無機(jī)材料的介電性能

1、6.1 概論,電介質(zhì)：在電場作用下，能建立極化的一切物質(zhì)。通常是指電阻率大于1010cm的一類在電場中以感應(yīng)而并非傳導(dǎo)的方式呈現(xiàn)其電學(xué)性能的物質(zhì)。 陶瓷電介質(zhì)的主要應(yīng)用：電子電路中的電容元件、電絕緣體、諧振器。某些具有特殊性能的材料，如：具有壓電效應(yīng)、鐵電效應(yīng)、熱釋電效應(yīng)等特殊功能的電介質(zhì)材料在電聲、電光等技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。 電介質(zhì)的主要性能：介電常數(shù)、介電損耗因子、介電強(qiáng)度。 目前的發(fā)展方向：新型器件的研制、提高使用頻率范圍、擴(kuò)大環(huán)境條件范圍，特別是溫度范圍,無機(jī)材料與有機(jī)塑料比較： 有機(jī)塑料: 便宜、易制成更精確的尺寸； 無機(jī)材料: 具有優(yōu)良的電性能; 室溫時(shí)在應(yīng)力作用下，無蠕變

2、或形變; 有較大的抵抗環(huán)境變化能力（特別是在高溫下，塑料常會氧化、氣化或分解）; 能夠與金屬進(jìn)行氣密封接而成為電子器件不可缺少的部分,極板上自由電荷密度： Qo/A= CoV/A=(o A/d)V/A= o E （ E-兩極板間自由電荷形成的電場，也即宏觀電場） 介電材料存在時(shí)極板上電荷密度D:等于自由電荷密度與束縛電荷密度之和： 由： r= (Qo+ Q1 )/Qo 得：r Qo /A = (Qo+ Q1 )/A 有： r o E = (Qo+ Q1 )/A= D D= o E+P= o r E = 1 E (l-絕對介電常數(shù)） P= (1 o)E = o ( r- 1) E 電介質(zhì)的電極化

3、率e：束縛電荷和自由電荷的比例： e=P/ oE= (r-1 ) 得： P= o eE（作用物理量與感應(yīng)物理量間的關(guān)系,根據(jù)庫侖定律：dS面上的電荷作用在球心單位正電荷上的P方向分力dF： dF= （PcosdS/4o r2 ) cos 由 qE=F 1E=F E=F dE= Pcos2dS/4o r2 = (2rsin rd)(Pcos2/4o r2 ) =Pcos2 sin /2o r2 d 整個(gè)空心球面上的電荷在O點(diǎn)產(chǎn)生的電場為： dE由0到的積分 洛倫茲場E2 ： E2 = P /3o,E3為只考慮質(zhì)點(diǎn)附近偶極子的影響，其值由晶體結(jié)構(gòu)決定，已證明，球體中具有立方對稱的參考點(diǎn)位置，如果所

4、有原子都可以用平行的點(diǎn)型偶極子來代替，則E3 =0。 Eloc=E外+E1+P /3o=E+P /3o,克勞修斯-莫索蒂方程的意義： 建立了可測物理量 r （宏觀量）與質(zhì)點(diǎn)極化率（微觀量）之間的關(guān)系。 克勞修斯-莫索蒂方程的適用范圍： 適用于分子間作用很弱的氣體、非極性液體、非極性固體、具有適當(dāng)對稱性的固體。 從克勞修斯-莫索蒂方程：討論高介電常數(shù)的質(zhì)點(diǎn)： （ r 1 ）/（ r +2 ）= n /（3 o ） （ r 1 ）/（ r +2 ）- r越大其值越大 介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)極化率大，極化介質(zhì)中極化質(zhì)點(diǎn)數(shù)多，則介質(zhì)具有高介電常數(shù),正離子受到的彈性恢復(fù)力：-k(x+x-) 負(fù)離子受到的彈性恢復(fù)力：

5、 -k(x- x+) 運(yùn)動(dòng)方程： M+a= -k(x+x-)+qEoe it M-a=-k(x- x+)+qEoe it 得： M*=M+M-/(M+M-) 彈性振子的固有頻率 ： o=(k/M*)1/2 離子位移極化率： e =1/(o2 2)q2/M* 0 靜態(tài)極化率： i =q2/M* o2= q2 k,離子松弛極化率： T =q2x2/12kT 溫度越高，熱運(yùn)動(dòng)對質(zhì)點(diǎn)的規(guī)則運(yùn)動(dòng)阻礙增強(qiáng)，極化率減小。 離子松弛極化率比電子位移極化率大一個(gè)數(shù)量級，可導(dǎo)致材料大的介電常數(shù),各種極化形式的比較,金紅石型晶體的內(nèi)建電場結(jié)構(gòu)系數(shù),分析： C11和C22均為負(fù)值，說明同種離子之間都有削弱外電場的作用。 C21和C12均為正值，說明異種離子之間都有加強(qiáng)外電場的作用，且值相當(dāng)?shù)拇螅浣Y(jié)果使氧離子和鈦離子的極化加強(qiáng)，這種加強(qiáng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過同種離子間的削弱，最終使晶體介電常數(shù)加大,介電常數(shù)的溫度系數(shù)的確定： 根據(jù)用途，對其有不同的要求： 要求為正：濾波旁路和隔直流的電容器； 要求為負(fù)：熱補(bǔ)償電容器 接近于零：要求電容量熱穩(wěn)定性高和高精度的電子儀器中的電容器。 目前的發(fā)展方向：介電常數(shù)的溫度系數(shù)接近于零，高的介電常數(shù)