儲(chǔ)能密度陶瓷電容器電氣性能的研究_圖文

1、華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文高儲(chǔ)能密度陶瓷電容器電氣性能的研究姓名:朱志芳申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別:碩士專(zhuān)業(yè):高電壓與絕緣技術(shù)指導(dǎo)教師:林福昌20050422摘要脈沖功率技術(shù)在國(guó)防 脈沖功率技術(shù)的發(fā)展要求作為脈沖功率系統(tǒng)關(guān)鍵元件之一的脈沖儲(chǔ)能元件具備盡可能高的儲(chǔ)能密度使用壽命長(zhǎng)的要求 重點(diǎn)研究了陶瓷電介質(zhì)的電氣特性 國(guó)內(nèi)外多層陶瓷電容器從影響電容器儲(chǔ)能密度的因素出發(fā) 接著闡述了BaTiO3基陶瓷的一般結(jié)構(gòu)分析了BaTiO3基陶瓷的擊穿特性然后介紹了陶瓷電介質(zhì)內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu) 對(duì)高儲(chǔ)能密度陶瓷電容器樣品進(jìn)行了電氣性能和可靠性試驗(yàn)研究為此得出了陶瓷電容器的基本電氣性能得出了高儲(chǔ)能密度MLC工作電壓與對(duì)應(yīng)壽命的變化關(guān)

2、系得到了一種鑒別陶瓷電容器可靠性的快速判別依據(jù)并對(duì)下一步的研究工作提出了展望 儲(chǔ)能元件高儲(chǔ)能密度多層陶瓷電容器鈦酸鋇電氣性能無(wú)損檢測(cè)直流耐壓重復(fù)充放電AbstractPulsed power technology has been widely used in the fields of national defense, biomedicine, scientific experiments and environmental protection etc. As one of the key components, high energy density components with s

3、low aging, steady electrical performance as well as long lifetime is greatly expected to meet the fast development of the pulsed power technology.This thesis is devoted to the object on ceramic capacitors and their electrical performance such as ceramic dielectric, lifetime and reliability.First of

4、all, the pulsed power technology and energy storage components are represented in chapter 1. Mean while, the development status of multi-layer ceramic capacitorrelationship between the operating voltage and the lifetime were obtained. A quick method to assess the reliability of ceramic capacitors we

5、re also got through the combination of supersonic wave aided nondestructive test and destructive test.Finally, the whole researches are summarized, and the following work is prospected.Keywords: Energy storage components High energy densityMulti-layer ceramic capacitor Barium titanateElectrical perf

6、ormance Nondestructive testDC voltage withstand Repeated charge-discharge1 緒論本章主要介紹了脈沖功率技術(shù)的應(yīng)用 闡明了本課題來(lái)源1.1 脈沖功率技術(shù)與儲(chǔ)能元件脈沖功率技術(shù)是電工學(xué)科領(lǐng)域中新興的一門(mén)技術(shù)進(jìn)行快速壓縮隨著核物理激光科學(xué)試驗(yàn)脈沖功率技術(shù)與高電壓新技術(shù)逐漸成為當(dāng)前學(xué)科覆蓋率和高技術(shù)集成度很高的新興學(xué)科 尤其是發(fā)達(dá)國(guó)家在國(guó)防和空間計(jì)劃上的需要脈沖功率技術(shù)是許多新概念武器的基礎(chǔ)技術(shù) 脈沖功率技術(shù)都有著極為廣泛的應(yīng)用 俄等近年來(lái)都對(duì)脈沖功率技術(shù)展開(kāi)了深入研究Maxwell實(shí)驗(yàn)室名古屋大學(xué)等等在高新科技和民用方面微波

7、環(huán)保等領(lǐng)域的應(yīng)用5 ΪÂö³å¹¦ÂÊ×°ÖõĸºÔØÌṩµç´ÅÄÜÁ¿ ¹¦Âʵ÷Õûϵͳ ¿ª¹Ø

8、ºÍ¸ºÔصȼ¸²¿·Ö 圖1-1 脈沖功率系統(tǒng)組成示意框圖初始能源的種類(lèi)繁多電能由表1-1可見(jiàn)電容器單位重量或體積儲(chǔ)存的能量比其它儲(chǔ)能裝置要小利用效率高 組合靈活方便等優(yōu)點(diǎn)表1-1 不同儲(chǔ)能裝置參數(shù)比較6 J重量?jī)?chǔ)能密度J/cm 3 電場(chǎng)脈沖電容器 2.5×107(108 10101013(10140.1 10.5 (23 1419 (25 常規(guī)電感器108(1010 109(1012 25(305055 (1050 814 (2022 磁

9、場(chǎng)超導(dǎo)電感器 8×108 (10111014(1011 36 4090 (100 (26 沖擊 - 5×109(1010 081.5 (10 1040 51.5 (11 同步 發(fā)電 機(jī)暫態(tài)109 (10111014108109 (1010 1.5 (5 - 1319 (2026 機(jī) 械 能脈沖單級(jí) 發(fā)電機(jī) - 108109 (1010 315 2080 416 (2425 蓄電池組(510×108 (5×1011107901000 (104 (518×102 (5×10314 (23 磁通壓縮 發(fā)生器 - 5×1011 (1

