Диэлектрическая прочность усовершенствованной керамики

Диэлектрическая прочность, также известная как напряжение пробоя, - это максимальное электрическое поле, которое может выдержать материал, прежде чем он станет проводящим. Измеряемая в кВ/мм (или МВ/м), она имеет решающее значение для обеспечения надежности изоляторов в электронных, высоковольтных и тепловых приложениях. В этой статье рассматриваются диэлектрические характеристики основных керамических материалов наряду с пластмассами и изоляционными материалами, приводится визуальное сравнение, а также объясняется, почему это важно.

Передовая керамика - Электрические свойства - Диэлектрическая прочность

Что такое диэлектрическая прочность?

Диэлектрическая прочность представляет собой максимальное электрическое поле, которое материал выдерживает без электрического пробоя. В твердых телах пробой происходит, когда достаточная энергия ионизирует структуру, позволяя протекать току. Высокая диэлектрическая прочность жизненно важна для предотвращения электрической дуги, обеспечения безопасности и долговечности устройств.

Керамика часто превосходит пластик и стекло, обеспечивая диэлектрическую прочность в диапазоне 10-40 кВ/мм по сравнению с пластиком (1-3 кВ/мм).

Указание по технике безопасности: Керамика лучше справляется с электрическими полями, но должна быть подобрана с учетом термической и механической совместимости.

Почему он является основным показателем?

  • Обеспечивает безопасность изоляции

    В высоковольтных, высокочастотных и вакуумных средах недостаточная диэлектрическая прочность может привести к пробою или дуговому разряду.

  • Продлевает срок службы изделий

    Керамика с высокой диэлектрической прочностью выдерживает большие нагрузки по напряжению без увеличения размеров компонентов.

  • Повышает надежность системы

    Особенно это важно для аэрокосмических и медицинских систем, где незначительный отказ диэлектрика может привести к сбоям в работе системы или даже к угрозе безопасности.

Основные сведения

  • Керамика против пластика и жидкостей:

    Высокочистая керамика (Al₂O₃, AlN, h-BN, BeO) демонстрирует диэлектрическую прочность в диапазоне 15-40 кВ/мм - сравнимую или превосходящую пластики и значительно превышающую такие жидкости, как трансформаторное масло или воздух.

  • Материальные различия:

    • h-BN ведет керамику с пробивной способностью ~40 кВ/мм.
    • В качестве изолирующих подложек обычно используются AlN и Al₂O₃.
    • SiC, несмотря на свою твердость, обладает значительно меньшей диэлектрической прочностью и не является идеальным материалом для высоковольтной изоляции.
  • Анизотропия имеет значение:

    • h-BN демонстрирует пробой, зависящий от ориентации: до 12 МВ/см параллельно оси c

Диэлектрическая прочность керамических материалов

Керамический материал Диэлектрическая прочность (кВ/мм) Характеристики
Оксид бериллия (BeO) ~27 кВ/мм Исключительная теплопроводность и высокая диэлектрическая прочность; используется в мощной электронике.
Нитрид алюминия (AlN) ~20 кВ/мм Высокая теплопроводность и отличная электроизоляция; идеально подходит для микроэлектроники.
ZTA 20% 80 – 120 Циркониевый упрочненный глинозем с повышенной вязкостью разрушения и умеренными диэлектрическими свойствами.
Нитрид кремния (Si3N4) ~15 кВ/мм Высокая механическая прочность и устойчивость к тепловым ударам; используется в сложных условиях.
Нитрид бора (BN) 40 кВ/мм Отличная термостабильность и электроизоляция; часто используется в радиочастотных и вакуумных приложениях.
Обрабатываемая стеклокерамика (MGC) ~15 кВ/мм Легко поддается механической обработке с сохранением электрической изоляции; подходит для изготовления прототипов и нестандартных форм.
Карбид кремния (SiC) 2-10 кВ/мм Высокая твердость и теплопроводность, но ограниченная диэлектрическая прочность; используется в высокотемпературных приложениях.
Глинозем (Al2O3, 96-99,7%) 17 кВ/мм Широко используемая техническая керамика со сбалансированными механическими, термическими и электрическими свойствами.
Цирконий (ZrO2) ~9 кВ/мм Высокая прочность и вязкость разрушения; более низкая диэлектрическая прочность, но используется там, где вязкость играет ключевую роль.

*Данные приведены только для справки.

*Обычно диэлектрические свойства значительно ухудшаются при повышении температуры.

