ค่าความแข็งแรงไดอิเล็กทริกของเซรามิกขั้นสูง

ความแข็งแรงไดอิเล็กทริก หรือที่รู้จักกันในชื่อแรงดันไฟฟ้าที่เกิดการแตกตัว หมายถึง ความเข้มของสนามไฟฟ้าสูงสุดที่วัสดุสามารถทนได้ก่อนที่จะนำไฟฟ้า โดยวัดเป็น kV/mm (หรือ MV/m) ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการรับประกันความน่าเชื่อถือของฉนวนในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ แอปพลิเคชันแรงดันสูง และงานด้านความร้อน บทความนี้จะวิเคราะห์คุณสมบัติไดอิเล็กทริกของวัสดุเซรามิกสำคัญ พลาสติก และวัสดุเกรดฉนวน พร้อมนำเสนอการเปรียบเทียบที่เข้าใจง่ายและเจาะลึกถึงความสำคัญของคุณสมบัติเหล่านี้

ข้ามไปที่

ความแข็งแรงของไดอิเล็กทริกคืออะไร? | เครื่องทดสอบความแข็งแรงไดอิเล็กทริก | ติดต่อเรา | ความแข็งแรงไดอิเล็กทริกเปรียบเทียบ | การสมัคร | FAQ | สินค้าที่เกี่ยวข้อง

ความแข็งแรงไดอิเล็กทริก

ความแข็งแรงของไดอิเล็กทริกคืออะไร?

ความแข็งแรงไดอิเล็กทริกหมายถึงค่าสนามไฟฟ้าสูงสุดที่วัสดุสามารถทนได้โดยไม่เกิดการแตกตัวทางไฟฟ้า ในของแข็ง การแตกตัวเกิดขึ้นเมื่อพลังงานเพียงพอที่จะทำให้โครงสร้างเกิดไอออนและอนุญาตให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้ ความแข็งแรงไดอิเล็กทริกสูงมีความสำคัญอย่างยิ่งในการป้องกันการเกิดอาร์กไฟ การรับประกันความปลอดภัยของอุปกรณ์ และการยืดอายุการใช้งาน

คุณสมบัติของเซรามิกโดยทั่วไปเหนือกว่าพลาสติกและแก้ว โดยมีค่าความแข็งแรงทางไดอิเล็กทริกอยู่ที่ 10–40 กิโลโวลต์ต่อมิลลิเมตร ในขณะที่พลาสติกมีความแข็งแรงทางไดอิเล็กทริกอยู่ที่ 1–3 กิโลโวลต์ต่อมิลลิเมตร

ข้อควรระวังด้านความปลอดภัยเซรามิกสามารถรับมือกับสนามไฟฟ้าได้ดีกว่า แต่การเลือกเซรามิกที่มีความเข้ากันได้ทางความร้อนและกลไกเป็นสิ่งจำเป็น

ทำไมจึงถือว่าเป็นตัวชี้วัดหลัก?

ข้อมูลเชิงลึกที่สำคัญ

  • ตรวจสอบความปลอดภัยของฉนวน

    ในสภาพแวดล้อมที่มีแรงดันสูง ความถี่สูง และสุญญากาศ ความแข็งแรงของตัวกลางไฟฟ้าที่ไม่เพียงพออาจทำให้เกิดการแตกตัวหรือการอาร์คได้

  • ยืดอายุการใช้งานของผลิตภัณฑ์

    เซรามิกที่มีความแข็งแรงไดอิเล็กทริกสูงสามารถทนต่อแรงดันไฟฟ้าได้มากขึ้นโดยไม่เพิ่มขนาดของชิ้นส่วน

  • การเพิ่มความน่าเชื่อถือของระบบ

    มีความสำคัญอย่างยิ่งในระบบอวกาศและทางการแพทย์ เนื่องจากข้อบกพร่องทางไดอิเล็กทริกเพียงเล็กน้อยอาจนำไปสู่ความล้มเหลวของระบบหรือแม้กระทั่งอันตรายต่อความปลอดภัย

  • เซรามิกกับพลาสติกและของเหลว:

    ค่าความแข็งแรงทางไดอิเล็กทริกของเซรามิกส์ที่มีความบริสุทธิ์สูง (Al₂O₃, AlN, h-BN, BeO) มีช่วงตั้งแต่ 15 ถึง 40 กิโลโวลต์ต่อมิลลิเมตร ซึ่งเทียบเท่าหรือสูงกว่าพลาสติก และสูงกว่าของเหลว เช่น น้ำมันหม้อแปลงหรืออากาศ อย่างมีนัยสำคัญ

