共有48頁\編輯于星期一作為裝置陶瓷要求具備以下性質(zhì):(1)高的體積電阻率(室溫下,大于1012Ω·m)和高介電強(qiáng)度(大于104kV/m)。以減少漏導(dǎo)損耗和承受較高的電壓。(2)介電常數(shù)小(常小于9)。可以減少不必要的分布電容值,避免在線路中產(chǎn)生惡劣的影響,從而保證整機(jī)的質(zhì)量。(3)高頻電場下的介電損耗要小。介電損耗大會(huì)造成材料發(fā)熱,使整機(jī)溫度升高,影響工作。(4)機(jī)械強(qiáng)度要高,通常抗彎曲強(qiáng)度為45~300MPa,抗壓強(qiáng)度為400~2000MPa。(5)良好的化學(xué)穩(wěn)定性。能耐風(fēng)化、耐水、耐化學(xué)腐蝕,不致于性能老化。

7現(xiàn)在是7頁\一共有48頁\編輯于星期一此外,隨著電絕緣陶瓷的應(yīng)用日益廣泛,有時(shí)還要求具有耐機(jī)械力沖擊和熱沖擊的性能。如高頻裝置瓷,除要求介質(zhì)損耗小外,還要求熱膨脹系數(shù)小,熱導(dǎo)率高,能承受較大的熱沖擊。作為集成電路的基片材料,要求高導(dǎo)熱系數(shù),合適的熱膨脹系數(shù)、平整、高表面光潔度及易鍍膜或表面金屬化。8現(xiàn)在是8頁\一共有48頁\編輯于星期一電絕緣陶瓷按化學(xué)組成可分為氧化物系(如氧化鋁瓷、氧化鎂瓷等)和非氧化物系(如氮化硅瓷、氮化硼瓷等)兩大類。除上述多晶陶瓷外,近年來發(fā)展了單晶電絕緣陶瓷,如人工合成云母、人造藍(lán)寶石、尖晶石、氧化鈹及石英等。

9現(xiàn)在是9頁\一共有48頁\編輯于星期一(二)電容器陶瓷根據(jù)陶瓷電容器所采用陶瓷材料的特點(diǎn),電容器分為:溫度(熱)補(bǔ)償型(Ⅰ型):使用非鐵電陶瓷,高頻損耗小,介電常數(shù)隨溫度線性變化,可補(bǔ)償電路中或電阻隨溫度系數(shù)的變化,維持諧振頻率的穩(wěn)定。10現(xiàn)在是10頁\一共有48頁\編輯于星期一溫度(熱)穩(wěn)定型:使用非鐵電陶瓷,特點(diǎn)是介電常數(shù)隨溫度變化很小,接近于零,適用于高頻和微波電路中。高介電常數(shù)型:采用鐵電或反鐵電陶瓷,特點(diǎn)是介電常數(shù)非常高,可達(dá)30000,適用于低頻高容量電容器。半導(dǎo)體型:非線性電阻電容器,用于開關(guān)電路或熱保護(hù)電路中,起自動(dòng)開關(guān)作用。11現(xiàn)在是11頁\一共有48頁\編輯于星期一按制造陶瓷電容器的材料性質(zhì)分:第一類為非鐵電電容器陶瓷(Ⅰ型),又稱熱補(bǔ)償電容器陶瓷。第二類為鐵電電容器陶瓷(Ⅱ型),又稱強(qiáng)介電常數(shù)電容器陶瓷。第三類為反鐵電電容器陶瓷(Ⅲ型)。第四類為半導(dǎo)體電容器陶瓷(Ⅳ型)。12現(xiàn)在是12頁\一共有48頁\編輯于星期一用于制造電容器的陶瓷材料的性能要求:(1)介電常數(shù)要盡可能高。介電常數(shù)越高,陶瓷電容器的體積可以做得越小。(2)在高頻、高溫、高壓及其它惡劣環(huán)境下穩(wěn)定可靠。(3)介質(zhì)損耗角正切值小。對(duì)于高功率陶瓷電容器,能提高無功功率。(4)比體積電阻高于1010Ω·m,可保證在高溫下工作。(5)高的介電強(qiáng)度。13現(xiàn)在是13頁\一共有48頁\編輯于星期一四、電絕緣陶瓷生產(chǎn)工藝、性能及應(yīng)用(一)電絕緣陶瓷的生產(chǎn)特點(diǎn)

