介電性能材料性能學(xué)

1、1 介質(zhì)極化 2 介質(zhì)損耗3 介電強度4 鐵電性5 壓電性參考書:1 無機材料物理性能,關(guān)振鐸,張中太,焦金生,清華大學(xué)出版社2 材料科學(xué)導(dǎo)論,第2篇:材料的物性,馮端,師昌緒,劉治國,化學(xué)化工出版社3 電介質(zhì)物理學(xué),殷之文,科學(xué)出版社材料可按其對外電場的響應(yīng)方式區(qū)分為兩類： 一類以電荷長程遷移即傳導(dǎo)的方式對外電場作出響應(yīng)，稱為導(dǎo)電材料； 另一類以感應(yīng)的方式對外電場作出響應(yīng)，即沿電場方向產(chǎn)生電偶極矩或電偶極矩的改變，此類材料稱為介電材料（電介質(zhì)）；電介質(zhì)： 在電場作用下，能建立極化的物質(zhì)；電介質(zhì)的極化：電介質(zhì)在外電場作用下產(chǎn)生電偶極矩或電偶極矩改變的現(xiàn)象；真空介電常數(shù)與相對介電常數(shù)：伏特庫侖法

2、拉電介質(zhì)的極化能力；為相對介電常數(shù)，反映真空介電常數(shù)嵌入電介質(zhì)后：真空平行板電容器/11;F/m,1085. 8;1;:1200000000rrrACdCCCCCdAC1.1 極化現(xiàn)象及其物理量極化：電介質(zhì)內(nèi)質(zhì)點正負電荷中心分離，轉(zhuǎn)變成偶極子；電偶極距：極化率：單位電場強度下質(zhì)點電偶極距的大小，表征電介質(zhì)的 極化能力，只與材料的性質(zhì)有關(guān)，單位F.m2；極化強度：電介質(zhì)單位體積內(nèi)的電偶極距總和，與面電荷密度 單位一樣，C/m2；電介質(zhì)極化系數(shù)：將宏觀電場E和宏觀物理量P聯(lián)系起來；一致；正電荷，與外電場方向；其方向由負電荷指向l q不同；局部電場，與宏觀電場為作用在微觀質(zhì)點上的；loclocEEV

3、PEP0成正比。與宏觀電場一定，和；特定材料的方向相同，則與電場，由各偶極子電偶極距極化質(zhì)點數(shù)為若電介質(zhì)單位體積中的EPnEnnPnloc1、宏觀電場E：由外加電場和退極化場合成；退極化場：極化強度P造成的電場可認為是由表面束縛電荷引起的；因為據(jù)靜電學(xué)原理，均勻極化產(chǎn)生的電場等于分布在物體表面上的束縛電荷在真空中產(chǎn)生的電場；此電場與外加電場方向相反，故稱之為退極化場。2、局部電場Eloc：晶體中作用于一個原子位置上的局部電場是外加電場及晶體中其它原子所產(chǎn)生的電場之和；其值與宏觀電場之間相差甚大。1EEE外求局部電場的標準方法：以參考原子為球心劃出一個球，其半徑比原子間距大得多，但又比整個介質(zhì)小

4、得多；對球心原子而言：球外電介質(zhì)為連續(xù)介質(zhì)；對宏觀整體來說：球內(nèi)又是均勻的，即宏觀電場對球內(nèi)各點 作用一樣；其半徑一般為原子間距的幾十 到幾百倍。若把球挖空，則球外介質(zhì)的作用可歸結(jié)為空球表面極化電荷作用場E2和整個介質(zhì)邊界表面極化電荷作用場E1之和；球內(nèi)則只考慮原點附近偶極子的影響E3。321EEEEEloc外內(nèi)洛宏EEEEloc局部電場：E2為洛倫茲電場， ；E3由晶體結(jié)構(gòu)決定，對于球體中具有立方對稱的參考位置，若所有原子都可用彼此平行的點型偶極子代替，則E3=0；E2的計算：321EEEEEloc外PE023100200200220202231coscos21sincos21;sincos

5、21cos41PO;sincos2cos;sin2sin2cosPdPdPdEEdPrdqdEdqdPrdSPdqdrrdrdSdP所以：方向的投影）為：點產(chǎn)生的電場（在在空腔球心其上的電荷為：面積為：對應(yīng)的微小環(huán)球面的表與；度為處空腔表面上的電荷密夾角；則表示相對于極化方向的若洛倫茲關(guān)系：3、克勞修斯-莫索蒂方程：建立了相對介電常數(shù)(宏觀量)與極化率(微觀量)之間的關(guān)系；適用于分子間作用很弱的氣體、非極性液體和非極性固體以及一些NaCl型離子晶體和具有適當對稱性的晶體。0321nrrPEPEEEloc0013131外0000000000321;1321;32131311nEEnEnPEnPE

6、PEEEPEEEEEDPPEEDrrrrloclocrrrlocr即：所以：；，且又由于：所以：；，得由于電介質(zhì)的總極化：電子極化、離子極化、偶極子轉(zhuǎn)向極化位移極化：彈性的、瞬時完成的極化，不消耗能量；松弛極化：完成極化需要一定的時間，是非彈性的，消耗一定 的能量，與熱運動有關(guān)。1、電子位移極化的經(jīng)典理論：電子位移極化：在外電場作用下，原子外圍的電子云相對于原子核發(fā)生位移形成的極化；具有彈性束縛電荷在強迫振動中表現(xiàn)出的特性。極化率與頻率的關(guān)系反映了極化的慣性；測量電子極化一般在紫光光頻下進行，此時其它極化機構(gòu)的慣性跟不上電場的變化，因而此時的介電常數(shù)（ ）幾乎完全來自電子極化率的貢獻。2022

