高压瓷介电容器脉冲开裂失效问题及材料选择

罗捷宇,高秀华,翟宇,冯丽娜

(成都宏明电子股份有限公司,四川 成都 610100)

高压瓷介电容器具有旁路、耦合、滤波功能,在核工业、航空航天等领域多应用于特殊电力系统,如脉冲、激光、短路系统等[1],这些系统对高压瓷介电容器可靠性有极高要求。目前,国内高压瓷介电容器的介质材料主要为BaTiO3系和SrTiO3系两类,BaTiO3系陶瓷介电常数比SrTiO3系陶瓷高,从轻型化考虑,高压瓷介电容器厂家往往优先选用BaTiO3系陶瓷材料,但在实际使用时,采用BaTiO3系材料制备的高压瓷介电容器在多次高压脉冲条件下极易发生脉冲开裂现象。

针对高压瓷介电容器开裂失效问题,薛泉林[2]在介绍高压瓷介电容应用新动向时指出BaTiO3损耗大,存在电致伸缩效应,不适用于高压脉冲电路,但未对开裂失效机理进行深入研究。顾玉艳[3]研究了BaTiO3基电容器铁电性能,发现钙钛矿结构陶瓷在居里温度以上处于顺电相,无自发极化;居里温度以下处于铁电相,产生自发极化;自发极化是陶瓷产生电致伸缩效应(压电性)的直接原因。肖飞等进一步研究了BaTiO3基陶瓷电致伸缩效应,发现随着自发极化的发生,为了降低由此而增加的自由能(包括静电能以及弹性能),陶瓷内部会产生很多自发极化方向彼此不同的小区域,每一个自发极化相同的小区域就称为电畴。铁电材料的压电性能明显,极化强度与外电场之间存在滞后性质,当电场建立时,电畴会随电场作用发生偏转,畴壁运动使材料产生形变,表现出电致伸缩效应[3]。通过研究报道,可以看出材料的微观特性决定了高压瓷介电容的可靠性。但不同材料的高压瓷介电容器微观特性缺乏直观对比,对于应用于脉冲功率的高压瓷介电容器材料选择也缺少理论指导。因此,有必要深入研究不同材料的瓷介电容器的微观特性,为脉冲电路用瓷介电容器的选型提供理论依据。

本文对市面上常见的瓷介电容器(Y5P、2B4 组瓷料制得)进行了脉冲耐电压测试和晶体组成、介电性能、铁电性能研究,从材料的微观特性方面分析高压瓷介电容器脉冲开裂失效原因,为脉冲条件下的瓷介电容器材料选择提供理论参考。

1 实验

目前高压瓷介电容器使用最为广泛的两种温度特性瓷介原料为: Y5P、2B4 瓷料,其分别为BaTiO3和SrTiO3系陶瓷原料。采用干压和包封环氧工艺制得高压瓷介电容器成品,成品结构如图1 所示,生产流程如图2 所示。Y5P、2B4 瓷料由成都精瓷电子有限公司提供,成型设备为YH20 型成型机,采用马弗炉烧结Y5P、2B4 瓷料,两种瓷料烧结温度均在1270 ℃左右。采用脉冲发生装置对成品进行脉冲耐压试验,被测电容器两端承受的脉冲电压峰峰值不小于12 kV,第一峰底宽不小于50 ns,脉冲工作频率不大于10 次/min,脉冲次数不小于10000 次,记录试验前后电容器外观变化。

图1 瓷介电容器结构图Fig.1 Structure diagram of ceramic capacitor

图2 生产流程图Fig.2 Production flow chart

采用上述干压成型工艺,将两种瓷料制作为直径10 mm,厚度0.7 mm 的瓷体样品。使用德国布鲁克D8 Advance 型衍射仪(XRD)分析瓷料和瓷体的晶体结构;使用JMS-6700F 型扫描电子显微镜(SEM)观察脉冲耐压试验前后瓷体样品的微观形貌;将瓷体被银后,使用多频LCR 测量仪(Anilent)测试材料在不同温度和频率下的介电特性;使用LC2735A 型准静态d33压电测试仪测试电容器的压电常数;采用铁电测试系统(TF analyzer 2000)测试材料的电滞回线。

2 结果与讨论

2.1 脉冲耐压试验结果

随着脉冲次数和强度的增加,瓷料组别为Y5P 的高压瓷介电容器电容量出现明显下降,内部陶瓷体出现开裂现象,如图3 所示,断裂面呈现螺旋状。而瓷料组别为2B4 的高压瓷介电容器在同样脉冲次数和强度下没有出现开裂现象。发生失效的产品介质材料属于BaTiO3系陶瓷,根据测试电路可知产品实际承受了不断反向的交变电场,且电场变化频率达到50 ns,该频率超过了BaTiO3自发极化响应时间。观察开裂的产品,均能看到环状纹路,部分开裂产品可见环状中心有黑点。黑点经过抛磨后确定为非击穿点,应为杂质在烧结后形成。说明产品在正反变化的电场下产生了应力,应力累积导致陶瓷开裂。这种电能转化为机械能的现象符合逆压电效应,因此需进一步分析材料的微观压电机理、介电和铁电性能。

