《电介质材料》PPT课件.ppt

1,第6章 电介质材料,电介质的定义 在较弱电场下具有极化能力并在其中长期存在电场的一种物质 电介质的性质 绝缘性 铁电性 压电性 热释电性,2,6.1 电容器介质材料,电容器 静电电容器 电解电容器：阀金属氧化物 电化学离子电容器：不含“电介质”，含“固体电解质”或称“快离子导体” 电容器电介质材料的分类 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 电容器电介质对材料的要求 介电常数值尽可能高（得到高比容量） 损耗角正切（tan)值尽可能低（避免能量损耗） 绝缘电阻值高且稳定 击穿电场强度高,3,6.1.1 纸电介质及其浸渍材料,1. 电容器纸的组成、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； 主要成分纤维素（C6H10O5)n，n2000,4,纸电介质的和tan与温度和频率的关系 空气随温度变化极小，与频率无关，纸电介质决定于纤维素，故纸电介质 的随温度升高而增大，在高频段随频率增高而略微降低； 空气的tan极小，纸电介质tan决定于纤维素，随其密度增大而降低，80 以上，迅速增大； tan在低温区，随频率增大而增大，在高温区，随频率增大 而减小。 纸电介质的电阻率和抗电强度 外加电压低于电离电压，电阻率跟电压无关，高于时，电阻率陡增； 抗电强度随密度增大而增加。,5,2.电容器纸的浸渍 可供浸渍的材料的分类 按极性程度：极性和非极性 按物理状态： 液态，适于高压和脉冲电容器 固态，适于一般直流或低压通用电容器,6,浸渍后总介电常数的变化,采用液体浸渍时,采用固体浸渍时,7,液体浸渍后tan和击穿强度的变化,tan的变化,击穿强度ELX的变化,8,6.1.2 有机薄膜电容器介质材料,非极性薄膜 优点：介电损耗很低，电阻率较高 缺点：热膨胀系数大，产生不可逆的电容量变化，介电常数低 （ 23)， 比率电容量低，机械强度较差 常见的有：聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯和聚四氟乙烯等 极性薄膜 介电常数低( 33.6) 常见的有聚对苯二甲酸乙酯、聚碳酸酯、聚酰胺等,9,6.1.3 电解电容器介质,电解电容器介质： 阀金属上生成的氧化物薄膜，厚度0.011.5m，“单向导电性” “自愈特性” 阳极： 阀金属，如，铝、钽、铌等，在电解槽中会形成具有单向导电性的氧化物薄膜。 结构形式：箔式、烧结式和丝式等 阴极： 与氧化物膜接触的电解质，用另一金属作为引出端（“集电极”） 电解质可为液体、糊状物或固体,10,1. 箔式铝电解电容器氧化膜介质 “形成”的概念 膜的结构和特性与阀金属和电解液的组合及形成条件有关 铝相应的两类电解液 不溶解阀金属及其氧化物膜的，如硼酸、硼砂、柠檬酸等，生成氧化物膜的主要成分； 不溶解阀金属但能很好溶解其氧化物膜的，如硫酸、草酸、磷酸等，用于生成电介质的预形成，缩短形成时间，提高效率。 电解电容器的Al2O3 膜组成 立方晶型的- Al2O3 不含水的无定形Al2O3膜 水合氧化铝Al(OH)3 多孔Al2O3,11,非固体铝电解电容器氧化膜的结构示意图,12,2.固体钽电解电容器钽氧化膜结构及其晶化,固体钽电解电容器的特点 比率电容量大、性能优异，结构多样 固体钽电解电容器的型式 烧结型固体 烧结型液体 箔形卷绕固体 固体钽电解电容器的制备 由钽粉压块烧结得到的烧结体、烧结体表面形成的钽氧化膜、固体电解质和固体电解质上的导电层构成。 