材料物理性能：第四章 材料的介電性能2

1、第四章 材料的介電性能1電導(dǎo)率(electrical conductivity)和電阻率 1 、電阻率： 體積電阻率 V , m 表面電阻率 S , 2介電性能 （Dielectric Properties） 3多層陶瓷電容器（MLCC）及其構(gòu)造應(yīng)用：電子整機(jī)產(chǎn)品中的振蕩、耦合、濾波和旁路電路4介質(zhì)的極化電介質(zhì)在交變電場(chǎng)下的行為擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度壓電性鐵電性介電性能的測(cè)量本章主要內(nèi)容：5電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下，能建立極化的物質(zhì)。電介質(zhì)（Dielectrics ）極化：電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下發(fā)生正負(fù)電荷中心分離，產(chǎn)生束縛電荷的現(xiàn)象。 介質(zhì)的極化 介質(zhì)損耗 介電強(qiáng)度6介電性能的物理參數(shù)介電常數(shù)、相對(duì)介電常數(shù)真空

2、電容器電容： C0 0電介質(zhì)電容器電容：C r 0真空介電常數(shù)，8.85410-12 (F/m)A面積 介電常數(shù) r相對(duì)介電常數(shù)d電極間距離介電常數(shù)是一個(gè)綜合反映電介質(zhì)極化行為的主要宏觀物理量。7公式：圓片試樣：r 單位：pF、cm平行板試樣： r 單位：pF、cm圓管式試樣： r 相對(duì)重合長(zhǎng)度(cm) 8TK= T0室溫(25) 0、C0室溫下的介電常數(shù)、電容、C測(cè)定溫度下的介電常數(shù)、電容2. 介電常數(shù)的溫度系數(shù)實(shí)驗(yàn)方法：93. 介質(zhì)損耗損耗角正切 tan= 4. 介電強(qiáng)度（擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度）EBD (kV/mm) Breakdown 復(fù)介電常數(shù)虛部 復(fù)介電常數(shù)實(shí)部10 極化強(qiáng)度(Polariz

3、ability) P單位體積內(nèi)的電偶極矩總和 ，宏觀量C/m2 與面電荷密度單位相同 極化率(Polarizability) 單位電場(chǎng)強(qiáng)度下，質(zhì)點(diǎn)電偶極矩的大小 表征材料的極化能力 ，微觀量法米2 Fm2 Eloc局部電場(chǎng) Cm/(V/m) 11 電介質(zhì)極化系數(shù)(電極化率) kai Susceptibility PnnEloc n、一定，引出 P0E 平均電矩 E宏觀平均電場(chǎng) 0 真空介電常數(shù)(8.85410-12 F/m) r-1極化率12極化：在外電場(chǎng)作用下，介質(zhì)內(nèi)質(zhì)點(diǎn)(原子、分子、離 子)正負(fù)電荷中心的分離，形成偶極子(Dipole)。 電偶極矩13極化機(jī)制 電子極化 離子極化 偶極子轉(zhuǎn)

4、向極化 空間電荷極化14電子位移極化15電子位移極化在電場(chǎng)作用下，電子位移形式偶極矩* 電子位移極化率e特點(diǎn)：彈性、可恢復(fù)、瞬間（10-16-10-14、不消耗能量*-ex*eEloc+Eloc+e-ex16電子極化率(Polarizability) e=4pe0R3 10-40F.m217電子松弛極化 電子松弛極化是由弱束縛電子引起的極化晶體中的晶格缺陷(熱缺陷)、雜質(zhì)缺陷、非化學(xué)計(jì)量比的組分缺陷等使電子能態(tài)發(fā)生變化，出現(xiàn)于禁帶中的局部能級(jí)上，形成所謂弱束縛電子。 晶體中的色心、陰離子空位是一個(gè)正電中心，能束縛電子，相似于施主能級(jí)。陽(yáng)離子空位是一個(gè)負(fù)電中心，能束縛空穴，相似于受主能級(jí)。弱束縛

5、電子在外電場(chǎng)作用下，作具有方向性的近(短)程遷移運(yùn)動(dòng)，形成一種極化狀態(tài)。 近程遷移與電子電導(dǎo)不同; 不可逆過(guò)程，與電子位移極化不同; 消耗能量; t10-9s 特征弱束縛電子：18(a) A NaCl chain in the NaCl crystal without an applied field. Average or net dipole moment per ion is zero. (b) In the presence of an applied field the ions become slightly displaced which leads to a net avera

6、ge dipole moment per ion.離子位移極化19離子位移極化離子位移極化產(chǎn)生的偶極矩* 離子位移極化率i*q(- )*iEloc+Eloc-q+qa+離子間距討論在交變電場(chǎng)作用下，被極化離子的運(yùn)動(dòng)方程： 負(fù)離子 彈性恢復(fù)力f1-k(-)，電場(chǎng)力f2-qE0eit正離子 彈性恢復(fù)力f1-k(-)，電場(chǎng)力f2qE0eit20離子松弛極化 離子松弛極化率 T缺陷區(qū)的弱聯(lián)系離子在電場(chǎng)作用下發(fā)生短程遷移21 TT表明熱運(yùn)動(dòng)對(duì)質(zhì)點(diǎn)的規(guī)則運(yùn)動(dòng)阻礙增強(qiáng)。 T表明松弛過(guò)程加快，極化建立得更充分， 從而，故有一極大值(在適當(dāng)溫度、頻率下)。 22 偶極子轉(zhuǎn)向極化 10-38F.m2 消耗能量;