7、2020;1memeee：靜態(tài)極化率2022202002202000;1;exp1;exp;expexpmemeEmktiEmkmeextiEmkextieEkxxmtiEEkxeemeeloceloc：靜態(tài)極化率所以：；動頻率），且（彈性偶極子的固有振由于其電偶極距：該振動方程的解為：下運動；其運動方程為在交變電場，束縛，其彈性恢復(fù)力為的粒子被正電中心帶電質(zhì)量 玻爾原子模型：303034;4RRee原子集合單個原子)(34:34,31coscos;4:444;,M;303022303020202同類原子集合，即故在電場較低時，偶極距為：電場方向上的平均感生對同類原子的集合，在（單個原子）即，

8、由其中則原子感生偶極距為點到沿軸線從軌道中心位移使軌道平面的電場圓周軌道運行；垂直于環(huán)繞正電中心點電荷RERRERedeERReeEFeERdOMdedqEqeelocelocloclocRlocloc2、電子極化率的量子理論：子強度代表電偶極子躍遷的振其中20022022,jjjjjjePemffme越大。越窄，與禁帶寬度有關(guān)；禁帶固體材料的子強度；代表電偶極子躍遷的振式中；所以：又因為；的矩陣元：兩種狀態(tài)之間的偶極距為允許的激發(fā)態(tài)；是基態(tài)，其中，二級修正為正為微擾下，能量的一級修極化單元體系在電場的電子位移為的哈密頓量為其中無電場時極化單元方向）為：電場沿極化單元的哈密頓量（ejjjjjj

9、jjjjeejjjjijijjiiiiWWPemffmePEWWWPPxejPjxejEWWxejjxeWxHExeHHox02002202020200*000200002,221;00000:; 0;,;離子在電場作用下偏離平衡位置的移動相當于形成一個感生偶極矩；其極化率與電子位移極化率的表達式相似，具有彈性偶極子的極化性質(zhì)，可由晶格振動紅外吸收頻率測量得出，其建立時間約為10-12- 10-13秒。20*20220*20220*00*22*0001exp1expexpexpMqMqEqtiEMqMktiEMqMkdtdMMMMMMMtiqEkMtiqEkMkiiloci：；靜態(tài)極化率所以離

10、子位移極化率：；又因為，則其解為：為相對振動的固有頻率；設(shè)，得到化質(zhì)量，然后相減；并引入約、兩式分別除以；運動方程：；，方向與位移方向相反彈性恢復(fù)力電場中離子的位移受到 20*20220*201MqMqii：；靜態(tài)極化率松弛極化：)包括離子松弛極化、電子松弛極化和偶極子松弛極化；2)多發(fā)生在晶體缺陷區(qū)或玻璃體內(nèi)以及極性分子物質(zhì)中;3)熱運動使松弛質(zhì)點分布混亂，而電場則力圖使其按電場規(guī)律分布，在一定溫度下發(fā)生極化；4)具有熱統(tǒng)計性質(zhì)，質(zhì)點需克服一定的勢壘才能移動，遷移距離比較大，極化建立的時間較長(10-2- 10-9秒)，且要吸收一定的能量，非可逆過程。1、離子松弛極化A）強聯(lián)系離子：在完整的

11、離子晶體中處于正常結(jié)點(平衡位置)的離子，其能量最低，最穩(wěn)定；其在電場作用下只能產(chǎn)生彈性位移極化，極化質(zhì)點仍束縛在原平衡位置附近。B）弱聯(lián)系離子：在玻璃態(tài)物質(zhì)、結(jié)構(gòu)松散的離子晶體中以及晶體的雜質(zhì)和缺陷區(qū)，離子本身能量較高，易被活化遷移；極化時可從一個平衡位置遷移到另一個平衡位置，遷移行程可與晶格常數(shù)相比，大于彈性位移距離；去掉外電場后，離子不能回到原平衡位置。C）與離子電導(dǎo)的區(qū)別：a)遷移距離遷移距離：離子電導(dǎo)是離子作遠程遷移，而離子松弛極化質(zhì)點僅作有限距離的遷移，它只能在結(jié)構(gòu)松散區(qū)或缺陷區(qū)附近移動；b)勢壘高度勢壘高度：離子松弛極化所需克服的勢壘低于離子電導(dǎo)勢壘，離子參加極化的幾率遠大于參加

12、電導(dǎo)的幾率。D）離子熱松弛極化率： 比電子及離子的位移極化率大一個數(shù)量級，導(dǎo)致材料較大的介電常數(shù)；極化強度P與溫度的關(guān)系中往往出現(xiàn)最大值(溫度升高,松弛過程加快，但極化率下降)。kTqT1222 kTUkTUnkTUndtndkTUkTUkTUkTUnkTUnkTUnkTUnkTUdtnddtkTUUnkTUUndnndtnnnnnnnnnnnUUUUEnnnnxnxUnexp31exp21expexpexp61expexp61expexpexp2321;2321;2211221363,210002111020112021000，上式變?yōu)椋簳r，當即：的變化為：時間內(nèi)，解得：，即的離子數(shù)增加，位

13、置的離子數(shù)減少平衡時位置；所要克服的勢壘為到，從要克服的勢壘為到時，離子從有外電場；，正向熱運動的離子數(shù)為軸，沿軸熱運動的離子數(shù)為沿?zé)o外電場時；的勢壘為，離子遷移需克服為體積中弱聯(lián)系離子總數(shù)，且假設(shè)單位和位置考慮缺陷區(qū)的兩個平衡kTqEkTqnqnPxnkTqEnntkTqEnnqEFUtkTUnnkTUnCntkTUntCnkTUnndtndkTUUTttt1212;12exp1122121;exp16;6006exp6exp2122220000000熱松弛極化率：得，由極化強度方向轉(zhuǎn)移的凈離子數(shù)為間，為弱聯(lián)系離子的松弛時其中；，所以：又因為即：求得時由，積分得：；則：不變，并令設(shè)極化過程中