10、013 - - 820 (30 化 學(xué) 能磁流體發(fā)電機(jī) - 107108 (1013 3100 - 212 (1020 裂變磁流體 發(fā)電機(jī) 10111091012 (1014 1010 1010 - 核能聚變磁體 發(fā)電機(jī)1013(1013101410121012(40當(dāng)前是極為重要的部件前者存在儲(chǔ)能密度低 后者存在放電電流小大輸出電流和很長(zhǎng)的充放電壽命等特殊性能的要求以此來(lái)探討應(yīng)用陶瓷電容器儲(chǔ)能的可能性根據(jù)電容器陶瓷介質(zhì)的溫度特性的不同 Z5U NPO等多種形式 類(lèi)陶瓷介質(zhì)主要用于制造高頻電路中使用的陶瓷介質(zhì)電容器介質(zhì)損耗小類(lèi)陶瓷介質(zhì)主要用于制造低頻電路中使用的陶瓷介質(zhì)電容器30000類(lèi)陶瓷介

11、質(zhì)大很多 經(jīng)極化處理具有壓電性能類(lèi)陶瓷介質(zhì)也稱(chēng)為半導(dǎo)體陶瓷介質(zhì)利用該陶瓷的表面與金屬電極間的接觸壘層或晶粒間的絕緣層作為介質(zhì)100000以上1.2.2 陶瓷電容器分類(lèi)10按美國(guó)電工協(xié)會(huì) 一類(lèi)為溫度補(bǔ)償型或者超穩(wěn)定級(jí)電氣性能非常穩(wěn)定時(shí)間的變化而變化但其介電常數(shù)太低如X7R型等三類(lèi)為能用級(jí)特點(diǎn)是介電常數(shù)非常高 MLC1ÔöËܼÁºñ¶È¾ùÔȵĽ¬ÁϲãÔ

12、7;¾-³åƬ»ñµÃĤƬÐÔÄÜÎȶ¨µÄÓŵãÄ¿Ç°×îСºñ¶ÈΪ7這在一定程度上限制了MLC的小型化和高容量等質(zhì)量問(wèn)題難以避免 2主要的工藝流程是接著再印介質(zhì)上護(hù)片的

13、順序印刷 之后進(jìn)行排膠燒端頭等工藝亞微米級(jí)或者納米級(jí) 否則壓合時(shí)極易出現(xiàn)壓破介質(zhì)膜而造成微短路在后續(xù)混煉工藝中才能使其均勻分布于高分子中 使用絲網(wǎng)印刷可以大大降低單層厚度日本FGH公司使用濕法印刷制備的MLCÉÕ½áÇ° m Ò×ÓÚ³¬¹ý100層且濕法印刷還不易出現(xiàn)的 燒結(jié)并不能消除該氣隙 ¶øË¿ÍøÓ¡Ë¢²»´

14、0;ÔÚ´ËÎÊÌâ ÒѾ-½øÈëÁËÈ«×Ô¶¯»¯ºÍ´ó¹æÄ£Éú²úµÄн׶Î3¼ò³Æ&

15、#189;ºÄ¤ÊµÖÊÉÏÊǽèÓÃÈÈËÜÐÔ¾ÛºÏÎï²ÄÁϵijÉĤ¹¤ÒÕ¸ßÈÍÐÔµÄ&

16、#204;Õ´ÉĤÉúÅ÷ºñ¶È2m m 粘合劑含量BaTiO 3 ÒýÆðÁËMLC行業(yè)的興趣與關(guān)注 使生膜成疏松結(jié)構(gòu)其厚度減少50%左右必須嚴(yán)格選擇好內(nèi)電極印刷壓力等參數(shù)和程序控制這些新技術(shù)的逐漸成熟將使MLC生產(chǎn)技術(shù)和MLC本身產(chǎn)生一次質(zhì)的飛躍 高比容內(nèi)電極的賤金屬化可靠性的產(chǎn)品及工藝技術(shù)MLC的薄層及多層技術(shù)進(jìn)展迅速 層數(shù)在500層時(shí)電容量可達(dá)12B2B m的膜m的片式MLC Ì

17、25;¸ßÌմɲÄÁϵĽéµç³£Êý¸Ã²úƷʹÓÃÄø×÷Ϊµç¼«²ÄÁÏ5.7 mm17 µ«ÊÇ

18、Ä¿Ç°ÓÃÁ¿×î´óµÄPd30/Ag70內(nèi)電極進(jìn)口漿料價(jià)格高于2.5萬(wàn)元/kg12 ÓÉÓÚ²ÉÓüú½ðÊô²ÄÁÏËù´øÀ´µÄÊǸ´Ô

19、;ӵŤÒÕ¹ý³Ì µ«ÕâÒ»ÖØÒªµÄ·½ÏòÄ¿Ç°ÈÔÈ»ÊǿƼ¼ÈËÔ±Ñо¿

20、1;ÄÖص㠴Ӷøµ¼ÖµçÈÝÆ÷µçÆøÐÔÄܵĶñ»¯ Ä¿Ç°Ni電極已成為實(shí)用化程度最高 日本松下公司用PMNPTÓÃÍ-×÷µç

21、8;«×÷³ÉÁËƬʽMLC 含CuO的導(dǎo)體涂層疊壓在一起導(dǎo)體中的 CuO被還原為銅內(nèi)電極在該公司的較大容量試品上已經(jīng)推廣使用 是指額定工作電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)品種的性能產(chǎn)品美國(guó)NOVACAP公司在高壓MLC領(lǐng)域種最多額定直流電壓為500特殊協(xié)議可達(dá)20kV 3.8mm4.5mm 4.5mm 9.0mm±ê³ÆµçÈÝÁ¿·Ö±ðÎ