  • ความแตกต่างที่สำคัญ:

    • ค่าความแข็งแรงต่อการแตกของเซรามิก h-BN อยู่ที่ประมาณ 40 กิโลโวลต์ต่อมิลลิเมตร
    • AlN และ Al₂O₃ ถูกนำมาใช้เป็นวัสดุฐานฉนวนกันไฟฟ้าอย่างแพร่หลาย
    • แม้ว่าซิลิคอนคาร์ไบด์จะมีความแข็งเป็นพิเศษ แต่ความแข็งแรงทางไดอิเล็กทริกของมันต่ำมาก ทำให้ไม่เหมาะสำหรับใช้เป็นวัสดุฉนวนไฟฟ้าแรงสูง

  • ปัญหาแบบไม่เป็นเนื้อเดียวกัน:

    • h-BN แสดงการแตกตัวที่ขึ้นอยู่กับการเรียงตัว: ความแข็งแรงในการแตกตัวสูงถึง 12 MV/cm สามารถทำได้เมื่อวางขนานกับแกน c

ค่าความแข็งแรงไดอิเล็กทริกของวัสดุเซรามิก

วัสดุเซรามิก ค่าความแข็งแรงของไดอิเล็กทริก (กิโลโวลต์ต่อมิลลิเมตร) ลักษณะ
ออกไซด์ของเบริลเลียม (BeO) ประมาณ 27 กิโลโวลต์ต่อมิลลิเมตร การนำความร้อนที่ยอดเยี่ยมและความแข็งแรงทางไดอิเล็กทริกสูง เหมาะสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังสูง
อะลูมิเนียมไนไตรด์ (AlN) ประมาณ 20 กิโลโวลต์ต่อมิลลิเมตร มีค่าการนำความร้อนสูงและฉนวนไฟฟ้าที่ยอดเยี่ยม เหมาะสำหรับการใช้งานในไมโครอิเล็กทรอนิกส์
ZTA 20% 80–120 กิโลโวลต์ต่อมิลลิเมตร อะลูมินาที่เสริมความแข็งแรงด้วยเซอร์โคเนียแสดงค่าความเหนียวต่อการแตกหักที่เพิ่มขึ้นและสมบัติไดอิเล็กทริกในระดับปานกลาง
ซิลิคอนไนไตรด์ (Si₃N₄) ประมาณ 15 กิโลโวลต์ต่อมิลลิเมตร มีความแข็งแรงทางกลสูงและทนต่อแรงกระแทกจากความร้อนได้ดีเยี่ยม เหมาะสำหรับสภาพแวดล้อมที่ต้องการความทนทานสูง
บอร์อน ไนไตรด์ (BN) 40 กิโลโวลต์ต่อมิลลิเมตร มีคุณสมบัติความเสถียรทางความร้อนและฉนวนไฟฟ้าที่ยอดเยี่ยม; มักใช้ในงานความถี่วิทยุและสุญญากาศ
เซรามิกแก้วที่สามารถตัดได้ (MGC) ประมาณ 15 กิโลโวลต์ต่อมิลลิเมตร ง่ายต่อการขึ้นรูปด้วยเครื่องจักรในขณะที่ยังคงคุณสมบัติฉนวนไฟฟ้า เหมาะสำหรับการทำต้นแบบและรูปทรงตามสั่ง
ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) 2–10 กิโลโวลต์ต่อมิลลิเมตร ความแข็งและความนำความร้อนสูง แต่มีความแข็งแรงทางไดอิเล็กทริกจำกัด เหมาะสำหรับการใช้งานในอุณหภูมิสูง
ออกไซด์ของอะลูมิเนียม (Al₂O₃, ความบริสุทธิ์ 96–99.71%) 17 กิโลโวลต์ต่อมิลลิเมตร เซรามิกทางเทคนิคที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย แสดงคุณสมบัติทางกล ความร้อน และไฟฟ้าที่สมดุลอย่างดี
เซอร์โคเนียมออกไซด์ (ZrO₂) ประมาณ 9 กิโลโวลต์ต่อมิลลิเมตร ความแข็งแรงสูงและความเหนียวต่อการแตกหักสูง; ความแข็งแรงไดอิเล็กทริกค่อนข้างต่ำ แต่ถูกนำมาใช้ในงานที่ต้องการความเหนียวเป็นพิเศษ

*ข้อมูลนี้ใช้เพื่อการอ้างอิงเท่านั้น

*โดยทั่วไปแล้ว คุณสมบัติทางไดอิเล็กทริกจะเสื่อมลงอย่างมีนัยสำคัญเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น

ต้องการความช่วยเหลือในการเลือกเซรามิกที่เหมาะสมหรือไม่?

