介电材料的应用

介电材料的研究与发展

介电材料dielectric material ，又称电介质，是电的绝缘材料。

主要用于制造电容器。要求材料的电阻率高，介电常量大。种类很多，重要的有金红石（TiO2）瓷，含二氧化钛的复合氧化物陶瓷，如钛酸钙、钛酸镁、钛酸钡等。云母具有层状结构，易剥离成薄片，适于用作叠层型电容器。六方氮化硼耐高温、导热系数大，是理想的高温导热绝缘材料。白宝石（α-Al2O3）、尖晶石（MgO?Al2O3）等可作电子器件的衬底材料，可在它上面生长单晶硅膜。

电容器是电子、电力工业中一种常用的电子、电器元器件，它的用途十分广泛、电容器是储存从电路中得到的电荷的器件，它可以使信号的波动趋于平滑，积蓄电荷使电路的其余部分免遭破坏，储存的电荷供以后分配、使用，甚至还可以改变电信号的频率，电容器的设计原则是使电荷储存在两个导体之间的极化材料(介电材料)中。对介电材料的要求是必须容易极化，同时还必须有很高的电阻率和介电强度，以防止电荷在两个导体板之间通过。这种限制电流不能在两个导体之间通过的作用和绝缘材料的作用一样，从这个意义上说，介电材料是一类特殊的绝缘材料，它又有绝缘材料不具备的储存电荷的功能，能够储存电荷是介电材料的主要功能，因此，它必须是具有很高介电常数的一举材料。

在电工技术中，电介质主要用作为电气绝缘材料，故电介质亦称为电绝缘材料。随着科学技术的发展，发现一些电介质具有与极化过程有关的特殊性能。如不具有对称中心的晶体电介质，在机械力的作用下能产生极化，即压电性；不具有对称中心，而具有与其他方向不同的唯一的极轴晶体存在自发极化，当温度变化能引起极化，即具有热释电性；当自发极化偶极矩能随外施电场的方向而改变，它的极化强度与外施电场的关系曲线与铁磁材料的磁化强度与磁场的关系曲线极为相似，即具有电滞曲线(铁电性)。具有压电性、热释电性、铁电性的材料分别称为压电材料、热释电材料、铁电材料。这些具有特殊性能的材料统称为功能材料。它是电介质的一个重要组成部分。可用作机械、热、声、光、电之间的转换，在国防、探测、通信等领域具有极为重要的用途。

用于显示的液晶，在静电效应的应用和防护方面的材料，可以用于隐形技术方面的微波电介质材料，以及作为结构材料应用的电介质

介电材料的应用：

这里指的是利用介电常数的实部和虚部的材料。日前主要用作电容器的介质；它要求有高的介电常数和击穿场强，还要有低的损耗和漏电电流，铁电相变和介电损耗在介电材料中的利用。在铁电相变或反铁电相变点附近，电介质的介电常数有很大值。从理论k，对于理想完整的单晶体，根据居里—外斯(Curie—：Weiss)定律，在居里点附近介电常数向无限大发散。但这么一来温度范围就太窄了，在工艺上的方法是以铁电体和反铁电体的这一特性为基础，采用掺杂等技术使相变点变为一个温度范围较宽的相变区，在区内仍有足够大的介电常数．这时的相变成为扩散型的相变。增加电容器单位体积(或单位重量)的电容量的巧妙的一些新方法。目前，电容器还主要用于电子技术和电工方面．注意到电容器贮存的电能为专Cy2，若能提高它的耐压以及单位体积的电容量C，则电容器所贮存的电能是十分可观的，在引发可控热核反应时，方法之一就是利用电容器贮存的能量在很短时间内释放出来以产生足够高的温度．如果电容器单位重量贮存的能量能达到一般铅蓄电池的水平(32．4w．h／k8)，则电容器就有可能进一步发展

为能源贮存之用．目前许多学者对这方面的研究还是乐观的。

高分子聚合物从来都是良好的绝缘电介质材料．但是近年夫却研制出导电的聚乙抉(PA)．在掺杂PA塑料中，其室温导哇串已可达到铜的1／4．因为PA的密度比Cu小很多，若按同祸重量计，接杂PA的电导已比铜大二倍，可见对电介质材料的研究往往还涉及到许多重要的非电介质的问题。

