绝缘陶瓷

滑石瓷的配方及性能如表11.5所示。 滑石瓷的配方及性能如表11.5所示 11.5所示
表 11.5 几种滑石瓷的配方及性能
配方号 原料及性能 烧滑石 生滑石 粘土 膨润土 碳酸镁 碳酸钡 氧化铝 氧化锆 氧化锌 长石 方硼石 烧成温度(℃) 烧结范围(℃)
-4 tanδ×10 (20℃1M Hz)
图1.1 MgO-Al2O3-SiO2系化合物和陶瓷的成分 系化合物和陶瓷的成分 ( )熔点 [ ]分解熔融温度 熔点 分解熔融温度
1.2.2 滑石瓷 1.2.2.1 滑石瓷的制造工艺 (1) 滑石瓷的组成 一般滑石瓷的基本组成是处于MgO-Al2O3-SiO2三元系统的偏硅酸镁 一般滑石瓷的基本组成是处于MgO-Al2 SiO2 MgO ·SiO2 SiO2 ·SiO2 (MgO ·SiO2) 和 SiO2 的 相 界 曲 线 附 近 、 MgO ·SiO2 和 镁 橄 榄 石 ·SiO2 相界曲线附近。滑石瓷的主要原料是滑石， (2MgO ·SiO2) 相界曲线附近 。 滑石瓷的主要原料是滑石， 为了改进生 坯加工工艺性能及瓷件的质量，引入一些外加剂。 坯加工工艺性能及瓷件的质量，引入一些外加剂。 滑石瓷的配方及性能如表11.5所示。 滑石瓷的配方及性能如表11.5所示。 11.5所示
离子本身：低价小体积（半径小）的碱金属离子 小 离子本身：低价小体积（半径小）的碱金属离子Bi小，如K、Na等。 、 等 高价大体积的金属阳离子Bi大 高价大体积的金属阳离子 大 离子位置： 本征Bi>杂质 Bi > 玻璃 玻璃Bi （杂质和玻璃 都小） 杂质和玻璃Bi 都小） 离子位置： 本征 杂质 提高电阻率方法： 提高电阻率方法：选高电阻率的晶体材料 杂质少（特别是碱金属离子） 杂质少（特别是碱金属离子） 尽量减少玻璃相 避免形成变价离子
6.5 ～ 4.4～5.6 8.0 17 3.9～6.1 >1013 6.4～7.3
1013 1014
～ >1014 8.6
7.5～9
20～35
35
1.2 镁质绝缘陶瓷 1.2.1 镁质瓷的种类 镁质瓷是以含MgO的铝酸盐和硅酸盐为主晶相的陶瓷。按瓷坯的主晶 的铝酸盐和硅酸盐为主晶相的陶瓷。 镁质瓷是以含 的铝酸盐和硅酸盐为主晶相的陶瓷 相来划分则有以下四类： 相来划分则有以下四类： 滑石瓷（原顽辉石）、镁橄榄石瓷、尖晶石瓷及堇青石瓷。 ）、镁橄榄石瓷 滑石瓷（原顽辉石）、镁橄榄石瓷、尖晶石瓷及堇青石瓷。
抗折强度(M Pa) 用途
滑石瓷中几种常用外加剂及其主要作用： 滑石瓷中几种常用外加剂及其主要作用：
粘土：增加可塑性及降低烧结温度， 一般的用量为1%～ 。 ① 粘土：增加可塑性及降低烧结温度，但不宜过多引入 。一般的用量为 ～3%。 少量加入CaCO 另外， ② 碱土金属氧化物 ：少量加入CaCO3，SrCO3及BaCO3。能提高ρ；另外，碱土金属氧化 物与滑石，粘土及其它杂质生成低共熔物，因此，能降低烧结温度， 物与滑石，粘土及其它杂质生成低共熔物，因此，能降低烧结温度，但含量高时又会缩 小烧结范围，因此在配方中含量要少。 小烧结范围，因此在配方中含量要少。 Al2O3的作用与MgO的相似 的作用与MgO的相似， ③ 氧化铝 ：Al2O3的作用与MgO的相似，它与游离石英化合生成性能优良的硅线石 SiO2)。 还能与SiO2一同转入玻璃相中( SiO2)， (Al2O3 ·SiO2)。Al2O3还能与SiO2一同转入玻璃相中(除去SiO2)，不降低烧结温度。因 SiO2) Al2O3还能与SiO2一同转入玻璃相中 除去SiO2) 不降低烧结温度。 此它能防止瓷坯老化，改善并稳定瓷的介电性能，但会显著降低滑石瓷的抗折强度。 此它能防止瓷坯老化，改善并稳定瓷的介电性能，但会显著降低滑石瓷的抗折强度。 Al2O3的一般的用量为1%～3%。 的一般的用量为1% Al2O3的一般的用量为1%～3%。 