22、70;C0G F 2.2580系列外形尺寸為4.5mm 28.0mm F 無(wú)論是應(yīng)用2kV高壓MLC方面有所突破F1并 能形成生產(chǎn)規(guī)模F的小型化產(chǎn)品正在研制階段 如裂紋分層 這對(duì)具有體積小 航天 (1 無(wú)損檢測(cè)無(wú)損檢測(cè)的方法多種多樣紅外熱成像法SAM AEµÄNingX7R/BX 陶瓷電容器中的內(nèi)部缺陷頻率輸出可調(diào)的交流功率放大器將電壓加到陶瓷電容器上裂紋前置放大器將此電信號(hào)放大后送到計(jì)數(shù)分析器示波器用來(lái)檢查激發(fā)電壓和觀察聲頻發(fā)射瓷料的相對(duì)介電常數(shù)值越高 圖1-2 交流電壓聲學(xué)發(fā)射試驗(yàn)方框圖 Äܸø³ö±

23、;»²âÑùÆ·±íÃæ»òÄÚ²¿½á¹¹µÄÉùѧÏÔ΢ͼÏñËûÃDzÉÓÃƽÃ泬É

24、;ù²¨ºÍ¾Û½¹¼¤¹â½ÓÊÕ»úµÄSLAM 技術(shù)則投入深度將由1m 增加到若干mm ÁÑÎƺͷֲã 國(guó)內(nèi)也有很多人采用此法來(lái)對(duì)陶瓷電容器進(jìn)行檢測(cè)超聲C 掃描檢測(cè)法 此法受到陶瓷材料氣孔率的限制大小和分布狀態(tài)的有效方法夾雜和孔隙率等 探頭接收信號(hào)以光點(diǎn)輝度表示 工件表面移動(dòng)時(shí)

25、本文研究陶瓷電容器內(nèi)部缺陷的無(wú)損檢測(cè)就采用這一方法因而陶瓷電容器壽命可達(dá)到很長(zhǎng)如我們實(shí)驗(yàn)室研究的高儲(chǔ)能密度MLC 額定電壓下充放電壽命能達(dá)107次以上 早在1981年評(píng)價(jià)了一批電容器的質(zhì)量HALT的陶瓷電容器下進(jìn)行試驗(yàn) 美國(guó)Sprague 電氣公司的Boris 等人溫度和電壓 T t±ê׼ζÈT 0和額定工作電壓V T 0和T t 軍用熱力學(xué)溫度加速系數(shù)為2311(exp(AF 00T T K E V V t a n t =式中E a 是激活能1.38不同的研究人員冪指數(shù)n 和激活能E a 數(shù)值不同 Ea &

26、#205;¨¹ý³éÑùÊÔÆ·¶ÔÆä½øÐÐÖظ´³ä·ÅµçÀ´Ñо¿ÌմɵçÈÝÆ÷µÄ»÷&

27、#180;©»úÀíºÍÊÙÃüÌØÐÔ·Ö±ðͨ¹ýÊÔÑéÑо¿ÁËËÄÖÖ²»Í¬Ìõ¼þ ÏÂÌÕ

28、´ÉµçÈÝÆ÷»÷´©ÌØÐÔ 電容器的制造是和使用提供了一定的參考性依據(jù)目的和意義高儲(chǔ)能密度陶瓷電容器在軍用和民用上都有著廣泛的應(yīng)用前景 取得了很大的成果而國(guó)內(nèi)開(kāi)展這方面的研究還不長(zhǎng) 能量釋放速度快(輸出功率大因此脈沖電容器則是該電源系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備對(duì)減小電源體積脈沖電容器是在高電場(chǎng)條件下進(jìn)行重復(fù)性的充放電所以其工作條件十分惡劣因?yàn)樘沾呻娊橘|(zhì)具備很高的介電常數(shù)從介電常數(shù)老化特性接著分析電容器陶瓷介質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)陶瓷介質(zhì)的電氣性能的影響

29、采用了超聲波無(wú)損檢測(cè)與直流耐壓和重復(fù)充放電等破壞性檢測(cè)方法為陶瓷電容器應(yīng)用的可行性做了一些初步的研究工作 2 陶瓷電介質(zhì)的主要電氣性能本章主要介紹了陶瓷電介質(zhì)的基本電氣性能介質(zhì)損耗等方面加以闡述為試驗(yàn)研究提供了基礎(chǔ)性依據(jù)電極間的電容量C 為S C = Ϊ¾øÔµ½éÖʵĽéµç³£ÊýΪ¾øÔµ½éÖ

30、ʵĺñ¶È2-2 ¾øÔµ²ÄÁϵÄÌå»ý´¢ÄÜÃܶÈΪ221E D i = ÒýÏßµÈ設(shè)V t /V i =K2-4 µçÈÝÆ÷¼¼

31、;Êõ·¢Õ¹ÖÁ½ñÍâ¿ÇµÈ·½ÃæµÄ¼¼ÊõÒѾ-Ï൱ÍêÉÆ 一般說(shuō)來(lái)其擊穿場(chǎng)強(qiáng)E b極性材料聚偏氟乙烯的 強(qiáng)極性的無(wú)機(jī)陶瓷電介質(zhì)的其擊穿場(chǎng)強(qiáng)E 2.2 陶瓷電介質(zhì)的介電常數(shù)介電常數(shù)其數(shù)值表示常用相對(duì)介電常數(shù)裝置

