10-电容器陶瓷.ppt

一、电介质陶瓷
电介质(dielectric)陶瓷是指电阻率大于108Ω· m的陶瓷材料,能承受较强的电场而不被击穿。按其在电场中的极化特性,可分为电绝缘陶瓷(insulation ceramics)和电容器陶瓷(capacitor ceramics)。随着材料的发展,在这类材料中又相继发现了压电、热释电和铁电等性能,因此电介质陶瓷作为电子陶瓷又在传感、电声和电光技术等领域获得了广泛的应用。
1,电介质陶瓷的一般性能
电介质陶瓷在静电场或交变电场中使用,它的一般特性是电绝缘性、极化、介电损耗及介电强度。
(1)电绝缘性(insulation):电介质陶瓷中的分子正负电荷彼此强烈的束缚,在弱电场的作用下,虽然正电荷沿电场的方向移动,负电荷逆电场的方向移动,但它们并不能挣脱彼此的束缚而形成电流,因而其具有较高的体积电阻率,故而具有好的绝缘性能。
(2)极化(polarization):电介质陶瓷在外电场的作用下会造成电荷的移动,致使其中的正负电荷中心不重合,这样在电介质陶瓷内部会形成偶极矩,产生极化。极化的结果是在外电场垂直的电介质陶瓷表面会出现感应电荷Q,这种感应电荷不能自由移动,被称为束缚电荷。束缚电荷的面密度即为极化强度P(intensity of polarization)。
极化强度不仅与外电场强度有关,更与电介质陶瓷本身的特性有关。对于平板型真空电容器,极板间无电介质存在,在电场强度为E时,其表面的束缚电荷为Q0,电容量为C0,在真空中插入电介质陶瓷时,则束缚电荷增为Q,电容也增至C,评价同一电场下材料的极化强度,可用相对介电常数ξr(relative dielectric constant)。用下式计算:
相对介电常数越大,极化强度越大,即电介质陶瓷表面的束缚电荷面密度大。应用制作陶瓷电容器的材料,ξr越大,电容量越高,相同容量时,电容器的体积可以做的更小。所以一般高容量小型电容器陶瓷的相对介电常数都很高。
(3)介电损耗(dielectric loss):介电损耗是电介质陶瓷的又一重要特性。任何电介质在电场作用下,总会或多或少地把部分电能转化为热能使介质发热,在单位时间内因发热而消耗的能量称为损耗功率,或称为介电损耗,常用tgδ表示,其值越大,损耗越大。δ称为介质损耗角。
一般当介质存在损耗时,介电常数变为复数:
在复介电常数中,实部ξ’反映电介质储存电荷的能力,虚部ξ’’表示电介质电导引起的电场能量的损耗,其物理意义是单位体积介质中,当单位场强变化一周期时所消耗的能量,常以热的形式耗散掉。
实际中电绝缘材料都不是完全的电介质,其电阻不是无穷大的,在外电场的作用下,总有一些带电质点会发生移动而引起漏导电流,这种漏导电流流经介质时使介质发热而损耗了电能。这种因电导而引起的介质损耗称为“漏导损耗”。同时一切介质在电场中均会呈现出极化现象,除电子、离子弹性位移极化基本上不消耗能量以外,其他缓慢极化,如松弛极化、空间电荷极化等在极化缓慢建立的过程中都会因克服阻力而引起能量的损耗,这种损耗一般称为“极化损耗”。极化损耗与外电场频率和工作温度密切相关,一般在高温、高频时损耗较大。
(4)介电强度( dielectric intensity ):介电强度用于表征绝缘材料承受电压的能力,用在规定试验条件下试样在均匀电场中被击穿的电压值与试样厚度的比值,也称抗电强度或绝缘强度。
Eb 介电强度
Vj 击穿电压
d 试样厚度
2,电介质陶瓷的分类
电介质陶瓷在静电场或交变电场中使用,评价其特性的主要参数为:体积电阻率、介电常数和介电损耗角。根据这些参数的不同,可把电介质陶瓷分为电绝缘陶瓷,也称装置陶瓷(mounting ceramics)和电容器陶瓷(capacitor ceramics) 。此外某些具有特殊性能陶瓷,如压电陶瓷、铁电陶瓷及热释电陶瓷等电介质陶瓷也归为此类。下面主要讨论的就是其中的电容器陶瓷。