下面就各种类型的介电材料的性能特点简述如下：

1.纸电容器：它是由不合杂质的超薄纸与铝箔一起卷绕成芯子，焊外部引出线后装入外壳中，然后再用经过脱气的石蜡或绝缘油进行防潮封装制成。它具有容量大，使用温度高，价格低等特点。由于纸是纤维素组成，它含有0H基。oH 基团使电容器具有较高的介电常数。但是由于0H基的存在也较易吸潮。在电场的作用下，它相对整个分子键而转动产生结构极化效应。因而适用于高压、高能量领域，但不适用于高频领域。具体的应用范围如：发报机、车辆控制设备、通信机、计算机、制冷机、冷冻机、电风扇、洗衣机等产品中。

2.镀金属纸电容器或叫金属化纸电容器是在薄纸上先涂布一层涂料，然后用真空镀膜的方法在薄纸上沉淀一层金属膜代替铝箔作为电极的电容器。其制作方法和纸电容器的制作方法一样。

塑料薄膜电容器是以各种塑料薄膜为介电材料。其生产工艺和纸电容器相似，包括塑料薄膜和金属箔缠绕成芯子，焊外部引出线，浸蜡密封等几个工序。它具有比纸电容器的介电常数更大，而且无吸湿性等特点。所以绝缘电阻大，体积也比纸电容器小，可靠性高。因此从第：次世界大战后，它逐渐取代历史悠久的纸电容器市场。

对于耐热性较好的塑料薄膜也可以像纸电容器那样，在薄膜表面金属化，制成金属化的薄膜，在上述的各种塑料薄膜电容器中以涤纶即对苯二甲酸乙二醇酯应用最为广泛，由于它具有优异的电气性能、耐热性能和机械性能，而且价格便宜，可以表面金属化等特点，因此它占有塑料薄膜电容器一半以上的市场。

塑料薄膜电容器大量用于工业测量仪器、工业计量仪器、计算机以及电视机、发电机、音响等家用电器设备中。

铝电解电容器：制法是将厚度为50—100尸m的铝箔脱脂洗净后，用电化学方法进行腐蚀，使表面凹凸不平，使实际有效面积扩大十至数十倍。然后进行阳极氧化，使铝箔表面生成一层三氧化二铝的介电薄膜。这层三氧化二铝作为电介质，根据电介质外面紧靠着的电解质的不同，可分别制成湿式电解电容器和固体电解电容器。若是电解质为液体，就是湿式电解电容器。如将上面阳极氧化后得到的铝箔，再用不含有杂质的吸水性较强的纸作为隔离层，将纸与上述铝箔一起卷绕起来，加入预先配制的乙二胺—硼酸溶液(电解液)进行浸渍，最后装于电容器外壳并进行密封处理，即可得到湿式电解电容器。在这种电容器中，铝箔是正极，而电解液是负极。固体电解电解器的制法是：在表面积增大了的高纯度铝金属烧结块表面或铝箔的表面上形成电介质氧化膜后，浸入硝酸锰的水溶液中，然后取出，加热，使硝酸锰分解生成二氧化锰，并附着在电介质上。这种二氧化锰层作为阴极，浸石墨，焊锡后，用引线引出外部。阳极预先从铝金属直接引出。装入外壳封装或直接用树脂封装。

袒的化学稳定性很好，而且Ta205的介电常数为A120；的4倍，因此，用袒作为阳极来制作电解电容器，比铝电解电容器的性能更好，但成本比铝电容器高。其制造方法和铝电解电容器的方法一样，一般钮电解电容器采用固体电解电容器。铝电解电容器已广泛应用于要求大容量的电子线路中，例如，收音机、电

视机、立体音响设备、民用显像电子设备、照相闪光灯、氖灯、点火机等放电电源，以及计算机稳压电源和用于马达起动等。钮电解电容器适用于高温、低温和高频的场合，通常情况下，仅用于要求可靠性高的通信机，测量仪，计算机等工业用电子设备中。民用一般限于小型大容量特殊要求的部分电子设备中。这种电容器还不能集成化。

