第2章__无机介电材料与应用.ppt

第二章 无机介电材料-电介质陶瓷,第一节 低介装置瓷,一、 概 述 二、 滑石瓷 三、 氧化铝瓷,电介质陶瓷简介,,从电性能角度分（电阻率）：固体材料可分为超导体、导体、半导体和绝缘体（自查资料作业：各自的电阻率界限是多少？各写出三个物质名称）绝缘体材料亦称电介质电介质陶瓷即是电阻率大于108Ωm的陶瓷材料，能承受较强的电场而不被击穿一、概述,,1.定义从应用角度说，也叫电绝缘瓷，是指其具有较低的介电常数，从而产生较小的介电损耗的陶瓷 2.低介装置瓷的性能（1）高体积电阻率（2）低介电常数（3）低介电损耗（4）具有一定的机械强度,第 一 节低 介 装 置 瓷,,第 一 节低 介 装 置 瓷,3. 陶瓷组成对电性能的影响,陶瓷材料是晶相、玻璃相和气相组成的多元系统，其电学性能主要取决于晶相和玻璃相陶瓷的介电损耗和电绝缘性主要受玻璃相影响正常温度烧结的Al2O3陶瓷断口形貌,第 一 节低 介 装 置 瓷,4.陶瓷材料的导电机制,电导率：,（1）（电导活化能B）本征离子导电>杂质离子导电>玻璃离子导电 （2）从离子的半径及电价来看，低价小体积的碱金属阳离子的电导活化能小，而高价大体积的金属阳离子的电导活化能大。

属离子导电，离子导电包括本征离子导电，杂质离子导电和玻璃离子导电第 一 节低 介 装 置 瓷,（1）选择体积电阻率高的晶体材料为主晶相 （2）严格控制配方，避免杂质离子，尤其是碱金属和碱土金属离子的引入，在必须引入金属离子时，充分利用中和效应和压抑效应，以降低材料中玻璃相的电导率 （3）由于玻璃的导电活化能小，因此应尽量控制玻璃相的数量，甚至达到无玻璃相烧结 （4）避免引入变价金属离子，如钛、铁、钴等离子，以免产生自由电子和空穴，引起电子式导电，使电性能恶化 （5）严格控制温度和气氛，以免产生氧化还原反应而出现自由电子和空穴 （6）当材料中引进产生自由电子（或空穴）的离子时，可引进另一种产生空穴（或自由电子）的不等价杂质离子，以消除自由电子和空穴，提高体积电阻率这种方法称作杂质补偿5.高体积电阻率材料的工艺控制,,绝缘材料的体积电阻率ρν是指试样体积电流方向的直流电场强度与该处电流密度之比值ρν＝EV/jv(Ωcm),式中，EV为直流电场强度，jv为电流密度95％氧化铝陶瓷是一种优良的电子绝缘材料，体积电阻率很高，国家标准GB/T5593－1999中规定，100℃时，ρν≥1×1013Ωcm；300℃时，ρν≥1×1010Ωcm；500℃时，ρν≥1×108Ωcm。

实际上，目前我国生产的95瓷的体积电阻率比上述规定要高1－2个数量级测试体积电阻的仪器通常采用高阻计,第 一 节低 介 装 置 瓷,6.低介电损耗材料的工艺控制,,（1）选择合适的主晶相根据要求尽量选择结构紧密的晶体作为主晶相 （2）在改善主晶相性质时，尽量避免产生缺位固溶体或填隙固溶体，最好形成连续固溶体这样使填隙离子少，可避免损耗显著增大 （3） 尽量减少玻璃相含量如果为了改善工艺性能引入较多玻璃相时，应采用中和效应和压抑效应，以降低玻璃相的损耗 （4）防止产生多晶转换，因为多晶转变时晶格缺陷多，电性能下降，损耗增加如滑石转变为原顽辉石时析出游离石英 （5）注意烧结气氛，尤其对含有变价离子的陶瓷的烧结 （6）控制好最终烧结温度，使产品“正烧”，防止“生烧’和”过烧”，以减少气孔率，避免气体电离损耗国标规定测试频率为1MHz时，95％氧化铝陶瓷的介电常数9－10之间介质损耗的大小用介质损耗角的正切值来表示国家标准GB/T5593－1999规定，频率为1MHz时，95%氧化铝陶瓷要求达到4×10-4第 一 节低 介 装 置 瓷,7.低介装置瓷的应用及未来,,,,,第 一 节低 介 装 置 瓷,7.低介装置瓷的应用及未来,,,,二、滑石瓷（Steatite Ceramics ）,,1.简介镁质瓷是以含MgO的铝硅酸盐为主晶相的陶瓷。