Нужна помощь в выборе подходящей керамики?

Выбор правильного керамического материала с высокой диэлектрической проницаемостью имеет решающее значение для достижения долгосрочной надежности и оптимальных электрических характеристик. Независимо от того, требуется ли для вашей задачи оксид бериллия, нитрид алюминия или алюмооксидная керамика, наша передовая керамика обеспечивает лучшие в отрасли характеристики и долговечность.

Наша опытная техническая команда готова предоставить экспертное, индивидуальное руководство, основанное на ваших уникальных требованиях к конструкции и производительности - свяжитесь с нами прямо сейчас.

Сравнение диэлектрической проницаемости

Ниже приведена гистограмма, сравнивающая диэлектрическую прочность передовой керамики с пластиками и обычными изоляторами.

Керамика
Пластик
Изоляция Жидкость/воздух

*Данные приведены только для справки.

Области применения на основе керамической диэлектрической проницаемости

  • Материал: Глинозем (Al₂O₃), диэлектрическая прочность: 10-15 кВ/мм
  • Области применения: Высоковольтные вакуумные выключатели, изоляторы для подстанций, изоляционные кольца
  • Пример из практики: В проекте передачи сверхвысокого напряжения 500 кВ изоляторы из чистого глинозема 99,5% надежно работали в диапазоне от -40°C до 250°C без диэлектрического пробоя.
  • Преимущества: Высокая диэлектрическая прочность, термическая стабильность, отличная устойчивость к старению
  • Материал: Нитрид алюминия (AlN), диэлектрическая прочность: 12-15 кВ/мм, теплопроводность: 170-200 Вт/м-К
  • Области применения: Радиочастотные модули, упаковка силовых полупроводников, оборудование связи 5G
  • Пример из практики: В усилителе мощности базовой станции 5G подложки из AlN заменили глинозем, что позволило значительно улучшить теплоотвод и надежность диэлектрика, обеспечив стабильную мощность РЧ-излучения до 120 Вт.
  • Преимущества: Высокая диэлектрическая прочность, низкая диэлектрическая проницаемость на высоких частотах, высокая теплопроводность
  • Материал: Стабилизированный диоксид циркония (ZrO₂), диэлектрическая прочность: 8-12 кВ/мм
  • Области применения: Корпуса рентгеновских трубок в компьютерных томографах, изоляционные конструкции детекторов
  • Пример из практики: В высокотехнологичной системе компьютерной томографии для рентгеновских трубок использовались корпуса из циркониевой керамики, что позволило устранить проблемы дугового разряда, возникающие при использовании металлических корпусов, и повысить стабильность изображения и срок службы.
  • Преимущества: Отличная электроизоляция, высокая механическая прочность, возможность точной обработки
  • Материал: Нитрид кремния (Si₃N₄) или карбид кремния (SiC); диэлектрическая прочность: ~15 кВ/мм и 20-30 кВ/мм соответственно.
  • Применение: Изоляция микроволновых волноводов в аэрокосмических системах связи
  • Пример из практики: В волноводе наземной станции СВЧ в качестве изолирующей структуры использовалась горячепрессованная керамика SiC, предотвращающая потерю сигнала из-за пробоя электрического поля.
  • Преимущества: Высокая диэлектрическая прочность, устойчивость к тепловым ударам, устойчивость к плазменной коррозии
  • Материал: Обрабатываемая стеклокерамика (MGC)
  • Области применения: Корпуса электростатических конденсаторов, основания емкостных датчиков
  • Пример из практики: В аэрокосмической электротехнической системе миниатюрные конденсаторы, в изоляционном корпусе которых используется MGC, выдерживали высокие напряжения при работе от -200°C до 800°C.
  • Преимущества: Чрезвычайно высокая диэлектрическая прочность, простота обработки, сверхнизкое тепловое расширение

Сопутствующая керамика с высокой диэлектрической проницаемостью

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Нитрид бора (h-BN) достигает до 40 кВ/мм, превосходя по этому показателю высокоэффективные пластики или изоляционные жидкости

Предотвращает пробой изоляции и короткие замыкания. Более высокая прочность = меньшая толщина изоляции, экономия места и средств.

SiC является полупроводником при высоких полях, что делает его непригодным для чисто изоляционных применений, несмотря на механическую прочность.

Толщина, примеси, температура, влажность и геометрия электрода влияют на реальные значения пробоя.