陶瓷电容器介质
时间：2022-09-28
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陶瓷材料具有优越的电学、力学、热学等性质，可用作电容器介质、电路基板及封装材料等。
陶瓷材料的微观结构
陶瓷材料是由氧化物或其他化合物制成坯体后，在接近熔融的温度下，经高温焙烧制得的材料。通常包括原料粉碎、浆料制备、坯件成型和高温烧结等重要过程。陶瓷是一个复杂的多晶多相系统，一般由结晶相、玻璃相、气相及相界交织而成，这些相的特征、组成、相对含量及其分布情况，决定着整个陶瓷的基本性质。陶瓷中的晶相通常指那些大小不同、形状不一、取向随机的晶粒，晶粒的直径通常为几微米至几十微米。晶相可以同属一种化合物或一种晶系，也可以是不同化合物或不同晶系。陶声中若存在两种以上组成和结构互不相同的晶粒时，则称其为多晶相陶瓷，其中相对含量最多产品相称为主晶相，其他的称为副品相。其中主晶相的性能基本上决定了材料的性能，如相对f电常数、电导率、损耗及热膨胀系数等。所以，要获得性能良好的陶瓷，就必须选择适当的：晶相。此外，还应考虑晶粒的大小、均匀程度、晶粒取向、晶界形成及杂质分布等情况。
晶粒间界是指两个晶粒之间的过渡区，在这个过渡区内，品格结构的完整性或化学成分与晶粒体内有显著的区别。在晶粒间界上通常聚集着大量的位错、热缺陷与杂质缺陷，因而对陶瓷材料的力学性能和电学性能有重大影响。气相一般分布于晶界、重结晶晶体内和玻璃相中，它是陶瓷组织结构中很难避免的一部分。其来源于烧成过程中各个晶粒之间不可能实现完全紧密的镶嵌，玻璃相也不可能完全填充各个晶粒的空隙；也可能是由于坯料烧结时释放出气体而形成的气孔。气相会严重地影响陶瓷材料的电学性能、力学性能和热学性能。一般希望陶瓷中气相的含量越少越好。
陶瓷的微观结构决定了材料的一系列力学性能和电学性能。一致的晶粒组成，微细晶粒的均匀分布及致密的烧结体，可使陶瓷的机械强度和介电性能达到预期的结果。
电容器瓷介的特点与分类
陶瓷电容器（如图所示）是在陶瓷基体两面形成金属层后焊接引线制成的，这些用作电容器的陶瓷材料被称为瓷介。
与其他电容器的介质材料相比，介电陶瓷有如下特点：
①、介电常数和介电常数的温度系数及其机械性能和热物理性能可调控，且介电常数也较大。
②、有些介电陶瓷（强介瓷，主要为铁电瓷）的介电常数能随电场强度发生变化，可以用它制造非线性电容器，有时称为压敏电容器。
③、原料丰富，成本低，易于大量生产。
除表面层型和晶界层型瓷介外，瓷介最大的缺点是难以做得很薄，故使电容器的容量受到要大限制。此外，瓷介常含有气隙，致使其抗电强度不高，一般不超过35kV/mm。
电容器瓷介有多种分类方法。按用途可分为：1类瓷，用于制造1类（高频）瓷介电容器；2类瓷，用于制造2类（铁电）瓷介电容器；3类瓷，用于制造3类（半导体）瓷介电容器。其中相对介电常数较大（ε=12～600）的1类瓷称为高介瓷；而把相对介电常数更高（ε=103～104）的2类瓷称为强介瓷；而相对介电常数较低（ε<10.5）的3类瓷称为低介瓷。高介瓷和低介瓷的tanδ很小，适合于制造高频电路中的电容器，故称之为高频瓷。由于强介瓷的tanδ大，只适合于制造低频电路中应用的电容器，因而又称之为低频瓷。工程上一般采用混合分类的方法，将电容器瓷分为高介瓷、强介瓷、独石瓷和半导体晶界瓷。下面主要介绍几种低介、高介瓷和强介瓷的性能特点。
低介瓷
