特种陶瓷第四讲 电介质陶瓷PPT课件
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❖ 用于制造电容器的陶瓷材wk.baidu.com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。
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：
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。
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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。
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❖ 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。
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。
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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。
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（二）电容器陶瓷 ❖ 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。
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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。
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❖ 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）。
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通常陶瓷材料的导电机制为离子导电。离子导电又可 分为本征离子导电、杂质离子导电和玻璃离子导电。 要获得高体积电阻率的陶瓷材料，必须在工艺上考虑 以下几点； ① 选择体积电阻率高的晶体材料为主要相。 ② 严格控制配方，避免杂质离子，尤其是碱金属和碱 土金属离子的引入，在必须引入金属离子时，充分利 用中和效应和压抑效应，以降低材料中玻璃相的电导 率。 ③ 由于玻璃的电导活化能小，因此应尽可能控制玻璃 相的数量，甚至达到无玻璃相烧结。
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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。
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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及装置陶 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。
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四、 电绝缘陶瓷生产工艺、性能及应用
（一）电绝缘陶瓷的生产特点
电绝缘陶瓷的性能，主要强调三个方面，即高体积电阻率、低介电 常数和低介电损耗。除此之外，还要求具有一定的机械强度。
陶瓷材料是晶相、玻璃相及气相组成的多相系统，其电学性能主要 取决于晶相和玻璃相的组成和结构，尤其是晶界玻璃相中的杂质 浓度较高，且在组织结构形成连续相，所以陶瓷的电绝缘性和介 电损耗性主要受玻璃相的影响。
(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。
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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。
第一章 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
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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。
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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）。
❖ 用于制造电容器的陶瓷材wk.baidu.com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。
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：
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。
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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。
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❖ 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。
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。
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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。
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（二）电容器陶瓷 ❖ 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。
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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。
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❖ 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）。
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通常陶瓷材料的导电机制为离子导电。离子导电又可 分为本征离子导电、杂质离子导电和玻璃离子导电。 要获得高体积电阻率的陶瓷材料，必须在工艺上考虑 以下几点； ① 选择体积电阻率高的晶体材料为主要相。 ② 严格控制配方，避免杂质离子，尤其是碱金属和碱 土金属离子的引入，在必须引入金属离子时，充分利 用中和效应和压抑效应，以降低材料中玻璃相的电导 率。 ③ 由于玻璃的电导活化能小，因此应尽可能控制玻璃 相的数量，甚至达到无玻璃相烧结。
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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。
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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及装置陶 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。
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四、 电绝缘陶瓷生产工艺、性能及应用
（一）电绝缘陶瓷的生产特点
电绝缘陶瓷的性能，主要强调三个方面，即高体积电阻率、低介电 常数和低介电损耗。除此之外，还要求具有一定的机械强度。
陶瓷材料是晶相、玻璃相及气相组成的多相系统，其电学性能主要 取决于晶相和玻璃相的组成和结构，尤其是晶界玻璃相中的杂质 浓度较高，且在组织结构形成连续相，所以陶瓷的电绝缘性和介 电损耗性主要受玻璃相的影响。
(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。
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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。
第一章 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
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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。
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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）。