14、2、電子松弛極化：A）由弱束縛電子引起，與弱聯(lián)系離子的遷移類似，也是不可逆的熱松弛過程，消耗一定能量，比電子位移極化強烈得多；B）晶格的熱振動、晶格缺陷、雜質(zhì)的引入、化學(xué)組成的局部改變等因素都能使電子能態(tài)發(fā)生改變，出現(xiàn)位于禁帶中的局部能級，形成弱束縛電子。C）電子松弛極化與電子電導(dǎo)不同：弱束縛電子不能遠程遷移，弱束縛電子只有獲得更高能量才能躍遷到導(dǎo)帶成為自由電子，形成電導(dǎo)；具有電子松弛極化得介質(zhì)往往具有電子電導(dǎo)的特性；D）電子松弛極化主要是折射率大、結(jié)構(gòu)緊密、內(nèi)電場大和電子電導(dǎo)大的電介質(zhì)的特性。1.6 轉(zhuǎn)向極化主要發(fā)生在極性分子介質(zhì)中；無外加電場時，極性分子的取向在各方向相同，整體偶極矩為零；

15、偶極子在外電場作用下發(fā)生轉(zhuǎn)向，趨于和外電場方向一致，體系建立起新的統(tǒng)計平衡，介質(zhì)整體出現(xiàn)宏觀偶極矩；需要時間較長(10-2-10-10秒)；也可應(yīng)用于帶有正負電荷缺陷對的離子晶體中(又稱離子躍遷極化)。轉(zhuǎn)向極化率：1.7 空間電荷極化不均勻介質(zhì)內(nèi)部的正負間隙離子在外電場作用下分別向負正極移動，引起瓷體內(nèi)各點離子密度變化，出現(xiàn)電偶極矩；其建立需要較長時間，隨溫度升高而下降；只對直流和低頻下的介電性能有影響。1.8 自發(fā)極化并非外電場引起，由晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成，每個晶胞內(nèi)存在固有電偶極矩。在4中詳細介紹。kTor320各種極化形式的比較極化形式具有此種極化的電介質(zhì)發(fā)生極化的頻率范圍與溫度的關(guān)系能量

16、消耗電子位移極化一切陶瓷介質(zhì)中直流-光頻無關(guān)無離子位移極化離子結(jié)構(gòu)介質(zhì)直流-紅外溫度升高，極化增強很微弱離子松弛極化離子結(jié)構(gòu)的玻璃、結(jié)構(gòu)不緊密的晶體及陶瓷直流-超高頻隨溫度變化有極大值有電子松弛極化鈦質(zhì)瓷、高價金屬氧化物為基的陶瓷直流-超高頻隨溫度變化有極大值有轉(zhuǎn)向極化有機材料直流-超高頻隨溫度變化有極大值有空間電荷極化結(jié)構(gòu)不均勻的陶瓷介質(zhì)直流-高頻隨溫度升高而減弱有自發(fā)極化溫度低于居里點的鐵電材料直流-超高頻隨溫度變化有顯著極大值很大A）大部分離子晶體的相對介電常數(shù) 但對金紅石和鈣鈦礦型晶體，其相對介電常數(shù)非常高；例如B）這類材料的介電常數(shù)與溫度和頻率的關(guān)系不大，即沒有松弛極化的特征；其基本

17、極化形式仍然是電子和離子位移極化。C）原因： 此類晶體結(jié)構(gòu)比較特殊，其附加內(nèi)電場特別大，在金紅石和鈣鈦礦型晶體中，E內(nèi)不但不為零，而且有很大的數(shù)值；在外電場的作用下，由于離子之間的相互作用，引起了極其強烈的局部內(nèi)電場；在此內(nèi)電場的作用下，離子的電子殼層發(fā)生強烈的變形，離子本身也發(fā)生了強烈的位移，使材料具有很高的介電常數(shù)。；約為，約為1255 . 36 . 1。，；鈣鈦礦，金紅石1503 . 51141108 . 7內(nèi)洛宏EEEElocD）介電常數(shù)大的晶體所具備的條件：比較特殊的晶體結(jié)構(gòu)；含有尺寸大、電荷小、電子殼層易變形的陰離子；以及尺寸小、電荷大、易產(chǎn)生離子位移極化的陽離子。E）內(nèi)電場結(jié)構(gòu)系

18、數(shù)： Ckk 和Ckj分別為同種離子間、不同種離子間的內(nèi)電場結(jié)構(gòu)系數(shù)；表示被考察離子周圍晶格內(nèi)其他離子的影響，僅決定于晶胞參數(shù)，可正可負；正值表示附加內(nèi)電場與外電場方向相同，加強了外電場的作用；負值表示附加內(nèi)電場與外電場反向，削弱了外電場的作用。kjjjkjkkkkkkCEECEE內(nèi)內(nèi);晶體中總是存在幾種性質(zhì)和相互位置不同的離子，需將其建立的附加內(nèi)電場區(qū)分開來：若晶體中共有m種性質(zhì)不同的離子，設(shè)第k種離子的感應(yīng)偶極矩k=kEk，第j種離子的感應(yīng)偶極矩j=jEj；所有第k種離子的感應(yīng)偶極矩作用在某一個k離子上的內(nèi)電場為E內(nèi)kk= kEkCkk； 第j種離子作用在某一k離子上的內(nèi)電場為E內(nèi)kj=

