陶瓷電容器介質(zhì)
時間：2022-09-28
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陶瓷材料具有優(yōu)越的電學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)等性質(zhì)，可用作電容器介質(zhì)、電路基板及封裝材料等。
陶瓷材料的微觀結(jié)構(gòu)
陶瓷材料是由氧化物或其他化合物制成坯體后，在接近熔融的溫度下，經(jīng)高溫焙燒制得的材料。通常包括原料粉碎、漿料制備、坯件成型和高溫?zé)Y(jié)等重要過程。陶瓷是一個復(fù)雜的多晶多相系統(tǒng)，一般由結(jié)晶相、玻璃相、氣相及相界交織而成，這些相的特征、組成、相對含量及其分布情況，決定著整個陶瓷的基本性質(zhì)。陶瓷中的晶相通常指那些大小不同、形狀不一、取向隨機(jī)的晶粒，晶粒的直徑通常為幾微米至幾十微米。晶相可以同屬一種化合物或一種晶系，也可以是不同化合物或不同晶系。陶聲中若存在兩種以上組成和結(jié)構(gòu)互不相同的晶粒時，則稱其為多晶相陶瓷，其中相對含量最多產(chǎn)品相稱為主晶相，其他的稱為副品相。其中主晶相的性能基本上決定了材料的性能，如相對f電常數(shù)、電導(dǎo)率、損耗及熱膨脹系數(shù)等。所以，要獲得性能良好的陶瓷，就必須選擇適當(dāng)?shù)模壕?。此外，還應(yīng)考慮晶粒的大小、均勻程度、晶粒取向、晶界形成及雜質(zhì)分布等情況。
晶粒間界是指兩個晶粒之間的過渡區(qū)，在這個過渡區(qū)內(nèi)，品格結(jié)構(gòu)的完整性或化學(xué)成分與晶粒體內(nèi)有顯著的區(qū)別。在晶粒間界上通常聚集著大量的位錯、熱缺陷與雜質(zhì)缺陷，因而對陶瓷材料的力學(xué)性能和電學(xué)性能有重大影響。氣相一般分布于晶界、重結(jié)晶晶體內(nèi)和玻璃相中，它是陶瓷組織結(jié)構(gòu)中很難避免的一部分。其來源于燒成過程中各個晶粒之間不可能實(shí)現(xiàn)完全緊密的鑲嵌，玻璃相也不可能完全填充各個晶粒的空隙；也可能是由于坯料燒結(jié)時釋放出氣體而形成的氣孔。氣相會嚴(yán)重地影響陶瓷材料的電學(xué)性能、力學(xué)性能和熱學(xué)性能。一般希望陶瓷中氣相的含量越少越好。
陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)決定了材料的一系列力學(xué)性能和電學(xué)性能。一致的晶粒組成，微細(xì)晶粒的均勻分布及致密的燒結(jié)體，可使陶瓷的機(jī)械強(qiáng)度和介電性能達(dá)到預(yù)期的結(jié)果。
電容器瓷介的特點(diǎn)與分類
陶瓷電容器（如圖所示）是在陶瓷基體兩面形成金屬層后焊接引線制成的，這些用作電容器的陶瓷材料被稱為瓷介。
與其他電容器的介質(zhì)材料相比，介電陶瓷有如下特點(diǎn)：
①、介電常數(shù)和介電常數(shù)的溫度系數(shù)及其機(jī)械性能和熱物理性能可調(diào)控，且介電常數(shù)也較大。
②、有些介電陶瓷（強(qiáng)介瓷，主要為鐵電瓷）的介電常數(shù)能隨電場強(qiáng)度發(fā)生變化，可以用它制造非線性電容器，有時稱為壓敏電容器。
③、原料豐富，成本低，易于大量生產(chǎn)。
