6.2電介質(zhì)陶瓷一、概念二、一般特性

1、電絕緣與極化2、介電損耗三、性能與分類四、電絕緣陶瓷生產(chǎn)工藝、性能及應(yīng)用五、非鐵電電容器陶瓷六、鐵電電容器陶瓷七、反鐵電電容器陶瓷一、概念電介質(zhì)陶瓷是指電阻率大于108Ω·m的陶瓷材料，能承受較強(qiáng)的電場而不被擊穿。按其在電場中的極化特性，可分為電絕緣陶瓷（insulationceramics）和電容器陶瓷（capacitorceramics；condenserceramics）。隨著材料科學(xué)的發(fā)展，在這類材料中又相繼發(fā)現(xiàn)了壓電、熱釋電和鐵電等性能。二、一般特性電介質(zhì)陶瓷在靜電場或交變電場中使用，其一般特性是電絕緣性、極化（polarization）和介電損耗（dielectricloss）。1、電絕緣與極化電介質(zhì)陶瓷中的分子正負(fù)電荷在弱電場的作用下，雖然正電荷沿電場方向移動(dòng)，負(fù)電荷逆電場方向移動(dòng)，但它們并不能掙脫彼此的束縛而形成電流，因此具有較高的體積電阻率，具有絕緣性。2、介電損耗電介質(zhì)在電場作用下，把部分電能轉(zhuǎn)變成熱能使介質(zhì)發(fā)熱，在單位時(shí)間內(nèi)因發(fā)熱而消耗的能量稱為損耗功率或簡稱為介電損耗。常用tgδ表示，其值越大，損耗越大，其中δ稱為介質(zhì)損耗角。三、性能與分類根據(jù)體積電阻率、介電常數(shù)和介電損耗等參數(shù)的不同，可把電介質(zhì)陶瓷分為電絕緣陶瓷即裝置陶瓷和電容器陶瓷。此外，某些具有特殊性質(zhì)，如壓電性、鐵電性及熱釋電性的電介質(zhì)陶瓷，按性質(zhì)分別稱為壓電陶瓷、熱釋電陶瓷和鐵電陶瓷。(一)電絕緣陶瓷電絕緣陶瓷又稱裝置陶瓷，是在電子設(shè)備中作為安裝、固定、支撐、保護(hù)、絕緣以及連接各種無線電元件及器件的陶瓷材料。作為裝置陶瓷要求具備以下性質(zhì)：（1）高的體積電阻率（室溫下，大于1012Ω·m）和高介電強(qiáng)度（大于104kV/m）。以減少漏導(dǎo)損耗和承受較高的電壓。（2）介電常數(shù)?。ǔＰ∮?）。可以減少不必要的分布電容值，避免在線路中產(chǎn)生惡劣的影響，從而保證整機(jī)的質(zhì)量。（3）高頻電場下的介電損耗要小。介電損耗大會造成材料發(fā)熱，使整機(jī)溫度升高，影響工作。（4）機(jī)械強(qiáng)度要高，通常抗彎曲強(qiáng)度為45~300MPa，抗壓強(qiáng)度為400~2000MPa。（5）良好的化學(xué)穩(wěn)定性。能耐風(fēng)化、耐水、耐化學(xué)腐蝕，不致于性能老化。

電絕緣陶瓷按化學(xué)組成可分為氧化物系（如氧化鋁瓷、氧化鎂瓷等）和非氧化物系（如氮化硅瓷、氮化硼瓷等）兩大類。除上述多晶陶瓷外，近年來發(fā)展了單晶電絕緣陶瓷，如人工合成云母、人造藍(lán)寶石、尖晶石、氧化鈹及石英等。

（二）電容器陶瓷根據(jù)陶瓷電容器所采用陶瓷材料的特點(diǎn)，電容器分為：溫度(熱)補(bǔ)償型（Ⅰ型）：使用非鐵電陶瓷，高頻損耗小，介電常數(shù)隨溫度線性變化，可補(bǔ)償電路中或電阻隨溫度系數(shù)的變化，維持諧振頻率的穩(wěn)定。溫度(熱)穩(wěn)定型：使用非鐵電陶瓷，特點(diǎn)是介電常數(shù)隨溫度變化很小，接近于零，適用于高頻和微波電路中。高介電常數(shù)型：采用鐵電或反鐵電陶瓷，特點(diǎn)是介電常數(shù)非常高，可達(dá)30000，適用于低頻高容量電容器。半導(dǎo)體型：非線性電阻電容器，用于開關(guān)電路或熱保護(hù)電路中，起自動(dòng)開關(guān)作用。用于制造電容器的陶瓷材料的性能要求：（1）介電常數(shù)要盡可能高。介電常數(shù)越高，陶瓷電容器的體積可以做得越小。（2）在高頻、高溫、高壓及其它惡劣環(huán)境下穩(wěn)定可靠。（3）介質(zhì)損耗角正切值小。對于高功率陶瓷電容器，能提高無功功率。（4）比體積電阻高于1010Ω·m，可保證在高溫下工作。（5）高的介電強(qiáng)度。四、電絕緣陶瓷生產(chǎn)工藝、性能及應(yīng)用（一）剛玉-莫來石瓷及莫來石瓷1、概述莫來石瓷是以莫來石（3Al2O3·2SiO2）和石英（SiO2）為主晶相的陶瓷，它是應(yīng)用最早的高頻裝置瓷。剛玉-莫來石瓷的結(jié)晶相不是單一的剛玉，而是共存有莫來石，因此稱為剛玉-莫來石瓷。其主要原料是粘土、氧化鋁和碳酸鹽。剛玉-莫來石瓷的電性能較好，機(jī)械強(qiáng)度較高，熱穩(wěn)定性能好，工藝性能好，燒結(jié)溫度不高，且燒結(jié)溫度范圍寬。可用來制造高頻高壓絕緣子，線圈骨架，電容器外殼及其他絕緣支柱，高壓開關(guān)及其他大型裝置器件等。(1)一次莫來石的生成偏高嶺石（Al2O3·2SiO2

