高壓瓷介電容器脈沖開裂失效問題及材料選擇

羅捷宇,高秀華,翟宇,馮麗娜

(成都宏明電子股份有限公司,四川 成都 610100)

高壓瓷介電容器具有旁路、耦合、濾波功能,在核工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域多應(yīng)用于特殊電力系統(tǒng),如脈沖、激光、短路系統(tǒng)等[1],這些系統(tǒng)對(duì)高壓瓷介電容器可靠性有極高要求。目前,國內(nèi)高壓瓷介電容器的介質(zhì)材料主要為BaTiO3系和SrTiO3系兩類,BaTiO3系陶瓷介電常數(shù)比SrTiO3系陶瓷高,從輕型化考慮,高壓瓷介電容器廠家往往優(yōu)先選用BaTiO3系陶瓷材料,但在實(shí)際使用時(shí),采用BaTiO3系材料制備的高壓瓷介電容器在多次高壓脈沖條件下極易發(fā)生脈沖開裂現(xiàn)象。

針對(duì)高壓瓷介電容器開裂失效問題,薛泉林[2]在介紹高壓瓷介電容應(yīng)用新動(dòng)向時(shí)指出BaTiO3損耗大,存在電致伸縮效應(yīng),不適用于高壓脈沖電路,但未對(duì)開裂失效機(jī)理進(jìn)行深入研究。顧玉艷[3]研究了BaTiO3基電容器鐵電性能,發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)陶瓷在居里溫度以上處于順電相,無自發(fā)極化;居里溫度以下處于鐵電相,產(chǎn)生自發(fā)極化;自發(fā)極化是陶瓷產(chǎn)生電致伸縮效應(yīng)(壓電性)的直接原因。肖飛等進(jìn)一步研究了BaTiO3基陶瓷電致伸縮效應(yīng),發(fā)現(xiàn)隨著自發(fā)極化的發(fā)生,為了降低由此而增加的自由能(包括靜電能以及彈性能),陶瓷內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生很多自發(fā)極化方向彼此不同的小區(qū)域,每一個(gè)自發(fā)極化相同的小區(qū)域就稱為電疇。鐵電材料的壓電性能明顯,極化強(qiáng)度與外電場(chǎng)之間存在滯后性質(zhì),當(dāng)電場(chǎng)建立時(shí),電疇會(huì)隨電場(chǎng)作用發(fā)生偏轉(zhuǎn),疇壁運(yùn)動(dòng)使材料產(chǎn)生形變,表現(xiàn)出電致伸縮效應(yīng)[3]。通過研究報(bào)道,可以看出材料的微觀特性決定了高壓瓷介電容的可靠性。但不同材料的高壓瓷介電容器微觀特性缺乏直觀對(duì)比,對(duì)于應(yīng)用于脈沖功率的高壓瓷介電容器材料選擇也缺少理論指導(dǎo)。因此,有必要深入研究不同材料的瓷介電容器的微觀特性,為脈沖電路用瓷介電容器的選型提供理論依據(jù)。

本文對(duì)市面上常見的瓷介電容器(Y5P、2B4 組瓷料制得)進(jìn)行了脈沖耐電壓測(cè)試和晶體組成、介電性能、鐵電性能研究,從材料的微觀特性方面分析高壓瓷介電容器脈沖開裂失效原因,為脈沖條件下的瓷介電容器材料選擇提供理論參考。

1 實(shí)驗(yàn)

