高介電容器瓷特性和主要原料

1、高介電容器瓷特性和主要原料7.1 概述7.2 電容器瓷的介電特性7.3 高頻電容器瓷的主要原料7.4 中高壓陶瓷電容器瓷1、對電容器瓷的一般要求：、介電系數(shù)大，以制造小體積、重量輕的陶瓷電容器，電容器體積整機體積、重量、介質(zhì)損耗小，tg=（16）10-7，保證回路的高Q值。高介電容器瓷工作在高頻下時、tg 。、對I類瓷，介電系數(shù)的溫度系數(shù)要系列化。對II類瓷，則用隨溫度的變化率表示（非線性）。I類瓷II類瓷 7-1 概述 、體積電阻率v高（v1012cm） 為保證高溫時能有效工作，要求v高、抗電強度Ep要高 a、小型化，使=V/d b、陶瓷材料的分散性，即使Ep，可能仍有擊穿。 7-1 概述2

2、、電容器瓷分類： 7-1 概述低頻：高 ，較大的tg高頻低介（0 +0的瓷料獲得0的瓷料。 7-2 電容器瓷的介電特性金紅石型和鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的陶瓷具有特殊的結(jié)構(gòu)，離子位移極化后，產(chǎn)生強大的局部內(nèi)電場，并進一步產(chǎn)生強烈的離子位移極化和電子位移極化，使得作用在離子上的內(nèi)電場得到顯著加強，故大。鈦酸鍶鉍也是利用SrTiO3鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的內(nèi)電場，而加入鈦酸鉍等，使之產(chǎn)生鍶離子空位，產(chǎn)生離子松弛極化，從而使增大。7-2-4 產(chǎn)生高介電系數(shù)的原因 7-2 電容器瓷的介電特性 低溫下高頻電容器瓷的tg較小，但在一定的頻率下，當(dāng)溫度超過某一臨界溫度后，由離子松弛極化和電子電導(dǎo)所引起的大量能量損耗，使材料的介質(zhì)

3、損耗急劇地增大。另外：TiO2的二次再結(jié)晶，破壞晶粒的均勻度，使材料的機械性能和介電性能惡化；Ti7+Ti3+tg 7-2-5 含鈦陶瓷的介質(zhì)損耗 7-2 電容器瓷的介電特性 7-3-1 熱補償電容器瓷 7-3-2 熱穩(wěn)定電容器瓷 7-3-3 溫度系數(shù)系列化的電容器瓷 7-3 高頻電容器瓷的主要原料定義：具有很大的負(fù)值，用來補償振蕩回路中電感的正溫度系數(shù)，以使回路的諧振頻率保持穩(wěn)定。1、金紅石瓷：8090，：-750-85010-6/ 2、鈦酸鈣瓷：150160：-230010-6/( -60120 )- (15001600)10-6/( +2080 ) 7-3-1 熱補償電容器瓷 7-3 高

4、頻電容器瓷的主要原料 1、金紅石瓷(1) TiO2的結(jié)構(gòu)(2) 鈦離子變價及防止措施(3) 用途 7-3 高頻電容器瓷的主要原料 TiO2的結(jié)構(gòu) rTi4+=0.68A，rO2-=1.70A，r+/r- 形成TiO6八面體 Ti4+取六配位，用電價規(guī)則算得每個O2-離子為三個TiO6八面體共用。自然界中TiO2有三種晶型（同質(zhì)異型體），其性能特點如下： 7-3 高頻電容器瓷的主要原料 金紅石板鈦礦銳鈦礦晶系正方晶系斜方晶系正方晶系八面體共棱數(shù)2條3條7條比重7.257.113.87莫氏硬度65656介電系數(shù)1177831 7-3 高頻電容器瓷的主要原料 由此可見，金紅石結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定、最緊湊、介電

