电解质材料61电容介质.ppt

第六章 电解质材料 6.1 电容电介质材料 6.2 铁电材料 6.3 热释电材料 6.4 微波介质材料 6.1 电容电解质材料 电容器:存储电荷的元件。它是一种由两片相距很 近的金属板（金属薄膜）中间夹层绝缘物质（又称 电介质材料）构成的。纸、陶瓷及塑料等都可以作 为电容器的电解质。 一、电介质的极化 10-710-610-5 10-410-310-2 10-1100101102103104105106 电导率 S/m 半导体 导体 超导体： 绝缘体 6.1.1 电介质材料的基本概念 1 电介质 绝缘体：是指能够承受较强电场的材料。 电介质：具有绝缘特性，主要是指在较弱电场具 有极化能力的材料。 电介质：简单的认为就是绝缘体不准确 极化电荷： 将电介质放入电场， 电介质表面感应出电荷，称为感应 电荷或极化电荷。 电 介 质 U 电介质的极化：在外电场中， 电介质表面出现极化电荷的现象 2 极化现象 l极化电荷不能离开电介质到极板上，也不能在电介质内部自 由移动，它不象金属中的自由电荷能用传导方法将其引走。 l 无外电场时，分子正负中心重合，不显电性。 l 有外电场时，正电中心和负电中心的移动，分子呈现极性。 无外电场 有外电场材料内部 3 极化的微观机制 正负电荷重合 原子核 电子云 二、电容 电容：电容器存储电荷的能力称为电容量， 简称为电容。 电容用C表示 单位：法拉（F） 1F=1C/V ：“C=1F” 其它单位：1F = 106F = 1012pF 1 平行板电容器： 电介质 C : 平行板电容器的电容量大小除与 极板面积与极板相距有关外，还和 两极板间的绝缘电解质有关 r：电介质的相对介电常数， 与材质有关 极板（面积为S） 电解质(面积为S1) 圆片状 2 圆柱形电容器（同轴电缆）： 两个长为 的圆柱体其间距离 两圆柱面间隙为： S:内柱面面积 3 电容器的串联和并联 l并联电容器的电容： 令 l 串联电容器的电容： 电容器的并联 电容器的串联 多层陶瓷电容器（MLCC）并联 多层电容器C=单层电容(C) 曾数（n） 3 电容器应用 1 电容器用于存储电量以便高速释放。一定的时间 内充电，快速放电，能量密度高。应用于除颤 器、高能量闪光灯、激光器、X射线设备超声波 焊接设备、超声波清洗设备。 利用电火花加工工件 如图，用高压对电容C充电，当电压高至能使绝缘 油击穿时，就会产生火花放电,经过多次放电过程，工 件上正对电极处的金属就会被高温融化，而慢慢出现 与电极形状相同的几何图形.。 油槽油槽 正极正极 负极负极 C C R R 工件工件 2 电容器可以阻隔直流。如果将电容器通直 流时，则在电容器充电完成后，电池的两 极之间将不再有电流通过。然而，任何交 流电流(AC)信号都可以畅通无阻地流过电 容器。其原因是随着交流电流的波动，电 容器不断地充放电，就好像交流电流在流 动一样。 3 滤波。滤波电容的作用 简单讲是使滤波后输出的 电压为稳定的直流电压。 l电容器：以储存电荷和提供电容量为主要特征的元件其基 本结构是两电极间夹一层电解质，外加一个 保护性的封装。 纸质电容器 陶瓷电容器 电解电容器 可变电容器 6.1.2 纸电解质材料 l 纸电解质材料：一般是用两条铝箔作为 电极，中间以厚度为0.0080.012mm的 电容器纸隔开重叠卷绕而成 。 电容器纸：植物纤维素 分子链上含有不对称的（OH） 基，本身具有较强的极性 特点：体积较小，容量可以做得较大。 但是固有电感和损耗比较大，适用于低频电路。 l电解电容器： 以铝、钽、铌、钛金属作为阳极； 通过电化学阳极氧化法生成一薄层金属 氧化物作为电介质材料； 多孔电解纸所吸附的工作电解液作为阴极 6.1.3 电解电容器 电介质 l 电解电容器中按阳极材料的不同可分为： 铝电解电容器、钽电解电容器、铌电解电容器等 l 根据电解质的不同，电解电容器可分为： 液体电解电容器、固体电解电容器 1 铝电解电容器构造： 芯子：阳极铝箔、电介质、电解纸、 阴极铝箔卷绕而成 将芯子用铝壳和胶盖把它密闭起来即构成一个电解电容器 铝电解电容器：（50） l工作阳极：正极铝箔 l电介质：在铝箔表面通过电解质电化学 反应在阳极金属表面氧化生成一层Al2O3膜 。