第3章 电介质陶瓷

表 极化形式 电子位移极化 离子位移极化 离子松弛极化 具有此种极化的电介质 一切陶瓷介质中 离子组成的陶瓷介质中 离子组成的玻璃、结构 不紧密的晶体及陶瓷中 电子松弛极化 钛质瓷及高价金属氧 化物基础的陶瓷中 自发极化 温度低于居里点
各种极化形式的比较 发生极化的频率范围 从直流到光频 从直流到红外线 从直流到超高频 和温度的关系 无关 温度升高、极化增强 随温度变化有极大值 能量损耗 没有 很微弱 有
在直流电场下,如果气孔内的电场降低,电离现象就很快消失,材 料中发生电荷渗漏。 交流电场中,介电材料每½个周期就发生电离。所以样品比处在 直流电场时更容易出现击穿现象。而且电荷的渗漏时间决定于电 离速率。这样交流电场下,样品的击穿电压通常比直流电场低。 (4).长期影响(化学击穿): 长期运行在远低于瞬间击穿电压下的陶瓷也会发生击穿现象被 击穿的影响因素在短期内不会表现出来。 空气污染和天气影响等因素都可以使器件表面变得粗糙,吸收水 蒸气和导电性杂质。在高温和所连接的导电体中的金属杂质离子 的溅蚀作用下,表面发生电离,材料逐渐失去绝缘性能,最后导致击 穿。 在直流电场中,材料内部和表面同时发生电化学反应,使得Ag+在 表面扩散并沿着晶界逐渐渗入材料内部,导致材料的电阻减小,绝 缘特性相应降低。另外,Na+在玻璃相中的扩散,Vo¨(氧空位)在晶相 中的扩散,形成了一定的电势差,也将有可能导致击穿。 由于样品形状、材料种类以及操作条件的不同都是导致材料产 生击穿的因素,如果根据经验来合适设计制备介电材料,可以在一 定程度上克服击穿现象的发生,但是对任何新的介电材料在应用之 前,必须进行长期的老化试验测试。
12.滑石瓷中加黏土的作用是什么？ 13.滑石瓷生产工艺及其存在的问题与解决方法？ 14.决定Al2O3电绝缘瓷热传导率的因素？ 15.强调电绝缘瓷的3个方面是什么？ 16.陶瓷的导电机制及几种形式？ 17.电容器陶瓷的分类及其特点？ 18.电容器陶瓷材料在性能上的要求？ 19.含钛陶瓷被还原的原因、结果与影响因素？ 20.直流老化？电极反应与电化学老化？ 21.含钛氧化物性能退化的原因与改进措施？ 22.金红石瓷挤压成型工艺？ 23.制备优质微波陶瓷的几个要求？ 24.积层电容器陶瓷的制备工艺？
第3章
电介质陶瓷的知识要点
1.电介质陶瓷及其分类？ 2.绝缘性与介电性？ 3.介电材料与陶瓷材料的关系？ 4.介电常数？ 5.陶瓷中参加极化的质点有哪些？ 6.绝缘强度与击穿电压？ 7.介质的击穿方式？ 8.介电强度？ 9.极化与介电极化及形式？ 10.位移极化？松弛极化？界面极化？ 11.介电损耗？
(4)谐振式极化 陶瓷中的电子、离子都处于周期性的振动状态,它们的固有振 动频率在红外线、可见光和紫外线的频段。当外加电场的频率接 近此固有振动频率时,将发生谐振。电子或离子吸收电场能,使振 幅加大呈现极化现象。电子或离子振幅增大后将与其周围质点相 互作用,振动能转变成热量,或发生辐射,形成能量损耗。显然这 种极化仅发生在光频段。 (5)自发极化 自发极化是铁电体特有的一种极化形式。铁电晶体在一定的温 度范围内,无外加电场作用时,由于晶胞结构的原因,其晶胞中的 正负电荷中心不重合,即原晶胞具有一定的固有偶极矩,这种极化 形式称为自发极化。自发极化的方向随外电场方向的变化而发生 相应变化,晶体的这种性质称为铁电性。铁电陶瓷是多晶体,通常 晶粒呈混乱分布,晶粒之间为晶界组成物,因此宏观上各晶粒的自 发极化相互抵消,不呈现有极性。铁电晶体中存在自发极化方向 不同的小区域,自发极化方向相同的小区域称为‘电畴’,这是铁 电晶体的特征之一
从直流到超高频
随温度变化有极大值
有
从直流到超高频
随温度变化有特别
很大
的铁电材料
界面极化 谐振式极化 极性分子弹 结构不均匀的陶瓷介质 一切陶瓷介质中 从直流到高频 光频
显著的极大值
随温度升高而减弱 无关 有 很大
性联系转向
极化、极性 分子松弛转 向极化 有机材料中 从直流到超高频 随温度变化有极大值 有
第3章
§1 电介质陶瓷
电介质陶瓷
