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Ingenierurkeramik II3. Ceramics II 3. Kondensatorwerkstoffe 1 Kondensatorwerkstoffe Typ I  r = 15 bis 500, Verlustfaktor tan  < 0.003 ist Temperaturkoeffizient.

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Präsentation zum Thema: "Ingenierurkeramik II3. Ceramics II 3. Kondensatorwerkstoffe 1 Kondensatorwerkstoffe Typ I  r = 15 bis 500, Verlustfaktor tan  < 0.003 ist Temperaturkoeffizient."—  Präsentation transkript:

1 Ingenierurkeramik II3. Ceramics II 3. Kondensatorwerkstoffe 1 Kondensatorwerkstoffe Typ I  r = 15 bis 500, Verlustfaktor tan  < ist Temperaturkoeffizient = 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  r = 2000 bis 20'000 tan  < 0.03 Eigenschaften hängen stärker von Temperatur, Feldstärke und Frequenz ab als bei TypI Dielektrika Ferroelektrika: Ba(Ti 1-y Zr y )O 3 ; Ba 1-x Sr x TiO 3 etc. Typ III leitfähige Phase im K orn; Dieelektrika in KG, → Dicke des Dielektrikums klein. Arbeitsbereich V. Wenn V>25 V: → Durchschlag. Einfache Strukturen und hohe Kapazitäten von über 1  F! Relaxor-Ferroelektrika

2 Ingenierurkeramik II3. Ceramics II 3. Kondensatorwerkstoffe 2 Typ I: Titandioxid TiO 2 (Rutil-Keramik), Steatit Magnesiumtitanat Porzellan Glimmer Al 2 O 3 Glas SiO 2

3 Ingenierurkeramik II3. Ceramics II 3. Kondensatorwerkstoffe 3 Typ II: Ferroelektrika BaTiO 3

4 Ingenierurkeramik II3. Ceramics II 3. Kondensatorwerkstoffe 4 Typ II: Ferroelektrika BaTiO 3 Verschiebung des Curiepunktes in Mischkristallreihen Ba 1-x Sr x TiO 3 rr Ba(Ti 1-y Zr y )O 3 rr

5 Ingenierurkeramik II3. Ceramics II 3. Kondensatorwerkstoffe 5 BaTiO 3 -SrTiO 3 -CaZrO 3

6 Ingenierurkeramik II3. Ceramics II 3. Kondensatorwerkstoffe 6 Korngrössenabhängigkeit von  r max. Massnahme zur Verbreiterung des Maximums im e r =f(T) Verhalten Kornwachstumskontrolle durch Sinterzusätze mit geringer Löslichkeit im Ferroelektrikum: Solute Drag!

7 Ingenierurkeramik II3. Ceramics II 3. Kondensatorwerkstoffe 7 Solute Drag zur Begrenzung des Kornwachstums Ts<1300°C BaTiO 3 +1mol%Fe 2 O 3 Ts>1300°C Löslichkeit von Fe 2 O 3 klein in BaTiO 3 Fe Anreicherung im Korngernzen-nahen Bereich KG Mobilität klein::::Körner klein Löslichkeit von Fe 2 O 3 wird grösser in BaTiO 3 Fe verteilt sich im Korn gleichmässiger KG Mobilität gross::::Körner werden grösser

8 Ingenierurkeramik II3. Ceramics II 3. Kondensatorwerkstoffe 8 90°-Domänen in grobkörnigem (Ba 0.8 Ca 0.2 ) TiO 3 KG   m: Domänen, er stark abhängig von der Temperatur KG  1  m: Ein Korn, eine Domäne, keine Zwillinge, fast kubische Kristallsymmetrie und paraelektrisch günstige Zwillinge in grossen Körnern mit 90° Zwillinge

9 Ingenierurkeramik II3. 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.

10 Ingenierurkeramik II3. Ceramics II 3. Kondensatorwerkstoffe 10 Zusätze Zusätze, die die Temperaturabhängigkeit der  r ausgleichen und das Kornwachstum hemmen: Fe 2 O 3, Ni 2 O 3, MgO, CeO 2, La 2 O 3. Zusätze, die den spezifischen Widerstand erhöhen (MgO, NiO). Zusätze, die die Durchschlagfestigkeit erhöhen (ZnO, Sb 2 O 3 )

11 Ingenierurkeramik II3. Ceramics II 3. Kondensatorwerkstoffe 11 Typ III-1 BaTiO 3 / SrTiO 3 mit Raumladungen und Sperrschichten. Elektrode Sperrschicht, hochohmig Kern, niederohmigohmig Elektrode Korninneres: Hohe Leitfähigkeit durch:Donatoren wie seltene Erdoxide (Dy 2 O 3, Nb 2 O 5, Ta 2 O 5 und Sb 2 O 5 ) oder durch eine Reduktion Akzeptoren wie CuO in den Korngrenzen: Netzwerke hochohmiger p-n-Übergänge: e r =100'000, (GBBL - Grain boundary barrier layer).

12 Ingenierurkeramik II3. Ceramics II 3. Kondensatorwerkstoffe 12 Typ III-2 BaTiO 3 / SrTiO 3 mit Raumladungen und Sperrschichten. R GB C GB RBRB CBCB

13 Ingenierurkeramik II3. Ceramics II 3. Kondensatorwerkstoffe 13 Qualitätskriterien C = f(T,U, ) (Die Kapazität und deren Abhängigkeit von Temperatur, Spannung und Frequenz) tan  = f(T,U, ) (Der Verlustfaktor und dessen Abhängigkeit von Temperatur, Spannung und Frequenz) R = f(T,U) bei  t= kurz (Der Isolationswiderstand und dessen Kurzzeitabhängigkeit von Temperatur und Spannung) R = f(T,U (~) ) (Isolationswiderstand bei Langzeitbelastung unter Wechselspannung und erhöhter Temperatur) U max (Durchschlagsspannung)  r = f(t) bei U=0 (Alterungsverhalten der Dielektrizitätszahl, ohne elektrisches Feld)

14 Ingenierurkeramik II3. Ceramics II 3. Kondensatorwerkstoffe 14 Die Alterung  r (t) = k · log(t/t 0 ) Verschiebung des Umwandlungspunktes nach einem Jahr.

15 Ingenierurkeramik II3. Ceramics II 3. Kondensatorwerkstoffe 15 Bauformen

16 Ingenierurkeramik II3. 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.


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