5、系數(shù)最大、性能最好，銳鈦礦最差。然而，工業(yè)用TiO2主要是銳鈦礦和微量的金紅石，因此，必須在12001300氧化氣氛中預(yù)燒，使TiO2全部轉(zhuǎn)變?yōu)榻鸺t石結(jié)構(gòu)，同時也使產(chǎn)品在燒結(jié)時不致因晶型轉(zhuǎn)變、體積收縮過大而變形或開裂。 7-3 高頻電容器瓷的主要原料 (2) 鈦離子變價及防止措施 鈦原子的電子排布：1s22s22p63s23p67s23d2，7s的能級比3d稍低，3d層的電子容易失去，可為Ti4+、Ti3+、Ti2+，可見Ti4+易被還原（Ti4+eTi3+=Ti4+ee-弱束縛電子） 7-3 高頻電容器瓷的主要原料Ti4+Ti3+的原因：a、 燒結(jié)氣氛b、 高溫?zé)岱纸猓篶、 高價（5價）雜質(zhì)

6、：d、 電化學(xué)老化 7-3 高頻電容器瓷的主要原料 還原氣氛奪去TiO2的O2-，使晶格出現(xiàn)a、燒結(jié)氣氛 7-3 高頻電容器瓷的主要原料b、高溫?zé)岱纸鉄蓽囟冗^高，尤其在超過1700時，TiO2脫氧嚴(yán)重，即產(chǎn)生高溫分解。 7-3 高頻電容器瓷的主要原料 Ti4+、Nb5+、Ta5+、Sb5+半徑相近，5價離子取代Ti7+形成置換固溶體多余一個價電子c、高價（5價）雜質(zhì) 7-3 高頻電容器瓷的主要原料 金紅石瓷在使用過程中，長期工作在高溫、高濕、強直流電場下，表面、界面、缺陷處活性大的O2-離子向正極遷移，到達(dá)正極后，氧分子向空氣中逸出，留下氧空位，是不可逆過程。銀電極在高溫高濕、強直流電場下：

7、Ag-eAg+，Ag+遷移率大，進入介質(zhì)向負(fù)極遷移 d、電化學(xué)老化 7-3 高頻電容器瓷的主要原料 防止Ti4+Ti3+的措施： 采用氧化氣氛燒結(jié)：抑制還原 加入添加劑：降低燒結(jié)溫度，抑制高溫失氧再氧化過程：在低于燒結(jié)溫度2070，強氧化氣氛回爐 摻入低價雜質(zhì)（受主）：抑制高價雜質(zhì) 加入La2O3等稀土氧化物：改善電化學(xué)老化特性 加入ZrO2：阻擋電子定向移動，阻礙Ti7+變價 7-3 高頻電容器瓷的主要原料(3) 用途 電容器介質(zhì)：由于-tg與溫度、頻率有關(guān)，適宜于工作在低溫高頻下（85），通常作熱補償電容器。 作為 的負(fù)值調(diào)節(jié)劑。 7-3 高頻電容器瓷的主要原料2、鈦酸鈣瓷 以鈦酸鹽為主的

8、陶瓷是高頻高介電容器瓷中的又一大類，常用的有鈦酸鈣、鈦酸鍶等，這里介紹常用的鈦酸鈣瓷。(1) CaTiO3的結(jié)構(gòu)及介電性能(2) 鈦酸鈣瓷的成份及工藝要求 7-3 高頻電容器瓷的主要原料(1) CaTiO3的結(jié)構(gòu)及介電性能 鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，由Ca2+和O2-離子共同作立方密堆積，Ti7+離子處于氧的六配位位置，形成TiO6八面體，八面體間共頂點連接，Ca2+離子處于八個TiO6八面體之間。由于其特殊結(jié)構(gòu)，在外電場作用下，Ti7+發(fā)生離子位移（相對于O2-離子），使作用于Ti-O線上的O2-離子電場O2-電子云畸變（電子位移極化）作用在Ti7+上有效電場O2-有效電場極化 7-3 高頻電容器瓷的主要

