电解质材料61电容介质.ppt

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1、,第六章 电解质材料,6.1 电容电介质材料6.2 铁电材料6.3 热释电材料6.4 微波介质材料,6.1 电容电解质材料,电容器:存储电荷的元件。它是一种由两片相距很近的金属板（金属薄膜）中间夹层绝缘物质（又称电介质材料）构成的。纸、陶瓷及塑料等都可以作为电容器的电解质。,一、电介质的极化,6.1.1 电介质材料的基本概念,1 电介质,绝缘体：是指能够承受较强电场的材料。电介质：具有绝缘特性，主要是指在较弱电场具 有极化能力的材料。,电介质：简单的认为就是绝缘体不准确,极化电荷：将电介质放入电场，电介质表面感应出电荷，称为感应电荷或极化电荷。,电介质的极化：在外电场中，电介质表面出现极化电荷

2、的现象,2 极化现象,极化电荷不能离开电介质到极板上，也不能在电介质内部自由移动，它不象金属中的自由电荷能用传导方法将其引走。,无外电场时，分子正负中心重合，不显电性。有外电场时，正电中心和负电中心的移动，分子呈现极性。,无外电场,有外电场,材料内部,3 极化的微观机制,二、电容,电容：电容器存储电荷的能力称为电容量，简称为电容。,电容用C表示,单位：法拉（F）1F=1C/V：“C=1F”,其它单位：1F=106F=1012pF,1 平行板电容器：,C:平行板电容器的电容量大小除与 极板面积与极板相距有关外，还和 两极板间的绝缘电解质有关r：电介质的相对介电常数，与材质有关,圆片状,2 圆柱形

3、电容器（同轴电缆）：,两个长为 的圆柱体其间距离,两圆柱面间隙为：,S:内柱面面积,3 电容器的串联和并联,并联电容器的电容：,令,串联电容器的电容：,电容器的并联,电容器的串联,多层陶瓷电容器（MLCC）并联,多层电容器C=单层电容(C)曾数（n）,3 电容器应用,1 电容器用于存储电量以便高速释放。一定的时间内充电，快速放电，能量密度高。应用于除颤器、高能量闪光灯、激光器、X射线设备超声波焊接设备、超声波清洗设备。,利用电火花加工工件 如图，用高压对电容C充电，当电压高至能使绝缘油击穿时，就会产生火花放电,经过多次放电过程，工件上正对电极处的金属就会被高温融化，而慢慢出现与电极形状相同的几

4、何图形.。,2 电容器可以阻隔直流。如果将电容器通直流时，则在电容器充电完成后，电池的两极之间将不再有电流通过。然而，任何交流电流(AC)信号都可以畅通无阻地流过电容器。其原因是随着交流电流的波动，电容器不断地充放电，就好像交流电流在流动一样。,3 滤波。滤波电容的作用简单讲是使滤波后输出的电压为稳定的直流电压。,电容器：以储存电荷和提供电容量为主要特征的元件其基本结构是两电极间夹一层电解质，外加一个 保护性的封装。,纸质电容器,陶瓷电容器,电解电容器,6.1.2 纸电解质材料,纸电解质材料：一般是用两条铝箔作为电极，中间以厚度为0.0080.012mm的电容器纸隔开重叠卷绕而成。,电容器纸：

5、植物纤维素分子链上含有不对称的（OH）基，本身具有较强的极性,特点：体积较小，容量可以做得较大。但是固有电感和损耗比较大，适用于低频电路。,电解电容器：以铝、钽、铌、钛金属作为阳极；通过电化学阳极氧化法生成一薄层金属 氧化物作为电介质材料；多孔电解纸所吸附的工作电解液作为阴极,6.1.3 电解电容器,电解电容器中按阳极材料的不同可分为：铝电解电容器、钽电解电容器、铌电解电容器等根据电解质的不同，电解电容器可分为：液体电解电容器、固体电解电容器,1 铝电解电容器构造：芯子：阳极铝箔、电介质、电解纸、阴极铝箔卷绕而成将芯子用铝壳和胶盖把它密闭起来即构成一个电解电容器,铝电解电容器：（50）,工作阳

6、极：正极铝箔电介质：在铝箔表面通过电解质电化学反应在阳极金属表面氧化生成一层Al2O3膜。利用这层Al2O3 膜的介电性能可以实现存储电荷的功能的。此氧化物介质层依存于电容器的阳极，不能独立存在。,阴极箔：为了使铝电解电容器的负极与外电路 相连，使用与电解质相接触的阴极箔将工作 阴极引出。工作阴极：并非阴极箔，而是电解质。浸有电解液的电解纸：起着储存电解液和防止 正箔和负箔物理接触的作用。,电解液组成：溶质：主要用的是硼酸、硼酸盐、羧酸盐及少量的其他无机盐和去极化消氢剂、缓蚀剂、水解抑制剂等。溶剂：二甲基甲酰胺、Y一丁内酯、乙 二醇、丙二醇、水等。,电介质Al2O3的生成过程（电解液的电化学反