19、jEjCkj;如果晶體點陣中含有m種離子（不同性質(zhì)和不同相對位置），則結(jié)構(gòu)系數(shù)為m2個；每種離子除了受其它種類離子的影響外，還受到同種離子的作用； 金紅石晶體中有Ti4+和O2-兩類離子：m=2，結(jié)構(gòu)系數(shù)有4個；表示鈦離子之間和氧離子之間相互作用的內(nèi)電場結(jié)構(gòu)系數(shù)C11和C22均為負值，表明同種離子之間都有削弱內(nèi)電場的作用； 表示鈦離子和氧離子之間相互作用的內(nèi)電場結(jié)構(gòu)系數(shù)C12和C21均為較大的正值，表明異種離子之間都有加強外電場的作用；綜合結(jié)果是使Ti4+和O2-的極化加強，而且此種加強遠遠超過了同種離子削弱外電場的作用，因此晶體的介電常數(shù)很大。中心離子周圍離子Ti4+O2-Ti4+C11=

20、-0.8/a3C12= +36.3/a3O2-C21= +18.15/a3C22= -12.0/a3金紅石晶體的內(nèi)電場結(jié)構(gòu)系數(shù)1、混合物法則：多相系統(tǒng)的介電常數(shù)取決于各相的介電常數(shù)、體積濃度以及相與相之間的配置情況。以兩相系統(tǒng)為例;兩相并聯(lián)：兩相串連：混合分布：球形顆粒均勻分散在基相中時：2211xx1221111xx2211lnlnlnxxdmdmddmdmmxxxx332332布的情況）數(shù)相差不大，且均勻分；（適用于兩相介電常所以：；時得：；當求全微分得：對；，兩相混合分布時，兩相串連時；兩相并聯(lián)時22112221112122111112211lnlnln0011xxdxdxdkdkxdk

21、xdkkkkxxkkkkkk2、陶瓷介質(zhì)的極化：多晶多相材料，其極化機構(gòu)通常不止一種；一般都含有電子位移極化和離子位移極化；如有缺陷存在，還存在松弛極化。3、介電常數(shù)的溫度系數(shù)：電子陶瓷分為兩類： 一類是介電常數(shù)與溫度成非線性關(guān)系，包括鐵電陶瓷和松弛極化明顯的材料；另一類是與溫度成線性關(guān)系的材料，可用介電常數(shù)的溫度系數(shù)描述。介電常數(shù)的溫度系數(shù)：介電常數(shù)隨溫度變化的相對變化率。dTdTK11122121122lnlnln111;xxdddxxdTdTdTTKxTKx TK上式兩邊對溫度微分，得：即：對陶瓷電容器而言，其介電常數(shù)的溫度系數(shù)非常重要；有的要求為正，有的要求為負，有的要接近零；目前制作

22、電容器用高介陶瓷材料的一項重要任務(wù)就是獲得TK0而介電常數(shù)盡可能高的材料； 生產(chǎn)中往往通過改變雙組分或多組分固溶體的相對含量來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的TK值。2.1 介質(zhì)損耗的表示方法介質(zhì)損耗：電介質(zhì)在電場作用下，單位時間內(nèi)消耗的電能。1、介質(zhì)損耗的形式：極化損耗、電導(dǎo)損耗加電場后通過電介質(zhì)的全部電流：A）電容電流：樣品的幾何電容充電所造成的電流，不損耗能量；B）極化電流：各種介質(zhì)極化的建立造成的電流，損耗能量，該損耗稱為極化損耗；極化損耗主要與極化的馳豫過程有關(guān)。 電介質(zhì)在恒定電場作用下，從建立極化到其穩(wěn)定狀態(tài)，一般要經(jīng)過一定的時間；a）電子位移極化和離子位移極化達到穩(wěn)態(tài)所需的時間為10-16-10-12

23、秒，與無線電頻率(51012Hz)相比極短，為瞬時極化，幾乎不損耗能量；b）而偶極子轉(zhuǎn)向極化和空間電荷極化，達到穩(wěn)定所需的時間相當長(大于10-10秒)，為馳豫極化，消耗能量。C）漏導(dǎo)電流：由介質(zhì)電導(dǎo)造成的電流，損耗能量，稱之為電導(dǎo)損耗。2、復(fù)介電常數(shù)為頻率的函數(shù)；動，則若來源于束縛電荷的運與外電壓頻率無關(guān)；動，則電導(dǎo)若來源于自由電荷的運；合成電流為，其來源于電荷的運動相同的電導(dǎo)分量，因為存在與電壓位相電流與電壓相位差不是電容器不再是理想的，性或極性時：）電極間材料為弱導(dǎo)電；位，仍為非損耗性電流相，仍與外電壓相差大于，其上電流為電容變?yōu)槿^緣材料：）電極間存在非極性完流；相位，此為非損耗性電相

24、差與外電壓容上的電流為與外電壓同相位；該電電荷；電極上出現(xiàn)的，加上交變電壓容量為：）真空平行平板電容器GG;90C90B90Aoo00o000000UGCiIGUICUiQICCUCiQIUCQeUUdSCrti *tg;i都是依賴于頻率的量；和常數(shù)；其中相當于測得的絕對介電引起，實部引起；通常電容電流由虛部損耗是由復(fù)介電常數(shù)的 ；虛部也不精確等于，的實部不精確等于復(fù)量，則本身就是依賴于頻率的電導(dǎo)率電荷時：荷產(chǎn)生，也來源于束縛當電導(dǎo)不完全由自由電；電容項損耗項；損耗角由下式定義：定義復(fù)介電常數(shù)；或由定義復(fù)電導(dǎo)率由為絕對介電系數(shù)；項為傳導(dǎo)電流密度，項是位移電流密度，其中得，和由電導(dǎo)時：是由自由電