電絕緣陶瓷的性能,主要強(qiáng)調(diào)三個(gè)方面,即高體積電阻率、低介電常數(shù)和低介電損耗。除此之外,還要求具有一定的機(jī)械強(qiáng)度。陶瓷材料是晶相、玻璃相及氣相組成的多相系統(tǒng),其電學(xué)性能主要取決于晶相和玻璃相的組成和結(jié)構(gòu),尤其是晶界玻璃相中的雜質(zhì)濃度較高,且在組織結(jié)構(gòu)形成連續(xù)相,所以陶瓷的電絕緣性和介電損耗性主要受玻璃相的影響。14現(xiàn)在是14頁\一共有48頁\編輯于星期一通常陶瓷材料的導(dǎo)電機(jī)制為離子導(dǎo)電。離子導(dǎo)電又可分為本征離子導(dǎo)電、雜質(zhì)離子導(dǎo)電和玻璃離子導(dǎo)電。要獲得高體積電阻率的陶瓷材料,必須在工藝上考慮以下幾點(diǎn);①選擇體積電阻率高的晶體材料為主要相。②嚴(yán)格控制配方,避免雜質(zhì)離子,尤其是堿金屬和堿土金屬離子的引入,在必須引入金屬離子時(shí),充分利用中和效應(yīng)和壓抑效應(yīng),以降低材料中玻璃相的電導(dǎo)率。③由于玻璃的電導(dǎo)活化能小,因此應(yīng)盡可能控制玻璃相的數(shù)量,甚至達(dá)到無玻璃相燒結(jié)。15現(xiàn)在是15頁\一共有48頁\編輯于星期一④避免引入變價(jià)金屬離子,以免產(chǎn)生自由電子和空穴,引起電子式導(dǎo)電,使電性能惡化。⑤嚴(yán)格控制溫度和氣氛,以免產(chǎn)生氧化還原反應(yīng)而出現(xiàn)自由電子可空穴。⑥當(dāng)材料中已引入了產(chǎn)生自由電子或空穴的離子時(shí),可引入另一種產(chǎn)生空穴或自由電子的不等價(jià)雜質(zhì)離子,以消除自由電子和空穴,提高體積電阻率這種方法稱作雜質(zhì)補(bǔ)償。16現(xiàn)在是16頁\一共有48頁\編輯于星期一另外,對(duì)于絕緣陶瓷還要求低介電損耗,陶瓷損耗的主要來源是漏導(dǎo)損耗、松弛質(zhì)點(diǎn)的極化損耗及結(jié)構(gòu)損耗。因此,降低材料的介電損耗主要從降低漏導(dǎo)損耗和極化損耗入手:①選擇合適的主晶相。②在改善主晶相性質(zhì)時(shí)盡量避免產(chǎn)生缺位固溶體或填隙固溶體,最好形成連續(xù)固溶體。③盡量減小玻璃相含量。④防止產(chǎn)生多晶轉(zhuǎn)換,因?yàn)槎嗑мD(zhuǎn)變時(shí)晶格缺陷多,電性能下降,損耗增加。⑤注意燒結(jié)氣氛,尤其對(duì)含有變價(jià)離子的陶瓷的燒結(jié)。⑥控制好最終燒結(jié)溫度,使產(chǎn)品“正燒”。17現(xiàn)在是17頁\一共有48頁\編輯于星期一(二)電絕緣陶瓷性能無論哪種絕緣陶瓷,必須具備以下性能:1.高的體積電阻率≥1012Ω·m;2.小的相對(duì)介電系數(shù)εr≤30;3.損耗因子tgδ≤0.001;4.介電強(qiáng)度高≥500kV/cm18現(xiàn)在是18頁\一共有48頁\編輯于星期一其他性能良好的導(dǎo)熱性:熱導(dǎo)率為24~28W/m·K;耐腐蝕,不變形,可在-55℃~+860℃溫度范圍內(nèi)使用;良好的機(jī)械性能;與半導(dǎo)體材料盡可能一致的熱膨脹系數(shù)。19現(xiàn)在是19頁\一共有48頁\編輯于星期一(三)剛玉-莫來石瓷及莫來石瓷1、概述莫來石瓷是以莫來石(3Al2O3·2SiO2)和石英(SiO2)為主晶相的陶瓷,它是應(yīng)用最早的高頻裝置瓷。剛玉-莫來石瓷的結(jié)晶相不是單一的剛玉,而是共存有莫來石,因此稱為剛玉-莫來石瓷。其主要原料是粘土、氧化鋁和碳酸鹽。剛玉-莫來石瓷的電性能較好,機(jī)械強(qiáng)度較高,熱穩(wěn)定性能好,工藝性能好,燒結(jié)溫度不高,且燒結(jié)溫度范圍寬??捎脕碇圃旄哳l高壓絕緣子,線圈骨架,電容器外殼及其他絕緣支柱,高壓開關(guān)及其他大型裝置器件等。20現(xiàn)在是20頁\一共有48頁\編輯于星期一(1)一次莫來石的生成偏高嶺石(Al2O3·2SiO2)或硅線石(Al2O3·SiO2)在高溫下按下式分解:

1200℃

3(Al2O3·2SiO2)3Al2O3·2SiO2+4SiO2

1300~1500℃3(Al2O3·SiO2)3Al2O3·2SiO2+4SiO2

這種從原料礦物高溫分解直接生成的莫來石稱為一次莫來石。(2)二次莫來石的生成一次莫來石生成的同時(shí),還伴生游離石英。石英有多晶轉(zhuǎn)變,對(duì)瓷質(zhì)不利,在生產(chǎn)高鋁瓷時(shí)要增加Al2O3成分,使之與游離石英起反應(yīng)生成莫來石,這時(shí)所生成的莫來石稱為二次莫來石。3Al2O3+2SiO23Al2O3·2SiO22、莫來石的生成21現(xiàn)在是21頁\一共有48頁\編輯于星期一3、莫來石瓷及剛玉-莫來石瓷的配方莫來石瓷及剛玉-莫來石瓷屬于高鋁瓷的范疇,其燒結(jié)溫度高,為了降低燒結(jié)溫度,常引入堿土金屬氧化物做外加劑,常用的外加劑有BaO、SrO、CaO、MgO等。4、生產(chǎn)工藝莫來石瓷及剛玉-莫來石瓷的生產(chǎn)工藝可按一般陶瓷的生產(chǎn)過程加工處理:混料球磨→成型→燒結(jié)22現(xiàn)在是22頁\一共有48頁\編輯于星期一(四)鎂質(zhì)瓷按照主晶相的不同,它可分為以下四類:原頑輝石瓷(即滑石瓷)、鎂橄欖石瓷、尖晶石瓷及堇青石瓷。23現(xiàn)在是23頁\一共有48頁\編輯于星期一滑石瓷介電損耗小,用于一般高頻無線電設(shè)備中,如雷達(dá)、電視機(jī)常用它制造絕緣零件。鎂橄欖石瓷的介質(zhì)損耗低,而且隨頻率的變化小,在微波范圍內(nèi)也不增加,它的比體積電阻大,并且在高溫下仍然具有相當(dāng)高的數(shù)值,可作為高頻絕緣材料。但它的熱膨脹系數(shù)高,因此熱穩(wěn)定性較差。尖晶石瓷的介質(zhì)損耗低于滑石瓷,而介電常數(shù)稍高,化學(xué)穩(wěn)定性良好。在電子工業(yè)中,它是低壓高頻電容器、感應(yīng)線圈骨架及電子管插座等的良好材料。堇青石瓷的膨脹系數(shù)低,熱穩(wěn)定性好,可用于要求體積不隨溫度變化、耐熱沖擊的絕緣材料或電熱材料。24現(xiàn)在是24頁\一共有48頁\編輯于星期一(五)絕緣陶瓷的應(yīng)用及未來

1、應(yīng)用1)電力:絕緣子、絕緣管、絕緣襯套、真空開關(guān)。2)汽車:火花塞、陶瓷加熱器。3)耐熱用:熱電偶保護(hù)管、絕緣管。4)電阻器:膜電阻芯和基板、可變電阻基板。5)電子管:管殼、磁控管、管座。6)半導(dǎo)體:Si晶體管管座、二極管管座、超高頻晶體管外殼。7)封接用:金屬噴鍍法加工、玻璃封接。8)光學(xué)用:高壓鈉燈、紫外線透過窗口、紅外線透過窗口。25現(xiàn)在是25頁\一共有48頁\編輯于星期一1855年:陶瓷絕緣子作為電絕緣材料應(yīng)用于鐵路通信線路1880年:美國在電力輸電線路中開始使用陶瓷絕緣子現(xiàn)在:已經(jīng)能夠制造出耐壓500kV以上的超高壓輸電用高性能陶瓷絕緣子26現(xiàn)在是26頁\一共有48頁\編輯于星期一27現(xiàn)在是27頁\一共有48頁\編輯于星期一汽車陶瓷火花塞、燃?xì)庠罹哂命c(diǎn)火針28現(xiàn)在是28頁\一共有48頁\編輯于星期一29現(xiàn)在是29頁\一共有48頁\編輯于星期一

