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Kondensatorwerkstoffe

Kondensatorwerkstoffe. Typ I e r = 15 bis 500, Verlustfaktor tan d < 0.003 ist Temperaturkoeffizient = 10 -4 und 2×10 -3 K -1 = geringe Abhängigkeit von T. SiO 2 ; Al 2 O 3 ; TiO 2 einfache Oxide und „zusammengesetzte“ Oxide 2SiO 2 ·3Al 2 O 3 Typ II e r = 2000 bis 20'000 tan d < 0.03

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Kondensatorwerkstoffe

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Presentation Transcript

  1. Kondensatorwerkstoffe Typ I er= 15 bis 500,Verlustfaktor tand < 0.003 ist Temperaturkoeffizient = 10-4 und 2×10-3 K-1 = geringe Abhängigkeit von T. SiO2; Al2O3; TiO2 einfache Oxide und „zusammengesetzte“ Oxide 2SiO2·3Al2O3 Typ II er =2000 bis 20'000 tand < 0.03 Eigenschaften hängen stärker von Temperatur, Feldstärke und Frequenz ab als bei TypI Dielektrika Ferroelektrika: Ba(Ti1-yZry)O3; Ba1-xSrxTiO3 etc. Typ III leitfähige Phase im K orn; Dieelektrika in KG, → Dicke des Dielektrikums klein. Arbeitsbereich 2 - 25 V. Wenn V>25 V: →Durchschlag. Einfache Strukturen und hohe Kapazitäten von über 1m F! Relaxor-Ferroelektrika 3. Ceramics II 3. Kondensatorwerkstoffe

  2. Typ I: Titandioxid TiO2 (Rutil-Keramik), SteatitMagnesiumtitanatPorzellanGlimmer Al2O3Glas SiO2 3. Ceramics II 3. Kondensatorwerkstoffe

  3. Typ II: Ferroelektrika BaTiO3 3. Ceramics II 3. Kondensatorwerkstoffe

  4. Ba(Ti1-yZry)O3 Ba1-xSrxTiO3 er er Typ II: Ferroelektrika BaTiO3 Verschiebung des Curiepunktes in Mischkristallreihen 3. Ceramics II 3. Kondensatorwerkstoffe

  5. BaTiO3-SrTiO3-CaZrO3 3. Ceramics II 3. Kondensatorwerkstoffe

  6. Korngrössenabhängigkeit von er max. Massnahme zur Verbreiterung des Maximums im er=f(T) Verhalten Kornwachstumskontrolle durch Sinterzusätze mit geringer Löslichkeit im Ferroelektrikum: Solute Drag! 3. Ceramics II 3. Kondensatorwerkstoffe

  7. Solute Drag zur Begrenzung des Kornwachstums BaTiO3+1mol%Fe2O3 Ts<1300°C Ts>1300°C Löslichkeit von Fe2O3 klein in BaTiO3 Fe Anreicherung im Korngernzen-nahen Bereich KG Mobilität klein::::Körner klein Löslichkeit von Fe2O3 wirdgrösser in BaTiO3 Fe verteilt sich im Korn gleichmässiger KG Mobilität gross::::Körner werden grösser 3. Ceramics II 3. Kondensatorwerkstoffe

  8. 90°-Domänen in grobkörnigem (Ba0.8Ca0.2) TiO3 günstige Zwillinge in grossen Körnern mit 90° Zwillinge KG  50 -100 mm: Domänen, er stark abhängig von der Temperatur KG  1mm: Ein Korn, eine Domäne, keine Zwillinge, fast kubische Kristallsymmetrie und paraelektrisch 3. Ceramics II 3. Kondensatorwerkstoffe

  9. Stabilisation der Polarisation durch Raumladungen in KG • Fixierte Ladungen in den Korngrenzen (Raumladungen) können mit den Dipolmomenten wechselwirken. Die Polarisierung wird stabilisiert; die Ferroelektrika werden „steifer“. • Phasenumwandlungen werden verzögert oder unterdrückt • Hystereseverluste werden verringert • die eingeprägte Polung der Keramik wird gefestigt. 3. Ceramics II 3. Kondensatorwerkstoffe

  10. Zusätze • Zusätze, die die Temperaturabhängigkeit der er ausgleichen und das Kornwachstum hemmen: Fe2O3, Ni2O3, MgO, CeO2, La2O3. • Zusätze, die den spezifischen Widerstand erhöhen (MgO, NiO). • Zusätze, die die Durchschlagfestigkeit erhöhen (ZnO, Sb2O3) 3. Ceramics II 3. Kondensatorwerkstoffe

  11. Typ III-1 BaTiO3 / SrTiO3 mit Raumladungen und Sperrschichten. Elektrode Sperrschicht, hochohmig Kern, niederohmigohmig Elektrode Korninneres: Hohe Leitfähigkeit durch:Donatoren wie seltene Erdoxide (Dy2O3, Nb2O5, Ta2O5 und Sb2O5) oder durch eine Reduktion Akzeptoren wie CuO in den Korngrenzen: Netzwerke hochohmiger p-n-Übergänge: er=100'000, (GBBL - Grain boundary barrier layer). 3. Ceramics II 3. Kondensatorwerkstoffe

  12. RGB RB CGB CB Typ III-2 BaTiO3 / SrTiO3 mit Raumladungen und Sperrschichten. 3. Ceramics II 3. Kondensatorwerkstoffe

  13. Qualitätskriterien • C = f(T,U,)(Die Kapazität und deren Abhängigkeit von Temperatur, Spannung und Frequenz) • tand = f(T,U,)(Der Verlustfaktor und dessen Abhängigkeit von Temperatur, Spannung und Frequenz) • R = f(T,U) bei Dt= kurz(Der Isolationswiderstand und dessen Kurzzeitabhängigkeit von Temperatur und Spannung) • R = f(T,U(~))(Isolationswiderstand bei Langzeitbelastung unter Wechselspannung und erhöhter Temperatur) • Umax (Durchschlagsspannung) • er = f(t) bei U=0(Alterungsverhalten der Dielektrizitätszahl, ohne elektrisches Feld) 3. Ceramics II 3. Kondensatorwerkstoffe

  14. Die Alterung er (t) = k· log(t/t0) Verschiebung des Umwandlungspunktes nach einem Jahr. 3. Ceramics II 3. Kondensatorwerkstoffe

  15. Bauformen 3. Ceramics II 3. Kondensatorwerkstoffe

  16. Zusammenfassung Keramische Dielektrika vom Typ I haben niedrige Dielektrizitätszahlen von 15 bis 150. Sie weisen eine sehr gute Temperaturkonstanz auf und zeigen kleine dielektrische Verluste. Dielektrika vom Typ II sind ferroelektrische Keramiken mit hohen Dielektrizitätszahlen von 2’000 bis 20'000. Sie haben eine merkliche Temperaturabhängigkeit und höhere Verluste. Typ III Kondensatoren beruhen auf dünnen Korngrenzsperrschichten mit ferroelektrischen Keramiken. Die Sperrschichten werden durch Dotierungen hergestellt. 3. Ceramics II 3. Kondensatorwerkstoffe

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