除表面層型和晶界層型瓷介外，瓷介最大的缺點(diǎn)是難以做得很薄，故使電容器的容量受到要大限制。此外，瓷介常含有氣隙，致使其抗電強(qiáng)度不高，一般不超過35kV/mm。
電容器瓷介有多種分類方法。按用途可分為：1類瓷，用于制造1類（高頻）瓷介電容器；2類瓷，用于制造2類（鐵電）瓷介電容器；3類瓷，用于制造3類（半導(dǎo)體）瓷介電容器。其中相對介電常數(shù)較大（ε=12～600）的1類瓷稱為高介瓷；而把相對介電常數(shù)更高（ε=103～104）的2類瓷稱為強(qiáng)介瓷；而相對介電常數(shù)較低（ε<10.5）的3類瓷稱為低介瓷。高介瓷和低介瓷的tanδ很小，適合于制造高頻電路中的電容器，故稱之為高頻瓷。由于強(qiáng)介瓷的tanδ大，只適合于制造低頻電路中應(yīng)用的電容器，因而又稱之為低頻瓷。工程上一般采用混合分類的方法，將電容器瓷分為高介瓷、強(qiáng)介瓷、獨(dú)石瓷和半導(dǎo)體晶界瓷。下面主要介紹幾種低介、高介瓷和強(qiáng)介瓷的性能特點(diǎn)。
低介瓷
滑石瓷是一種典型的低介瓷?；墒且蕴烊换?MgO·4SiO2·H2O）為主要原料制備而成的，故此取名滑石瓷。它的主晶相是原頑輝石，即偏硅酸鎂（MgO-SiO2）。滑石瓷的配方中除主要成分滑石外，為改進(jìn)工藝條件及改善瓷料的性能，還引進(jìn)了一系列的添加物，如黏土、菱鎂礦、碳酸鋇等?；墒且环N低介結(jié)構(gòu)陶瓷，屬于硅酸鹽中的MgO—Al2O3一SiO2系統(tǒng)?；傻奶攸c(diǎn)是介電常數(shù)很低，介質(zhì)損耗很小，工藝性能好，便于制造形狀復(fù)雜的零件。另外，它的礦源豐富，產(chǎn)品成本低，因此一直是應(yīng)用最廣的結(jié)構(gòu)陶瓷之一?；傻慕殡姵?shù)雖然不高，但它具有高的絕緣強(qiáng)度，而且高頻下的介質(zhì)損耗角正切值很低，其tanδ值可低達(dá)（3.5～4）×10-4，因而可用來制造各種小容量的高壓電容器、高壓大功率瓷介電容器?；蛇€具有較高的靜態(tài)抗彎強(qiáng)度、較小的線膨脹系數(shù)和較好的化學(xué)穩(wěn)定性?；蛇€可用于各種類型的絕緣子、線圈骨架、高頻瓷軸、波段開關(guān)、電子管座及電阻基體等。它可以用于制造絕大部分的結(jié)構(gòu)零件。
高介瓷與強(qiáng)介瓷
高介瓷的主要品種有金紅石瓷、鈦酸鈣瓷、鈦酸鎂系瓷、鈦酸鋯系瓷和鋯酸鹽瓷；強(qiáng)介瓷主要是以鈦酸鋇為主晶相的鈦酸鋇系瓷。
金紅石瓷又稱二氧化鈦瓷，其主晶相為金紅石（TiO2），屬四方（正方）晶系。這種瓷料的相對介電常數(shù)約為80～90，介電常數(shù)的溫度系數(shù)αε為-（750～850）×10-6/℃，介質(zhì)損耗小，適合于制造高頻瓷介電容器。此外，這種瓷料的成型性能比其他高介電容器瓷好，因而也是制造大功率瓷介電容器的主要瓷料之一。鈦酸鈣瓷以鈦酸鈣（CaTiO3）為主晶相，屬鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)。這種瓷料的相對介電常數(shù)高，約140～150，介質(zhì)損耗小，約為（2～4）×10-4，它是一種常用的電容器陶瓷，可用于制造對容量穩(wěn)定性要求不高的槽路電容器、高頻旁路電容器和耦合電容器，還可作為各種電容器瓷料的溫度系數(shù)調(diào)節(jié)劑。鈦酸鈣瓷的相對介電常數(shù)很高，但介電常數(shù)的溫度系數(shù)卻為很大的負(fù)值，可以制造出一種相對介電常數(shù)與鈦酸鈣相當(dāng)，而溫度系數(shù)卻和金紅石相當(dāng)?shù)拟佀徕}一鉍化合物一鈦酸鍶系瓷。