25、荷產(chǎn)生的純當*):)btgiiEijiEjEEiEijdSCdSGGa3、介質(zhì)馳豫和德拜方程介質(zhì)馳豫：在外電場加上或移去后，系統(tǒng) 逐漸達到平衡狀態(tài)的過程。A）階躍電場：B）交變電場： EeeEEtPPtPPtPPdtdPEPEPPtPPtPPtPtt110001010101111110011010；得到時為馳豫時間常數(shù)；當，其中程得：；據(jù)馳豫過程的特征方，設(shè)；穩(wěn)定值為松弛極化，逐漸達到為瞬時建立的極化，極化包括兩項： 為相對復(fù)極化系數(shù)，其中即：，所以：，得到并考慮到，帶入，考慮同向運動rcrcEEitPiEtPiEAEPPPdtdPtiAtPtiEE0101101111111011;1expe

26、xp: C）德拜方程： 22 22 0022 220 2222000000tg1010101100;111111111;11111111rrrrrrrrrrrriiiiiEEEEPEEDrrrrrrrrrrrrrcrrrrr；其中即：；時，；當頻率，低頻或靜態(tài)時；所以：，所以根據(jù) 22 22 tg101010rrrrrriir；4、介質(zhì)損耗的表示方法A）直流電壓下：介質(zhì)損耗僅由電導(dǎo)引起，取決于材料的電導(dǎo)率；損耗功率為PW=IU=GU2；單位體積的介質(zhì)損耗稱為介質(zhì)損耗率：B）交變電場下：介質(zhì)損耗既與自由電荷的電導(dǎo)有關(guān)，也與松弛極化過程有關(guān)； 不僅決定于自由電荷電導(dǎo)，還由束縛電荷產(chǎn)生，它與頻率有關(guān)

27、。C）介質(zhì)的等效電導(dǎo)率：22EVGUVIUVPpWtg;tg,tg, tg此處的 為交流電壓下的介質(zhì)等效電導(dǎo)率 損耗因素：當外加電壓一定時 介質(zhì)損耗只與有關(guān)僅由介質(zhì)本身決定。 02022020 010, 1;10tg)(，；低頻區(qū)高頻區(qū)所以：為通常測量的時：只與松弛極化損耗有關(guān)當rrrrr1、頻率的影響 達到最大值。此時微分，得由德拜公式對。時，的升高而減??；隨，由德拜公式可知，趨于最小值；此時由于化決定，介電常數(shù)僅由位移極很高時，）當也增大。升高而增大，同時隨，由德拜公式可知，圍內(nèi)，由于頻率范的升高而減小；在這一隨貢獻逐漸減小，因而松弛極化對介電常數(shù)的場的變化，一頻率開始跟不上外電升高時，松

28、弛極化在某）當外加電場頻率逐漸減小。的升高，；隨時，可知，當率無關(guān)。由與頻，質(zhì)損耗主要由漏導(dǎo)引起介電常數(shù)達最大值；介此時不存在極化損耗，能跟上外電場的變化，時，介質(zhì)的各種極化都，即）當外加電場頻率很低tg01tg0tgtg13tg12tgtg0tg01mrrWrWPP2、溫度的影響(松弛極化隨T而增加，減小) 向高溫方向移動。高頻下的增加。所以應(yīng)減小，即增加時，為常數(shù)，當可知，由度急劇上升。也隨溫烈上升，下降；此時電導(dǎo)損耗劇礙，極化減弱，向遷移受到熱運動的阻場作用下的定動能量很大，離子在電到很大值時，離子熱運）當溫度繼續(xù)升高，達有極大值。和下，而減小。在某一溫度極化過程，隨溫度上升主要決定于明

29、顯，減小。這時電導(dǎo)上升不減小，上升，此溫度范圍內(nèi)，隨溫度；，因而較小，此時）當溫度較高時，上升。也增大，增大，減小，因而度上升，在此溫度范圍內(nèi)，隨溫；，也較?。淮藭r由于較小，較大，由德拜關(guān)系可知）當溫度很低時，mmmmmrWmWWrrTTPTPP001tg3tgtg0000tg12tg11tg1tg122222222主要損耗形式:電導(dǎo)損耗、松弛極化損耗、電離損耗、結(jié)構(gòu)損耗；電離損耗：含有氣孔的固體電介質(zhì)在外電場強度超過了氣孔內(nèi)氣體電離所需要的電場強度時，由于氣孔內(nèi)氣體電離而吸收能量，造成損耗。結(jié)構(gòu)損耗：在高頻低溫下，與電介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的緊密程度密切相關(guān)的介質(zhì)損耗；與溫度關(guān)系很小，損耗功率隨頻率升

30、高而增大，但損耗角和頻率無關(guān)。各種損耗發(fā)生的場合：高溫低頻下，主要為電導(dǎo)損耗；常溫高頻下主要為松弛極化損耗；高頻低溫下主要為結(jié)構(gòu)損耗。1、離子晶體的損耗：A）結(jié)構(gòu)緊密的晶體：離子堆積十分緊密，排列很有規(guī)則，離子鍵強度很大；很難發(fā)生離子松弛極化，只有電子和離子的彈性位移極化；僅有漏導(dǎo)引起的少量損耗，無極化損耗；介質(zhì)損耗功率與頻率無關(guān)，損耗角隨頻率升高而降低；B）結(jié)構(gòu)不緊密的晶體：有較大的空隙或晶格畸變，缺陷和雜質(zhì)較多；其中的弱聯(lián)系離子既可能貫穿電極運動形成電導(dǎo)損耗，也可能因熱離子松弛出現(xiàn)極化損耗；其損耗較大；C）兩種晶體形成的固溶體：存在各種點陣畸變和結(jié)構(gòu)缺陷，損耗較大。2、玻璃的損耗A）無機材