32、陶瓷r ѹµçÌÕ´É從以上數(shù)據(jù)可以看出 使用范圍和條件也不同 這兩種質(zhì)點(diǎn)在電場(chǎng)的作用下以多種形式參加極化過(guò)程不消耗電場(chǎng)能量去掉電場(chǎng)時(shí)又恢復(fù)原狀態(tài)的極化形式1或 原子或原子這種電荷中心分離的現(xiàn)象稱(chēng)作為極 化或原子 電子位移極化建立的時(shí)間僅為10-14 所以只要外加電場(chǎng)頻率小于1015Hz ʹÌմɲÄÁϵĽéµç³£Ê

33、ýԼΪ1到幾十 ÐγÉÀë×ÓλÒƼ«»¯ ÓÐЩÌØÊ⾧Ìå½á¹¹Èç¸ÆîÑ¿óÐÍ Àë

34、;×ÓλÒƼ«»¯ËùÐèµÄʱ¼äԼΪ10-12一般當(dāng)外加電場(chǎng)頻率低于1013Hz時(shí) 離子位移極化來(lái)不及完成2.2.2 松弛式極化29 Àë×ÓÕâÖÖ¼«»¯ÊǷǵ

35、5;ÐÔµÄÍê³ÉµÄʱ¼ä±ÈλÒƼ«»¯³¤ ÐγÉÁËһЩÈõÁªÏµµÄÀë×Ó Ê&#

36、220;ÈÈÔ˶¯Æð·üµÄÓ°Ïì Àë×ÓÏò¸÷¸ö·½ÏòǨÒƵļ¸ÂÊÏàµÈ Õý¸ºÀ

37、ë×Ó·Ö±ðÏòµç³¡·½ÏòºÍ·´µç³¡·½ÏòǨÒƵļ¸ÂÊÔö´óÀë×Ó ÔÚÍ

38、;â¼Óµç³¡×÷ÓÃϵÄͬʱÓÉÓÚÀë×ÓËɳڼ«»¯ÓëζÈÓÐÃ÷ÏÔ¹ØÏ

39、;µ½éµç³£Êý¿ÉÌá¸ßµ½¼¸°ÙÖÁ¼¸Ç§10-9sÒò´ËÓÉÓÚ¼«»¯¹ý³ÌÖͺó2³ö

40、;ÏÖλÓÚ½û´øÖеĵç×Ó¾Ö²¿Äܼ¶子為周?chē)Y(jié)點(diǎn)上的陽(yáng)離子所共有連續(xù)地由一個(gè)陽(yáng)離子轉(zhuǎn)移到另一個(gè)陽(yáng)離子結(jié)點(diǎn)而呈現(xiàn)極化同時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的介質(zhì)損耗 電子極化建立時(shí)間約需10-2通常 2.2.3 自發(fā)極化27ÌúµçÌ徧Ìå&#

41、212;ÚÒ»¶¨µÄζȷ¶Î§ÄÚ Æ侧°ûÖеÄÕý¸ºµçºÉÖÐÐIJ»ÖØºÏ ÒÔBaTiO3晶體為例由立

42、方晶系變化為四方晶系產(chǎn)生極性在電場(chǎng)作用下BaTiO 3晶體的P s為2.6Òò¶ø½ÏµÍµÄ³¡Ç¿¾ÍÄÜʹ¾§ÌåµÄ×Ô·¢¼«»¯·´×ª±í2-1闡述了各種極化形式存在的陶瓷載體以及其與

43、溫度變化對(duì)實(shí)際應(yīng)用中的陶瓷介質(zhì)的介電常數(shù)影響不大極化增強(qiáng)很微弱離子組成的玻璃離子松弛極化2.3 陶瓷電介質(zhì)的絕緣強(qiáng)度陶瓷介質(zhì)和其它介質(zhì)一樣它就喪失絕緣性能擊穿時(shí)的電壓稱(chēng)為擊穿電壓U j µ±×÷Óõ糡¾ùÔÈʱ 陶瓷介質(zhì)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)一般為4沿陶瓷表面飛弧的擊穿場(chǎng)強(qiáng)更低 由電化學(xué)效應(yīng)引起的介質(zhì)老化最終導(dǎo)致電擊穿和熱擊穿介質(zhì)中載流子迅速增加造成擊穿 往往擊穿突然發(fā)生103 V/µm 29 µç×

44、ÓÖ±½ÓÓÉÂú´øԾǨµ½¿Õ´ø·¢ÉúµçÀëËùÖÂ30 ÒòζÈÉý¸ß¶øµ¼ÖÂ

45、81;ÄÆÆ»µ ÈÈÁ¿»ýÀÛ ÓÖµ¼ÖÂÌմɽéÖʵÄζȵÄÔÙ¶ÈÉý¸ß ËùÒÔ²»

46、Ïñµç»÷´©ÄÇÑùѸËÙ10 V/µm 29 ÌմɲÄÁÏÖеÄÆø¿×µÄÇé¿öÍâ¼Óµçѹ À&

47、#224;Ð͵ÈÏà¹Ø ´ËÍ⻹´æÔÚÒ»¶¨Á¿µÄÆø¿×ºÍÔÓÖÊ BaTiO3晶格離子之間 子電子之間極化作用很強(qiáng)其中玻璃相來(lái)源于瓷料中各組成達(dá)到一定溫度后自己形成的低共熔物過(guò)大的晶界能影響到陶瓷的介電性能為了提高陶瓷的

48、抗電擊穿能力因而陶瓷介質(zhì)整體的抗電強(qiáng)度還與其制作工藝密切相關(guān)同時(shí)電導(dǎo)和部分極化過(guò)程都不可避免地要消耗能量在直流電場(chǎng)的作用下和電場(chǎng)強(qiáng)度E2-6 ÆäµÈЧµç·Èçͼ2-1所示圖2-1中tg 是有損耗電容器每個(gè)周期內(nèi)消耗的電能與其所存儲(chǔ)電能的比值CpRp1Ic Ir tg =27 Rp 為等效并聯(lián)電阻CsRsUcUr tg 28tg 的意義可以由PcPa tg Pa 為有功功率 22 CU R U PCC =為無(wú)功功率2 U Ctg tg P Pa C