陶瓷电容器虽然静电电容范围较小，但是由于电子计算机，电视摄像机及汽车、钟表等机电一体化，特别是集成电路的发展，陶瓷电容器得到了很大的发展。陶瓷电容器的制造方法是将上面所提到的如二氧化钻、钻酸盐、钮酸盐、铬酸盐等原料，按一定配比制成电介质材料后，再将它加工成所需的形状和尺寸，烧结成陶瓷，然后在陶瓷的两面涂附金属电极，焊接引出端线，涂绝缘层。目前这种制造工序已有相当部分可以实行自动化生产。为了扩大陶瓷电容器的电容量范围，现已开发出了半导体陶瓷电容器，这种电容器开发成功可制造出适合晶体管低压电路所需的小型大容量陶瓷电容器，由于半导体陶瓷电容器扩大了陶瓷电容器的电容量，因而能够同有机薄膜电容器。固体钮电解电容器等相媲美，而且在价格上半导体陶瓷电容器较低，因而很有发展前途。半导体陶瓷电容器按其微观结构可分为阻挡层型、还原再氧化型、晶界型三种类型、这三种半导体陶瓷电容器中，第一种由于结构上绝缘性能不高，近年来，产量逐渐减少，后两种半导体陶瓷电容器，产量增加较快，还原再氧化型性能好，质量高、生产技术成

3.温度补偿电容器

主要用于高频振荡电路中作为补偿电容介质，在性能上要求具有稳定的电容温度系数和低的介质损耗。

4.热稳定型电容器陶瓷材料

（1）高频热稳定电容器陶瓷，其主要特点是介电常数的温度系数的绝对值很小，有的甚至接近于零。

（2）高介电常数电容器（新型电容器陶瓷材料）分为：高温烧结型（1300 以上）、中温烧结型（1000—1250 ）、低温烧结型（低于900 ）

（3）微波介电陶瓷，主要用于用作谐振器、滤波器、介质天线、介质导波回路等微波元器件。可用于移动通讯、卫星通讯和军用雷达等方面

评价微波介电陶瓷的主要技术参数是介电常数，品质因数Q和频率温度系数TCF。

用于微波频段的介质一般要满足如下4个要求：（1）高介电常数（2）低介质损耗（高Q）（3）温度膨胀系数小（4）低频率温度系数TCF

微波陶瓷材料的研究进展：

1）新材料系统相图的研究，晶体结构和微波介电性能的关系的研究，化合物形成的机理及动力学研究

2）材料掺杂改性技术的研究

3）材料制备工艺技术的研究

4）低烧材料的开发研究

5）工程化生产技术研究

6）器件结构的设计、性能的优化及测试技术的研究

7）器件多层片式化的技术

5.液晶是一类重要的电介质功能材料。液晶（liquid crystal）是一种特殊的液态晶体或者晶态液体，即液态和晶态的中间态。它既具有液体的易流动性，又具有晶体的某些各向异性特点。液晶本身是一种流体，但其中的分子取向表现

出某种规则排列。液晶分子为细长的棒状，这些分子具有电偶极距。由于液晶分子间的相互作用力很弱，故其排列规律很容易受到力学的，电学的，热学的和化学的影响；从而产生介电性质的变化并提供一定的技术应用。按照分子排列状态可以将液晶分为向列型，胆甾型，近晶型。

1963年，最先用胆舀相液晶成功地测定了物体表面的温度变化。将液晶涂在物体表面，表面的温度不同可以使液晶呈现不同颜色．一些胆舀相液晶化合物在1℃左右的温度变化范围内，就可显示从红到蓝整个区域内务种不同的颜色．1968年发现向列相液晶的透明薄层通电时出现混浊现象，接着发现许多新型电光效应．这使它可以方便地用于电子工业的显示器；例如计算机和电子手表等．这种显示器最重要的特点之一为所需功耗比已知的义它任何方法都小得多．近来，大屏幕液晶图像显示和电视显示日益引起注意．

液晶与生命现象有着紧密的关联，一些生物膜具有介晶态结构．将生物膜所特有的功能与液晶特性相结合，有可能探索生命科学的秘奥及生物液晶的特殊功能。