先进陶瓷的介电强度

介电强度，也称为击穿电压，是指材料在导电前能够承受的最大电场强度。其单位为 kV/mm（或 MV/m），对于确保电子、高压和热应用中绝缘体的可靠性至关重要。本文探讨了主要陶瓷材料、塑料和绝缘级材料的介电性能，并进行了直观的比较，并深入探讨了其重要性。

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介电强度

什么是介电强度？

介电强度表示材料在不发生电击穿的情况下所能承受的最大电场。在固体中，当足够的能量使结构电离并允许电流流动时，就会发生击穿。高介电强度对于防止电弧、确保设备安全和使用寿命至关重要。

陶瓷的性能通常优于塑料和玻璃，其介电强度为 10-40 kV/mm，而塑料为 1-3 kV/mm

安全注意事项：陶瓷可以更好地处理电场，但必须选择具有热和机械兼容性的陶瓷。

为什么说它是核心指标呢？

关键见解

  • 确保绝缘安全

    在高压、高频和真空环境中，介电强度不足会导致击穿或电弧放电。

  • 延长产品寿命

    高介电强度陶瓷可以承受更大的电压负载，而不会增加组件尺寸。

  • 增强系统可靠性

    在航空航天和医疗系统中尤其重要，因为轻微的介电故障可能会导致系统崩溃甚至安全隐患。

  • 陶瓷与塑料和液体：

    高纯度陶瓷（Al₂O₃、AlN、h-BN、BeO）的介电强度在 15–40 kV/mm 范围内，与塑料相当或优于塑料，远高于变压器油或空气等液体。

  • 材料差异：

    • h-BN 陶瓷的击穿强度约为 40 kV/mm。
    • AlN和Al₂O₃通常用作绝缘基板。
    • 碳化硅虽然坚硬，但介电强度明显较低，并不适合用作高压绝缘材料。

  • 各向异性问题：

    • h-BN 表现出取向相关的击穿：平行于 c 轴的击穿强度高达 12 MV/cm

陶瓷材料的介电强度

陶瓷材料 介电强度 (kV/mm) 特征
氧化铍（BeO） ~27千伏/毫米 优异的导热性和高介电强度；用于高功率电子设备。
氮化铝（AlN） ~20千伏/毫米 导热性高，电绝缘性优良；适用于微电子领域。
ZTA 20% 80 – 120千伏/毫米 氧化锆增韧氧化铝，具有增强的断裂韧性和适中的介电性能。
氮化硅（Si3N4） ~15千伏/毫米 机械强度高，抗热震性好，可用于要求苛刻的环境。
氮化硼（BN） 40千伏/毫米 优异的热稳定性和电绝缘性；常用于射频和真空应用。
可加工玻璃陶瓷（MGC） ~15千伏/毫米 易于加工，同时保持电绝缘；适用于原型设计和定制形状。
碳化硅（SiC） 2–10千伏/毫米 硬度高、热导率高，但介电强度有限；用于高温应用。
氧化铝（Al2O3，96-99.7%） 17千伏/毫米 广泛使用的技术陶瓷，具有均衡的机械、热和电性能。
氧化锆（ZrO2） ~9千伏/毫米 强度和断裂韧性高；介电强度较低，但用于韧性至关重要的场合。

*数据仅供参考。

*通常，介电性能会随着温度的升高而显著下降。

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选择合适的高强度陶瓷材料对于确保长期可靠性和最佳性能至关重要。无论您需要氧化锆、氮化硅还是氧化铝基陶瓷，我们的材料都能提供业界领先的强度、耐用性和精度。

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介电强度比较

下面是先进陶瓷与塑料和普通绝缘体的介电强度比较条形图。

Ceramic
Plastic
Insulation Fluid/Air

*数据仅供参考。

基于陶瓷介电强度的应用

  • 材质：氧化铝（Al₂O₃），介电强度：10–15 kV/mm
  • 应用：高压真空断路器、变电站绝缘子、绝缘环
  • 案例研究：在500kV特高压输电项目中，99.5%纯氧化铝绝缘子在-40°C至250°C之间可靠运行，没有发生介质击穿。
  • 优点：介电强度高、热稳定性好、耐老化性能优良

  • 材料：氮化铝（AlN），介电强度：12–15 kV/mm，热导率：170–200 W/m·K
  • 应用：射频模块、功率半导体封装、5G通信设备
  • 案例分析：在5G基站功率放大器中，AlN衬底取代氧化铝，显著增强了散热和介电可靠性，支持高达120W的稳定射频输出。
  • 优点：介电强度高、高频介电常数低、热导率高

  • 材质：稳定氧化锆（ZrO₂），介电强度：8–12 kV/mm
  • 应用：CT扫描仪中的X射线管外壳、探测器隔离结构
  • 案例研究：高端CT系统采用氧化锆陶瓷外壳作为X射线管，消除了金属外壳的电弧放电问题，提高了图像稳定性和使用寿命。
  • 优点：电气绝缘性能优良、机械强度高、加工精度高

  • 材料：氮化硅 (Si₃N₄) 或碳化硅 (SiC)；介电强度：分别为 ~15 kV/mm 和 20–30 kV/mm
  • 应用：航空航天通信系统中的微波波导绝缘
  • 案例研究：地面站的微波波导采用热压碳化硅陶瓷作为绝缘结构，防止因电场击穿而造成的信号损失。
  • 优点：介电强度高、抗热冲击、抗等离子腐蚀

  • 材质：可加工玻璃陶瓷（MGC）
  • 应用：静电电容器外壳、电容式传感器底座
  • 案例研究：在航空航天电气系统中，使用 MGC 作为绝缘外壳的微型电容器在 -200°C 至 800°C 的温度下工作时可承受高电压。
  • 优点：极高的介电强度、易于加工、超低热膨胀

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常见问题 (FAQ)

氮化硼 (h-BN) 的电压高达 40 kV/mm，可与高性能塑料或绝缘液体相媲美甚至超越

防止绝缘击穿和短路。强度越高，所需绝缘厚度越小，从而节省空间和成本。

SiC 在高场下具有半导体特性，尽管具有机械强度，但不适合纯绝缘应用。

厚度、杂质、温度、湿度和电极几何形状会影响实际的击穿值。