49、 =2E tg P = ʽÖÐtg 稱(chēng)為損耗因數(shù)頻率高時(shí) 要求損耗小10-410-430可見(jiàn)生產(chǎn)上控制tg 顯得很重要 tgÊܳ±ÊÔÑùµÄtg 急劇增大結(jié)構(gòu)等因數(shù)都很敏感 具備很高的介電常數(shù)的重要材料之一 下面介紹該種介質(zhì)的組成結(jié)構(gòu)和性質(zhì)10晶粒與晶粒之間存在著晶界層晶體的結(jié)構(gòu)基元晶界的許多性質(zhì)都與這些缺陷密切相關(guān)晶界層可以是玻璃相第二相 耐電強(qiáng)度等性能往往起著非常重要的作用2.5.2 BaTiO 3基鐵電陶瓷的電滯回線和電致伸縮2432圖2-2為

50、典型的BaTiO3基鐵電陶瓷極化隨外加電場(chǎng)E作用下的變化軌跡 矯頑場(chǎng)強(qiáng)作BA的延長(zhǎng)線與P軸交于P s點(diǎn)一切處于鐵電態(tài)的陶瓷材料都具有電滯回線這一特征 圖2-2 BaTiO3基鐵電陶瓷的電滯回線圖2-3示出了BaTiO3基鐵電陶瓷在外在電場(chǎng)作用下的電疇和外形幾何尺寸的變化情況a 每個(gè)晶粒中包含著許多自發(fā)極化方向不同的電疇 P s b±ØÈ»·¢Éú¾§Á£Ñص糡·½Ïò&#

51、201;ϵÄÉ쳤ºÍ´¹Ö±Óڵ糡·½ÏòµÄÊÕËõ ͼ2-3ʹÌմɵÄÍâÐÎÉÏ·¢É

52、0;×ÝÏòµÄÏàÓ¦ÊÕËõºÍºáÏòµÄÏàÓ¦É쳤P s不再為零P sÊ£ÓàÉ쳤 ,稱(chēng)為電致伸縮或電致應(yīng)變 溫度特性圖2-4為BaTiO3陶瓷的介電常數(shù)可以看出BaTiO3陶瓷的介電常數(shù)很大且在相變溫

53、度附近介電常數(shù)具有峰值介電常數(shù)隨溫度的變化同樣顯示出明顯的非線性 圖2-4 BaTiO3陶瓷的介電常數(shù)居里溫度 在居里溫度以上 介電常數(shù) Curie-Weiss Íâ˹ÌØÐÔζÈT (1.61.7 ¿ÉÒÔºöÂÔ ½éµç³£ÊýÓëζÈ

54、5;ØϵµÄÒ»¸ö»ù±¾¶¨ÂÉ ¿ÉÒÔͨ¹ýºÏÀíµØÈ·¶¨Åä·½ºÍÑϸñµØÖ´

55、08;ÐÉú²ú¹¤ÒÕ Ò²ÓëÊÔÑùµÄÐÎ狀厚度等而對(duì)一個(gè)最小厚度為0.12²âµÃµÄÄ͵çÇ¿¶ÈֵΪ12V/µm ÔÚ¾ÓÀ

56、39;ζÈÒÔϺÍÒÔÉϵÄBaTiO3陶瓷0.2BaTiO 保溫2h燒成隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加a晶粒內(nèi)部由于存在著自發(fā)極化P1 ÔÚ¾ÓÀïζÈÏ ËùÒÔÔÚ¾ÓÀïζ&

57、#200;ÒÔÏ»ò±ß½ç²ã ¾§Á£ÄÚ²¿½«³ö ÏÖÏ൱ǿµÄ¿Õ¼äµçºÉ¼«»¯P2b P1P2P3-晶界層上的空

58、間電荷極化提高鐵電陶瓷的耐電強(qiáng)度是改善鐵電陶瓷性能的一個(gè)重要方面 主要應(yīng)該注意以下幾個(gè)方面1 如Al 3的影響 有些引入別的組分改善了瓷料的組織結(jié)構(gòu)2 必須降低至最低限度 3 晶粒越大可能導(dǎo)致陶瓷材料的擊穿例如Ti 0.92Sn 0.08 ´Ó¶øʹµÃÌմɽéÖʵÄÄ͵çÇ¿¶ÈÏÔÖø

59、Ìá¸ß´Ó¶øÓÐÀûÓÚÐγÉϸ¾§½á¹¹ 4 Õ⽫ÑÏÖØÓ°Ïì´ÉÁϵÄÂö³å»

60、47;´©Ç¿¶È»òÕß²ôÈëѹ·å¼Áʹ´ÉÁϲ»³ÊÏÖÃ÷ÏԵľÓÀïµã 5 ¿ÉÓÐÐ

61、§µØÌá¸ßµçÈÝÆ÷µÄʹÓÃÊÙÃü24 2.5.5 BaTiO3陶瓷頻率特性在2.2節(jié)中所述的外加電場(chǎng)施加的頻率與陶瓷介質(zhì)內(nèi)部的極化過(guò)程存在直接的關(guān)系 因而使得陶瓷介質(zhì)的介電常數(shù)發(fā)生變化而且還會(huì)引起陶瓷介質(zhì)的介質(zhì)損耗的變化 2-9½éÖÊËðºÄºÍ