9、原料鈦酸鈣瓷工作溫度高，適合制造小型、大容量、對電容量穩(wěn)定性要求不高的耦合旁路、隔直流等場合或者電容器溫度系數(shù)的調(diào)節(jié)劑。鈦酸鈣瓷與金紅石瓷性能比較 7-3 高頻電容器瓷的主要原料性能指標(biāo)金紅石瓷鈦酸鈣瓷原因7080150160結(jié)構(gòu)不同（+20+80）-（700100）10-6/-（15001600）10-6/Ei、線性膨脹系數(shù)大tg（1MHz，20）（75） 10-7（23） 10-7玻璃相含量少V（cm）101110121017同上工作溫度85150(2) 鈦酸鈣瓷的成份及工藝要求天然CaTiO3含雜質(zhì)多，不能直接作原料，而采用化工原料方解石（CaCO3）和TiO2經(jīng)高溫合成：鈦酸鈣瓷的主要

10、工序為： 7-3 高頻電容器瓷的主要原料球磨干燥預(yù)燒研磨成型燒結(jié)工藝注意事項：TiO2與CaCO3應(yīng)充分混合均勻、確保Ca、Ti摩爾比為1：1，因此球磨后不能過濾去水。否則易去Ca。（CaO+H2OCa(HO)2流失）嚴(yán)格控制燒結(jié)溫度，既要使CaCO3與TiO2反應(yīng)充分，防止游離CaO生成（0） 7-3 高介電容器瓷的主要原料 CaTiO3與CaSnO3性能比較CaTiO3CaSnO315017（2080）10-6/-1300+110tg/10-7（20）233工作溫度（）150150 7-3 高介電容器瓷的主要原料 CaSnO3瓷在高溫時的性能較好，但太低，另在直流電場與還原氣氛下較穩(wěn)定。C

11、aSnO3可用作高頻熱穩(wěn)定型電容器介質(zhì)，為了調(diào)節(jié)瓷料的，可加入CaTiO3或TiO2。 7-3 高頻電容器瓷的主要原料 (2) 錫酸鈣瓷的成分及工藝要求： 錫酸鈣瓷的工藝過程與CaTiO3瓷相同CaSnO3燒塊的典型配方燒結(jié)工藝要求 7-3 高頻電容器瓷的主要原料(1) CaSnO3燒塊的典型配方 CaCO3：SnO2：1，防止SnO2游離（SnO2電子電導(dǎo)大） 7-3 高頻電容器瓷的主要原料 (2) 燒結(jié)工藝要求： 7-3 高頻電容器瓷的主要原料 這類電容器瓷的可在（+120-750）10-6/相當(dāng)寬的范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)，可根據(jù)電路的要求來選擇配方。 常用的該類瓷料有鈦鋯系、鎂鑭鈦系及鈦硅酸鈣、

12、硅酸鎂系列。1、鈦鋯系瓷2、鎂鑭鈦系陶瓷3、CaTiO3-CaTiSiO5瓷4、以2MgOSiO2為主晶相的陶瓷7-3-3 溫度系數(shù)系列化的電容器瓷 7-3 高頻電容器瓷的主要原料 1、鈦鋯系瓷 由TiO2-ZrO2系相平衡圖可知，在1800以下，存在穩(wěn)定的ZrTiO7化合物，并且ZrO2和TiO2均不能與ZrTiO7生成無限固溶體，因此在ZrO2：TiO2=1：1的等分子比線兩旁有ZrO2相或金紅石相析出。由P62圖7-17可知，通過調(diào)節(jié)TiO2與ZrO2的相對成分比來調(diào)節(jié)-80010-6/+10010-6/ 7-3 高頻電容器瓷的主要原料 典型的鈦鋯系瓷配方：TiO2+ZrO2：70%Sn