滑石瓷是一种典型的低介瓷。滑石瓷是以天然滑石（3MgO·4SiO2·H2O）为主要原料制备而成的，故此取名滑石瓷。它的主晶相是原顽辉石，即偏硅酸镁（MgO-SiO2）。滑石瓷的配方中除主要成分滑石外，为改进工艺条件及改善瓷料的性能，还引进了一系列的添加物，如黏土、菱镁矿、碳酸钡等。滑石瓷是一种低介结构陶瓷，属于硅酸盐中的MgO—Al2O3一SiO2系统。滑石瓷的特点是介电常数很低，介质损耗很小，工艺性能好，便于制造形状复杂的零件。另外，它的矿源丰富，产品成本低，因此一直是应用最广的结构陶瓷之一。滑石瓷的介电常数虽然不高，但它具有高的绝缘强度，而且高频下的介质损耗角正切值很低，其tanδ值可低达（3.5～4）×10-4，因而可用来制造各种小容量的高压电容器、高压大功率瓷介电容器。滑石瓷还具有较高的静态抗弯强度、较小的线膨胀系数和较好的化学稳定性。滑石瓷还可用于各种类型的绝缘子、线圈骨架、高频瓷轴、波段开关、电子管座及电阻基体等。它可以用于制造绝大部分的结构零件。
高介瓷与强介瓷
高介瓷的主要品种有金红石瓷、钛酸钙瓷、钛酸镁系瓷、钛酸锆系瓷和锆酸盐瓷；强介瓷主要是以钛酸钡为主晶相的钛酸钡系瓷。
金红石瓷又称二氧化钛瓷，其主晶相为金红石（TiO2），属四方（正方）晶系。这种瓷料的相对介电常数约为80～90，介电常数的温度系数αε为-（750～850）×10-6/℃，介质损耗小，适合于制造高频瓷介电容器。此外，这种瓷料的成型性能比其他高介电容器瓷好，因而也是制造大功率瓷介电容器的主要瓷料之一。钛酸钙瓷以钛酸钙（CaTiO3）为主晶相，属钙钛矿型结构。这种瓷料的相对介电常数高，约140～150，介质损耗小，约为（2～4）×10-4，它是一种常用的电容器陶瓷，可用于制造对容量稳定性要求不高的槽路电容器、高频旁路电容器和耦合电容器，还可作为各种电容器瓷料的温度系数调节剂。钛酸钙瓷的相对介电常数很高，但介电常数的温度系数却为很大的负值，可以制造出一种相对介电常数与钛酸钙相当，而温度系数却和金红石相当的钛酸钙一铋化合物一钛酸锶系瓷。
钛酸镁系瓷主要包括钛酸镁瓷、钛酸镁一钛酸钙系瓷、钛酸镁一钛酸镧一钛酸钙系瓷等。其中钛酸镁瓷主晶相为正钛酸镁（2MgO·TiO2）。相对介电常数约16～18，αε=（30±10）×10-6/℃，tanδ=（1～3）×10-4，很适于制造热稳定性高的瓷介电容器。钛酸锆系瓷的主晶相是钛酸锆（ZrTiO3），这类瓷具有良好的介电性能，介质损耗小，在高温下的介电性能及稳定性优于其他瓷介。锆酸盐瓷的主要优点是高温介电性能比含钛陶瓷高，含钛的金红石瓷、钛酸镁瓷等通常只能在85℃下工作。工作温度太高且在直流电场作用下，含钛陶瓷容易发生电化学老化，即绝缘电阻逐渐减小，介质损耗逐渐增大，以致最后不能使用。锆酸盐瓷大部分能工作在155℃甚至更高温度下，而很少发生电化学老化。在锆酸盐化合物中，适宜于制造高频电容器的材料只有锆酸钙和锆酸锶两种。
钛酸钡系瓷的相对介电常数很高（4 000～6 000），故又称强介瓷，这类瓷主要是铁电瓷。铁电瓷的特点是相对介电常数随外加电场强度的变化而改变，即具有非线性。根据非线性强弱。可分为强非线性瓷和弱非线性瓷。弱非线性瓷主要用作电容器介质，而制造电压敏感电容器时，则采用强非线性瓷。介电陶瓷主要用于制造体积很小、容量上限较大和用于低频电路的电容器。因此，对它的主要要求首先是相对介电常数大及其温度稳定性好，其次才是抗电强度高和介质损耗角正切值小等。而一般规律是相对介电常数越大的强介瓷，其非线性越强，相对介电常数随温度的变化率也越大。