制备具有合适孔隙的多孔钽烧结块 在多孔钽烧结块表面生长一层作为电介质的氧化膜 第二电极，高温热分解覆盖MnO2固体电解质 集电极，涂石墨喷金 在钽阳极上形成的氧化膜是无定形的Ta2O5,13,6.1.4 陶瓷电容器介质,介电陶瓷的特点 介电常数值高且变化范围大； 串联电感小，介电损耗低，在相当高的频段仍有优越的电容特性； 具有高强度结构和高可靠性，耐高工作温度； 具有高电阻率和高耐电强度。 介电陶瓷的分类 按工作频率分为低频、中频、高频和微波陶瓷 按介电常数值分为低介、中介、高介陶瓷、铁电陶瓷 本节根据实用中的介电陶瓷特性分为： 高频温度补偿型介电陶瓷 高频温度稳定型介电陶瓷 低频高介型介电陶瓷 半导体型介电陶瓷,14,1. 高频温度补偿型介电陶瓷,特点 中低值介电常数的非铁电类陶瓷； 温度系数值稳定； 在高频及较高温度时介质损耗低。 常用的有MgTiO3、CaSnO3、Al2O3、MgO等，但较低，热稳定性较差； 有前途的是MgO-La2O3-TiO2体系瓷和CaTiO3、SrTiO3、 MgTiO3、 LaTiO3复合瓷。,15,具有较高的值； 常温下具有很小的tan，一定频率下，温度超过某一临界值，tan值急剧增大，随温度上升而增大； tan值随频率的增大而减小,金红石型TiO2结构,16,频率增高后，= f(T)曲线在高温方向出现增长,17,2.高频温度稳定型介电陶瓷,特点： 值很低甚至接近零 常见的有MgTiO3、CaSnO3等体系，常采用复合固溶体 对于TiO2-MgO二元体系正钛酸镁瓷，为了使 0而值有所提高加入CaO或CaTiO3,形成固溶体，加熔剂CaF2,与过量的TiO2反应，调整 对于CaSnO3体系， 引入CaTiO3,使值接近零，引入TiO2，可使的波动减少，并提高,18,3.低频高介型介电陶瓷,特点：高达40008000；温度稳定性好；居里点在工作温度范围内，能方便地被调整 种类：BaTiO3, SrTiO3和反铁电体 BaTiO3铁电体，具有钙钛矿型结构 SrTiO3常温下为顺电体结构，在直流电场下不产生的跌落，在较高的直流电场下tan值不增加，理想的中、高压高介陶瓷 反铁电体 电畴中的离子沿相反方向发生自发式位移，每个电畴中存在两个相反方向的自发极化强度； 特点：较细长的电滞回线、损耗较低、相变时体积效应小、无剩余极化。,暂稳态的铁电相,储能,释放储能,19,4. 半导体型介电陶瓷,半导体瓷主要是在BaTiO3的基础上，经过掺杂发展起来的 BaTiO3半导体化的途径 施主掺杂(掺入半径相近，但电价较高的离子） Ba2+Ti4+O2-2 + xLa3+ Ba2+1-x La3+x(Ti4+1-xTi3+x) O2-3 + xBa2+ Ba2+Ti4+O2-2 + xNb5+ Ba2+ (Ti4+1-xNb5+x Ti3+x) O2-3 + xTi4+ 强制还原 Ba2+Ti4+O2-2 失氧还原 Ba2+ (Ti4+1-2xTi3+2x) O2-3 x (xVO2+)+ x/2O2 SiO2(Al2O3)掺杂 与受杂质Fe，Cu，Zn形成硅酸盐玻璃相，消除其对半导体化的不利影响； 与过量的Al2O3生成Al2/3TiO3，（Al3+e-)，占据Ba2+ 位置成为施主，促进半导体化。 