Độ bền điện môi của gốm sứ tiên tiến

Điện áp bền, còn được gọi là điện áp phá vỡ, là cường độ điện trường tối đa mà vật liệu có thể chịu đựng trước khi dẫn điện. Đơn vị của nó là kV/mm (hoặc MV/m), và nó rất quan trọng để đảm bảo độ tin cậy của vật liệu cách điện trong các ứng dụng điện tử, cao áp và nhiệt. Bài viết này thảo luận về các tính chất điện môi của các vật liệu gốm chính, nhựa và vật liệu cách điện, so sánh trực quan và đi sâu vào tầm quan trọng của chúng.

Đi đến

Điện áp bền là gì? | Điện áp bền | Liên hệ với chúng tôi | So sánh độ bền điện môi | Ứng dụng | FAQ | Sản phẩm liên quan

Điện môi

Điện áp bền là gì?

Điện môi bền là khả năng chịu được điện trường tối đa mà vật liệu có thể chịu đựng mà không bị phá vỡ điện. Trong chất rắn, khi có đủ năng lượng để ion hóa cấu trúc và cho phép dòng điện chạy qua, hiện tượng phá vỡ điện sẽ xảy ra. Điện môi bền cao là yếu tố quan trọng để ngăn chặn hồ quang điện, đảm bảo an toàn và tuổi thọ của thiết bị.

Tính chất của gốm sứ thường vượt trội hơn so với nhựa và thủy tinh, với độ bền điện môi từ 10-40 kV/mm, trong khi nhựa chỉ có 1-3 kV/mm.

Các lưu ý về an toànGốm sứ có thể xử lý trường điện tốt hơn, nhưng phải chọn loại gốm sứ có tính tương thích nhiệt và cơ học.

Tại sao nó được coi là chỉ số cốt lõi?

Những nhận định quan trọng

  • Đảm bảo an toàn cách điện

    Trong môi trường áp suất cao, tần số cao và chân không, độ bền điện môi không đủ có thể dẫn đến hiện tượng đánh thủng hoặc phóng điện hồ quang.

  • Kéo dài tuổi thọ sản phẩm

    Gốm sứ có độ bền điện môi cao có thể chịu được tải điện áp lớn hơn mà không làm tăng kích thước của linh kiện.

  • Tăng cường độ tin cậy của hệ thống

    Đặc biệt quan trọng trong các hệ thống hàng không vũ trụ và y tế, vì các sự cố điện môi nhỏ có thể dẫn đến sự cố hệ thống hoặc thậm chí là nguy cơ an toàn.

  • Gốm sứ với nhựa và chất lỏng:

    Độ bền điện môi của gốm sứ có độ tinh khiết cao (Al₂O₃, AlN, h-BN, BeO) nằm trong khoảng 15–40 kV/mm, tương đương hoặc vượt trội so với nhựa, và cao hơn nhiều so với các chất lỏng như dầu biến áp hoặc không khí.

  • Sự khác biệt về vật liệu:

    • Độ bền điện môi của gốm h-BN khoảng 40 kV/mm.
    • AlN và Al₂O₃ thường được sử dụng làm chất nền cách điện.
    • Mặc dù silicon carbide rất cứng, nhưng độ bền điện môi của nó rõ ràng thấp hơn, do đó không phù hợp để sử dụng làm vật liệu cách điện cao áp.

  • Vấn đề dị hướng:

    • h-BN thể hiện sự phá vỡ liên quan đến hướng: cường độ phá vỡ song song với trục c lên tới 12 MV/cm.

Độ bền điện môi của vật liệu gốm

Vật liệu gốm sứ Điện áp bền (kV/mm) Đặc điểm
Oxit beo (BeO) ~27 kV/mm Độ dẫn nhiệt xuất sắc và độ bền điện môi cao; được sử dụng trong các thiết bị điện tử công suất cao.
Nitrua nhôm (AlN) ~20 kV/mm Độ dẫn nhiệt cao, cách điện tốt; thích hợp cho lĩnh vực vi điện tử.
ZTA 20% 80 – 120 kV/mm Zirconia-toughened alumina, có độ bền gãy được tăng cường và tính chất điện môi vừa phải.
Silicon nitride (Si3N4) ~15 kilovolt/mm Có độ bền cơ học cao, khả năng chống sốc nhiệt tốt, có thể sử dụng trong môi trường có yêu cầu khắt khe.
Boron nitride (BN) 40 kilovolt/mm Độ ổn định nhiệt và cách điện điện tuyệt vời; thường được sử dụng trong các ứng dụng tần số vô tuyến và chân không.
Glass-ceramic (MGC) ~15 kilovolt/mm Dễ gia công, đồng thời duy trì cách điện; thích hợp cho thiết kế nguyên mẫu và hình dạng tùy chỉnh.
Silicon carbide (SiC) 2–10 kV/mm Độ cứng cao, độ dẫn nhiệt cao, nhưng độ bền điện môi hạn chế; được sử dụng trong các ứng dụng nhiệt độ cao.
Aluminium oxide (Al₂O₃, 96-99.71 TP3T) 17 kilovolt/mm Gốm kỹ thuật được sử dụng rộng rãi, có tính chất cơ học, nhiệt và điện cân bằng.
Zirconium oxide (ZrO₂) ~9 kilovolt/mm Độ bền và độ dẻo dai cao; độ bền điện môi thấp, nhưng được sử dụng trong các trường hợp yêu cầu độ dẻo dai cao.

*Dữ liệu chỉ mang tính tham khảo.

*Thông thường, tính chất điện môi sẽ giảm đáng kể khi nhiệt độ tăng lên.

Cần giúp đỡ để chọn gốm sứ phù hợp?