陶瓷材料的微观结构
陶瓷材料是由氧化物或其他化合物制成坯体后，在接近熔融的温度下，经高温焙烧制得的材料。通常包括原料粉碎、浆料制备、坯件成型和高温烧结等重要过程。陶瓷是一个复杂的多晶多相系统，一般由结晶相、玻璃相、气相及相界交织而成，这些相的特征、组成、相对含量及其分布情况，决定着整个陶瓷的基本性质。陶瓷中的晶相通常指那些大小不同、形状不一、取向随机的晶粒，晶粒的直径通常为几微米至几十微米。晶相可以同属一种化合物或一种晶系，也可以是不同化合物或不同晶系。陶声中若存在两种以上组成和结构互不相同的晶粒时，则称其为多晶相陶瓷，其中相对含量最多产品相称为主晶相，其他的称为副品相。其中主晶相的性能基本上决定了材料的性能，如相对f电常数、电导率、损耗及热膨胀系数等。所以，要获得性能良好的陶瓷，就必须选择适当的：晶相。此外，还应考虑晶粒的大小、均匀程度、晶粒取向、晶界形成及杂质分布等情况。
晶粒间界是指两个晶粒之间的过渡区，在这个过渡区内，品格结构的完整性或化学成分与晶粒体内有显著的区别。在晶粒间界上通常聚集着大量的位错、热缺陷与杂质缺陷，因而对陶瓷材料的力学性能和电学性能有重大影响。气相一般分布于晶界、重结晶晶体内和玻璃相中，它是陶瓷组织结构中很难避免的一部分。其来源于烧成过程中各个晶粒之间不可能实现完全紧密的镶嵌，玻璃相也不可能完全填充各个晶粒的空隙；也可能是由于坯料烧结时释放出气体而形成的气孔。气相会严重地影响陶瓷材料的电学性能、力学性能和热学性能。一般希望陶瓷中气相的含量越少越好。
陶瓷的微观结构决定了材料的一系列力学性能和电学性能。一致的晶粒组成，微细晶粒的均匀分布及致密的烧结体，可使陶瓷的机械强度和介电性能达到预期的结果。
电容器瓷介的特点与分类
陶瓷电容器（如图所示）是在陶瓷基体两面形成金属层后焊接引线制成的，这些用作电容器的陶瓷材料被称为瓷介。
与其他电容器的介质材料相比，介电陶瓷有如下特点：
①、介电常数和介电常数的温度系数及其机械性能和热物理性能可调控，且介电常数也较大。
②、有些介电陶瓷（强介瓷，主要为铁电瓷）的介电常数能随电场强度发生变化，可以用它制造非线性电容器，有时称为压敏电容器。
③、原料丰富，成本低，易于大量生产。
除表面层型和晶界层型瓷介外，瓷介最大的缺点是难以做得很薄，故使电容器的容量受到要大限制。此外，瓷介常含有气隙，致使其抗电强度不高，一般不超过35kV/mm。
电容器瓷介有多种分类方法。按用途可分为：1类瓷，用于制造1类（高频）瓷介电容器；2类瓷，用于制造2类（铁电）瓷介电容器；3类瓷，用于制造3类（半导体）瓷介电容器。其中相对介电常数较大（ε=12～600）的1类瓷称为高介瓷；而把相对介电常数更高（ε=103～104）的2类瓷称为强介瓷；而相对介电常数较低（ε<10.5）的3类瓷称为低介瓷。高介瓷和低介瓷的tanδ很小，适合于制造高频电路中的电容器，故称之为高频瓷。由于强介瓷的tanδ大，只适合于制造低频电路中应用的电容器，因而又称之为低频瓷。工程上一般采用混合分类的方法，将电容器瓷分为高介瓷、强介瓷、独石瓷和半导体晶界瓷。下面主要介绍几种低介、高介瓷和强介瓷的性能特点。
低介瓷