BaTiO3半导化陶瓷介质的类型 表面阻挡层型：沉积金属，形成正电荷积累的空间电荷区，产生自建电场，具有表面势垒 边界层型：在晶界上形成作为介质的氧化绝缘层，烧结或涂敷金属氧化物后，热处理 电价补偿型：借助受主杂质的电价补偿作用，使其转变为具有绝缘性的介质层,20,6.2 铁电材料,自发式极化 某些介电晶体在适当的温度范围内和没有外电场作用的条件下，由于原胞中的正负电荷中心不重合，导致产生固有偶极矩。 电滞回线和铁电体 6.2.1 铁电材料的自发式极化 居里点Tc和转变温度 铁电相和顺电相 BaTiO3的钙钛矿型结构,21,BaTiO3的相变与铁电性,22,BaTiO3的介电常数与温度的关系,23,6.2.2 铁电材料的电畴结构和电滞回线,电畴：自发极化方向一致的若干小区域 畴壁：不同极化方向的相邻电畴交界处 四方BaTiO3晶体中的畴壁,24,铁电体的电滞回线和顺电体的P(E)线性关系,铁电体的电滞回线,顺电体的P(E)线性关系,25,6.2.3 BaTiO3的介电特性及掺杂改性,通过温度、电场强度E和电极化强度P，可以调节值； 当f107Hz后，值随 f 增高而显著降低； 当频率增高时，由于反转运动更频繁而使tan增大； 改性的主要目的 居里温度区域拓宽； 工作区域内具有更高的值； 居里点的位置根据应用的需要 进行适量调节。 改性的方法 采用相变扩散 引入缓冲型固溶体以及多晶晶粒微细化等 展宽剂 移动效率 (TCBTCA)/100,26,6.3 压电材料与热释电材料,6.3.1 压电效应与压电特征参数 正压电效应：当在某一特定方向对晶体施加应力时，在与应力垂直方向的两端表面出现数量相等、符号相反的束缚电荷的现象。 压电效应机理 逆压电效应：具有压电效应的晶体置于外电场中，由于晶体的电极化造成的正负电荷中心位移，导致晶体形变，形变量与电场强度成正比。,27,压电特征参数,表征压电材料特性的参数除、tan外，还有 压电系数d与g 压电材料把机械能（或电能）转化为电能（或机械能）的比例常数 压电应变系数dij=(S/ E)T 或 dij=(D/ T)E 压电电压系数gij=(-E/ T)D 或 gij=(S/ D)T 机电耦合系数 反映压电材料机械能与电能间的耦合关系，无量纲 定义为：k2=正压电效应转化的电能/输入总机械能 或k2=逆压电效应转化的机械能/输入总电能 机械品质因素Qm Qm每一周期振子谐振时储存的机械能/同周期振子消耗机械能 频率系数N N=f0L，与材料性质相关,28,6.3.2 典型压电材料及应用,压电材料分类 压电单晶、压电陶瓷、压电薄膜和压电高分子材料 从晶体结构分，钙钛矿型、钨青铜型、焦绿石型及铋层结构等 从化合物成分角度分：一元系统、二元系统，三元系统 一元系统BaTiO3和PbTiO3 PbTiO3 TC =490 PbTiO3工艺性能差，Pb蒸发，出现“粉化”现象，Li2O、NiO、MnO2引入形成缓冲晶界,29,二元系统PbTiO3 -PbZrO3 PZT可通过调节Zr/Ti比进行调节，通过掺杂进行改性 掺杂包括“等价A位取代”、“高价缺位取代”（“软性取代）和“低价等数取代”（“硬性”取代） 复合钙钛矿型三元系统 高分子压电材料,30,6.3.3 热释电效应,热释电效应 具有自发式极化的晶体受热或冷却后，由于温度的变化（T）导致自发式极化强度变化（ PS），从而在晶体某一特定方向产生表面极化电荷的现象。