การเลือกวัสดุเซรามิกที่มีความแข็งแรงสูงที่เหมาะสมเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งในการรับประกันความน่าเชื่อถือในระยะยาวและประสิทธิภาพที่ดีที่สุด ไม่ว่าคุณจะต้องการเซรามิกที่มีฐานเป็นเซอร์โคเนีย ซิลิคอนไนไตรด์ หรืออะลูมินา วัสดุของเรามอบความแข็งแรง ความทนทาน และความแม่นยำที่เป็นผู้นำในอุตสาหกรรม

ทีมเทคนิคของเราพร้อมให้ความช่วยเหลือคุณ – กรุณาติดต่อเราทันที และเราจะให้คำแนะนำที่มืออาชีพและปรับแต่งตามความต้องการเฉพาะของคุณ

ความแข็งแรงไดอิเล็กทริกเปรียบเทียบ

ด้านล่างนี้คือแผนภูมิแท่งที่เปรียบเทียบความแข็งแรงทางไดอิเล็กทริกของเซรามิกขั้นสูงกับพลาสติกและฉนวนแบบดั้งเดิม

เซรามิก
พลาสติก
ของเหลวฉนวน/อากาศ

*ข้อมูลนี้ใช้เพื่อการอ้างอิงเท่านั้น

การประยุกต์ใช้งานโดยอาศัยความแข็งแรงของตัวเก็บประจุเซรามิก

  • วัสดุ: ออกไซด์ของอะลูมิเนียม (Al₂O₃) ความแข็งแรงของไดอิเล็กทริก: 10–15 กิโลโวลต์/มิลลิเมตร
  • การใช้งาน: เบรกเกอร์สูญญากาศแรงดันสูง, ฉนวนสถานีไฟฟ้าย่อย, วงแหวนฉนวน
  • กรณีศึกษา: ในโครงการส่งไฟฟ้าแรงสูงพิเศษ 500kV ฉนวนอะลูมินาบริสุทธิ์ 99.5% ทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือระหว่างอุณหภูมิ -40°C ถึง 250°C โดยไม่เกิดการแตกตัวทางไดอิเล็กทริก
  • ข้อดี: ความแข็งแรงไดอิเล็กทริกสูง, ความเสถียรทางความร้อนยอดเยี่ยม, ความต้านทานการเสื่อมสภาพเหนือกว่า

  • วัสดุ: ไนไตรด์อะลูมิเนียม (AlN) ความแข็งแรงของไดอิเล็กทริก: 12–15 kV/mm ความนำความร้อน: 170–200 W/m·K
  • การใช้งาน: โมดูล RF, การบรรจุเซมิคอนดักเตอร์กำลัง, อุปกรณ์สื่อสาร 5G
  • กรณีศึกษา: ในเครื่องขยายกำลังสัญญาณฐานสถานี 5G การแทนที่แผ่นฐานอลูมิเนียมออกไซด์ด้วยแผ่นฐานอลูมิเนียมไนไตรด์ช่วยเพิ่มการกระจายความร้อนและความน่าเชื่อถือของไดอิเล็กทริกได้อย่างมีนัยสำคัญ ทำให้สามารถส่งออกสัญญาณ RF ได้อย่างเสถียรสูงสุดถึง 120W
  • ข้อดี: ความแข็งแรงไดอิเล็กทริกสูง ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกที่ความถี่สูงต่ำ การนำความร้อนสูง