鈦酸鎂系瓷主要包括鈦酸鎂瓷、鈦酸鎂一鈦酸鈣系瓷、鈦酸鎂一鈦酸鑭一鈦酸鈣系瓷等。其中鈦酸鎂瓷主晶相為正鈦酸鎂（2MgO·TiO2）。相對介電常數(shù)約16～18，αε=（30±10）×10-6/℃，tanδ=（1～3）×10-4，很適于制造熱穩(wěn)定性高的瓷介電容器。鈦酸鋯系瓷的主晶相是鈦酸鋯（ZrTiO3），這類瓷具有良好的介電性能，介質(zhì)損耗小，在高溫下的介電性能及穩(wěn)定性優(yōu)于其他瓷介。鋯酸鹽瓷的主要優(yōu)點(diǎn)是高溫介電性能比含鈦陶瓷高，含鈦的金紅石瓷、鈦酸鎂瓷等通常只能在85℃下工作。工作溫度太高且在直流電場作用下，含鈦陶瓷容易發(fā)生電化學(xué)老化，即絕緣電阻逐漸減小，介質(zhì)損耗逐漸增大，以致最后不能使用。鋯酸鹽瓷大部分能工作在155℃甚至更高溫度下，而很少發(fā)生電化學(xué)老化。在鋯酸鹽化合物中，適宜于制造高頻電容器的材料只有鋯酸鈣和鋯酸鍶兩種。
鈦酸鋇系瓷的相對介電常數(shù)很高（4 000～6 000），故又稱強(qiáng)介瓷，這類瓷主要是鐵電瓷。鐵電瓷的特點(diǎn)是相對介電常數(shù)隨外加電場強(qiáng)度的變化而改變，即具有非線性。根據(jù)非線性強(qiáng)弱?？煞譃閺?qiáng)非線性瓷和弱非線性瓷。弱非線性瓷主要用作電容器介質(zhì)，而制造電壓敏感電容器時，則采用強(qiáng)非線性瓷。介電陶瓷主要用于制造體積很小、容量上限較大和用于低頻電路的電容器。因此，對它的主要要求首先是相對介電常數(shù)大及其溫度穩(wěn)定性好，其次才是抗電強(qiáng)度高和介質(zhì)損耗角正切值小等。而一般規(guī)律是相對介電常數(shù)越大的強(qiáng)介瓷，其非線性越強(qiáng)，相對介電常數(shù)隨溫度的變化率也越大。
陶瓷材料的微觀結(jié)構(gòu)
陶瓷材料是由氧化物或其他化合物制成坯體后，在接近熔融的溫度下，經(jīng)高溫焙燒制得的材料。通常包括原料粉碎、漿料制備、坯件成型和高溫?zé)Y(jié)等重要過程。陶瓷是一個復(fù)雜的多晶多相系統(tǒng)，一般由結(jié)晶相、玻璃相、氣相及相界交織而成，這些相的特征、組成、相對含量及其分布情況，決定著整個陶瓷的基本性質(zhì)。陶瓷中的晶相通常指那些大小不同、形狀不一、取向隨機(jī)的晶粒，晶粒的直徑通常為幾微米至幾十微米。晶相可以同屬一種化合物或一種晶系，也可以是不同化合物或不同晶系。陶聲中若存在兩種以上組成和結(jié)構(gòu)互不相同的晶粒時，則稱其為多晶相陶瓷，其中相對含量最多產(chǎn)品相稱為主晶相，其他的稱為副品相。其中主晶相的性能基本上決定了材料的性能，如相對f電常數(shù)、電導(dǎo)率、損耗及熱膨脹系數(shù)等。所以，要獲得性能良好的陶瓷，就必須選擇適當(dāng)?shù)模壕?。此外，還應(yīng)考慮晶粒的大小、均勻程度、晶粒取向、晶界形成及雜質(zhì)分布等情況。