一.电介质陶瓷 凡是电阻率ρ＞108Ω· m的,能承受较强的电场而不被击穿的陶 瓷就是电介质陶瓷,也叫电绝缘陶瓷。分电绝缘陶瓷和电容器陶 瓷两大类。 二.绝缘性与介电性 介电陶瓷和绝缘陶瓷都是高阻抗材料。介电材料的介电常数ε 和介电损耗tgδ(也叫热损耗角正切tgδ)对介电材料在电路中发 挥的作用最为重要。 绝缘材料主要是用来固定可导电的元器件并使它们相互隔离。 一种好的介电材料一定是好的绝缘材料,但一种好的绝缘材料就 不一定是好的介电材料。 介电常数ε大,介电损耗tgδ小的陶瓷正作为制造电容器使用。 陶瓷除了在耐电压性、耐湿性和耐热性方面具有优异性能外,还 应具有通过改变化学成分和制造工艺条件来随意改变介电常数 (静电容量)及其温度系数的灵活性。介电陶瓷正朝着小型化大容 量方向发展。
①离子松弛极化:这种极化不同于离子位移极化,是离子在外加 电场作用下的同时,还受离子的热运动影响,从一个平衡位臵迁 移到另一平衡位臵而产生的。即作用于离子上与电场作用力相 对抗的力,不是离子间的静电力,而是不规则的热运动阻力,极化 建立的过程是一种热松弛过程。由于离子松弛极化与温度有明 显的关系,因而介电常数与温度也有明显的关系。离子松弛极化 对材料的介电常数的贡献大,介电常数可提高到几百至几千,甚 至更大。(即热缺陷加上电场作用的极化方式,极化建立过程是 一种热松弛过程。极化结果是材料的介电常数ε提高到几百至 几千,tgδ增加)。 ②电子松弛极化:晶格热振动、晶格缺陷、杂质的引入、化学 组成的局部改变等因素都能使电子能态发生变化,出现位于禁带 中的电子局部能级,形成弱束缚的电子或空穴在外加电场的作用 下,这些弱束缚电子的运动具有方向性,而呈现极化,这种极化称 为电子松弛极化。电子松弛极化可使介电常数上升到几千至几 万,同时产生较大的介质损耗。(即电子缺陷类的弱束缚电子在 热运动加上外电场作用下的极化方式,极化结果是材料的介电常 数ε提高到几千至几万,tgδ增加)。
1,2-镁铝尖晶石瓷;3,4-钛酸钙瓷; 5-金红石瓷
在直流电场下对陶瓷介质的试验表明,温度较高时往往发生热击 穿,温度较低时可能发生电击穿。 五.介电强度 陶瓷介电材料被击穿的临界电场强度就是这种材料的介电强度 1.击穿的方式与试验条件:工业上热击穿是材料破坏的主要方式 2.试验条件:只有当相应的试验条件确定后,介电强度才有它的特 定的含义。 例如,材料的击穿与材料的形状有很大的关系。
各种功能陶瓷在室温时的介电常数大约是:装臵陶瓷, 电阻陶瓷及电真空陶瓷为2-12;Ⅰ类电容器陶瓷为61500;Ⅱ类电容器陶瓷为200-30000;Ⅲ类电容器陶瓷为 7000至几十万;压电陶瓷为50-20000。 功能陶瓷的介电常数的数值范围很大,因材料不同而 有很大的差异,使用范围和条件也不同。各种材料介电 常数的差异是由于其内部存在不同的极化机制决定的。 理论和实验研究证实，陶瓷中参加极化的质点只有电子 和离子,这两种质点在电场作用下以多种形式参加极化 过程。 四.绝缘强度 电介质能绝缘和储存电荷,即在相对弱电场内,介质保 持介电状态。当电场强度超过某一临界值时,介质由介 电状态变为导电状态,这就是介质的击穿击穿时的电压 就叫击穿电压Uj,相应的电场强度就称击穿电场强度、 绝缘强度、介电强度或抗电强度等。用Ej表示。
一般介质的击穿分 为电击穿和热击穿两 种。 电击穿是指在电场 直接作用下,介质中载 流子迅速增殖造成的 击穿。电击穿的发生 是由于晶体能带在强 电场作用下发生变化, 电子直接由满带跃迁 到空带发生电离所致。 热击穿是指陶瓷介质 在电场作用下发生热 不稳定,产生的热量大 于散失的热量,因温度 升高而导 度的关系 发生热击穿。
铁电晶体中存在自发极化方向不同的小区域不同的小区域自发极化方向相同的小区域称为自发极化方向相同的小区域称为电畴电畴这是铁这是铁电晶体的特征之一电晶体的特征之一各种极化形式的比较极化形式具有此种极化的电介质发生极化的频率范围和温度的关系能量损耗电子位移极化一切陶瓷介质中从直流到光频无关没有离子位移极化离子组成的陶瓷介质中从直流到红外线温度升高极化增强很微弱离子松弛极化离子组成的玻璃结构从直流到超高频随温度变化有极大值不紧密的晶体及陶瓷中电子松弛极化钛质瓷及高价金属氧从直流到超高频随温度变化有极大值化物基础的陶瓷中自发极化温度低于居里点从直流到超高频随温度变化有特别很大的铁电材料显著的极大值界面极化结构不均匀的陶瓷介质从直流到高频随温度升高而减弱谐振式极化一切陶瓷介质中无关很大极性分子弹性联系转向极化极性有机材料中从直流到超高频随温度变化有极大值分子松弛转向极化七