Việc lựa chọn vật liệu gốm sứ có độ bền cao phù hợp là yếu tố quan trọng để đảm bảo độ tin cậy lâu dài và hiệu suất tối ưu. Dù bạn cần gốm sứ dựa trên zirconia, silicon nitride hay alumina, vật liệu của chúng tôi đều cung cấp độ bền, độ bền và độ chính xác hàng đầu trong ngành.

Đội ngũ kỹ thuật của chúng tôi luôn sẵn sàng hỗ trợ bạn – hãy liên hệ với chúng tôi ngay lập tức, chúng tôi sẽ cung cấp cho bạn những lời khuyên chuyên nghiệp và tùy chỉnh theo nhu cầu cụ thể của bạn.

So sánh độ bền điện môi

Dưới đây là biểu đồ so sánh độ bền điện môi của gốm sứ tiên tiến với nhựa và vật liệu cách điện thông thường.

Gốm sứ
Nhựa
Chất cách nhiệt/Không khí

*Dữ liệu chỉ mang tính tham khảo.

Ứng dụng dựa trên độ bền điện môi của gốm sứ

  • Chất liệu: Nhôm oxit (Al₂O₃), Điện áp cách điện: 10–15 kV/mm
  • Ứng dụng: Công tắc ngắt chân không cao áp, cách điện trạm biến áp, vòng cách điện
  • Nghiên cứu trường hợp: Trong dự án truyền tải điện siêu cao áp 500kV, các bộ cách điện nhôm oxit tinh khiết 99.5% hoạt động đáng tin cậy trong khoảng nhiệt độ từ -40°C đến 250°C mà không xảy ra hiện tượng phá vỡ môi trường.
  • Ưu điểm: Độ bền điện môi cao, tính ổn định nhiệt tốt, khả năng chống lão hóa xuất sắc.

  • Vật liệu: Nitrua nhôm (AlN), Điện áp bền: 12–15 kV/mm, Hệ số dẫn nhiệt: 170–200 W/m·K
  • Ứng dụng: Mô-đun tần số vô tuyến, gói bán dẫn công suất, thiết bị truyền thông 5G
  • Phân tích trường hợp: Trong bộ khuếch đại công suất trạm gốc 5G, chất nền AlN thay thế cho nhôm oxit, giúp tăng cường đáng kể khả năng tản nhiệt và độ tin cậy điện môi, hỗ trợ công suất phát tần số vô tuyến ổn định lên đến 120W.
  • Ưu điểm: Độ bền điện môi cao, hằng số điện môi tần số cao thấp, độ dẫn nhiệt cao.

  • Chất liệu: Zirconia ổn định (ZrO₂), Điện môi: 8–12 kV/mm
  • Ứng dụng: Vỏ ống tia X trong máy quét CT, cấu trúc cách ly cảm biến.
  • Nghiên cứu trường hợp: Hệ thống CT cao cấp sử dụng vỏ gốm zirconia làm ống tia X, loại bỏ vấn đề phóng điện hồ quang của vỏ kim loại, nâng cao độ ổn định hình ảnh và tuổi thọ sử dụng.
  • Ưu điểm: Độ cách điện tốt, độ bền cơ học cao, độ chính xác gia công cao.

  • Vật liệu: Nitrua silic (Si₃N₄) hoặc cacbua silic (SiC); Độ bền điện môi: lần lượt là ~15 kV/mm và 20–30 kV/mm.
  • Ứng dụng: Cách điện ống dẫn sóng vi ba trong hệ thống thông tin liên lạc hàng không vũ trụ
  • Nghiên cứu trường hợp: Ống dẫn sóng vi ba của trạm mặt đất sử dụng gốm silicon carbide ép nóng làm cấu trúc cách điện để ngăn chặn mất tín hiệu do sự phá vỡ điện trường.
  • Ưu điểm: Độ bền điện môi cao, chống sốc nhiệt, chống ăn mòn plasma.

  • Chất liệu: Gốm thủy tinh có thể gia công (MGC)
  • Ứng dụng: Vỏ tụ điện tĩnh, đế cảm biến điện dung
  • Nghiên cứu trường hợp: Trong hệ thống điện hàng không vũ trụ, tụ điện mini sử dụng MGC làm vỏ cách điện có thể chịu được điện áp cao khi hoạt động trong khoảng nhiệt độ từ -200°C đến 800°C.
  • Ưu điểm: Độ bền điện môi cực cao, dễ gia công, độ giãn nở nhiệt cực thấp.

Gốm sứ có độ bền điện môi cao

Gốm silicon nitride - Vật liệu gốm tiên tiến - Gốm Zhihao

Gốm silicon nitride

Gốm silicon carbide - Vật liệu gốm tiên tiến - Gốm Zhihao

Gốm silicon carbide

Gốm sứ nhôm oxit - Vật liệu gốm sứ tiên tiến - Gốm sứ Zhihao

Gốm sứ nhôm oxit

Gốm zirconia - Vật liệu gốm tiên tiến - Gốm Zhihao

Gốm sứ zirconia

Câu hỏi thường gặp (FAQ)

Điện áp của nitrua bo (h-BN) lên đến 40 kV/mm, có thể sánh ngang hoặc thậm chí vượt trội so với các loại nhựa cao cấp hoặc chất lỏng cách điện.

Ngăn chặn sự phá vỡ cách điện và ngắn mạch. Cường độ càng cao, độ dày cách điện cần thiết càng nhỏ, từ đó tiết kiệm không gian và chi phí.

SiC có tính chất bán dẫn trong môi trường điện trường cao, mặc dù có độ bền cơ học, nhưng không phù hợp cho các ứng dụng cách điện thuần túy.

Độ dày, tạp chất, nhiệt độ, độ ẩm và hình dạng điện cực sẽ ảnh hưởng đến giá trị phá vỡ thực tế.