滑石瓷是一种典型的低介瓷。滑石瓷是以天然滑石（3MgO·4SiO2·H2O）为主要原料制备而成的，故此取名滑石瓷。它的主晶相是原顽辉石，即偏硅酸镁（MgO-SiO2）。滑石瓷的配方中除主要成分滑石外，为改进工艺条件及改善瓷料的性能，还引进了一系列的添加物，如黏土、菱镁矿、碳酸钡等。滑石瓷是一种低介结构陶瓷，属于硅酸盐中的MgO—Al2O3一SiO2系统。滑石瓷的特点是介电常数很低，介质损耗很小，工艺性能好，便于制造形状复杂的零件。另外，它的矿源丰富，产品成本低，因此一直是应用最广的结构陶瓷之一。滑石瓷的介电常数虽然不高，但它具有高的绝缘强度，而且高频下的介质损耗角正切值很低，其tanδ值可低达（3.5～4）×10-4，因而可用来制造各种小容量的高压电容器、高压大功率瓷介电容器。滑石瓷还具有较高的静态抗弯强度、较小的线膨胀系数和较好的化学稳定性。滑石瓷还可用于各种类型的绝缘子、线圈骨架、高频瓷轴、波段开关、电子管座及电阻基体等。它可以用于制造绝大部分的结构零件。
高介瓷与强介瓷
高介瓷的主要品种有金红石瓷、钛酸钙瓷、钛酸镁系瓷、钛酸锆系瓷和锆酸盐瓷；强介瓷主要是以钛酸钡为主晶相的钛酸钡系瓷。
金红石瓷又称二氧化钛瓷，其主晶相为金红石（TiO2），属四方（正方）晶系。这种瓷料的相对介电常数约为80～90，介电常数的温度系数αε为-（750～850）×10-6/℃，介质损耗小，适合于制造高频瓷介电容器。此外，这种瓷料的成型性能比其他高介电容器瓷好，因而也是制造大功率瓷介电容器的主要瓷料之一。钛酸钙瓷以钛酸钙（CaTiO3）为主晶相，属钙钛矿型结构。这种瓷料的相对介电常数高，约140～150，介质损耗小，约为（2～4）×10-4，它是一种常用的电容器陶瓷，可用于制造对容量稳定性要求不高的槽路电容器、高频旁路电容器和耦合电容器，还可作为各种电容器瓷料的温度系数调节剂。钛酸钙瓷的相对介电常数很高，但介电常数的温度系数却为很大的负值，可以制造出一种相对介电常数与钛酸钙相当，而温度系数却和金红石相当的钛酸钙一铋化合物一钛酸锶系瓷。
钛酸镁系瓷主要包括钛酸镁瓷、钛酸镁一钛酸钙系瓷、钛酸镁一钛酸镧一钛酸钙系瓷等。其中钛酸镁瓷主晶相为正钛酸镁（2MgO·TiO2）。相对介电常数约16～18，αε=（30±10）×10-6/℃，tanδ=（1～3）×10-4，很适于制造热稳定性高的瓷介电容器。钛酸锆系瓷的主晶相是钛酸锆（ZrTiO3），这类瓷具有良好的介电性能，介质损耗小，在高温下的介电性能及稳定性优于其他瓷介。锆酸盐瓷的主要优点是高温介电性能比含钛陶瓷高，含钛的金红石瓷、钛酸镁瓷等通常只能在85℃下工作。工作温度太高且在直流电场作用下，含钛陶瓷容易发生电化学老化，即绝缘电阻逐渐减小，介质损耗逐渐增大，以致最后不能使用。锆酸盐瓷大部分能工作在155℃甚至更高温度下，而很少发生电化学老化。在锆酸盐化合物中，适宜于制造高频电容器的材料只有锆酸钙和锆酸锶两种。
钛酸钡系瓷的相对介电常数很高（4 000～6 000），故又称强介瓷，这类瓷主要是铁电瓷。铁电瓷的特点是相对介电常数随外加电场强度的变化而改变，即具有非线性。根据非线性强弱。可分为强非线性瓷和弱非线性瓷。弱非线性瓷主要用作电容器介质，而制造电压敏感电容器时，则采用强非线性瓷。介电陶瓷主要用于制造体积很小、容量上限较大和用于低频电路的电容器。因此，对它的主要要求首先是相对介电常数大及其温度稳定性好，其次才是抗电强度高和介质损耗角正切值小等。而一般规律是相对介电常数越大的强介瓷，其非线性越强，相对介电常数随温度的变化率也越大。