晶粒間界是指兩個晶粒之間的過渡區(qū)，在這個過渡區(qū)內(nèi)，品格結(jié)構(gòu)的完整性或化學(xué)成分與晶粒體內(nèi)有顯著的區(qū)別。在晶粒間界上通常聚集著大量的位錯、熱缺陷與雜質(zhì)缺陷，因而對陶瓷材料的力學(xué)性能和電學(xué)性能有重大影響。氣相一般分布于晶界、重結(jié)晶晶體內(nèi)和玻璃相中，它是陶瓷組織結(jié)構(gòu)中很難避免的一部分。其來源于燒成過程中各個晶粒之間不可能實(shí)現(xiàn)完全緊密的鑲嵌，玻璃相也不可能完全填充各個晶粒的空隙；也可能是由于坯料燒結(jié)時釋放出氣體而形成的氣孔。氣相會嚴(yán)重地影響陶瓷材料的電學(xué)性能、力學(xué)性能和熱學(xué)性能。一般希望陶瓷中氣相的含量越少越好。
陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)決定了材料的一系列力學(xué)性能和電學(xué)性能。一致的晶粒組成，微細(xì)晶粒的均勻分布及致密的燒結(jié)體，可使陶瓷的機(jī)械強(qiáng)度和介電性能達(dá)到預(yù)期的結(jié)果。
電容器瓷介的特點(diǎn)與分類
陶瓷電容器（如圖所示）是在陶瓷基體兩面形成金屬層后焊接引線制成的，這些用作電容器的陶瓷材料被稱為瓷介。
與其他電容器的介質(zhì)材料相比，介電陶瓷有如下特點(diǎn)：
①、介電常數(shù)和介電常數(shù)的溫度系數(shù)及其機(jī)械性能和熱物理性能可調(diào)控，且介電常數(shù)也較大。
②、有些介電陶瓷（強(qiáng)介瓷，主要為鐵電瓷）的介電常數(shù)能隨電場強(qiáng)度發(fā)生變化，可以用它制造非線性電容器，有時稱為壓敏電容器。
③、原料豐富，成本低，易于大量生產(chǎn)。
除表面層型和晶界層型瓷介外，瓷介最大的缺點(diǎn)是難以做得很薄，故使電容器的容量受到要大限制。此外，瓷介常含有氣隙，致使其抗電強(qiáng)度不高，一般不超過35kV/mm。
電容器瓷介有多種分類方法。按用途可分為：1類瓷，用于制造1類（高頻）瓷介電容器；2類瓷，用于制造2類（鐵電）瓷介電容器；3類瓷，用于制造3類（半導(dǎo)體）瓷介電容器。其中相對介電常數(shù)較大（ε=12～600）的1類瓷稱為高介瓷；而把相對介電常數(shù)更高（ε=103～104）的2類瓷稱為強(qiáng)介瓷；而相對介電常數(shù)較低（ε<10.5）的3類瓷稱為低介瓷。高介瓷和低介瓷的tanδ很小，適合于制造高頻電路中的電容器，故稱之為高頻瓷。由于強(qiáng)介瓷的tanδ大，只適合于制造低頻電路中應(yīng)用的電容器，因而又稱之為低頻瓷。工程上一般采用混合分類的方法，將電容器瓷分為高介瓷、強(qiáng)介瓷、獨(dú)石瓷和半導(dǎo)體晶界瓷。下面主要介紹幾種低介、高介瓷和強(qiáng)介瓷的性能特點(diǎn)。
低介瓷
滑石瓷是一種典型的低介瓷?；墒且蕴烊换?MgO·4SiO2·H2O）為主要原料制備而成的，故此取名滑石瓷。它的主晶相是原頑輝石，即偏硅酸鎂（MgO-SiO2）。滑石瓷的配方中除主要成分滑石外，為改進(jìn)工藝條件及改善瓷料的性能，還引進(jìn)了一系列的添加物，如黏土、菱鎂礦、碳酸鋇等?；墒且环N低介結(jié)構(gòu)陶瓷，屬于硅酸鹽中的MgO—Al2O3一SiO2系統(tǒng)?；傻奶攸c(diǎn)是介電常數(shù)很低，介質(zhì)損耗很小，工藝性能好，便于制造形狀復(fù)雜的零件。另外，它的礦源豐富，產(chǎn)品成本低，因此一直是應(yīng)用最廣的結(jié)構(gòu)陶瓷之一?；傻慕殡姵?shù)雖然不高，但它具有高的絕緣強(qiáng)度，而且高頻下的介質(zhì)損耗角正切值很低，其tanδ值可低達(dá)（3.5～4）×10-4，因而可用來制造各種小容量的高壓電容器、高壓大功率瓷介電容器?；蛇€具有較高的靜態(tài)抗彎強(qiáng)度、較小的線膨脹系數(shù)和較好的化學(xué)穩(wěn)定性?；蛇€可用于各種類型的絕緣子、線圈骨架、高頻瓷軸、波段開關(guān)、電子管座及電阻基體等。它可以用于制造絕大部分的結(jié)構(gòu)零件。