硼酸盐：硼酸盐是强的助溶剂，能大幅度降低烧结温度，但降低玻璃粘度亦大， ④ 硼酸盐：硼酸盐是强的助溶剂，能大幅度降低烧结温度，但降低玻璃粘度亦大，如 在配方中加入2%的焦硼酸钡(BaO 2B2O3) 烧成范围只有10 15℃， 2%的焦硼酸钡 2B2O3)， 10～ 在配方中加入2%的焦硼酸钡(BaO ·2B2O3)，烧成范围只有10～15℃，硼酸盐常用的有方 硼石(Mg3ClB7O17)和焦硼酸钡，后者由BaCO3 H3BO4煅烧而得 (Mg3ClB7O17)和焦硼酸钡 BaCO3加 煅烧而得。 硼石(Mg3ClB7O17)和焦硼酸钡，后者由BaCO3加H3BO4煅烧而得。 氧化锆和氧化锌：能有效的扩大材料的烧结范围和提高材料的机械强度。 ⑤ 氧化锆和氧化锌：能有效的扩大材料的烧结范围和提高材料的机械强度。 提高玻璃相的粘度，烧结上限温度提高，烧结范围扩大； 提高玻璃相的粘度，烧结上限温度提高，烧结范围扩大； 高粘度的玻璃相能抑制晶粒长大，从而提高材料的机械强度。 高粘度的玻璃相能抑制晶粒长大，从而提高材料的机械强度。 长石：配方中加入6% 7%的长石 烧结范围可扩大到60℃左右。 6%～ 的长石， 60℃左右 ⑥ 长石：配方中加入6%～7%的长石，烧结范围可扩大到60℃左右。但长石中含有碱金 属氧化物，大大减低了瓷坯的电和机械性能， 属氧化物，大大减低了瓷坯的电和机械性能，应严加控制 。
ρ
ε
ε
tanδ
是由材料本身性质所决定
主要考虑
ρ
tanδ
电阻率的倒数） 1、用电导率表示（电阻率的倒数） 、 通常陶瓷材料的导电机制为离子电导：本征，杂质和玻璃相。表示为： 通常陶瓷材料的导电机制为离子电导：本征，杂质和玻璃相。表示为： Bi为不同导电形式中表现的电导活化能 为不同导电形式中表现的电导活化能 − Bi T为温度 为温度 T σ = ∑ Ai e A为常数 为常数 i i为不同种类离子。i=1、2、3等 为不同种类离子。 、 、 等 为不同种类离子 Bi要大，则电导率小（电阻率高）。 要大， 要大 则电导率小（电阻率高）。 研究表明： 与离子本身 体积、电价）有关，还与其所处位置有关。 与离子本身（ 研究表明： Bi与离子本身（体积、电价）有关，还与其所处位置有关。
1
2
3
4
5
60.0 24.4 3.9
60.0 24.0 5.0
50 17 7 4 8
88 6
91.6 5.2
7.8
10 1.0
10
6～8 145 1. 大 功 率 高 频 管 2.装置瓷 6～7 145 1.容量不大的 电容器 2.装置瓷 3～5 150 1.容量不大的 电容器 2.装置瓷 25 148 电性能要求不高 的大型装置瓷 6～8 115 金属陶 瓷密 封电 真空致密陶瓷 1320±20 1270±20 1350±30 1350±15
氮化铝瓷 AlN (热压)
氧化铍瓷 BeO99%
性 能
主成 分
75%Al2O3 95%Al2O3 3Al2O3 ·2SiO2
密度 (g/cm3) 抗拉强度 (MPa)
2.8～3.1 抗 折 140～300
2.5 3.3 200 300 6
～ 3.6 ～ 2.5～2.6 3.8 ～ 300 70～90
1.2.1.2 滑石瓷生产工艺
原料处理 煅烧滑石 配料
湿球磨： 湿球磨： 瓷衬： 瓷衬：苏州花岗岩 料球水比为： ， ， 料球水比为：1，1.2，0.85 球磨42到 小时 球磨 到50小时
放浆 除铁
榨泥 剥泥
装钵 煅烧
手选
粗磨： 粗磨： 直径80至 直径 至100mm圆柱球 圆柱球 料球比为： ， 料球比为：1，1.2 磨10小时后加油酸 小时后加油酸 料与油酸比为： 料与油酸比为：100，0.1 ，
功能陶瓷概论
授课老师：吴坚强