31、料的玻璃相是造成介質(zhì)損耗的重要原因；復(fù)雜玻璃中的介質(zhì)損耗主要包括電導(dǎo)損耗、松弛損耗和結(jié)構(gòu)損耗；工頻高溫下，電導(dǎo)損耗占優(yōu)勢；高頻常高溫下，主要是松弛損耗；高頻低溫下，主要是結(jié)構(gòu)損耗；B）簡單玻璃的損耗一般很??；在純玻璃中加入堿金屬氧化物后，介質(zhì)損耗隨堿性氧化物濃度的增大按指數(shù)增大。（因為一價的堿性氧化物破壞玻璃的點陣結(jié)構(gòu)，使其越加疏松，離子更易發(fā)生移動，造成電導(dǎo)損耗和松弛損耗）C）雙堿效應(yīng)和壓堿效應(yīng)：與玻璃電導(dǎo)中的情況類似。3、陶瓷材料的損耗 主要來源于電導(dǎo)損耗、松弛質(zhì)點的極化損耗、結(jié)構(gòu)損耗A）以結(jié)構(gòu)緊密的離子晶體為主晶相的陶瓷，主要來源玻璃相；B）大多數(shù)電工陶瓷，由于主晶相結(jié)構(gòu)松散，形成缺陷固

32、溶體及多晶形轉(zhuǎn)變，而使得離子松弛極化損耗較大；C）含有可變價離子的陶瓷材料，具有顯著的電子松弛極化總之：介質(zhì)損耗是由介質(zhì)的電導(dǎo)和松弛極化引起的；電導(dǎo)和極化過程中帶電質(zhì)點(弱束縛電子和弱束縛離子，包括缺陷和空位)移動時，將它在電場中所吸收的能量部分地傳遞給周圍質(zhì)點，使電磁場的能量轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)點的熱振動，能量消耗在使電介質(zhì)發(fā)熱效應(yīng)上。3.1 介質(zhì)在電場中的破壞介質(zhì)的擊穿：電介質(zhì)材料只能在一定的電場強度內(nèi)保持其絕緣或介電能力；當電場強度超過某一臨界值時，材料由介電狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài)；電擊穿是一種集體現(xiàn)象：擊穿電場的范圍為1055106 V/cm；宏觀尺度上為高電場，但從原子尺度看卻非常低(106 V/cm

33、為10-2 伏/埃)；即擊穿不是由于電場對原子的直接作用導(dǎo)致；電擊穿是一種集體現(xiàn)象：能量通過其它粒子傳送到被擊穿組分中的原子上。分類：熱擊穿、電擊穿、局部放電擊穿3.2 熱擊穿熱擊穿的本質(zhì)：處于電場中的電介質(zhì)，由于其中的介質(zhì)損耗而受熱；當外加電壓足夠高時，可能由散熱與發(fā)熱的熱平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)為不平衡狀態(tài)；若產(chǎn)生的熱量比散出的多，介質(zhì)溫度將愈來愈高，直至出現(xiàn)永久性損壞。分為穩(wěn)態(tài)熱擊穿和脈沖熱擊穿。臨界電壓時： ccTcTcccccTTQTTEQTQTEQ2121,1、概述：在強電場下，固體導(dǎo)帶中可能存在一些電子；這些電子一方面被外電場加速而獲得動能，另一方面又與晶格振動相互作用，把電場的能量傳遞給晶格

34、；當這兩個過程在一定溫度和場強下平衡時，固體介質(zhì)有穩(wěn)定的電導(dǎo)；當電子從電場中獲得的能量大于傳遞給晶格振動的能量時，電子的動能愈來愈大；當電子能量大到一定值時，電子與晶格振動的相互作用導(dǎo)致電離產(chǎn)生新的自由電子，自由電子數(shù)目的迅速增加使電導(dǎo)進入不穩(wěn)定階段，發(fā)生擊穿；理論上可分為本征電擊穿和“雪崩”電擊穿兩種類型。2、本征電擊穿：當電場上升到電子從外電場獲得的能量大于傳遞給晶格的能量時，碰撞電離過程立即發(fā)生；只考慮電子的非穩(wěn)定態(tài)，沒有考慮晶格的破壞過程；引起非穩(wěn)定態(tài)的起始場強定義為介質(zhì)的電擊穿場強。3、“雪崩”電擊穿：碰撞電離發(fā)生后，自由電子數(shù)倍增形成“電子崩”；以電子“崩”傳遞給介質(zhì)的能量足以破壞

35、介質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)作為擊穿判據(jù)；4、兩種理論的區(qū)別：本征擊穿理論中介質(zhì)的擊穿是繼穩(wěn)態(tài)破壞后突然發(fā)生的；而“雪崩”擊穿則是考慮到高場強中導(dǎo)電電子倍增直到介質(zhì)晶格難以忍受而發(fā)生破壞；兩者在理論上的區(qū)別很明顯，但實際中很難區(qū)分。1、不均勻介質(zhì)中的電壓分配：無機材料一般為多晶多相，晶相、玻璃相、氣孔的存在使其為不均勻介質(zhì)；以雙層介質(zhì)為例：EddddEEddddE1221211212212121；電導(dǎo)率小的介質(zhì)承受的場強高，電導(dǎo)率大的介質(zhì)承受的場強低；其中一層的電場強度大于平均場強，可能首先達到擊穿強度而破壞；因此材料的不均勻性可能引起擊穿場強的降低。2、內(nèi)電離：材料中的氣孔由于 很小，其上的電場較高，而其