13、O2： 11.5%礦化劑，防止ZrO2多晶轉(zhuǎn)變BaCO3： 4.5%壓堿ZnO： 3% 礦化劑（在還原氣氛中易揮發(fā)）膨閏土： 11% 增塑劑 7-3 高頻電容器瓷的主要原料 7-3 高頻電容器瓷的主要原料 2、鎂鑭鈦系陶瓷對于正鈦酸鎂為主晶相的陶瓷的缺點：約1718，較小；0，熱穩(wěn)定性較差。我國有豐富的La2O3原料，研究與制造溫度系數(shù)可系列化的鎂鑭鈦（MgO-La2O3-TiO2）系陶瓷是很有意義的。 7-3 高頻電容器瓷的主要原料 晶相燒結(jié)溫度（）tg（107）（10-6/，30150）MgO2TiO21380178207La2O32TiO21700522-20La2O37TiO21380

14、371-96TiO213808612-760 7-3 高頻電容器瓷的主要原料四種晶相的性能如下表：因此，MgOTiO2La2O3TiO2TiO2系的性能為： 7-3 高頻電容器瓷的主要原料tg510-7：2087 ：（+100-650) 10-6/燒結(jié)溫區(qū)范圍：35 50 工藝特點：a、防止游離La2O3吸水水解，使瓷體開裂，必須使TiO2過量（50%）并且預(yù)燒b、La2O3原料在900以上焙燒，去除H2O及CO2c、氧化氣氛燒結(jié)，避免Ti4+Ti3+ 7-3 高頻電容器瓷的主要原料 3、CaTiO3-CaTiSiO5瓷一般熱穩(wěn)定電容器瓷的共同缺點：在接近于零或在零的附近時，?。徊⑶液茈y獲得很

15、大的正值。CaTiSiO5是榍石型結(jié)構(gòu)，單斜晶系，其主要性能： 7-3 高頻電容器瓷的主要原料作為添加物時，可使接近于零時，達(dá)100以上，且這種瓷料有很大的正的，介電性能較好，tg較小，抗電強度高（同類材料中最廉價的高介材料）常見的溫度系數(shù)調(diào)節(jié)劑有CaTiO3、TiO2、SrTiO3 7-3 高頻電容器瓷的主要原料CaTiSiO5-CaTiO3系瓷料的介電性能尚好，但燒結(jié)范圍狹窄；CaTiSiO5-TiO2系瓷料高、tg小，工藝性能好。CaTiSiO5-TiO2-SrTiO3系瓷料tg很小，較高 。 7-3 高頻電容器瓷的主要原料 4、以2MgOSiO2（鎂橄欖石）為主晶相的陶瓷特點： 工藝簡

16、單，性能穩(wěn)定，燒成溫度為1280。 7-3 高頻電容器瓷的主要原料7-7-1 用途 彩電、激光器、雷達(dá)、電子顯微鏡、X光機及各種測試儀器的倍壓電源電路、交流電斷路器等中高壓電器線路，軍事天線的發(fā)射及接收設(shè)備。7-7 中高壓陶瓷電容器瓷領(lǐng)域用途具體設(shè)備和系統(tǒng)送電、配電、供電系統(tǒng)電壓分擔(dān)遮斷器，避雷器零相檢測相負(fù)載控制，漏電檢查載波耦合自動檢測，負(fù)載集中控制高壓電源倍壓整流電路復(fù)印機電源，大型照明電源脈沖電壓發(fā)生電路激光電源，大型電磁開關(guān)電源高頻感應(yīng)電路熱處理爐，冶煉熔爐視頻設(shè)備電容量補償視頻設(shè)備的陰極射線管中高壓陶瓷電容器用途7-7 中高壓陶瓷電容器瓷7-7-2 分類及特點： BaTiO3：鐵電體，介電常數(shù)大，但介電損耗較大，介電常數(shù)隨電壓變化大。 SrTiO3：順電體，介電常數(shù)隨電壓變化小，介質(zhì)損耗低，抗電強度高。但介電常數(shù)僅為250左右。 純SrTiO3、BaTiO3難以滿足要求，必須進行摻雜改性。 SrTiO3作為中高壓電容器介質(zhì)優(yōu)于BaTiO3 。 反鐵電體PLZT：介電常數(shù)與鐵電陶瓷相近，耐壓較好，適于作中高壓電容器介