  • วัสดุ: เซอร์โคเนียที่เสถียร (ZrO₂), ความแข็งแรงทางไดอิเล็กทริก: 8–12 กิโลโวลต์/มิลลิเมตร
  • การใช้งาน: ตัวเรือนหลอดเอกซเรย์ในเครื่องสแกน CT, โครงสร้างแยกตัวตรวจจับ
  • กรณีศึกษา: ระบบ CT ระดับไฮเอนด์ใช้ตัวเรือนเซรามิกเซอร์โคเนียสำหรับหลอดเอกซเรย์ ซึ่งช่วยขจัดปัญหาการเกิดอาร์คที่มักเกิดขึ้นกับตัวเรือนโลหะ พร้อมทั้งเพิ่มความเสถียรของภาพและยืดอายุการใช้งาน
  • ข้อดี: คุณสมบัติการฉนวนไฟฟ้าที่ยอดเยี่ยม, ความแข็งแรงทางกลสูง, ความแม่นยำในการกลึงสูง

  • วัสดุ: ซิลิคอนไนไตรด์ (Si₃N₄) หรือซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC); ความแข็งแรงทางไดอิเล็กทริก: ~15 กิโลโวลต์/มิลลิเมตร และ 20–30 กิโลโวลต์/มิลลิเมตร ตามลำดับ
  • การใช้งาน: ฉนวนนำคลื่นไมโครเวฟในระบบสื่อสารทางอวกาศ
  • กรณีศึกษา: หัวต่อไมโครเวฟของสถานีภาคพื้นดินใช้เซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์ที่ผ่านการอัดร้อนเป็นโครงสร้างฉนวนเพื่อป้องกันการสูญเสียสัญญาณที่เกิดจากการแตกตัวทางไฟฟ้า
  • ข้อดี: ความแข็งแรงทางไดอิเล็กทริกสูง, ความต้านทานต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็ว, และความต้านทานต่อการกัดกร่อนจากพลาสมา

  • วัสดุ: เซรามิกแก้วที่สามารถกลึงได้ (MGC)
  • การใช้งาน: ตัวเรือนตัวเก็บประจุไฟฟ้าสถิต, ฐานเซ็นเซอร์แบบเก็บประจุ
  • กรณีศึกษา: ในระบบไฟฟ้าอากาศยาน ตัวเก็บประจุขนาดเล็กที่ใช้ MGC เป็นวัสดุฉนวนสามารถทนต่อแรงดันไฟฟ้าสูงเมื่อทำงานในช่วงอุณหภูมิ -200°C ถึง 800°C
  • ข้อดี: ความแข็งแรงไดอิเล็กทริกสูงเป็นพิเศษ, การแปรรูปได้ง่าย, การขยายตัวทางความร้อนต่ำมาก

เซรามิกที่มีความแข็งแรงไดอิเล็กทริกสูงที่เกี่ยวข้อง

เซรามิกซิลิคอนไนไตรด์ - วัสดุเซรามิกขั้นสูง - Zhihao Ceramics

เซรามิกซิลิคอนไนไตรด์

เซรามิกคาร์ไบด์ซิลิคอน - วัสดุเซรามิกขั้นสูง - Zhihao Ceramics

เซรามิกคาร์ไบด์ซิลิคอน

อะลูมินาเซรามิกส์ - วัสดุเซรามิกขั้นสูง - Zhihao Ceramics

เซรามิกออกไซด์อะลูมิเนียม

เซรามิกเซอร์โคเนีย - วัสดุเซรามิกขั้นสูง - Zhihao Ceramics

เซรามิกเซอร์โคเนีย

คำถามที่พบบ่อย (FAQ)

ไนไตรด์บอรอน (h-BN) แสดงค่าความแข็งแรงทางไดอิเล็กทริกสูงถึง 40 กิโลโวลต์ต่อมิลลิเมตร ซึ่งสามารถเทียบเคียงหรือแม้กระทั่งเหนือกว่าพลาสติกประสิทธิภาพสูงหรือของเหลวฉนวนไฟฟ้า

ป้องกันการเสื่อมสภาพของฉนวนและการลัดวงจร ยิ่งมีความแข็งแรงสูง ความหนาของฉนวนยิ่งน้อยลง ซึ่งช่วยประหยัดพื้นที่และค่าใช้จ่าย

SiC แสดงสมบัติของสารกึ่งตัวนำภายใต้สนามไฟฟ้าสูง; แม้ว่าจะมีคุณสมบัติทางกลที่ดี แต่ก็ไม่เหมาะสำหรับการใช้งานที่เป็นฉนวนอย่างสมบูรณ์

ความหนา, สิ่งเจือปน, อุณหภูมิ, ความชื้น, และรูปทรงของขั้วไฟฟ้าอาจส่งผลต่อแรงดันไฟฟ้าที่เกิดการแตกตัวจริง