高介瓷與強(qiáng)介瓷
高介瓷的主要品種有金紅石瓷、鈦酸鈣瓷、鈦酸鎂系瓷、鈦酸鋯系瓷和鋯酸鹽瓷；強(qiáng)介瓷主要是以鈦酸鋇為主晶相的鈦酸鋇系瓷。
金紅石瓷又稱二氧化鈦瓷，其主晶相為金紅石（TiO2），屬四方（正方）晶系。這種瓷料的相對介電常數(shù)約為80～90，介電常數(shù)的溫度系數(shù)αε為-（750～850）×10-6/℃，介質(zhì)損耗小，適合于制造高頻瓷介電容器。此外，這種瓷料的成型性能比其他高介電容器瓷好，因而也是制造大功率瓷介電容器的主要瓷料之一。鈦酸鈣瓷以鈦酸鈣（CaTiO3）為主晶相，屬鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)。這種瓷料的相對介電常數(shù)高，約140～150，介質(zhì)損耗小，約為（2～4）×10-4，它是一種常用的電容器陶瓷，可用于制造對容量穩(wěn)定性要求不高的槽路電容器、高頻旁路電容器和耦合電容器，還可作為各種電容器瓷料的溫度系數(shù)調(diào)節(jié)劑。鈦酸鈣瓷的相對介電常數(shù)很高，但介電常數(shù)的溫度系數(shù)卻為很大的負(fù)值，可以制造出一種相對介電常數(shù)與鈦酸鈣相當(dāng)，而溫度系數(shù)卻和金紅石相當(dāng)?shù)拟佀徕}一鉍化合物一鈦酸鍶系瓷。
鈦酸鎂系瓷主要包括鈦酸鎂瓷、鈦酸鎂一鈦酸鈣系瓷、鈦酸鎂一鈦酸鑭一鈦酸鈣系瓷等。其中鈦酸鎂瓷主晶相為正鈦酸鎂（2MgO·TiO2）。相對介電常數(shù)約16～18，αε=（30±10）×10-6/℃，tanδ=（1～3）×10-4，很適于制造熱穩(wěn)定性高的瓷介電容器。鈦酸鋯系瓷的主晶相是鈦酸鋯（ZrTiO3），這類瓷具有良好的介電性能，介質(zhì)損耗小，在高溫下的介電性能及穩(wěn)定性優(yōu)于其他瓷介。鋯酸鹽瓷的主要優(yōu)點(diǎn)是高溫介電性能比含鈦陶瓷高，含鈦的金紅石瓷、鈦酸鎂瓷等通常只能在85℃下工作。工作溫度太高且在直流電場作用下，含鈦陶瓷容易發(fā)生電化學(xué)老化，即絕緣電阻逐漸減小，介質(zhì)損耗逐漸增大，以致最后不能使用。鋯酸鹽瓷大部分能工作在155℃甚至更高溫度下，而很少發(fā)生電化學(xué)老化。在鋯酸鹽化合物中，適宜于制造高頻電容器的材料只有鋯酸鈣和鋯酸鍶兩種。
鈦酸鋇系瓷的相對介電常數(shù)很高（4 000～6 000），故又稱強(qiáng)介瓷，這類瓷主要是鐵電瓷。鐵電瓷的特點(diǎn)是相對介電常數(shù)隨外加電場強(qiáng)度的變化而改變，即具有非線性。根據(jù)非線性強(qiáng)弱?？煞譃閺?qiáng)非線性瓷和弱非線性瓷。弱非線性瓷主要用作電容器介質(zhì)，而制造電壓敏感電容器時，則采用強(qiáng)非線性瓷。介電陶瓷主要用于制造體積很小、容量上限較大和用于低頻電路的電容器。因此，對它的主要要求首先是相對介電常數(shù)大及其溫度穩(wěn)定性好，其次才是抗電強(qiáng)度高和介質(zhì)損耗角正切值小等。而一般規(guī)律是相對介電常數(shù)越大的強(qiáng)介瓷，其非線性越強(qiáng)，相對介電常數(shù)隨溫度的變化率也越大。
