第3章 电介质陶瓷

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 升高而导致陶瓷介质 图3.1 在直流电场下陶瓷材料击穿电场强度与温 度的关系 发生热击穿。
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。
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
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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。
(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。
(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
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。
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)。
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
(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。
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？
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。
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。
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。
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？