.电介质材料解读

1. 电容器纸的结构和特性 电容器纸由无纺植物纤维素和空气隙交替分布 构成，其密度为1-1.3g/cm3,抗拉强度约1000 kg/cm2， 未浸渍前空气隙体积分数为30%，水分体积分数为 5%～ 7%，灰分体积分数为 0.2%-0.3% 。其主要成 分纤维素为天然高分子物质，分子式（ C6H10O5)n ， 聚合度n>1000。纤维素分子是由β葡萄糖环构成的 长链，相互间由氧桥相连接。其分子结构如图 6.1.1所示。
当在电容的极板上 施加电场以后，由于 电介质的极化过程， 使束缚电荷在两极板 上积累而储存电能， 因此称为电容器。
电容器在电路中具有隔断直流电、通过交流电的作用， 常用于级间耦合、滤波、去耦、旁路及信号调谐 ( 选择电 台)等。它是电子设备中不可缺少的基本元件。
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§ 6-1 电容器介质材料
电介质材料主要分为两类
1. 电容器纸的结构和特性
电容器纸为纤维素与气隙交错分布组成，由于空气的ε随温度变化 极小，所以其ε= f(T) 曲线取决于纤维素的作用，即ε值随温度升高 而增大。ε值与频率的关系中，由于空气的ε值与频率几乎无关，故 也只能取决于纤维素的频率特性。空气的 tanδ值极小，电容器纸的 tanδ亦主要由纤维素决定，随着纤维素密度增大而增加。
§ 6.1.1 纸电介质及其浸渍材料
纸电容器是电容器的主要类型之一，使用较早，用 量很大。电容量值及工作电压范围较宽，通常为 470 pF～30uF，63V-1500V，甚至高压纸电容器耐压值高达 30～40kv 。电容器纸以硫酸盐木质纤维素为主要原料， 经抄纸，烘干，压光等工艺制成，要求质地密实，厚 薄均匀。目前国内可生产 4-22um 纸，同国际水平相当。 用特制的电容器纸作为 介质，铝箔或锡箔作为电极 并卷绕成圆柱形，然后接出 引线，再经过浸渍处理，用 外壳封装或环氧树脂灌封而 成。
第六章 电介质材料
§6.1 电容器介质材料
§6.2 铁电材料
§6.3 压电材料与热释电材料
§6.4 微波陶瓷介质材料
§6.5 玻璃电介质材料
§6.6 有机电介质材料
§ 6-1 电容器介质材料
电容器是由两个金属板，中间夹有绝缘材料 (绝缘介质 )构成的。绝缘材料不同，构成电容器 的种类也不同。
§ 6-1 电容器介质材料
式中，εf、ε1分别为纤维素和液体浸渍料的介电常数；x为纤维素密度系数。
2. 电容器纸的浸渍
当采用固体浸渍料时，因为固化收缩后会留下部分空隙，其等效电路 如图6.1.3(b)所示。这时浸渍纸的总介电常数可表为:
ps f
1 x f 1 xy f f s s
超级电容器结构框图
§ 6-1 电容器介质材料
于是，从传统静电电容器到电解电容器再 发展到超大容量电化学离子电容器，其中的电 极化或电荷迁移载体，发生了从纯电介质到阀 金属氧化物，再到具有离子输运特点的电介质 的变化。
§ 6-1 电容器介质材料
电容器的电介质材料主要有四个方面要求： 第一，为达到高比容量的目的，应采用介电常数ε值尽 可能高的材料。 第二，为了保证电容器具有纯容抗，即避免因极化过程 造成能量损耗，导致产生热量，要求具有尽可能低的损 耗角正切值，特别要求在高工频率或脉冲条件使用时， tanδ值低。 第三，电容器电介质还应具有高的绝缘电阻值，并保证 电阻值在不同频率与温度条件下尽可能稳定，避免因为 杂质的分解和材料的老化引起绝缘电阻值下降。 第四，要求电介质具有高的击穿电场强度。
2. 电容器纸的浸渍
图中，Cc、Cg分别为由纤维素及气隙极化形成的电容量； x为气 隙在纸中所占的体积分数。由此可根据串联等效电路表示出浸渍 液体介质后纸的总介电常数： f f
pl
1 x x f 1 f 1 x 1 1
式中，εs为固体浸渍料介电常数；y为浸渍料收缩率，通常为( 10-20)%。
§ 6.1.2 有机薄膜电容器介质材料
有机薄膜电容器介质分为非极性（包括弱极性）及极性薄 膜两大类。
非极性主要优点是： 介质损耗很低，比纸介质约低一个数量级。一般具有较高电阻率， 有机薄膜电容器的时间常数约为106 MΩ.uF。
2. 电容器纸的浸渍
电容器纸中的大量空气隙由于具有较低ε值，并成为 极性基(OH)吸附水分的储存场所，故通常采用真空浸渍 方法（将空气排除而将有机浸渍材料填隙其中）以达到 改性的目的。可供电容器纸浸渍的材料很多，按极性程 度可划分为极性和非极性；按物理状态则可分为液态和 固态等不同类别。极性浸渍材料的介电性能有很大差别， 液态与固态浸渍材料的填充程度有所不同。液体浸渍材 料可填充绝大部分气孔，适用于高压和脉冲电容器中； 固体浸渍材料则可使电容器外部结构简化，甚至无需再 使用外壳，但在固化收缩时会形成部分气隙，一般用于 直流或低压通用电容器中。
绝缘材料 如纸、玻璃、陶瓷、云母、有机薄膜等。
由铝、钽、铌等阀金属表面生成的介电氧化膜等。
（阀金属：铝、铌、钛、钽；阀的意思就是正向导通，反向开路；）
§ 6-1 电容器介质材料
超级电容器是一种高能量密度 的无源储能元件 。 它是根据电化 学双电层理论研制而成的，所以又 称双电层电容器。 在外电场的作用下，由于离子 的迁移形成双电层，或在电解质 / 电极界面产生欠电位沉积等电化学 作用而形成电容效应。 不存在通常所说的“电介质”， 而是由“电解质” [可为液体电解 质，也可为“固体电解质” 或称 为“快离子导体”。]
1. 电容器纸的结构和特性
由图6.1.1可见，纸纤维基的原子组成的摩尔分数比 为：O：C：H = 49.39%：44.44%：6.7%。由于每个分 子链上含有三个不相对称的(OH)基，故具有较强的极性。 在交变电场作用下，(OH)基产生转向极化，纤维素介电 系数ε≈6.5-7 ，并伴随着较高的 tanδ值。又由于纸中 有较大气孔率，所以ε<5。