按照瓷坯的主晶相不同，它可分为以下四类：原顽辉石瓷（即滑石瓷）、镁橄榄石瓷、尖晶石瓷及堇青石瓷；它们都属于MgO－Al2O3－SiO2三元系统第 一 节低 介 装 置 瓷,二、滑石瓷（steatite ceramics ）,,第 一 节低 介 装 置 瓷,图2-1 MgO－Al2O3－SiO2系化合物和陶瓷的成分 、熔点分解熔融温度,,第 一 节低 介 装 置 瓷,（1）组成：滑石瓷的主晶相为原顽辉石，其微细均匀地分散在玻璃相中，由于玻璃相的包围，阻止了微细的原顽辉石向斜顽辉石的转变在滑石瓷的玻璃相中很少有介质损耗大的碱金属离子，并利用压抑效应引入Ba2+、Ca2+等离子，减少电导和损耗 （2）性能：强度高，介电损耗小，热稳定性差是重要的高频装置瓷之一，其机电性能介于氧化铝瓷与普通瓷器之间 （3）结构：滑石为层状结构，滑石粉为片状，有滑腻感，易挤压成型，烧结后尺寸精度较高，制品易进行研磨加工，价格低廉2.滑石瓷特性,3.滑石瓷化学组成及配方,,第 一 节低 介 装 置 瓷,表1 滑石瓷的化学组成,第 一 节低 介 装 置 瓷,,4.滑石瓷中外加原料的作用,,第 一 节低 介 装 置 瓷,①改善滑石瓷的电性能；加入少量CaCO3、SrCO3及BaCO3均能改善滑石瓷的电性能，其中BaO的效果最显著它能提高瓷件的体积电阻率两个数量级，使tgδ降低4／5～9／10。

SrO次之，CaO最差1）粘土,（2）碱土金属氧化物,增加可塑性及降低烧结温度，不易过多，一般为5~10%第 一 节低 介 装 置 瓷,②降低烧结温度；由于碱土金属氧化物与滑石、粘土及其它杂质生成低共融物，因此能降低烧结温度，但含量高时又会缩小烧结范围，其中CaO最严重，SrO及BaO稍好CaO还会导致晶粒粗大，促使瓷坯老化因此在配方中CaO的含量要少此外，BaCO3还能防止瓷件的老化但加入量以5～10％为宜，超过10％会降低玻璃粘度，缩小烧结范围③ MgO的加入可去除游离的石英，降低介电损耗，提高电性能； MgO可进入玻璃相，降低烧结温度，适量MgO可以扩大烧结范围； MgO的加入量小于 8％，超过10％时，就可能生成镁橄榄石（2MgO·SiO2）不仅提高了烧结温度，还增加了线膨胀系数，降低了热稳定性MgO的引入形式一般为未经预烧的 MgC O3及菱镁矿第 一 节低 介 装 置 瓷,①Al2O3与游离石英化合生成性能优良的硅线石（Al2O3·SiO2）；② Al2O3还能与SiO2一同转入玻璃相中，除去SiO2而不降低烧结温度，可防止瓷坯老化，改善并稳定瓷的介电性能；③Al2O3会显著降低滑石瓷的抗折强度。

Al2O3的一般用量为1～3％加入量过多，会生成介电性能很差的堇青石此外，当以工业氧化铝形式引入时，要注意混合均匀3）氧化铝,第 一 节低 介 装 置 瓷,硼酸盐是强的助熔剂，能大幅度降低烧结温度，但降低玻璃粘度亦大4）硼酸盐,如:在配方中加入2％的焦硼酸钡（BaO·2B2O3），烧成范围只有10~15℃第 一 节低 介 装 置 瓷,扩大材料的烧结范围和提高材料的机械强度原因：提高玻璃相的粘度，扩大烧结范围高粘度的玻璃相，能抑制品粒长大，形成细晶结构，从而提高了机械强度用量：一般不超过4％如果量过多，将会出现第二晶相，增加了结构的不均匀性，降低瓷坯的质量5）氧化锆和氧化锌,第 一 节低 介 装 置 瓷,扩大烧结范围用量：配方中加入6～7％的长石，烧结范围可以扩大到60℃左右影响：长石中含有碱金属氧化物，大大降低了瓷坯的电性能和机械强度，故应严加控制只在制造对电气性能要求不太高的大型、复杂瓷件时使用原因：因为大型瓷件在燃烧时，容易出现局部温差，加入长石可扩大烧结范围，降低废品率6）长石,第 一 节低 介 装 置 瓷,5.滑石瓷生产中的关键问题及工艺,,（1）滑石的预烧,① 目的：a.破坏它的层状结构，使之转变为链状的顽火辉石结构，避免滑石薄片在成型过程中出现定向排列，造成瓷坯由于滑石薄片各向异性引起内应力，从而导致瓷件强度降低和开裂。