集成電路是一種把大量微晶體管電路元件組裝在一塊基片上所構(gòu)成的超小型、高密度的電路,這類電路通常要封裝在集成電路的管殼內(nèi)。電子工業(yè)中,Al2O3、BeO、SiC、AlN、單晶硅絕緣陶瓷用于集成電路的基片和封裝材料30現(xiàn)在是30頁\一共有48頁\編輯于星期一氧化鋁陶瓷基片31現(xiàn)在是31頁\一共有48頁\編輯于星期一32現(xiàn)在是32頁\一共有48頁\編輯于星期一33現(xiàn)在是33頁\一共有48頁\編輯于星期一陶瓷管殼、封裝材料34現(xiàn)在是34頁\一共有48頁\編輯于星期一35現(xiàn)在是35頁\一共有48頁\編輯于星期一整流管用陶瓷管殼36現(xiàn)在是36頁\一共有48頁\編輯于星期一陶瓷管保險(xiǎn)絲、陶瓷管座陶瓷管保險(xiǎn)絲陶瓷管座37現(xiàn)在是37頁\一共有48頁\編輯于星期一電子電器用陶瓷絕緣管38現(xiàn)在是38頁\一共有48頁\編輯于星期一陶瓷真空開關(guān)管39現(xiàn)在是39頁\一共有48頁\編輯于星期一高溫陶瓷爐管、熱電偶保護(hù)管40現(xiàn)在是40頁\一共有48頁\編輯于星期一2、絕緣陶瓷的未來發(fā)展

1)向極端發(fā)展:高純度、大型化(超大型絕緣子)、小型化(超小型半導(dǎo)體管殼)。

2)向更大功能和多功能發(fā)展

3)向節(jié)約并開發(fā)資源和能源發(fā)展41現(xiàn)在是41頁\一共有48頁\編輯于星期一五、非鐵電電容器陶瓷介電常數(shù)高:體積小,小型化和集成化介電損耗?。焊哳l電路和高功率的損耗少體積電阻高:≥1010W.cm,高溫下不失效介電強(qiáng)度高:避免意外擊穿化學(xué)穩(wěn)定性好:保證在高頻、高壓及其它惡劣環(huán)境中工作可靠。42現(xiàn)在是42頁\一共有48頁\編輯于星期一非鐵電陶瓷的種類1.金紅石陶瓷:組成:TiO2含量約90%,另有10%的添加劑,如ZrO2、高嶺土、BaCO3、CaF2、鎢酸、ZnO、La2O3等,SiO2的存在對(duì)介電性能有害。燒成:金紅石陶瓷一般在1325±10℃氧化氣氛中燒成,還原氣氛也對(duì)電性能不利。性能:介?!?00,介損≤4×10-4,電阻≥1010問題:直流老化,與銀電極反應(yīng)43現(xiàn)在是43頁\一共有48頁\編輯于星期一2.鈦酸鈣陶瓷

鈦酸鈣陶瓷是目前國內(nèi)外大量使用的材料,它具有較高的介電系數(shù)和負(fù)溫度系數(shù),可以制成小型高容量的高頻陶瓷電容器等。

(1)配方:鈦酸鈣瓷的制備一般分兩步進(jìn)行。先合成CaTiO3,然后再配方。典型的配方如下:CaTiO3燒塊99%ZrO21%瓷料的燒結(jié)溫度為1360±20℃。在國外,為了降低燒結(jié)溫度,改善燒結(jié)性能和結(jié)晶狀態(tài),從而提高介電性能,還可加入少量氧化鈷(≤2.5%)。44現(xiàn)在是44頁\一共有48頁\編輯于星期一(2)生產(chǎn)工藝鈦酸鈣瓷是一種含鈦陶瓷,其合成與燒結(jié)必須在氧化氣氛中進(jìn)行。原料球磨時(shí)CaO可能水解生成水溶性Ca(OH)2,故球磨后應(yīng)進(jìn)行烘干,不能過濾除水,否則會(huì)因Ca(

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