62、2;¹ÓÃƵÂʵÄÌØÐÔÇúÏß Ïà¶Ô½éµç³£Êýr的下降和介質(zhì)損耗tg和tg2表示tgr和介質(zhì)r損耗角正切值tg ½éµç³£ÊýµÄÀÏ»¯¿

63、ɱí´ïΪ29 2-11t為經(jīng)歷時(shí)間t后的介電常數(shù)當(dāng)鐵電陶瓷材料經(jīng)歷一段時(shí)間產(chǎn)生老化以后 料重新加熱到居里溫度以上而老化重新開(kāi)始鐵電陶瓷的老化一般表現(xiàn)得更為明顯不存在自發(fā)極化 這種活性較大表現(xiàn)為有較大的隨著時(shí)間的延長(zhǎng) 將通過(guò)新疇成核消除電疇初始形成瞬間 所殘留下來(lái)的電疇壁應(yīng)力(主要是存在于90疇壁之間的應(yīng)力´¦ÓÚÏà¶ÔµÄµÍÄÜÎȶ¨&

64、#215;´Ì¬µÄ³ë½á¹¹ ¹ÊÆä都比較小 鐵電陶瓷材料隨外加電場(chǎng)E 的極化是非線性的也就是說(shuō)鐵電陶瓷的介電常數(shù)是隨電場(chǎng)強(qiáng)度的變化而改變的隨外加電場(chǎng) 5r max r N212 rÊÔÑùÏàÓ¦µÄµçÈÝÁ¿ÔÚʵ¼Ê

65、; Ó¦ÓÃÖÐÔÚÀûÓÃÌմɲÄÁÏ×÷´¢Äܵç½éÖÊ ÀûÓòôÔÓr ¾ßÓбȽϺ&

66、#195;µÄÏßÐÔ 圖2-7 室溫下鐵電陶瓷的介電常數(shù)隨電場(chǎng)的變化30 12SnTiO3系陶瓷 ZrO3系陶瓷 3組織結(jié)構(gòu)對(duì)陶瓷介質(zhì)電氣性能的影響本章主要介紹了電容器陶瓷介質(zhì)的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)氣相3.1 陶瓷材料的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)陶瓷組織結(jié)構(gòu)(或瓷相又稱(chēng)為陶瓷的顯微結(jié)構(gòu) 具體而言就是指陶瓷的各種組成相(晶相大小晶 界狀態(tài)玻璃相和氣相三者在陶瓷空間的相互關(guān)系決定著陶瓷材料的性質(zhì)相平衡狀態(tài) 圖3-1 多晶陶瓷顯微結(jié)構(gòu)示意圖33陶瓷的典型顯微結(jié)構(gòu)如圖3-1所示 在晶粒之間一股填滿了玻璃相或第二相(如雜質(zhì) 3.1.1 晶相在陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)中對(duì)材料

67、的物理化學(xué)性能起決定性的作用 電性電子導(dǎo)電性熱導(dǎo)性電致伸縮性等電光特性等主晶相是最基本 從顯微鏡下觀察到的組織結(jié)構(gòu)也是千差萬(wàn)別的自形自形晶粒是指具有理想或近似理想的環(huán)境下形成結(jié)晶外形的礦物顆粒所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)陶瓷中經(jīng)常遇到的自形晶體的結(jié)構(gòu)有金紅石型結(jié)構(gòu)螢石型結(jié)構(gòu)等典型結(jié)構(gòu)這時(shí)晶粒外形較差它形晶粒是指物質(zhì)顆粒形態(tài)不規(guī)則 結(jié)晶能力和結(jié)晶速度幾乎相同或溫度下降較快的情況下顆粒形態(tài)不規(guī)則 自形它形 如前所述 PbTiO3等晶體具有ABO3鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)而且極化方向可以為電場(chǎng)定向BaTiO3Ôڸ߽éµçÈÝ

68、Æ÷ÌÕ´ÉÖÐ 就用它做主晶相電性能非常優(yōu)良因此是一種用途極廣的電子陶瓷材料也不是一成不變的 均勻程度以及晶粒取向?qū)嵺`證明 它們的介電性能就不一樣以上都是從理想的角度來(lái)闡述的一般來(lái)說(shuō)即由于原子或離子進(jìn)入填隙位置而形成的費(fèi)侖克爾缺陷以及由于原子或離子的缺位而形成肖脫基缺陷或者相反而形成的陰離子過(guò)剩 此外氧化物晶格中填隙位置很小 形成肖脫基缺陷所需要的能量又很大非化學(xué)計(jì)量的缺陷是隨著燒結(jié)氣氛和溫度而變化的在生產(chǎn)中有時(shí)是混進(jìn)來(lái)的雜質(zhì)后兩種缺陷是主要的它分布在晶粒周?chē)ｉg相其 作用是粘結(jié)晶粒抑制大晶粒的生長(zhǎng)在電子陶瓷燒結(jié)