1 绝缘陶瓷 又称装置陶瓷 电真空陶瓷是一种高致密绝缘陶瓷 1.1绝缘陶瓷的分类及性能要求 绝缘陶瓷的分类及性能要求 1.1.1绝缘陶瓷的分类 绝缘陶瓷的分类 一般可按化学组成和相组成来划分，主要有以下几种： 一般可按化学组成和相组成来划分，主要有以下几种： (1)镁质瓷 有滑石瓷、镁橄榄石瓷、尖晶石瓷、堇青石瓷 ； 镁质瓷(有滑石瓷 镁质瓷 有滑石瓷、镁橄榄石瓷、尖晶石瓷、堇青石瓷)； (2)氧化铝瓷； 氧化铝瓷 (3)莫来石瓷 (3)莫来石瓷； 莫来石瓷； (4)改性碳化硅陶瓷； 改性碳化硅陶瓷； 改性碳化硅陶瓷 (5)氮化硅陶瓷； 氮化硅陶瓷； 氮化硅陶瓷 (6)氮化铝陶瓷； 氮化铝陶瓷； 氮化铝陶瓷 (7)硼酸铅玻璃陶瓷； 硼酸铅玻璃陶瓷 (8)硼酸锡钡陶瓷； 硼酸锡钡陶瓷； 硼酸锡钡陶瓷 (9)氧化铍陶瓷； 氧化铍陶瓷； 氧化铍陶瓷
1.1.2 绝缘陶瓷的性能要求 绝缘陶瓷的性能应符合如下要求： 绝缘陶瓷的性能应符合如下要求： (1)满足使用技术要求的介电常数，一般为较低的介电常数； 满足使用技术要求的介电常数，一般为较低的介电常数； 满足使用技术要求的介电常数 (2)尽可能低的介电损耗（或叫介质损耗）； 尽可能低的介电损耗（或叫介质损耗） 尽可能低的介电损耗 (3)高的体积电阻率和介电强度； 高的体积电阻率和介电强度； 高的体积电阻率和介电强度 (4)良好的介电温度和频率特性； 良好的介电温度和频率特性； 良好的介电温度和频率特性 (5)优良的导热性能，机械强度、断裂韧性、化学稳定性和热稳定性。 优良的导热性能，机械强度、断裂韧性、 优良的导热性能 主要是： 主要是： 由于
2.4～3.2
(3.26)
2.9 195 8.0 240 >1014 6.8 0.0005
390～1270 490 2.8～3.2 15～55 >1014 4.0 0.001 3.5 160 5×1013 8.8 0.0005
热 膨 胀 系 数 7～7.5 (×10-6/℃) 热导率 (W/m ·k) 体电阻率 (Ω·cm) 介电常数 (1MHz) 介质损耗 tanδ(1MHz) 绝缘强度 (kv/mm) 1012～1014 6～7 (3 ～ 20) ×10-4 20～30
2、 tanδ 、
选择结构紧密的晶体为主晶相； 选择结构紧密的晶体为主晶相；形成连续固溶体 尽量减少玻璃相；晶型转变小。 尽量减少玻璃相；晶型转变小。
一些绝缘陶瓷的性能如表11.1 所示 一些绝缘陶瓷的性能如表
表 11.1 一些绝缘陶瓷的性能
材料
滑石瓷 MgO ·SiO2
氧化铝瓷
莫来石瓷
氮化硅瓷 Si3N4
细磨： 细磨： 磨球直径40到 磨球直径 到60mm 料球比为： ， 料球比为：1，1.2 先加料后加球 料与油酸比为： 料与油酸比为：100，0.6到0.8 ， 到 细度：万孔筛余小于0.1% 细度：万孔筛余小于
制浆板
热压铸
排蜡
烧结
检验加工
滑石瓷生产工艺要点： 滑石瓷生产工艺要点：
（1）滑石的预烧 破坏它的层状结构。 ①破坏它的层状结构。 ②预烧后，脱水及晶型转变，降低瓷件的收缩率。 预烧后，脱水及晶型转变，降低瓷件的收缩率。 ③增加滑石的脆性，便于粉碎。 增加滑石的脆性，便于粉碎。 (2) 防止滑石瓷老化的措施 将原料磨至足够的细度，加入适量的晶粒抑制剂。 ①将原料磨至足够的细度，加入适量的晶粒抑制剂。 加入适量外加剂，以形成足够的玻璃相并包裹细晶的原顽辉石， ② 加入适量外加剂，以形成足够的玻璃相并包裹细晶的原顽辉石，防止它的晶型转变 ③ 加入能与硅酸镁生成固溶体的物质，与其生成固溶体。 加入能与硅酸镁生成固溶体的物质，与其生成固溶体。 控制氧化硅含量。 ④ 控制氧化硅含量。 控制冷却温度。 ⑤ 控制冷却温度。 (3) 滑石瓷的烧结 滑石瓷的烧结关键是扩大烧结范围和严格控制窑炉温度制度。 滑石瓷的烧结关键是扩大烧结范围和严格控制窑炉温度制度。 控制温度在玻化范围的下限， ①控制温度在玻化范围的下限，不要过烧 。 引入外加剂提高液相的粘度， ②引入外加剂提高液相的粘度，使瓷坯在高温不易变形 。 扩大烧结范围， ③扩大烧结范围，抑制晶粒长大 。 当坯料中含较多铁或钛时，应分别考虑用还原或氧化气氛。 ④当坯料中含较多铁或钛时，应分别考虑用还原或氧化气氛。 在冷却阶段，温度在700~550℃之间，要控制冷却速度 。 ⑤在冷却阶段，温度在 ℃之间，