在电场作用下,离子(或原子)中的电子向反电场方向移动一个 小距离,带正电的原子核将沿电场方向移动一更小的距离,造成正 负电荷中心分离,当外加电场取消后又恢复原状。这种电荷中心 分离的现象称极化离子(或原子)的这种极化称电子位移极化。电 子位移极化存在于一切陶瓷材料之中。 既离子或原子的正负电荷中心分离现象(在弱电场作用下),就 是电子位移极化极化结果是陶瓷材料的介电常数ε增加。 ②离子位移极化:在电场作用下,陶瓷介质中正负离子在其平衡 位臵附近也发生与电子位移极化相类似的可逆性位移,形成离子 位移极化。离子位移极化与离子半径、晶体结构有关。有些特殊 的晶体结构,如四方晶系的某些晶体结构(如金红石型、钙钛矿型 等),可在仅有电子位移和离子位移极化的情况下提供较大的介电 常数,如几十至几百。 (2)松弛式极化:这是一种与电子、离子(原子)、分子热运动有 关的极化形式也就是说这种极化不仅与外电场作用有关,还与质 点的热运动有关。在陶瓷材料中主要有离子松弛极化和电子松弛 极化。
(a) (b) 图3.2 用于电场强度测试的介电材料样品的切面图
3.击穿机理 (1).本征击穿： 在良好的实验条件控制下,当一个均质样品承受不断增加的电 压后,将产生较小的电流,而且随着电压的增加而逐渐增加到饱和 值这时如果再增加电压时,材料就被击穿。 本征击穿可以解释如下：当受到一定的电压作用后,导带处 于热平衡状态下的电子获得了一定的动能。它不断地撞击介质内 的离子,并使其产生电离,从而增加自由电子的数目。最终出现电 子雪崩,使得介电材料被击穿。通常本征击穿强度为100MV/m。 (2).热击穿： 热击穿是指那些由于受到介电材料的热学性能影响而产生的 击穿现象。 (3).电离击穿： 陶瓷中存在气孔而导致均匀性下降。这些气孔在电场的作用 下将发生强烈的电离,产生大量的热能,使气孔附近局部区域强烈 过热因而在材料内部形成相当高的内应力。当热应力超过一定限 度时,材料丧失机械强度而发生破坏,以至丧失介电强度,造成击 穿。电离击穿的原因在于材料的气孔中存在电离现象。这时由于 气孔中的电场比气孔附近其它部分的电场高。当电场强度稳定增 加并达到一定临界值时,气孔中的气体会发生电离。气孔愈多愈大, 就愈容易引起击穿。
六.电绝缘与极化 1.电绝缘:在介质材料中,电介质陶瓷中的分子正、负电荷彼此 强烈束缚,在弱电场的作用下,正电荷沿着电场方向移动,负电荷 反电场方向移动。但这种移动远不足以形成电流而具有较高的体 积电阻率,具有绝缘性。 2.极化与介电极化:由于介质材料中的正、负离子电荷移动,使 得正、负电荷中心不重合,在电介质陶瓷内部形成偶极矩而产生 极化。当电场施加到这一离子晶体时,由于静电作用使阴、阳离 子的电子云发生畸变形成电偶极子,就称为电介质的介电极化。 极化可定量地用单位体积(C/m3)内电偶极子的总和来表示。 介电极化有电子极化、离子极化和偶极子取向极化。 (1)位移式极化 这种极化是电子或离子在电场作用下的一种弹性、不消耗电场 能量、平衡位臵不发生变化、瞬间就能完成、去掉电场时又恢复 原状态的极化形式。它包括电子位移极化和离子位移极化。 ①电子位移极化:组成陶瓷介质的基本质点是离子(或原子),它 们由原子核和电子组成。在没有外界电场作用时,离子(或原子) 的正负电荷中心是重合的。
(3)界面极化 界面极化是和陶瓷体内电荷分布状况有关的极化形式。陶瓷体 内的电荷又称空间电荷或容积电荷。它的形成原因是由于陶瓷体 内存在不均匀性和界面,其中晶界、相界是陶瓷中普遍存在的。 由于界面两边各相的电性质(电导率、介电常数等)不同,在界面 处会积聚起空间电荷。不均匀的化学组成、夹层、气泡是宏观不 均匀性,在界面上也有空间电荷积聚。 上述各种界面上积聚电荷的结果,使电极附近电荷增加,呈现了 宏观极化。 这种极化可以形成很高的与外加电场方向相反的电动势-反电 动势,因此这种宏观极化也称为高压式极化。 由夹层、气泡等形成的极化则称夹层式极化。高压式和夹层式 极化可以统称为界面极化。界面极化只对直流和低频下介质材料 的介电性质有影响。