7、t：10-10-10-2s 23 空間電荷極化24 不可逆極化， 消耗能量; 極化時(shí)間長(zhǎng)，t10-4s 特征25位移式極化極化形式松弛極化電子松弛極化離子位移極化離子松弛極化電子位移極化極化的基本形式自發(fā)極化 電子極化離子極化偶極子取向極化空間電荷極化松弛極化極化機(jī)理26各種極化的頻率范圍 及其對(duì) 、的貢獻(xiàn) =e+ i + 0 + s27克勞修斯莫索蒂關(guān)系式 ClausiusMossotti 宏觀電場(chǎng)E、退極化場(chǎng)E1、外加電場(chǎng)E外 E外 P E1 EE外+E1 (矢量和) 28 局部電場(chǎng)Eloc、洛倫茲場(chǎng)E2、 質(zhì)點(diǎn)附近偶極子影響E3 Lorentz P E1E3 E2 E外以參考原子為球心劃

8、出，球半徑r 原子間距a，但比整個(gè)介質(zhì)小得多 有效電場(chǎng) 對(duì)一個(gè)參考原子，局部電場(chǎng)： Eloc= E外+ E1+ E2+ E3 E 宏觀電場(chǎng) 洛倫茲場(chǎng)E2： 空腔表面上的極化電荷所產(chǎn)生的電場(chǎng)立方對(duì)稱晶體 E3 = 0 29 克勞修斯莫索蒂關(guān)系式 +Free ChargeBound ChargeDipole + + + 電位移D、極化強(qiáng)度P、宏觀場(chǎng)強(qiáng)E的關(guān)系： PD0E(0)E0(r-1)E=naEloc 高n大a強(qiáng)的Eloc30（兩種或兩種以上極化質(zhì)點(diǎn)）重要意義 建立了宏觀量r與微觀量之間的關(guān)系 提供了計(jì)算介電性能參數(shù)的方法 分子間作用很弱的氣體、非極性液體和非極性固體 一些NaCl型離子晶體和

9、具有適當(dāng)對(duì)稱的晶體 適用范圍 由31具體應(yīng)用 僅有電子位移極化e = e10-1410-15秒完成Maxwell電磁理論 n光折射率；光頻介電常數(shù)；m磁導(dǎo)率，非鐵磁性物質(zhì)，m1 （Lorentz-Lorenze Equation） 32 用直接測(cè)量值來(lái)表示 將克莫方程兩邊乘以M/ (M：分子量；：電介質(zhì)密度) N0= 6.021023阿佛伽德羅常數(shù) Pm摩爾極化強(qiáng)度 33聚四氟乙烯(C2F4)n是一種非極性固體介質(zhì)，它的光折射率n為1.43，分子量M為100，密度為2.22.3g/cm3。試求聚四氟乙烯的電子極化率。 例34復(fù)介電常數(shù)(Complex Dielectric Constant)

10、平行板真空電容器加上交流電壓UU0eit，則極板上電荷QC0 U在外電路上的電流： 電流與電壓的相位差90 35介質(zhì)弛豫與德拜方程 Relaxation and Debye Equations t介質(zhì)弛豫過(guò)程PP0PP1P1(t)介質(zhì)弛豫：介質(zhì)的極化過(guò)程不是瞬時(shí)完成的，在外電 場(chǎng)作用下系統(tǒng)逐漸達(dá)到平衡狀態(tài)的過(guò)程。P0 瞬時(shí)極化強(qiáng)度P 最終極化強(qiáng)度P1(t) 弛豫極化強(qiáng)度函數(shù)P1最終弛豫極化強(qiáng)度值P(t) 極化強(qiáng)度函數(shù)36P(t)P0+P1(t) 0(r-1)E 而 Debye方程 S：靜態(tài)相對(duì)介電常數(shù) ：高頻相對(duì)介電常數(shù) S=1+0+ 1 =1+037與頻率的關(guān)系(恒定電場(chǎng))(光頻)在0之間：

11、lg38不同溫度下的 、 和 頻率特性曲線39從Debye方程中削去半圓方程：圓心：半徑：頻譜分析技術(shù)40介質(zhì)損耗 Dielectric Loss 介質(zhì)加電場(chǎng)通過(guò)的電流： 電容電流幾何電容充電電流，不損耗能量。IC 介質(zhì)極化過(guò)程的建立，即松弛極化所造成的電流， 引起損耗為極化損耗。 IP 介質(zhì)電導(dǎo)(漏導(dǎo))造成的電流引起損耗，為電導(dǎo)損 耗。 IR41實(shí)部虛部損耗角正切損耗引子Loss factor用tan值來(lái)研究電介質(zhì)損耗的優(yōu)點(diǎn)： tan、同時(shí)直接測(cè)量得到。如：電橋法、諧振法 tan與試樣大小、形狀無(wú)關(guān)， 為電介質(zhì)自身屬性，遠(yuǎn)比敏感。42（ 容抗）交流電壓下IUICIRRC等效電路 ，自由電荷的