）或硅線石（Al2O3·SiO2

）在高溫下按下式分解：

1200℃

3（Al2O3·2SiO2）

3Al2O3·2SiO2+4SiO2

1300~1500℃3（Al2O3·SiO2）

3Al2O3·2SiO2+4SiO2

這種從原料礦物高溫分解直接生成的莫來石稱為一次莫來石。(2)二次莫來石的生成一次莫來石生成的同時(shí)，還伴生游離石英。石英有多晶轉(zhuǎn)變，對瓷質(zhì)不利，在生產(chǎn)高鋁瓷時(shí)要增加Al2O3成分，使之與游離石英起反應(yīng)生成莫來石，這時(shí)所生成的莫來石稱為二次莫來石。3Al2O3+2SiO23Al2O3·2SiO22、莫來石的生成（二）鎂質(zhì)瓷按照主晶相的不同，它可分為以下四類：原頑輝石瓷(即滑石瓷)、鎂橄欖石瓷、尖晶石瓷及堇青石瓷?；山殡姄p耗小，用于一般高頻無線電設(shè)備中，如雷達(dá)、電視機(jī)常用它制造絕緣零件。鎂橄欖石瓷的介質(zhì)損耗低，而且隨頻率的變化小，在微波范圍內(nèi)也不增加，它的比體積電阻大，并且在高溫下仍然具有相當(dāng)高的數(shù)值，可作為高頻絕緣材料。但它的熱膨脹系數(shù)高，因此熱穩(wěn)定性較差。尖晶石瓷的介質(zhì)損耗低于滑石瓷，而介電常數(shù)稍高，化學(xué)穩(wěn)定性良好。在電子工業(yè)中，它是低壓高頻電容器、感應(yīng)線圈骨架及電子管插座等的良好材料。堇青石瓷的膨脹系數(shù)低，熱穩(wěn)定性好，可用于要求體積不隨溫度變化、耐熱沖擊的絕緣材料或電熱材料。（三）絕緣陶瓷的應(yīng)用及未來

1、應(yīng)用1）電力：絕緣子、絕緣管、絕緣襯套、真空開關(guān)。2）汽車：火花塞、陶瓷加熱器。3）耐熱用：熱電偶保護(hù)管、絕緣管。4）電阻器：膜電阻芯和基板、可變電阻基板。5）電子管：管殼、磁控管、管座。6）半導(dǎo)體：Si晶體管管座、二極管管座、超高頻晶體管外殼。7）封接用：金屬噴鍍法加工、玻璃封接。8）光學(xué)用：高壓鈉燈、紫外線透過窗口、紅外線透過窗口。五、非鐵電電容器陶瓷介電常數(shù)高：體積小，小型化和集成化介電損耗?。焊哳l電路和高功率的損耗少體積電阻高：≥1010W.cm，高溫下不失效介電強(qiáng)度高：避免意外擊穿化學(xué)穩(wěn)定性好：保證在高頻、高壓及其它惡劣環(huán)境中工作可靠。非鐵電陶瓷的種類1.金紅石陶瓷：組成：TiO2含量約90％，另有10％的添加劑，如ZrO2、高嶺土、BaCO3、CaF2、鎢酸、ZnO、La2O3等，SiO2的存在對介電性能有害。燒成：金紅石陶瓷一般在1325±10℃氧化氣氛中燒成，還原氣氛也對電性能不利。性能：介常≤100，介損≤4×10－4，電阻≥1010問題：直流老化，與銀電極反應(yīng)2.鈦酸鈣陶瓷

鈦酸鈣陶瓷是目前國內(nèi)外大量使用的材料，它具有較高的介電系數(shù)和負(fù)溫度系數(shù)，可以制成小型高容量的高頻陶瓷電容器等。

(1)配方：鈦酸鈣瓷的制備一般分兩步進(jìn)行。先合成CaTiO3，然后再配方。典型的配方如下：CaTiO3燒塊99%ZrO21%瓷料的燒結(jié)溫度為1360±20℃。在國外，為了降低燒結(jié)溫度，改善燒結(jié)性能和結(jié)晶狀態(tài)，從而提高介電性能，還可加入少量氧化鈷（≤2.5%）。六、鐵電電容器陶瓷特點(diǎn)：鐵電陶瓷晶體中存在著許多自發(fā)極化的偶極子，在電場中會產(chǎn)生一類似磁滯回線的電滯回線，故稱為鐵電體。鐵電陶瓷在高于某溫度時(shí)會失去自發(fā)極化，低于該溫度時(shí)又重新獲得鐵電性，這一轉(zhuǎn)變溫度稱為居里溫度(CuriePoint)材料及工藝高介電常數(shù)鐵電介電陶瓷：鈦酸鋇基陶瓷居里點(diǎn)移動(dòng)劑：BaSnO3、BaZrO3、CaZrO3、SrTiO3、PbTiO3、La2O3、CeO2等，能將居里點(diǎn)從120℃移至室溫附近。居里點(diǎn)壓降劑：CaTiO3、MgTiO3、MgZ