7、应）,2 铝电解电容器的工作原理,工作原理：,电解电容器正负极不能接错,当电容器被充电时如果负阴极铝箔接正，电解质电离后，氢离子聚集在正极箔氧化膜表面，氢离子扩散通过氧化膜(多孔膜)到达阳极铝箔和电介质界面处，就在氧化膜、金属铝界面上放电转化为氢气（得到电子，相当于空穴向阳极移动），氢气泡靠膨胀力从氧化膜表面剥离穿过电解质后，电流就流过了。,如果阴极铝箔接负电解质中阴离子聚集在氧化膜的表面时，由于阴离子具有大的体积，不能通过膜放电，膜就保持了电压。,R1：电极和引出端子的电阻R2：阳极氧化膜和电解质的电阻R3：损坏的阳极氧化膜的绝缘电阻D1：具有单向导电性的阳极氧化膜C1：阳极箔的容量C2：阴

8、极箔的容量 L：电极及引线端子等所引起的等效电感量,铝电解电容器等效电路,(1)电解电容器的两个导电极板有正负极之分;(2)电解电容器的介质是利用电化学方法、在腐蚀过的阳极铝箔表面上生成约0.01-1m的铝氧化膜作为电容器的电介质。它与铝阳极结合为一整体;(3)电解电容器的阴极是电解质;(4)电容器中的电解纸是起吸附工作电解液和衬垫隔离作用。,铝电解电容器和其类型电容器相比不同之处：,3 铝电解电容器的制造工艺,开片根据电容器规格将阳极箔、阴极箔、电解电容器纸按工艺规定的尺行裁切。刺铆在裁切好的阳极箔阴极箔上分别铆接上正极引出线、负极引出线。卷绕在铆好的阳极箔阴极箔中间隔入电解电容器纸卷绕成芯

9、包。浸渍将芯包浸在工作电解液液体电解质中让电解电容器纸浸满工作液。装配将浸渍好的芯包密封在铝壳中防止因工作电解液挥发渗漏芯包保证铝电解电容器的寿命。,套套管装配后在电容器的铝外壳上套上具有一定绝缘性能的热收缩膜管上标注该电容器的型号规格。老练组装后按极性加上规定的直流电压，通过芯包内工作电解液的电化学对在制造过程中受到损伤的氧化膜介质加以修复，使恢复其固有的良好电性能称为老练。分选对老练后的产品必须进行电性能测试主要测量漏电流。选出漏电流大的产品返回老练工序重新老练老练后再次进行电性能测试。,铝电解电容器使用时注意事项 1普通的铝电解电容器是有极性的 在使用时先确认极性标志，引线短的为负极，引

10、线长的为正极。如果反接加上电压则电路呈短路状态，并损坏电容器。2普通型的铝电解电容器不适用于频繁地充放电 如果在电路中频繁地充放电，引起电容器发热，漏电流增加，容量减少，同样会损坏电容器。,陶瓷电容器：用陶瓷做介质。在陶瓷基体两面喷 涂银层，然后烧成银质薄膜作极板制成。根据实用中介电陶瓷的特性，将其分为：型 高频介电瓷 型 高介电系数瓷 型 半导体介电瓷,6.1.4 陶瓷电容器,型（低频）,型（高频）,型,超高半导体陶瓷,高，较大的tg强介陶瓷或称铁电陶瓷,型高频介电瓷,型陶瓷材料：介电常数温度系数极低，介电损耗不受电压、频率、温度和时间的影响。非常适用于高频（特别是工业高频感应加热的高频功率

11、振荡、高频无线发射等应用的高频功率电容器）。,型陶瓷介质电容器温度特性,高介高频电容器瓷的分类,1 按主晶相分,温度系数：,2 按介电常数温度系数不同,：可以为正、负、零，取决于：随着温度变化质点的极化程度；不同温度下单位体积的质点数。,TiO2、CaTiO3 CaSnO3、CaZrO3 BaO4TiO2,不同的材料，三个方面的侧重不同,在生产实践中，可用用具有不同i、i材料通过改变浓度比来获得满足各种温度系数要求的材料。,对于n相系统：,由0+0的瓷料获得0的瓷料。,热补偿高频瓷：这类陶瓷具有不同的温度系数，以 保持回路谐振频率的稳定性。热稳定高频瓷：这类陶瓷的温度系数很低，甚至为零。,高介

12、高频瓷主要应用于:,热补偿电容器瓷,温度系数具有很大的负值，用来补偿振荡回路中电感的正温度系数，以使回路的谐振频率保持稳定。,1、金红石瓷(TiO2)：8090，：-750-85010-6/2、钛酸钙瓷(CaTiO3)：150160：-1500-160010-6/(-60120),钛酸钙瓷与金红石瓷性能比较,钛酸钙瓷:工作温度高，适合制造小型、大容量、对电容量稳定性要求不高的耦合旁路、隔直流等场合或者电容器温度系数的调节剂。,金红石瓷：由于-tg与温度、频率有关，适宜于工作在低温高频下（85），通常作热补偿电容器 作为 的负值调节剂。,用 途,热稳定电容器瓷,所谓高频热稳定性电容器瓷，就是指a