PS =P T 热释电效应与晶体结构 具有自发式极化是前提条件 32种晶体对称型中，有21种不具有对称中心，10种具有极化轴 只有存在极化轴的晶体才有热释电效应 热释电晶体类型 具有不为外电场作用转向的自发式极化的晶体 具有为外电场作用转向的自发式极化的晶体（铁电体）,31,热释电材料的自发式极化强度与温度的关系 P=Ps+Pl,32,6.3.4 热释电材料及其应用,热释电单晶LiNbO3、LiTiO3、（Ba，Sr)Nb2O6 热释电材料 热释电陶瓷，PZT，PLZT 热释电材料的应用 PZT单元和阵列红外探测器件,33,6.4 微波陶瓷介质材料,微波波段的定义:300MHz3000GHz 分米波段：= 1m10 cm，f = 300 MHz 3GHz，甚高频段(VHF)； 厘米波段： = 10cm1cm， f = 3GHz 30 GHz，超高频段(SHF)； 毫米波段： = 1cm1mm， f = 30GHz 300 GHz，极高频段(EHF)； 亚毫米波段： = 1mm0.1mm， f =300GHz3000GHz，极超高频段(SEHF) 微波信号的特点 频率高，信息容量大； 可进行直线传播，具有很强的传播方向性以及高能量和对于金属目标的强反射能力； 对不同介质具有强穿进和强吸收能力； 微波设备的数字化可实现别通信的保密化。 微波陶瓷分为三类 低类， 20 中类， 2040 高类，70100,34,介质谐振器,f 300MHz，Q 500,35,集中式谐振元件向分散式谐振元件过渡的原因 当电磁波波长减小至可与回路元件尺寸相比拟的程度时，电磁波的辐射相当显著， 从而Q值大大下降； 回路谐振频率为 ，随着f的不断升高，L,C的值大大减小，尺寸也应相应减小，从而使微小型器件的制作工艺条件无法得到满足； 集中参数器件尺寸不断减小与电路承受功率不断增大，产生了无法兼顾的矛盾；,为了满足微波器件的小型化和集成化，通常要用高介电常数的电介质填充谐振腔，即得到介质谐振器,36,6.4.1 微波陶瓷的介电性能,介质谐振器的典型工作模式,在微波频段基本上为定值，不随频率而变化,当谐振频率f0为固定值时，增大则可减小器件的尺寸,要使微波介质陶瓷具有高值除需考虑微观晶相类型及其组合外，应在工艺上保证晶粒生长充分，结构致密。,微波介质的谐振频率温度系数f0.5 (10-6/)， 式中为热胀系数，为介电常数温度系数,37,6.4.2 微波陶瓷介质的应用,微波陶瓷的应用 用于介质谐振器的功能陶瓷：值尽可能大 用于微波电路中的介质陶瓷： 值尽可能小 可用于收集或储存微波能的介质天线； 用于控制微波信号传输方向的介质波导； 电路或元件间藕合的微波电容器； 承载和支撑电路、元件及起绝缘作用的基片、底板等。,38,6.5 玻璃电介质材料,玻璃的定义 一种没有确定熔点，具有客观各向同性的非晶态固体物质 6.5.1 玻璃的结构与组成 1. 玻璃的结构 扎哈瑞亚森玻璃形成规则 围绕金属M的氧原子数不能超过4； 一个氧原子不能与两个以上的M原子相联； 形成三维网络结构的M-O多面体只能以顶角相联，而不能共棱，甚至共面； 每个氧多面体至少有三个顶角被共有。,39,40,2. 玻璃的组成 玻璃的组成 玻璃形成剂，决定玻璃的主要机电性能，如，SiO2，B2O3，P2O5等 玻璃变性剂，显著改变玻璃的特性，对介电性能不利，主要为碱金属氧化物 玻璃中间剂，减小玻璃变性剂的不利影响，主要为碱土金属和Zn，Al，Ti等氧化物 玻璃结构的“晶子假说” 玻璃由极微细的有序区域组成,41,6.5.2 玻璃的介电特性,1. 碱金属变性剂离子的电导互阻效应 同时引入两种不同的碱金属离子后，出现的不同离子相互阻碍迁移的现象,42,2. 