b.预烧后由于脱水及晶型转变，降低瓷件的收缩率C.增加滑石的脆性，便于粉磨第 一 节低 介 装 置 瓷,5.滑石瓷生产中的关键问题及工艺,,②降低预烧温度的方法,加入硼酸、碳酸钡或高岭土等矿化剂 如：加入5%的苏州土，滑石的预烧温度可降低约40～50℃当滑石中含Fe2O3杂质时，最好采用还原气氛预烧，以除去三价铁离子对瓷件性能的不利影响预烧滑石增加了硬度，降低了可塑性，对成型造成困难，模具的损耗加快，因此在配方中生滑石搭配使用，以提高塑性和增加模具润滑为什么配方中生滑石和烧滑石配合使用？,第 一 节低 介 装 置 瓷,5.滑石瓷生产中的关键问题及工艺,,（2）滑石瓷的老化及防止老化的措施,①滑石瓷的老化滑石瓷的老化是指制品在贮存、运输、加工或使用过程中自动产生裂缝、空隙及松散成粉的现象有时甚至在制品烧成以后，表面就出现白粉斑点，它逐渐扩大，导致整个坯体松散成粉②老化的原因滑石瓷的老化即由于原顽辉石在冷却、放置及使用过程中，晶型向顽火辉石或斜顽辉石转化引起较大的体积变化而造成的第 一 节低 介 装 置 瓷,③解决滑石瓷老化的措施a.将原料磨到足够的细度，加入适当的晶粒抑制剂，减少Ca O的含量，防止晶粒长大。

正常的滑石瓷晶粒大小应控制在7μm以下一般生产中规定球磨后的细度为万孔筛余＜0.1％ b.加入适量外加剂，以形成足够的玻璃相并包裹细晶的原顽辉石，防止它的晶型转化实践证明，钡玻璃抗老化效果较显著c.加入能与MgSiO3生成固溶体的物质，例如加入少量MnO或MnSiO3，与其生成固溶体，必然会影响其晶型转化，减低老化现象d．控制SiO2含量当SiO2过少时，形成的玻璃相不足，过多则游离出方石英，其多晶转化能诱发原顽辉石的多晶转化e.控制冷却制度，在900℃以上进行快冷，以便生成细晶结构，防止老化第 一 节低 介 装 置 瓷,5.滑石瓷生产中的关键问题及工艺,,,,细度对滑石瓷电性能的影响 （a）细度对tgδ的影响；(b)细度对ε的影响 1—1300℃; 2—1230℃；3—1260℃,第 一 节低 介 装 置 瓷,5.滑石瓷生产中的关键问题及工艺,,,,,（3）滑石瓷的烧结,滑石瓷烧结的关键是扩大烧结范围和严格控制窑炉温度制度①严格控制烧结温度 ②改善配方注意：控制止火温度在玻化温度下限，保温时间1小时以内， 在冷却阶段，温度在700～550℃之间．要控制冷却速度（＜30～45℃/h）．以免造成玻璃相中残余应力，以及晶形未充分转化而造成开裂、老化等弊病。

如何解决滑石瓷烧结温度范围窄的问题？,如：加入2～3％ZnO，能显著提高液相粘度，并把烧结范围扩大到35℃左右；加入5～10％BaCO3，能使液相出现温度降低到1230℃长石对扩大烧结范围的效果很好，但要避免引入碱金属离子三、氧化铝瓷（steatite ceramics ）,,纯氧化铝陶瓷的晶相是刚玉（corundum）; 烧结温度很高:1800℃左右; 日常生产产品:BaO－Al2O3－SiO2系统的陶瓷．,第 一 节低 介 装 置 瓷,根据其组成不同，可生产出性能优良的莫来石(mullite)瓷 ,刚玉－莫来石瓷和钡长石瓷 1.简介,三、氧化铝瓷（steatite ceramics ）,,第 一 节低 介 装 置 瓷,,BaO－Al2O3－SiO2三元系统相图,三、氧化铝瓷（steatite ceramics ）,,第 一 节低 介 装 置 瓷,BaO-Al2O3-SiO2系主要晶相性能,三、氧化铝瓷（steatite ceramics ）,,第 一 节低 介 装 置 瓷,2. 莫来石瓷的特性,1)主晶相是莫来石，莫来石为针状结构，可使晶粒之间相互交叉．减少了滑移，在高温荷重下的，变形小 。

2) 莫来石比氧化铝的耐热性差，但热膨胀胀系数小，抗热冲击性好。