目前高壓瓷介電容器使用最為廣泛的兩種溫度特性瓷介原料為: Y5P、2B4 瓷料,其分別為BaTiO3和SrTiO3系陶瓷原料。采用干壓和包封環(huán)氧工藝制得高壓瓷介電容器成品,成品結(jié)構(gòu)如圖1 所示,生產(chǎn)流程如圖2 所示。Y5P、2B4 瓷料由成都精瓷電子有限公司提供,成型設(shè)備為YH20 型成型機(jī),采用馬弗爐燒結(jié)Y5P、2B4 瓷料,兩種瓷料燒結(jié)溫度均在1270 ℃左右。采用脈沖發(fā)生裝置對(duì)成品進(jìn)行脈沖耐壓試驗(yàn),被測(cè)電容器兩端承受的脈沖電壓峰峰值不小于12 kV,第一峰底寬不小于50 ns,脈沖工作頻率不大于10 次/min,脈沖次數(shù)不小于10000 次,記錄試驗(yàn)前后電容器外觀變化。

圖1 瓷介電容器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of ceramic capacitor

圖2 生產(chǎn)流程圖Fig.2 Production flow chart

采用上述干壓成型工藝,將兩種瓷料制作為直徑10 mm,厚度0.7 mm 的瓷體樣品。使用德國布魯克D8 Advance 型衍射儀(XRD)分析瓷料和瓷體的晶體結(jié)構(gòu);使用JMS-6700F 型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察脈沖耐壓試驗(yàn)前后瓷體樣品的微觀形貌;將瓷體被銀后,使用多頻LCR 測(cè)量儀(Anilent)測(cè)試材料在不同溫度和頻率下的介電特性;使用LC2735A 型準(zhǔn)靜態(tài)d33壓電測(cè)試儀測(cè)試電容器的壓電常數(shù);采用鐵電測(cè)試系統(tǒng)(TF analyzer 2000)測(cè)試材料的電滯回線。

2 結(jié)果與討論

2.1 脈沖耐壓試驗(yàn)結(jié)果

隨著脈沖次數(shù)和強(qiáng)度的增加,瓷料組別為Y5P 的高壓瓷介電容器電容量出現(xiàn)明顯下降,內(nèi)部陶瓷體出現(xiàn)開裂現(xiàn)象,如圖3 所示,斷裂面呈現(xiàn)螺旋狀。而瓷料組別為2B4 的高壓瓷介電容器在同樣脈沖次數(shù)和強(qiáng)度下沒有出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。發(fā)生失效的產(chǎn)品介質(zhì)材料屬于BaTiO3系陶瓷,根據(jù)測(cè)試電路可知產(chǎn)品實(shí)際承受了不斷反向的交變電場(chǎng),且電場(chǎng)變化頻率達(dá)到50 ns,該頻率超過了BaTiO3自發(fā)極化響應(yīng)時(shí)間。觀察開裂的產(chǎn)品,均能看到環(huán)狀紋路,部分開裂產(chǎn)品可見環(huán)狀中心有黑點(diǎn)。黑點(diǎn)經(jīng)過拋磨后確定為非擊穿點(diǎn),應(yīng)為雜質(zhì)在燒結(jié)后形成。說明產(chǎn)品在正反變化的電場(chǎng)下產(chǎn)生了應(yīng)力,應(yīng)力累積導(dǎo)致陶瓷開裂。這種電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的現(xiàn)象符合逆壓電效應(yīng),因此需進(jìn)一步分析材料的微觀壓電機(jī)理、介電和鐵電性能。

圖3 脈沖耐壓失效現(xiàn)象Fig.3 Impulse withstand voltage failure

2.2 晶相分析

圖4(a)則是Y5P、2B4 瓷料燒結(jié)后制成的瓷體XRD 圖譜,圖4(b)是45°衍射峰的放大圖。通過XRD結(jié)果分析,可以看出Y5P 瓷料燒結(jié)后的瓷體主晶相為空間點(diǎn)群P4mm 的四方鈣鈦礦相結(jié)構(gòu),四方相為鐵電相,放大后在45°的衍射峰中明顯有雙峰現(xiàn)象(四方相特征)[4]。2B4 瓷料燒結(jié)后的主晶相為空間點(diǎn)群Pm-3m 的立方鈣鈦礦相結(jié)構(gòu),立方相對(duì)稱性比四方相更好[4],為順電相。鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中的Ti 離子占據(jù)氧八面體中心位置,順電相正負(fù)電荷中心重合,無自發(fā)極化;鐵電相Ti 離子偏離中心位置,正負(fù)電荷中心偏離,因而產(chǎn)生自發(fā)極化[5]。

