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 1 m F! Relaxor-Ferroelektrika Ingenierurkeramik II 3. Ceramics II 3. Kondensatorwerkstoffe

3. Kondensatorwerkstoffe Typ I: Titandioxid TiO2 (Rutil-Keramik), Steatit Magnesiumtitanat Porzellan Glimmer Al2O3 Glas SiO2 Ingenierurkeramik II 3. Ceramics II 3. Kondensatorwerkstoffe

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

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

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

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

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 wird grösser in BaTiO3 Fe verteilt sich im Korn gleichmässiger KG Mobilität gross::::Körner werden grösser Ingenierurkeramik II 3. Ceramics II 3. Kondensatorwerkstoffe

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 Ingenierurkeramik II 3. Ceramics II 3. Kondensatorwerkstoffe

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. Ingenierurkeramik II 3. Ceramics II 3. Kondensatorwerkstoffe

3. Kondensatorwerkstoffe 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) Ingenierurkeramik II 3. Ceramics II 3. Kondensatorwerkstoffe

3. Kondensatorwerkstoffe 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). Ingenierurkeramik II 3. Ceramics II 3. Kondensatorwerkstoffe

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

3. Kondensatorwerkstoffe 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) Ingenierurkeramik II 3. Ceramics II 3. Kondensatorwerkstoffe

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

3. Kondensatorwerkstoffe Bauformen Ingenierurkeramik II 3. Ceramics II 3. Kondensatorwerkstoffe

3. Kondensatorwerkstoffe 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. Ingenierurkeramik II 3. Ceramics II 3. Kondensatorwerkstoffe