利用这层Al2O3 膜的介电性能可以实现 存储电荷的功能的。此氧化物介质层依存 于电容器的阳极，不能独立存在。 l 阴极箔：为了使铝电解电容器的负极与外电路 相连，使用与电解质相接触的阴极箔将工作 阴极引出。 l 工作阴极：并非阴极箔，而是电解质。 l 浸有电解液的电解纸：起着储存电解液和防止 正箔和负箔物理接触的作用。 电解液组成： 溶质：主要用的是硼酸、硼酸盐、羧酸盐及少量的其他无机盐 和去极化消氢剂、缓蚀剂、水解抑制剂等。 溶剂：二甲基甲酰胺、Y一丁内酯、乙 二醇、丙二醇、水等。 电介质Al2O3的生成过程（电解液的电化学反应） 2 铝电解电容器的工作原理 工作原理：电解电容器正负极不能接错 当电容器被充电时 l如果负阴极铝箔接正， 电解质电离后，氢离子聚集在正 极箔氧化膜表面，氢离子扩散通 过氧化膜(多孔膜)到达阳极铝箔 和电介质界面处，就在氧化膜、 金属铝界面上放电转化为氢气（ 得到电子，相当于空穴向阳极移 动），氢气泡靠膨胀力从氧化膜 表面剥离穿过电解质后，电流就 流过了。 l如果阴极铝箔接负 电解质中阴离子聚集在氧化 膜的表面时，由于阴离子具 有大的体积，不能通过膜放 电，膜就保持了电压。 R1R2 R3 C1 C2 L D1 R1：电极和引出端子的电阻 R2：阳极氧化膜和电解质的电阻 R3：损坏的阳极氧化膜的绝缘电阻 D1：具有单向导电性的阳极氧化膜 C1：阳极箔的容量 C2：阴极箔的容量 L ：电极及引线端子等所引起的等效电感量 铝电解电容器等效电路 (1)电解电容器的两个导电极板有正负极之分; (2)电解电容器的介质是利用电化学方法、在腐蚀过 的阳极铝箔表面上生成约0.01-1m的铝氧化膜作为 电容器的电介质。它与铝阳极结合为一整体; (3)电解电容器的阴极是电解质; (4)电容器中的电解纸是起吸附工作电解液和衬垫隔 离作用。 铝电解电容器和其类型电容器相比不同之处： 3 铝电解电容器的制造工艺 l 开片根据电容器规格将阳极箔、阴极箔、电解电容器纸 按工艺规定的尺行裁切。 l 刺铆在裁切好的阳极箔阴极箔上分别铆接上正极引出线 、负极引出线。 l 卷绕在铆好的阳极箔阴极箔中间隔入电解电容器纸卷绕 成芯包。 l 浸渍将芯包浸在工作电解液液体电解质中让电解电容器 纸浸满工作液。 l 装配将浸渍好的芯包密封在铝壳中防止因工作电解液挥 发渗漏芯包保证铝电解电容器的寿命。 l 套套管装配后在电容器的铝外壳上套上具有一定绝缘 性能的热收缩膜管上标注该电容器的型号规格。 l 老练组装后按极性加上规定的直流电压，通过芯包内 工作电解液的电化学对在制造过程中受到损伤的氧化膜介 质加以修复，使恢复其固有的良好电性能称为老练。 l 分选对老练后的产品必须进行电性能测试主要测量漏 电流。选出漏电流大的产品返回老练工序重新老练老练后 再次进行电性能测试。 铝电解电容器使用时注意事项 1普通的铝电解电容器是有极性的 在使用时先确认极性标志，引线短的为负极，引线 长的为正极。如果反接加上电压则电路呈短路状态， 并损坏电容器。 2普通型的铝电解电容器不适用于频繁地充放电 如果在电路中频繁地充放电，引起电容器发热，漏 电流增加，容量减少，同样会损坏电容器。 l l 陶瓷电容器：陶瓷电容器：用陶瓷做介质。在陶瓷基体两面喷 涂银层，然后烧成银质薄膜作极板制成。 根据实用中介电陶瓷的特性，将其分为： 型 高频介电瓷 型 高介电系数瓷 型 半导体介电瓷 6.1.4 6.1.4 陶瓷电容器陶瓷电容器 型（低频） 型（ 高频） 低介（0 + 0的瓷料获得0的瓷料。 l热补偿高频瓷：这类陶瓷具有不同的温度系数，以 保持回路谐振频率的稳定性。 l热稳定高频瓷：这类陶瓷的温度系数很低， 甚至为零。 高介高频瓷主要应用于: l热补偿电容器瓷 温度系数具有很大的负值，用来补偿振荡回路中电 感的正温度系数，以使回路的谐振频率保持稳定。 