69、工藝中加人的添加劑(助熔劑晶粒生長(zhǎng)阻滯劑等及混入瓷 料中的微量雜質(zhì)含玻璃相較多的電子陶瓷(如低氧化鋁瓷的組織結(jié)構(gòu)與含玻璃相較少的電子陶瓷的組織結(jié)構(gòu)是有差異的比如在電瓷中 玻璃相在陶瓷材料中所占的相對(duì)比例過(guò)大的晶界能影響陶瓷的介電性能造成電性能的惡化影響了陶瓷材料的機(jī)械性能和熱效能等指燒結(jié)過(guò)程中由于遠(yuǎn)離晶界 氣相以氣孔形式存在于晶?；蚓Ы缰虚_(kāi)口氣孔兩 種形式它不僅影響材料的機(jī)械強(qiáng)度介電性能等氣孔的存在會(huì)嚴(yán)重影響其絕緣強(qiáng)度因而希望氣孔越少越好致密的陶瓷生產(chǎn)技術(shù)粘結(jié)劑燒掉后在瓷坯內(nèi)留下氣孔粘結(jié)劑的用量影響陶瓷介質(zhì)的介電性能燒成的BaTiO3試樣在150 ¼´E c為擊穿電壓氣孔就

70、越多 圖3-3 粘結(jié)劑用量對(duì)瓷坯直流電壓在燒成過(guò)程中大量存在的晶核作為結(jié)晶中心不斷長(zhǎng)大這些晶粒在生長(zhǎng)過(guò)程 中相遇時(shí) 最重要的特征在于其中存在著晶粒之間的邊界或界面(簡(jiǎn)稱(chēng)粒界或晶界 ¶ÔÏà±äÖо§ºËÉú³ÉÒÔ¼°²ÄÁϵĶÏÁÑÇ¿¶È¸

71、ßÎÂÈä±äµÈÁ¦Ñ§ÐÔÄÜ ×÷Ϊ´¢ÄÜÓ¦ÓõÄÌմɵç½éÖÊÔÚ¾ÓÀïζ

72、;ÈÒÔÏÂʱ»ò±ß½ç²ãÌմɲÄÁϵÄ性能是和瓷坯的組織結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的PZT Ò»¸ö¾§Á£µÄZr/Ti之比為52/48 另一個(gè)與它相鄰的晶粒的Zr/Ti之比為54/46 可以看出分析研究了BaTiO3細(xì)粉體的晶相對(duì)X7R介質(zhì)瓷的電

73、氣性能的影響 電鏡測(cè)得的晶粒形狀 不存在自發(fā)極化的三方相的BaTiO3介電常數(shù)很低其它電性能也就越好 其中X7R介質(zhì)瓷是指電容器瓷料要求在-55 溫度范圍內(nèi),電容量變化應(yīng)保持在它的性能就是這樣許多晶粒性能的統(tǒng)計(jì)平均 那么材料的性能必然分散 而表現(xiàn)為禿峰或一個(gè)溫度區(qū)域 而是一個(gè)相變溫度區(qū)等 它的介電常數(shù) 極化時(shí)氣孔和陶瓷介質(zhì)所承受的電場(chǎng)強(qiáng)度也不同 陶瓷電容器在實(shí)際應(yīng)用中組織結(jié)構(gòu)的不均勻處就要使組成保持均勻各晶粒的化學(xué)組成相同 晶粒大小相近3.2.2 晶粒大小和晶界對(duì)材料電氣性能的影響晶粒和晶界通常具有不同的組成 而晶界則是包圍在晶粒表面的厚度約10·¢ÏÖ

74、¾§½çµÄ×é³É²»Ïñ¾§Á£ÖÐBa/Ti比為1/1的 Ti含量增加早期的實(shí)驗(yàn)表明 1隨晶粒尺寸的繼續(xù)減小,介電常數(shù)值迅速下降 與圖3-4中BaTiO3瓷介電常數(shù)與晶粒大小的關(guān)系曲線較為接近 非鐵電性的晶界物質(zhì)的影響逐漸增大 當(dāng)晶粒很小時(shí) 因?yàn)榇膳魇怯删Я：途Ы缦嗉佣傻倪@樣對(duì)陶瓷的擊穿強(qiáng)度會(huì)造成很大的影響 部分取決于電疇形態(tài)和性質(zhì) 當(dāng)晶粒小到一定數(shù)值而與疇壁尺寸相近時(shí) 粗晶就有利于電疇的

75、發(fā)展以及疇壁的運(yùn)動(dòng)粗晶瓷和細(xì)晶瓷就必然有不同的鐵電性晶界的厚薄和性質(zhì)也對(duì)鐵電性有影響 粗晶容易生成裂紋還會(huì)造成的絕緣強(qiáng)度的下降不作詳述和晶相不一樣只有一個(gè)軟化范圍而且玻璃相中常有一些填充物質(zhì)殼結(jié)構(gòu)Nb2O5 ζÈÌØÐÔÐγÉÓ°Ïì ÒÔÖÐÎÂÉÕ½áʱÐγÉ

76、86;Ë中溫?zé)Y(jié)過(guò)程改性添加 物不易直接與BaTiO3形成固溶體添加物和BaTiO3的細(xì)小粉粒溶于液相中另一方面大晶粒表面則析出固溶體晶粒中央核保持原有的BaTiO3組成的結(jié)構(gòu),構(gòu)成了核圖3-5為核同時(shí)有利于溶其厚度增加與燒成溫度T的關(guān)系r核主晶相 殼兩相的燒成溫度升高圖3-6為符合X7R溫度特性的BaTiO 3試樣的殼層的含量增加 r-T特性曲線較平坦成 為統(tǒng)一的固溶體兩相互相制約作用也消失r-T特性曲線變化率較小的雙峰轉(zhuǎn)變?yōu)樽兓^大的單峰 Na ¶øʹ¾øÔµµç×&#