12、電導(dǎo) 與頻率無(wú)關(guān)束縛電荷的電導(dǎo) 是頻率的函數(shù) (極化的建立) =P+G損耗率：43介電損耗的形式1電導(dǎo)（或漏導(dǎo)）損耗 漏電流引起的損耗2極化損耗 消耗能量的極化形式引起的損耗。（松弛極化）。3電離損耗 含有氣體的固體介質(zhì)，在極化時(shí)，氣體被電離吸收能量造成損耗。影響因素內(nèi)因 結(jié)構(gòu) 外因 溫度T和頻率44介質(zhì)損耗和頻率、溫度的影響 頻率的影響 (1) 低時(shí)， 四種極化都出現(xiàn)，最大 無(wú)極化損耗,介損由漏導(dǎo)引起 0時(shí)，tan最大，tan pE2 (與頻率無(wú)關(guān)) 45 頻率的影響 (2) ，緩慢極化跟不上電場(chǎng)的變化 1，tan，p變化不大 （ ） tan46 溫度的影響 (1) 純電導(dǎo)損耗 tan、p，

13、與T成指數(shù)關(guān)系 47 溫度的影響 (2) 溫度對(duì)松弛極化的影響 低溫時(shí)，較大，221，由Debye方程 可得 中溫時(shí)，較小，221 p主要決定于極化過(guò)程，p在Tm下，p、tan有一極大值48 高溫時(shí)，松弛極化 T T 電導(dǎo) tan 49504.3擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度（抗電強(qiáng)度）一電介質(zhì)擊穿現(xiàn)象：材料從介電狀態(tài)導(dǎo)電狀態(tài)。原因：強(qiáng)電場(chǎng)下工作 V V穿 擊穿場(chǎng)強(qiáng)結(jié)果：固體材料被擊穿、永久破壞，氣、液可在外電場(chǎng)去掉時(shí)恢復(fù)性能。影響因素：材料本身性質(zhì)（內(nèi)因），電極形狀，溫度，壓力（外因）等擊穿形式：電擊穿、熱擊穿、化學(xué)擊穿。51抗電強(qiáng)度二擊穿形式1電擊穿部分自由電子次級(jí)電子三級(jí)電子擊穿撞擊離子吸收電場(chǎng)能量撞擊離

14、子瞬時(shí)完成雪 崩52抗電強(qiáng)度2熱擊穿3化學(xué)擊穿 材料內(nèi)部電解、腐蝕、氧化、還原、氣孔中氣體電離。 介電損耗升溫增加損耗熱能溫度熱擊穿熱能53抗電強(qiáng)度三影響抗電強(qiáng)度的因素 抗電強(qiáng)度（耐電強(qiáng)度）擊穿場(chǎng)強(qiáng)。1溫度 對(duì)電擊穿影響不大，溫度 熱擊穿 溫度 促進(jìn)化學(xué)擊穿過(guò)程的進(jìn)行。2對(duì)熱擊穿影響很大 越容易熱擊穿54Time to breakdown and the field at breakdown, Ebr, are interrelated and depend on the mechanism that causes the insulation breakdown. External disc

15、harges have been excluded (based on L.A. Dissado and J.C. Fothergill, Electrical Degradation and Breakdown in Polymers, Peter Peregrinus Ltd. for IEE, UK, 1992, p. 63)55抗電強(qiáng)度四抗電強(qiáng)度的測(cè)量與應(yīng)用 （P188）56575859606162Comparison of dielectrics for capacitor applicationsCapacitor namePolypropylenePolyesterMicaAlu

16、minum, electrolyticTantalum, electrolytic, solidHigh-K ceramicDielectricPolymer filmPolymer filmMicaAnodized Al2O3filmAnodized Ta2O5filmX7R BaTiO3 baseer2.2 2.33.2 3.36.98.5272000tand4 10-44 10-32 10-40.05 - 0.10.010.01Ebr (kV mm-1) DC100 - 350100 - 30050 - 300400 - 1000300 - 60010d (typical minimum

17、)3 - 4 m1 m2 - 3 m0.1 m0.1 mm10 mCvol (F cm-3)230 157,500a24,000a180Rp = 1/Gp; C = 1 mF; 1000 Hz400 kW40 kW800 kW1.5 - 3 kW16 kW16 kWEvol (mJ cm-3)b1015810001200 100PolarizationElectronicElectronic and DipolarIonicIonicIonicLarge ionic displacementNOTES: Typical values. h = 3 assumed. The table is f

18、or comparison purposes only. Breakdown fields are typical DC values, and can vary substantially, by at least an order of magnitude; Ebr depends on the thickness, material quality and the duration of the applied voltage. a Proper volumetric calculations must also consider the volumes of electrodes and the electrolyte necessary for these dielectrics to work; hence the number would have to be