6.2 电介质陶瓷解析

二、 一般特性 电介质陶瓷在静电场或交变电场中使用，其一般特 性是电绝缘性、极化（polarization）和介电损耗 （dielectric loss）。 1、电绝缘与极化

电介质陶瓷中的分子正负电荷在弱电场的作用下， 虽然正电荷沿电场方向移动，负电荷逆电场方向移 动，但它们并不能挣脱彼此的束缚而形成电流，因 此具有较高的体积电阻率，具有绝缘性。
这种从原料矿物高温分解直接生成的莫来石称为一次莫来石。
三、 性能与分类
根据体积电阻率、介电常数和介电损耗等参数的 不同，可把电介质陶瓷分为电绝缘陶瓷即装置陶 瓷和电容器陶瓷。此外，某些具有特殊性质，如 压电性、铁电性及热释电性的电介质陶瓷，按性 质分别称为压电陶瓷、热释电陶瓷和铁电陶瓷。 (一)电绝缘陶瓷 电绝缘陶瓷又称装置陶瓷，是在电子设备中作为 安装、固定、支撑、保护、绝缘以及连接各种无 线电元件及器件的陶瓷材料。

四、 电绝缘陶瓷生产工艺、性能及应用
（一）刚玉-莫来石瓷及莫来石瓷 1、概述 莫来石瓷是以莫来石（3Al2O3· 2SiO2）和石英（SiO2）为 主晶相的陶瓷，它是应用最早的高频装置瓷。

刚玉-莫来石瓷的结晶相不是单一的刚玉，而是共存有莫来 石，因此称为刚玉-莫来石瓷。其主要原料是粘土、氧化铝 和碳酸盐。刚玉-莫来石瓷的电性能较好，机械强度较高， 热稳定性能好，工艺性能好，烧结温度不高，且烧结温度 范围宽。可用来制造高频高压绝缘子，线圈骨架，电容器 外壳及其他绝缘支柱，高压开关及其他大型装置器件等。

由于电荷的移动，造成了正负电荷中心不重合，在电介质陶 瓷内部形成偶极矩，产生了极化。在与外电场垂直的电介质 表面上出现了感应电荷Q，这种感应电荷不能自由迁移，称 之为束缚电荷。束缚电荷的面密度即为极化强度P。 对于平板型真空电容器，极板间无电介质存在，当电场强度 为E时，其表面的束缚电荷为Q0，电容为C0，在真空中插入 电介质陶瓷时，则束缚电荷增为Q，电容也增至C。评价同 一电场下材料的极化强度，可用材料的相对介电常数εr 表示。 用下式计算：
此外，随着电绝缘陶瓷的应用日益广泛，有 时还要求具有耐机械力冲击和热冲击的性能。如 高频装置瓷，除要求介质损耗小外，还要求热膨 胀系数小，热导率高，能承受较大的热冲击。作 为集成电路的基片材料，要求高导热系数，合适 的热膨胀系数、平整、高表面光洁度及易镀膜或 表面金属化。

电绝缘陶瓷按化学组成可分为氧化物系（如氧化 铝瓷、氧化镁瓷等）和非氧化物系（如氮化硅瓷、 氮化硼瓷等）两大类。除上述多晶陶瓷外，近年 来发展了单晶电绝缘陶瓷，如人工合成云母、人 造蓝宝石、尖晶石、氧化铍及石英等。
2、莫来石的生成 (1)一次莫来石的生成 偏高岭石（ Al2O3· 2SiO2 ）或硅线石（ Al2O3· SiO2 ）在高 温下按下式分解：
1200℃
3（Al2O3· 2SiO2）
1300~1500℃
3Al2O3· 2SiO2+4SiO2
3 Al2O3· 2SiO2+4SiO2
3（Al2O3· SiO2）
Q / Q0 = C / C0 = εr 相对介电常数越大，极化强度越大，即电介质陶瓷表面的束 缚电荷面密度大。用于制作陶瓷电容器的材料， εr越大，电 容量越高，相同容量时，电容器的体积可以做的更小。

2、介电损耗
电介质在电场作用下，把部分电能转变成热能使 介质发热，在单位时间内因发热而消耗的能量称 为损耗功率或简称为介电损耗。常用tgδ表示，其 值越大，损耗越大，其中δ称为介质损耗角。
（二）电容器陶瓷

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根据陶瓷电容器所采用陶瓷材料的特点，电容器 分为：

温度(热)补偿型（Ⅰ型）：使用非铁电陶瓷，高
频损耗小，介电常数随温度线性变化，可补偿 电路中或电阻随温度系数的变化，维持谐振频 率的稳定。

温度(热)稳定型：使用非铁电陶瓷，特点是介电 常数随温度变化很小，接近于零，适用于高频和 微波电路中。 高介电常数型：采用铁电或反铁电陶瓷，特点是 介电常数非常高，可达30000，适用于低频高容 量电容器。 半导体型：非线性电阻电容器，用于开关电路或 热保护电路中，起自动开关作用。
6.2 电介质陶瓷
一、概念 二、一般特性 1、电绝缘与极化 2、介电损耗 三、性能与分类 四、电绝缘陶瓷生产工艺、性能及应用 五、非铁电电容器陶瓷 六、铁电电容器陶瓷 七、反铁电电容器陶瓷
一、 概念

电介质陶瓷是指电阻率大于108Ω·m的陶瓷材料， 能承受较强的电场而不被击穿。 按其在电场中的极化特性，可分为电绝缘陶瓷 （insulation ceramics）和电容器陶瓷 （capacitor ceramics；condenser ceramics）。 随着材料科学的发展，在这类材料中又相继发现了 压电、热释电和铁电等性能。



按制造陶瓷电容器的材料性质分：第一类为 非铁电电容器陶瓷（Ⅰ型），又称热补偿电 容器陶瓷。第二类为铁电电容器陶瓷（Ⅱ 型），又称强介电常数电容器陶瓷。第三类 为反铁电电容器陶瓷（Ⅲ型）。第四类为半 导体电容器陶瓷（Ⅳ型）。
用于制造电容器的陶瓷材料的性能要求： （1）介电常数要尽可能高。介电常数越高，陶瓷电容 器的体积可以做得越小。 （2）在高频、高温、高压及其它恶劣环境下稳定可靠。 （3）介质损耗角正切值小。对于高功率陶瓷电容器， 能提高无功功率。 （4）比体积电阻高于1010Ω·m ，可保证在高温下工作。 （5）高的介电强度。
作为装置陶瓷要求具备以下性质： （1）高的体积电阻率（室温下，大于1012Ω·m ）和高介电 强度（大于104 kV/m）。以减少漏导损耗和承受较高的 电压。 （2）介电常数小（常小于9）。可以减少不必要的分布电 容值，避免在线路中产生恶劣的影响，从而保证整机的 质量。 （3）高频电场下的介电损耗要小。介电损耗大会造成材料 发热，使整机温度升高，影响工作。 （4）机械强度要高，通常抗弯曲强度为45~300MPa，抗压 强度为400~2000MPa。 （5）良好的化学稳定性。能耐风化、耐水、耐化学腐蚀， 不致于性能老化。