13、很小或接近于零。包括钛酸镁瓷，锡酸钙瓷等。1、钛酸镁瓷 2、锡酸钙瓷,Mg2TiO4（正钛酸镁）与CaSnO3性能比较,钛酸镁瓷的基本晶相：正钛酸镁Mg2TiO4 和金红石TiO2若要得到a0的瓷料，且较小，则加入CaO或CaCO3。,即：MgTiO3-CaTiO3固溶体陶瓷。,型陶瓷电容器以高介电常数为主要特征，其材料主体是具有钙钛矿型结构的铁电强介质瓷。铁电强介质陶瓷的高介电常数来源与材料中存在的自发极化。,高介陶瓷,高介陶瓷的性能要求,介电常数：要求：在工作温区的尽可能高随温度的变化率（/25）要小随电场强度的变化率也要尽可能小,航空,石油钻探,军事,高介高稳定,介电损耗tg：由于电容器

14、主要用于低频电路中，因而tg不是很严格，只要tg3即可。绝缘电阻v:Tv 特别是工作在高温（85），高湿，长期在直流电场下（1000小时），造成v，故要求室温v1012.cm,由于介电常数受温度影响很大，电容器容量温度特性通常用在规定温度范围内；用这种材料制作的电容器在频率超过一定范围时衰减幅度很大，因而主要应用于低频电路或对容量要求不大苛刻的中高频电路。,半导体陶瓷电容器是一种利用特殊的显微结构来获取巨大的宏观效益的高性能陶瓷电容器。用于制作这类电容器的主要材料有BaTiO3和SrTiO3。纯BaTiO3陶瓷的禁带宽度约3ev，因而室温电阻率很高然而在特殊情况下，BaTiO3瓷可形成n型半导

15、体，使BaTiO3成为半导体陶瓷的方法及过程，称为BaTiO3瓷的半导化。,半导体介电陶瓷电容器,原子价控法（施主掺杂法）强制还原法AST法,1.BaTiO3瓷的半导化机理,原子价控法（施主掺杂法）在高纯（999）BaTiO3中掺入微量的离子半径与Ba2+相近，电价比Ba2+离子高的离子（如La3+、Sm3+、Ce3+、Gd3+、Bi3+、Sb3+、Y3+、Dy3+）或离子半径与Ti4+相近而电价比Ti4+高的离子，如Nb5+、Ta5+、Sb5+等，它们将取代Ba2+或Ti4+位形成置换固溶体，在室温下，上述离子电离而成为施主，向BaTiO3提供导带电子（使部分Ti4+eTi3+）,从而V下降

16、（102.CM），成为半导瓷。,强制还原法,BaTiO3在还原气氛中（H2、CO）烧结或热处理，从而半导化。,AST（Al2O3（SiO2）,对于工业原料，含杂质较高，特别是Fe3+、Mn3+、Cu+、Cr3+等离子，他们往往在烧结过程中取代BaTiO3中Ti4+离子而成为受主，妨碍BaTiO3的半导化。,通过加入Al2O3（SiO2）可以促进BaTiO3半导化,SiO2与杂质形成玻璃相，不令其游离存在Al2O3Al3+置换Ba2+，进行施主掺杂,1.半导体陶瓷电容器的分类及其性能半导体陶瓷电容器按其结构、工艺可分为三类：表面阻挡层型，表面氧化型，晶界层型。它们的构造及主要性能列于下表：,2

17、半导体陶瓷电容器,（1）表面阻挡层电容器 在高纯度的BaTiO3中添加微量稀土元素氧化的后，获得n型BaTiO3半导体陶瓷，使p型半导体与这陶瓷表面接触，形成p-n结，利用p-n结的阻挡层电容的电容器称为表面阻挡层电容器。,N型BaTiO3半导体陶瓷,（2）表面氧化型电容器 将大气中烧成的电介质陶瓷量于H2、CO还原气氛中处理，使其还原成半导体(半导体化)。然后再放在大气中，使仅1015m厚的表面层重新氧化成绝缘体(绝缘体化)，这部分为电介质层，这种类型的陶瓷电容器称为表面氧化型半导体电容器。,表面氧化型电容器基本结构,（3）晶界型电容器 首先使BaTiO3陶瓷半导化，然后在半导体表面涂高温下可形成玻璃相的氧化物（Bi2O3、CuO），烧结过程中 液相向境界扩散，从而在晶粒表面形成电介质层，这种类型的陶瓷电容器称为晶界型电容器。,晶界层型半导体电容器：晶粒内部为半导体，晶界处分布着绝缘性很高的介质层。整体上相当于许多个电容器的串连和并联，最终表现出很高的显介电常数,2 半导体陶瓷电容器,