圖4 (a)Y5P、2B4 瓷料燒結(jié)成瓷體后的XRD圖譜;(b)45°衍射峰放大圖Fig.4 (a)The X-ray diffraction patterns of Y5P and 2B4 ceramic materials of sintered porcelain;(b) Enlarged view of 45° diffraction peak

2.3 微觀形貌

圖5 是Y5P、2B4 瓷體樣品在脈沖耐壓試驗(yàn)前后的表面SEM 圖,其中圖5(c)是Y5P 瓷體擊穿失效后的表面SEM 圖,可以看出,脈沖耐壓試驗(yàn)后,Y5P 瓷體樣品有明顯裂痕,應(yīng)是受內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的韌性斷裂[6]。

圖5 脈沖耐壓試驗(yàn)前(a)Y5P 瓷體和(b)2B4 瓷體微觀形貌圖;脈沖耐壓試驗(yàn)后(c)Y5P 瓷體和(d)2B4 瓷體微觀形貌圖Fig.5 Fracture morphology of (a) Y5P porcelain and (b) 2B4 porcelain before pulse withstand voltage test;fracture morphology of (c) Y5P porcelain and (d) 2B4 porcelain after pulse withstand voltage test

2.4 介電性能

高壓瓷介電容對(duì)溫度和頻率較為敏感,當(dāng)溫度與頻率變化導(dǎo)致電容量過低時(shí),不利于脈沖系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在不同溫度和頻率下的介電常數(shù)及損耗變化是考察高壓瓷介電容重要的指標(biāo)之一。圖6 是Y5P、2B4 瓷料燒結(jié)后的瓷體樣品在不同頻率和溫度下的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切值變化圖。從圖中可以明顯看出,兩種陶瓷在低溫和高溫下介電常數(shù)較小,損耗角正切值則隨溫度的升高而下降,但在20～85 ℃范圍內(nèi)變化不超過20%,滿足一般電器使用要求。Y5P 組別的BaTiO3系瓷體在100℃左右有介電常數(shù)最高峰,即該種陶瓷的居里溫度在100 ℃左右;其介質(zhì)損耗角正切值在低溫下較2B4 組別的SrTiO3系瓷體更小,在常溫到120 ℃介質(zhì)損耗角正切值兩者較接近。2B4 組別的SrTiO3系瓷體在-15 ℃左右有介電常數(shù)最高峰,即該種陶瓷的居里溫度在-15 ℃左右。因此,在常溫下,BaTiO3系瓷體為鐵電體,SrTiO3系瓷體為順電體,這與上述XRD 結(jié)果一致。

圖6 Y5P 制備的瓷體在不同頻率和溫度下的(a)介電常數(shù)和(b)損耗角正切值;2B4 制備的瓷體在不同頻率和溫度下的(c)介電常數(shù)和(d)損耗角正切值Fig.6 (a) Dielectric constant and (b) loss angular tangent of porcelain prepared by Y5P at different frequencies and temperatures;(c) Dielectric constant and (d) loss angular tangent of porcelain prepared by 2B4 at different frequencies and temperatures

2.5 耐電壓

表1 為相同厚度、直徑、被銀面積的Y5P 和2B4瓷體樣品直流耐電壓測(cè)試結(jié)果。從表中可以看出,Y5P 和2B4 瓷料燒結(jié)后的瓷體耐壓強(qiáng)度值相近,相同脈沖耐壓試驗(yàn)條件下,Y5P 瓷體開裂失效并非是介質(zhì)耐壓強(qiáng)度不同導(dǎo)致的。