图3 脉冲耐压失效现象Fig.3 Impulse withstand voltage failure

2.2 晶相分析

图4(a)则是Y5P、2B4 瓷料烧结后制成的瓷体XRD 图谱,图4(b)是45°衍射峰的放大图。通过XRD结果分析,可以看出Y5P 瓷料烧结后的瓷体主晶相为空间点群P4mm 的四方钙钛矿相结构,四方相为铁电相,放大后在45°的衍射峰中明显有双峰现象(四方相特征)[4]。2B4 瓷料烧结后的主晶相为空间点群Pm-3m 的立方钙钛矿相结构,立方相对称性比四方相更好[4],为顺电相。钙钛矿结构中的Ti 离子占据氧八面体中心位置,顺电相正负电荷中心重合,无自发极化;铁电相Ti 离子偏离中心位置,正负电荷中心偏离,因而产生自发极化[5]。

图4 (a)Y5P、2B4 瓷料烧结成瓷体后的XRD图谱;(b)45°衍射峰放大图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 微观形貌

图5 是Y5P、2B4 瓷体样品在脉冲耐压试验前后的表面SEM 图,其中图5(c)是Y5P 瓷体击穿失效后的表面SEM 图,可以看出,脉冲耐压试验后,Y5P 瓷体样品有明显裂痕,应是受内应力产生的韧性断裂[6]。

图5 脉冲耐压试验前(a)Y5P 瓷体和(b)2B4 瓷体微观形貌图;脉冲耐压试验后(c)Y5P 瓷体和(d)2B4 瓷体微观形貌图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 介电性能

高压瓷介电容对温度和频率较为敏感,当温度与频率变化导致电容量过低时,不利于脉冲系统的稳定性。在不同温度和频率下的介电常数及损耗变化是考察高压瓷介电容重要的指标之一。图6 是Y5P、2B4 瓷料烧结后的瓷体样品在不同频率和温度下的介电常数和介质损耗角正切值变化图。从图中可以明显看出,两种陶瓷在低温和高温下介电常数较小,损耗角正切值则随温度的升高而下降,但在20～85 ℃范围内变化不超过20%,满足一般电器使用要求。Y5P 组别的BaTiO3系瓷体在100℃左右有介电常数最高峰,即该种陶瓷的居里温度在100 ℃左右;其介质损耗角正切值在低温下较2B4 组别的SrTiO3系瓷体更小,在常温到120 ℃介质损耗角正切值两者较接近。2B4 组别的SrTiO3系瓷体在-15 ℃左右有介电常数最高峰,即该种陶瓷的居里温度在-15 ℃左右。因此,在常温下,BaTiO3系瓷体为铁电体,SrTiO3系瓷体为顺电体,这与上述XRD 结果一致。

图6 Y5P 制备的瓷体在不同频率和温度下的(a)介电常数和(b)损耗角正切值;2B4 制备的瓷体在不同频率和温度下的(c)介电常数和(d)损耗角正切值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 耐电压

表1 为相同厚度、直径、被银面积的Y5P 和2B4瓷体样品直流耐电压测试结果。从表中可以看出,Y5P 和2B4 瓷料烧结后的瓷体耐压强度值相近,相同脉冲耐压试验条件下,Y5P 瓷体开裂失效并非是介质耐压强度不同导致的。

表1 样品的耐电压Tab.1 Withstand voltage of sample

2.6 压电性能

表2 为样品的压电系数d33在极化后的值,从表中可以看出,在相同极化条件下,SrTiO3系瓷体的压电系数明显小于BaTiO3系瓷体,这在一定程度上说明陶瓷的压电性能与瓷料成分有必然联系,BaTiO3系陶瓷晶体结构对称性较差,易产生自发极化;SrTiO3系陶瓷晶体结构对称性较好,不易产生自发极化。BaTiO3系陶瓷的压电性能明显高于SrTiO3系陶瓷,因此,在外加电场下BaTiO3系陶瓷极易发生形变。

表2 样品的压电系数d33Tab.2 Piezoelectric coefficient d33 of sample

2.7 铁电性能

图7 为样品的电滞回线图。极化强度与电场成线性关系,当电场强度增加到一定值后,趋于极化饱和状态,图7(a,b)两图都有较大的饱和极化强度Pmax,但当电场消失后,Y5P 瓷料制备的瓷体剩余极化强度Pr(与Y轴交点)很高,导致放电过程中绝大部分能量被吸收用于畴运动,即电畴会随电场作用发生偏转。畴壁运动使材料产生形变,表现出较强的电致伸缩效应(压电性)[7]。在不断反向的电场下,且电场变化速度高于极化响应时间(自发极化响应时间一般在10-6～10-2s)[8],内部电畴为对抗电场偏转会承受不断变化的内应力,应力累积易造成开裂失效现象[9]。而2B4瓷料制备的瓷体在维持高饱和极化强度的同时兼顾高储能密度(Wrec)和高能量效率(能量损耗Wloss小),且电场反向时,剩余极化强度不高,畴壁转动不会发生较大变化[10],因而2B4 瓷料制备的瓷体更适合于脉冲功率应用。

图7 (a)Y5P 和(b)2B4 制备的瓷体样品电滞回线图Fig.7 Ferroelectric hysteresis loops of porcelain prepared by(a)Y5P and(b)2B4

3 结论

本文从微观特性方面对不同的高压瓷介电容器进行了脉冲开裂失效分析,通过对材料的晶相、微观形貌、介电性能、压电性能、铁电性能研究,发现Y5P 瓷料制备的BaTiO3系陶瓷,其居里温度为100 ℃,高于室温,为铁电体。该BaTiO3系陶瓷铁电和压电性能较好,在不断反向的脉冲外加电场下,内部电畴为对抗电场偏转会承受不断变化的内应力,易产生断裂现象。而2B4 瓷料制备的SrTiO3系陶瓷,居里温度在-15 ℃,低于室温,为顺电体,铁电和压电性能较差,外加电场下不易产生较大形变,更适合于脉冲功率应用。