77、232;½µµÍÒƶ¯ËٶȿìÒƶ¯ËÙ¶ÈÂýËü»¹ÄÜÓëÑõÀë×Ó½áºÏ³ÉÀι̵&#

78、196;¼Û¼üÒò¶øÏ÷ÈõÁËÒ»¼ÛÑôÀë×ӵĵ¼µçÄÜÁ¦ÈçBa2+就能使堿離子的 遷移困難引入二價(jià)離子的半徑越大 絕緣電阻就提高這種引入大半徑高價(jià)陽(yáng)離子的來(lái)提高材料絕緣電阻而降低損耗的方法對(duì)BaTiO3瓷配料有參考意義

79、會(huì)容易造成擊穿 而且還會(huì)影響到陶瓷材料的熱效應(yīng) 容易發(fā)生熱擊穿實(shí)際上也就是瓷坯體積密度的影響 當(dāng)燒成溫度變動(dòng)時(shí)這就很難把兩者的影響區(qū)別開(kāi)來(lái)變化氣孔引起陶瓷材料性能的變化的原因主要有以下幾點(diǎn)其次因此如壓電系數(shù)除了在多孔電子陶瓷中外瓷體均勻度就增加耐電強(qiáng)度以及機(jī)械強(qiáng)度都隨著氣孔率的下降而增大 陶瓷材料的置換該性和摻雜該性也會(huì)使陶瓷材料電氣性能的各方面發(fā)生變化本文對(duì)此不作詳述4 MLC及其可靠性試驗(yàn)研究本章首先分析了制備陶瓷電容器材料的選取方法 MLC 4.1 陶瓷材料的選取陶瓷電容器種類(lèi)繁多其中以BaTiO3系和SrTiO3系為主比較適合制作小型大電容量電容器從儲(chǔ)能密度這個(gè)最主要求來(lái)看由本文1.2

80、.2中所述從樣品生產(chǎn)和試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看由于試驗(yàn)時(shí)間短兩者電容量變化都不是很明顯很難 做到500V及更高的電壓等級(jí) 我們選擇了以BaTiO3為主要原料,試制了符合X7R溫度特性的多層陶瓷電容器做高儲(chǔ)能密度電容器下面簡(jiǎn)要介紹流延法生產(chǎn)工藝中比較重要的環(huán)節(jié)10,40,43 圖4-1 陶瓷電容器生產(chǎn)流程4.2.1 瓷漿制備瓷漿制備包含原料的粉碎和粉料預(yù)燒是比較重要的工序所以必須采用高度細(xì)粉碎的瓷料 并促進(jìn)燒結(jié)當(dāng)然很有效很多瓷料的原料并不是直接采用金屬氧化物可以得到比表面非常高的疏松多孔材料粉料預(yù)燒的目的是使混和料經(jīng)煅燒預(yù)先合成主晶相 如碳酸鹽分解出CO 2·ñÔò&

81、#178;»ÀûÓÚÏÂÒ»²½µÄ·ÛËéÓë×îÖÕµÄÉÕ½á ±ØҪʱÔÙ¼ÓÉÏ¿¹¾ÛÄý¼Á

82、Ͷ ÈëÇòÄ¥¹ÞÖнøÐÐʪʽ»ìÄ¥È󻬼ÁµÈ ÒÔÐγÉÎȶ¨µÄ Õæ¿Õ³

83、53;ÆøÒÔÏû ³ý¸ö±ðÍžۻò´ó¿ÅÁ£Ö®·ÛÁϼ°ÎªÈÜ»¯Ö®Õ³ºÏ¼Á 4.2.2 流延流延的原理如圖4-2所

84、示然后膜坯連同載體進(jìn)入長(zhǎng)達(dá)20m的烘干室或由于濕度梯度太大而產(chǎn)生裂紋 還保留有一定的溶劑刮刀烘干室 為提高效率在較大的膜片上同時(shí)印刷十幾個(gè)甚至幾十個(gè)電極a剪切成許多小塊 如圖4-3µç¼«Óë¼ô ÇÐÃæÓ¦ÓÐ×ã¹»µÄÁô±ßÁ¿µç¼« a 圖4-3 絲網(wǎng)疊印原理圖4.

85、2.4 燒結(jié)燒結(jié)是MLC工藝過(guò)程中關(guān)鍵的一道工序燒銀 又需使疊合好的生坯燒結(jié)在一起 燒結(jié)過(guò)程復(fù)雜燒結(jié)時(shí)間 4.2.5 封端現(xiàn)在很多廠家用銅 端部銀層不能太薄 端銀最好被覆兩次并且與陶瓷表面牢固結(jié)合導(dǎo)電性能良好的銀層電極試樣品額定電壓以500V 圖4-4列出了部分樣品 F/500V F/500V27nF F 470nF/250V F/500V 108并 F/500V 圖4-4 MLC試樣品多層陶瓷電容器除了晶相內(nèi)部有自身結(jié)構(gòu)缺陷外 如分層針孔 瓷體不均等這些缺陷會(huì)直接影響MLC的電氣可靠性 用來(lái)提供其內(nèi)部機(jī)械缺陷信息并進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)的一種檢測(cè)方法具體目標(biāo)是檢測(cè)對(duì)電氣性能不利的分層針孔采用這種方法可以過(guò)濾掉內(nèi)部缺陷較大的試品 適用于檢測(cè)多層陶瓷電容器的無(wú)損檢測(cè)方法很多來(lái)判斷被檢測(cè)物內(nèi)部及表面缺陷的大小發(fā)射和接受的方式探傷的方法很多脈沖反射法超聲波頻率為50MHz ÓֳƳ¬ÉùC掃描探頭接收信號(hào)以光點(diǎn)輝度表示但缺點(diǎn)是不能顯示缺陷深度 22 ʽÑùÆ·&#