36、抗電強度遠低于固體介質(zhì)；因此氣孔先擊穿，氣體電離放電產(chǎn)生大量熱量，易使介質(zhì)整體破壞。3、表面放電和邊緣擊穿：固體介質(zhì)表面的擊穿電壓低于無固體介質(zhì)時的空氣擊穿電壓；電極邊緣常常電場集中，因此擊穿通常在電極邊緣發(fā)生；表面放電與邊緣擊穿決定于電極周圍媒質(zhì)以及電場的分布，還決定于材料的介電系數(shù)和電導(dǎo)率；它與裝置條件有關(guān)，不能表征材料的介電強度。和4.1 鐵電體1、自發(fā)極化：極化狀態(tài)并非由外電場造成，而是由晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點造成的，晶體中每一個晶胞中存在固有電偶極矩。2、極性晶體：存在自發(fā)極化的晶體叫極性晶體。3、鐵電體：在一定溫度范圍內(nèi)存在自發(fā)極化，且自發(fā)極化方向可隨外電場作可逆轉(zhuǎn)動的晶體。鐵電晶體一

37、定是極性晶體，但并非所有極性晶體都是鐵電體；只有某些特殊晶體結(jié)構(gòu)的極性晶體，在自發(fā)極化改變方向時，晶體構(gòu)造不發(fā)生大的畸變，具有自發(fā)極化隨外電場轉(zhuǎn)動的性質(zhì)。4、電滯回線：鐵電體的極化與外電場的關(guān)系， 是鐵電態(tài)的一個標志。5、鐵電體的分類：A）有序-無序型：自發(fā)極化與個別離子的有序 化聯(lián)系;如含氫鍵的晶體如KH2PO4;B）位移型: 自發(fā)極化同一類亞離子點陣相對于另一類亞離子點陣的 整體位移相聯(lián)系；如鈣鈦礦結(jié)構(gòu)BaTiO3；BaTiO3的結(jié)構(gòu)和鐵電性：120oC以上：立方結(jié)構(gòu)，無鐵電性， 處于順電態(tài)，介電常數(shù)隨溫度的變化服從居里-外斯定律：120oC 5oC：晶體結(jié)構(gòu)稍微畸變，為四方結(jié)構(gòu)，Ba2+

38、和Ti4+相對于O2-發(fā)生一個位移，由此產(chǎn)生自發(fā)極化，沿001方向；該轉(zhuǎn)變溫度成為居里點；鐵電相的晶體結(jié)構(gòu)對稱性低于順電相； 5oC-80oC：斜方晶系，自發(fā)極化沿011方向； -80oC以下：菱形結(jié)構(gòu)，自發(fā)極化沿111方向。TCTCr離子位移理論： 自發(fā)極化主要是由晶體中某些離子偏離了平衡位置造成的；由于離子偏移了平衡位置，使單位晶胞中出現(xiàn)了電偶極矩；電偶極矩之間的相互作用使偏離平衡位置的離子在新的位置上穩(wěn)定下來，與此同時晶體的結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變。鈦酸鋇由順電相到鐵電相的轉(zhuǎn)變伴隨著晶體結(jié)構(gòu)的改變，從立方晶系轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆骄?，晶體的對稱性降低；其自發(fā)極化由鈦、氧離子之間的強耦合作用引起。A）鈦酸鋇為鈣

39、鈦礦結(jié)構(gòu)(等軸晶系a=4.01) ，鈦離子位于氧八面體中心；氧八面體的空腔(1.37)尺寸大于Ti4+(1.28)的尺寸， Ti4+在氧八面體內(nèi)有位移的余地；【因為 O2-半徑1.32 ,兩個O2-之間的空隙(4.01-21.32)=1.37 】B）在居里溫度以上時，離子的熱振動能比較大， Ti4+不可能在偏離中心的某一位置固定下來，它接近周圍6個O2-的幾率相等，晶體結(jié)構(gòu)保持高的對稱性，晶胞內(nèi)不會產(chǎn)生電偶極矩，自發(fā)極化為零；C）當溫度降低時， Ti4+的平均熱振動能降低，那些熱振動能量特別低的Ti4+不足以克服Ti4+ 和O2-之間的電場作用，而發(fā)生自發(fā)位移，向某個O2-靠近并在新的平衡位置

40、上固定下來，晶體順此方向延長，并使此O2-出現(xiàn)強烈的電子位移極化，因此出現(xiàn)電偶極矩，并且晶胞發(fā)生輕微畸變。D）自發(fā)極化包括兩部分：一部分直接由于離子位移，另一部分由于電子云的形變；其中離子位移極化占總極化的39%。1、鐵電疇：鐵電體通常不是在一個方向上單一地產(chǎn)生自發(fā)極化；但在一個小區(qū)域內(nèi)，各晶胞的自發(fā)極化都相同，該小區(qū)域稱為鐵電疇；為使體系的能量最低，各電疇的極化方向通?！笆孜蚕噙B”；電疇的結(jié)構(gòu)與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)；多晶陶瓷中每個小晶?？砂鄠€電疇，由于晶粒本身取向無規(guī)則，所以各電疇的分布混亂，對外不顯極性。2、電疇的形成：若中間部位的鈦離子因熱運動的漲落向OI發(fā)生微小的位移，則又使氧離子向鈦離子

41、靠攏，接著由于較大的內(nèi)電場力的傳遞，使自發(fā)極化首先沿Ti-OI離子線展開；同時由于電場力及彈性力的傳遞，周圍的OI離子也被向下擠，使自發(fā)極化橫向發(fā)展；橫向發(fā)展是間接的，比較弱，因此形成的疇核及發(fā)展如針狀；最后的電疇圖案是電場力與彈性力平衡的結(jié)果，整個體系保持能量最低。3、電疇的運動：鐵電疇在外電場作用下，總是趨向于與外電場方向一致；電疇的運動是通過在外電場作用下新疇的出現(xiàn)、發(fā)展及疇壁的移動實現(xiàn)的；180o疇的轉(zhuǎn)向是通過許多尖劈形新疇的出現(xiàn)、發(fā)展而實現(xiàn)的；900疇的轉(zhuǎn)向則主要是通過疇壁的側(cè)向移動實現(xiàn)；側(cè)向移動所需的能量低于產(chǎn)生針狀新疇所需的能量； 180o疇的轉(zhuǎn)向比較充分、比較穩(wěn)定； 900電疇