表1 樣品的耐電壓Tab.1 Withstand voltage of sample

2.6 壓電性能

表2 為樣品的壓電系數(shù)d33在極化后的值,從表中可以看出,在相同極化條件下,SrTiO3系瓷體的壓電系數(shù)明顯小于BaTiO3系瓷體,這在一定程度上說明陶瓷的壓電性能與瓷料成分有必然聯(lián)系,BaTiO3系陶瓷晶體結(jié)構(gòu)對(duì)稱性較差,易產(chǎn)生自發(fā)極化;SrTiO3系陶瓷晶體結(jié)構(gòu)對(duì)稱性較好,不易產(chǎn)生自發(fā)極化。BaTiO3系陶瓷的壓電性能明顯高于SrTiO3系陶瓷,因此,在外加電場(chǎng)下BaTiO3系陶瓷極易發(fā)生形變。

表2 樣品的壓電系數(shù)d33Tab.2 Piezoelectric coefficient d33 of sample

2.7 鐵電性能

圖7 為樣品的電滯回線圖。極化強(qiáng)度與電場(chǎng)成線性關(guān)系,當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度增加到一定值后,趨于極化飽和狀態(tài),圖7(a,b)兩圖都有較大的飽和極化強(qiáng)度Pmax,但當(dāng)電場(chǎng)消失后,Y5P 瓷料制備的瓷體剩余極化強(qiáng)度Pr(與Y軸交點(diǎn))很高,導(dǎo)致放電過程中絕大部分能量被吸收用于疇運(yùn)動(dòng),即電疇會(huì)隨電場(chǎng)作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)。疇壁運(yùn)動(dòng)使材料產(chǎn)生形變,表現(xiàn)出較強(qiáng)的電致伸縮效應(yīng)(壓電性)[7]。在不斷反向的電場(chǎng)下,且電場(chǎng)變化速度高于極化響應(yīng)時(shí)間(自發(fā)極化響應(yīng)時(shí)間一般在10-6～10-2s)[8],內(nèi)部電疇為對(duì)抗電場(chǎng)偏轉(zhuǎn)會(huì)承受不斷變化的內(nèi)應(yīng)力,應(yīng)力累積易造成開裂失效現(xiàn)象[9]。而2B4瓷料制備的瓷體在維持高飽和極化強(qiáng)度的同時(shí)兼顧高儲(chǔ)能密度(Wrec)和高能量效率(能量損耗Wloss小),且電場(chǎng)反向時(shí),剩余極化強(qiáng)度不高,疇壁轉(zhuǎn)動(dòng)不會(huì)發(fā)生較大變化[10],因而2B4 瓷料制備的瓷體更適合于脈沖功率應(yīng)用。

圖7 (a)Y5P 和(b)2B4 制備的瓷體樣品電滯回線圖Fig.7 Ferroelectric hysteresis loops of porcelain prepared by(a)Y5P and(b)2B4

3 結(jié)論

本文從微觀特性方面對(duì)不同的高壓瓷介電容器進(jìn)行了脈沖開裂失效分析,通過對(duì)材料的晶相、微觀形貌、介電性能、壓電性能、鐵電性能研究,發(fā)現(xiàn)Y5P 瓷料制備的BaTiO3系陶瓷,其居里溫度為100 ℃,高于室溫,為鐵電體。該BaTiO3系陶瓷鐵電和壓電性能較好,在不斷反向的脈沖外加電場(chǎng)下,內(nèi)部電疇為對(duì)抗電場(chǎng)偏轉(zhuǎn)會(huì)承受不斷變化的內(nèi)應(yīng)力,易產(chǎn)生斷裂現(xiàn)象。而2B4 瓷料制備的SrTiO3系陶瓷,居里溫度在-15 ℃,低于室溫,為順電體,鐵電和壓電性能較差,外加電場(chǎng)下不易產(chǎn)生較大形變,更適合于脈沖功率應(yīng)用。