1、金红石瓷 (TiO2 ) ：8090， ： -750 -85010-6/ 2、钛酸钙瓷 (CaTiO3) ：150160 ：-1500 -160010-6/( -60120 ) 钛酸钙瓷与金红石瓷性能比较 性能指标金红石瓷钛酸钙瓷原因 70 80150160结构不同 a （+20+80） -（700100） 10-6/ -1500 -1600）10-6/ 线性膨胀系 数大 tg（1MHz，20）（45） 10-4（23）10-4玻璃相含量 少 V（cm）101110121014同上 工作温度 85150 钛酸钙瓷:工作温度高，适合制造小型、大容量 、对电容量稳定性要求不高的耦合旁路、隔直流 等场合或者电容器温度系数的调节剂。 金红石瓷：由于-tg与温度、频率有关，适宜于 工作在低温高频下（85），通常作热补偿电容 器 作为 的负值调节剂。 用 途 l热稳定电容器瓷 所谓高频热稳定性电容器瓷，就是指a很小或接 近于零。包括钛酸镁瓷，锡酸钙瓷等。 1、钛酸镁瓷 2、锡酸钙瓷 Mg2TiO4（正钛酸镁）与CaSnO3性能比较 Mg2TiO4CaSnO3 1414 a（2080）10-6/+60+110 tg/10-4（20）33 工作温度（）150150 钛酸镁瓷的基本晶相：正钛酸镁Mg2TiO4 和金红石TiO2 若要得到a0的瓷料，且较小，则加入CaO或 CaCO3。 即：MgTiO3-CaTiO3固溶体陶瓷。 型陶瓷电容器以高介电常数为主要特征，其 材料主体是具有钙钛矿型结构的铁电强介质瓷。 铁电强介质陶瓷的高介电常数来源与材料中存在 的自发极化。 高介陶瓷 高介陶瓷的性能要求 l l 介电常数介电常数 ： 要求： 在工作温区的尽可能高 随温度的变化率（/25）要小 随电场强度的变化率也要尽可能小航空 石油钻探 军事 高介高稳定 l l 介电损耗介电损耗tgtg： 由于电容器主要用于低频电路中，因而tgg不是很严不是很严 格格，只要tg3即可。 l l 绝缘电阻绝缘电阻 v v : Tv 特别是工作在高温（85），高湿，长期在直流电 场下（1000小时），造成v，故要求室温 v1012.cm l由于介电常数受温度影响很大，电容器容量温度特性 通常用在规定温度范围内； l用这种材料制作的电容器在频率超过一定范围时衰减 幅度很大，因而主要应用于低频电路或对容量要求不 大苛刻的中高频电路。 半导体陶瓷电容器是一种利用特殊的显微结构来获取巨大 的宏观效益的高性能陶瓷电容器。 用于制作这类电容器的主要材料有BaTiO3和SrTiO3 。 纯BaTiO3陶瓷的禁带宽度约3ev，因而室温电阻率很高然 而在特殊情况下，BaTiO3瓷可形成n型半导体，使BaTiO3成为 半导体陶瓷的方法及过程，称为BaTiO3瓷的半导化。 半导体介电陶瓷电容器 原子价控法（施主掺杂法） l强制还原法 lAST法 1. BaTiO3瓷的半导化机理 原子价控法（施主掺杂法） 在高纯（999）BaTiO3中掺入微量的离子半径与 Ba2+相近，电价比Ba2+离子高的离子（如La3+、Sm3+、 Ce3+、Gd3+、Bi3+、Sb3+、Y3+、Dy3+）或离子半径与Ti4+ 相近而电价比Ti4+高的离子，如Nb5+、Ta5+、Sb5+等，它 们将取代Ba2+或Ti4+位形成置换固溶体，在室温下，上述 离子电离而成为施主，向BaTiO3提供导带电子（使部分 Ti4+eTi3+）,从而V下降（102.CM），成为半导瓷。 强制还原法 BaTiO3在还原气氛中（H2、CO）烧结或热处理， 从而半导化。 AST（Al2O3（SiO2） 对于工业原料，含杂质较高，特别是Fe3+、Mn3+、Cu+、 Cr3+等离子，他们往往在烧结过程中取代BaTiO3中Ti4+离子 而成为受主，妨碍BaTiO3的半导化。 通过加入Al2O3（SiO2）可以促进BaTiO3半导化 SiO2与杂质形成玻璃相，不令其游离存在 Al2O3Al3+置换Ba2+，进行施主掺杂 1. 半导体陶瓷电容器的分类及其性能 半导体陶瓷电容器按其结构、工艺可分为三类：表 面阻挡层型，表面氧化型，晶界层型。它们的构造 及主要性能列于下表： 2 半导体陶瓷电容器 （1）表面阻挡层电容器 在高纯度的BaTiO3中添加微量稀土元素氧化的 后，获得n型BaTiO3半导体陶瓷，使p型半导体与 这陶瓷表面接触，形成p-n结，利用p-n结的阻挡 层电容的电容器称为表面阻挡层电容器。 N型BaTiO3半导体陶瓷 （2）表面氧化型电容器 将大气中烧成的电介质陶瓷量于H2、CO还原气氛中 处理，使其还原成半导体(半导体化)。然后