二价金属氧化物的电阻率压制效应 在碱金属含量一定的玻璃电介质中， 引入部分二价金属氧化物取代SiO2以后， 二价离子贮留在网隙之中，并使碱金属 离子迁移受到阻碍，从而使电阻率提高， 这种现象称为“压制效应”。 压制效应与离子半径大小，质量大小， 电子云分布状态的因素相关,43,3. 玻璃电介质的极化与损耗 纯形成氧化物玻璃主要是电子及离子位移式极化，几乎不产生介质损耗，在10121014 Hz，有谐振式色散损耗； 引入碱金属氧化物后，产生“形变式”极化和损耗 玻璃的介电常数= i i,44,6.5.3 半导化玻璃与微晶玻璃,1. 半导化玻璃 玻璃导电的机制主要是在外电场作用下，弱系的松弛离子在无序网络中的定向扩散和跃迁； 当玻璃体内引入易变价的过渡金属氧化物后，离子激活能降低，氧化物正离子变价，产生电子交换过程，使电子电导大幅度增加，此即半导化过程。 硫族化合物半导化玻璃 可单独由S，Se，Te的化合物构成，也可和P，As，Sb，Bi的化合物构成二元和三元系统 特点 化合物组分变化范围宽，且组分比可以不是整数，从而能灵活改变组成和特性； 半导体玻璃电导值对杂质不敏感； 适当组成的半导化玻璃常具有开关和记忆特性,45,1,46,含有变价过渡金属氧化物的半导化玻璃 该类半导化玻璃包括钒、铁、钴、镍、锰等氧化物的磷酸盐、硼酸盐和硅酸盐玻璃等。当过渡金属氧化物浓度增大时，电导率也增大，而电导率值与过渡金属离子价态有很大关系,47,2. 微晶玻璃 定义：对某种具有适当组分的玻璃进行热处理而生成的由结构均匀、直径小于l一2 m的微小晶粒构成的玻璃陶瓷，其结晶度约为9598。 特点：具有较小粘度内部基本上不含气孔，具有较为优良的热、机械特性和化学稳定性良好的加工特性，热胀系数可在较宽范围变化。 微晶玻璃的制作过程 一般玻璃的熔炼、成形过程，按设计的特定规范热处理,48,49,6.6 有机电介质材料,6.6.1 聚酰亚胺及其绝缘材料 1. 概述 20世纪60年代初，得到工业应用，从此迅速发展 聚酰亚胺的一般结构 聚酰亚胺有一系列非常好的综合性能，特别是在一200十260高低温下具有突出的力学性能、电绝缘性、耐磨性、耐辐照以及在高真空下难挥发性，以及良好的化学稳定性和粘结性等。 聚酰亚胺使用温度在200以上也能很好地粘结玻璃、硼、金刚石、铝、钴、铜、石墨和石英等，是性能优异的高温胶粘剂；聚酰亚胺还可制薄膜、绝缘漆、模压制品等。 2. 聚酰亚胺的介电性能 聚酰亚胺的相对介电常数为3.33.5对温度和频率的依赖性很小； 介电损耗角正切较低； 有很好的耐电晕性，耐电弧性不好。,50,3. 聚酰亚胺的力学性能 玻璃化温度很高，在高温下仍能保持相当高的强度，其薄膜的抗拉强度在25 下为17.6MPa，而在200下仍保持11.8MPa； 能形成坚韧面有弹性的薄膜。其冲击韧度也高，而且低温耐寒性好，抗震性也好； 6.2.2 聚四氟乙烯 1. 结构 聚四氟乙烯人分子呈螺旋形结构氟原于紧紧地将C-C主链包围着 2. 性能 耐冷热性 在250下长期使用，300下短期工作，高于415开始分解，在-195下使用 化学稳定性 任何熔剂都不能溶解或溶胀，仅熔融碱金属能与之作用 耐湿、耐水性 其透湿性和吸水性极微，耐气候性优异,51,力学性能 在压力作用下变形很小，抗拉强度受温度影响很小 介电性能 2，tan210-4, 和tan不受频率的影响； 随温度升高，有所下降， tan变化很小；绝缘电阻相当高，介电强度很高，耐电弧性非常突出