42、轉(zhuǎn)向不充分，且轉(zhuǎn)向不穩(wěn)定。4、電滯回線：鐵電疇在外電場作用下運動的宏觀描述?？紤]單晶體、兩種極化取向、無外電場時總電矩為零的情況：A）OA段曲線：當電場施加于晶體時， 沿電場方向的電疇擴展變大，與電 場反平行的電疇變??；極化強度隨 外電場的增大而增加；B）C附近的曲線：電場強度繼續(xù)增大， 最后晶體電疇方向都趨于電場方向， 類似于單疇，極化強度達到飽和；C）再增加電場，P與E成線性關(guān)系，該 線性關(guān)系外推至E=0時，再縱軸上的 截距稱為飽和極化強度Ps；實際上是 每個單疇的自發(fā)極化強度，是對每個單疇而言的；D）電場自C處開始降低，晶體的極化強度也隨之減??；零電場處仍存在剩余極化強度Pr；因為E=0

43、時，大部分電疇仍停留在極化方向，因而宏觀上還有剩余極化強度，是對整個晶體而言的；E）當電場反向達到-Ec時，剩余極化全部消失； Ec稱為矯頑電場強度；反向電場繼續(xù)增大，極化強度開始反向。1、電滯回線 判定鐵電體的依據(jù)，材料內(nèi)部電疇運動的宏觀表現(xiàn)；不同材 料和不同工藝條件對其形狀影響很大。A）極化溫度的影響：影響電疇運動和轉(zhuǎn)向的難易，矯頑場強和飽和場強隨溫度升高而降低。 a）極化溫度較高，可在較低極化電壓下達到相同效果，其電 滯回線形狀比較瘦長； b）環(huán)境溫度既影響電疇運動的難易程度，又影響材料的結(jié)構(gòu)， 在晶型轉(zhuǎn)變溫度附近最顯著。B）極化時間和電壓的影響： a）相同的電場強度下，極化時間延長可使

44、極化強度和剩余極 化強度較高； b）極化電壓增大電疇轉(zhuǎn)向程度高，剩余極化大。C）晶體結(jié)構(gòu)的影響： a）單晶體的電滯回線接近矩形； b）陶瓷多晶體不易成為單疇，其電滯回線Ps和Pr相差較大；2、介電特性 鈣鈦礦型鐵電體具有很高的介電常數(shù)(室溫約1400，居里點附近高達600010000)；實際應(yīng)用需要調(diào)整其居里溫度和居里點處介電常數(shù)的峰值；A）移峰效應(yīng)：在鐵電體中引入添加物生成固溶體，改變原來的晶胞參數(shù)和離子間的相互聯(lián)系，使居里點向低溫或高溫方向移動；使工作溫度(室溫)附近的介電常數(shù)和溫度的關(guān)系盡可能平緩；B）壓峰效應(yīng)：為降低居里點處的介電常數(shù)的峰值，使工作狀態(tài)處于相應(yīng)的介電常數(shù)和溫度的平緩區(qū)。

45、3、非線性 由電滯回線可知，介電常數(shù)隨外加電場強度非線性地變化，其影響因素主要是材料的結(jié)構(gòu)；使材料具有強非線性，即要使所有電疇在較低電場作用下全部定向；而低電場下的電疇轉(zhuǎn)向主要取決于90o和180o疇壁的位移；而疇壁通常位于缺陷附近，由于缺陷區(qū)的內(nèi)應(yīng)力疇壁不易移動；因此要選擇合適的主晶相材料、減少晶體缺陷、防止雜質(zhì)摻入、優(yōu)化工藝條件等。4、晶界效應(yīng) BaTiO3鐵電材料微量摻雜可表現(xiàn)半導(dǎo)體特性；利用半導(dǎo)體陶瓷的晶界效應(yīng)，可制造出邊界層電容器：晶粒內(nèi)部為半導(dǎo)體性質(zhì)，晶界為絕緣層，相當于電容器的介質(zhì)層。5.1 壓電效應(yīng)1、壓電效應(yīng)： 某些晶體材料在一定方向上可按所施加的機械應(yīng)力成比例地在受力兩端表

46、面上產(chǎn)生數(shù)量相等、符號相反的束縛電荷；反之在一定方向的電場作用下，會產(chǎn)生與電場強度成正比的幾何應(yīng)變。2、機理：機械應(yīng)力引起了晶體介質(zhì)的極化，從而導(dǎo)致介質(zhì)兩端表面內(nèi)出現(xiàn)符號相反的束縛電荷。3、壓電方程：為二階對稱張量、為矢量，、對正逆壓電效應(yīng)相同；比例常數(shù)為電場強度為應(yīng)變，為應(yīng)力，為介質(zhì)電位移逆壓電效應(yīng)：正壓電效應(yīng)：STEDdmVESmNTmCDdESdTD/;2200000000000003332312415636535434333232131362652542432322212126165154143132121111dddddTdTdTdTdTdTdDTdTdTdTdTdTdDTdTdTdTdTdTdD，壓電常數(shù)矩陣簡化為由于壓電陶瓷的對稱性機械的方向方向，第二個下標代表第一個下標代表電場的11552154333333123311333231131341525151EdSEdSEdSEdSEdSTdTdTdDTdDTdD；逆壓電效應(yīng)：正壓電效應(yīng)：壓電振子：被覆激勵電極的壓電體，是最基本的壓電元件1、諧振頻率fr和反諧振頻率fa ：A）若壓電振子的固有振動頻率為fr，當施加于其上的激勵信號頻率等于fr時，壓