12級(jí)介電性能解析

第4章材料的介電性能1234電導(dǎo)率(electricalconductivity)和電阻率1、電阻率：

體積電阻率

V,Ω·m

表面電阻率

S,Ω5介電性能（DielectricProperties）

6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7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：8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)電荷中心分別，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)度當(dāng)在一個(gè)真空平行板電極間嵌入電介質(zhì)時(shí)，電極間施加電場(chǎng)，那么在電介質(zhì)表面上感應(yīng)出電荷。正極旁邊感應(yīng)負(fù)電荷，負(fù)極旁邊感應(yīng)正電荷。9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。10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)

11TK=＝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)試驗(yàn)方法：12作業(yè)已知一材料為各向同性，推導(dǎo)其介電常數(shù)的溫度系數(shù)與電容溫度系數(shù)的關(guān)系（其熱膨脹系數(shù)為a).133.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5.絕緣電阻1415極化強(qiáng)度(Polarizability)

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

表征材料的極化實(shí)力，微觀量[法米2][Fm2]

Eloc—局部電場(chǎng)

[Cm/(V/m)]16電介質(zhì)極化系數(shù)(電極化率)

[kai]SusceptibilityP＝n＝nEloc

n、確定，引出P＝0E—平均電矩

E—宏觀平均電場(chǎng)

0

—真空介電常數(shù)(8.85410-12F/m)

＝r-1極化率17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)電荷中心的分別，形成偶極子(Dipole)。電偶極矩18某些材料的介電常數(shù)ε（T=25℃f=106Hz）

塑料和有機(jī)物玻璃無(wú)機(jī)晶態(tài)材料聚四氟乙烯（Tefton）2.1 石英玻璃 3.8 氧化鋇 3.4聚異丁烯 2.23 耐熱玻璃 3．8-3．9 云母 3.6聚乙烯 2.35 派勒克斯玻璃 4.0-6.0 氯化鉀 4.75聚苯乙烯 2.55 堿-石灰-硅石玻璃 6.9 溴化鉀 4．9丁基橡膠 2．56 高鉛玻璃 19.0 堇青石陶瓷 4．5-5.4有機(jī)玻璃 2.63 （2MgO·2Al2O33SiO42為基）聚氯乙烯 3.3 金剛石 5.5聚酰胺66 3.33鎂橄欖石 6.22 (Mg2SiO4）聚酯 3．1-4.0 多鋁紅柱石3Al2O36.62SiO2

酚甲醛 4.75 氟化鎳 9.0氯丁橡膠 6.26 氧化鎂 9.65金紅石（TiO2）~100鈦酸鋇（BaTiO3)~1700紙 7019極化機(jī)制電子極化離子極化偶極子轉(zhuǎn)向極化空間電荷極化20電子位移極化21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、可復(fù)原、瞬間（10-16-10-14、不消耗能量*＝-ex*＝eEloc+—Eloc+e-ex22電子極化率(Polarizability)

e=4pe0R310-40F.m223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)生變更，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，相像于施主能級(jí)。陽(yáng)離子空位是一個(gè)負(fù)電中心，能束縛空穴，相像于受主能級(jí)。弱束縛電子在外電場(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;不行逆過(guò)程，與電子位移極化不同;消耗能量;t>10-9s特征弱束縛電子：24(a)ANaClchainintheNaClcrystalwithoutanappliedfield.Averageornetdipolemomentperioniszero.(b)Inthepresenceofanappliedfieldtheionsbecomeslightlydisplacedwhichleadstoanetaveragedipolemomentperion.離子位移極化25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+—＋－離子間距探討在交變電場(chǎng)作用下，被極化離子的運(yùn)動(dòng)方程：負(fù)離子彈性復(fù)原力f1＝-k(－-＋)，電場(chǎng)力f2＝-qE0eit正離子彈性復(fù)原力f1＝-k(＋-－)，電場(chǎng)力f2＝qE0eit26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27TT表明熱運(yùn)動(dòng)對(duì)質(zhì)點(diǎn)的規(guī)則運(yùn)動(dòng)阻礙增加。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)。28偶極子轉(zhuǎn)向極化

10-38F.m2

消耗能量;t：10-10-10-2s

2930空間電荷極化31不行逆極化，消耗能量;極化時(shí)間長(zhǎng)，t>10-4s特征32位移式極化極化形式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)理偶極子取向極化空間電荷極化33各種極化的頻率范圍

及其對(duì)、的貢獻(xiàn)=e+i+0+s34克勞修斯－莫索蒂關(guān)系式

Clausius－Mossotti

宏觀電場(chǎng)E、退極化場(chǎng)E1、外加電場(chǎng)E外

＋－E外＋－＋＋＋＋＋＋－－－－－－

P

E1

E＝E外+E1(矢量和)35局部電場(chǎng)Eloc、洛倫茲場(chǎng)E2、質(zhì)點(diǎn)旁邊偶極子影響E3Lorentz＋－＋＋＋＋＋＋－－－－－－

P

E1E3－－＋＋－－－－－＋＋＋＋＋

E2

E外以參考原子為球心劃出，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

36

克勞修斯－莫索蒂關(guān)系式

+FreeChargeBoundChargeDipole

++＋

+

+

電位移D、極化強(qiáng)度P、宏觀場(chǎng)強(qiáng)E的關(guān)系：

P＝D0E＝(－0)E＝0(r-1)E=naEloc

高n大a強(qiáng)的Eloc37（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)系供應(yīng)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型離子晶體和具有適當(dāng)對(duì)稱的晶體

適用范圍

由38具體應(yīng)用僅有電子位移極化e

=

e10-14～10-16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-LorenzeEquation）

39用干脆測(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

40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2.2g/cm3。試求聚四氟乙烯的電子極化率。

例41一種非極性固體介質(zhì)電子極化率為5*10-40F.m2，它的分子量M為100，密度為2g/cm3。試求其光折射率。

作業(yè)42ViCUViCUGU90電容器電流與電壓的關(guān)系志向電容器非志向電容器43復(fù)介電常數(shù)(ComplexDielectricConstant)

平行板真空電容器加上溝通電壓U＝U0eit，則極板上電荷Q＝C0U在外電路上的電流：

電流與電壓的相位差90

44嵌入志向絕緣、非極性電介質(zhì)在外電路上的電流：

電流與電壓的相位差仍為90

C＝rC0

嵌入弱電導(dǎo)或極性電介質(zhì)

C＝rC0

電流與電壓的相位差90，有電導(dǎo)重量GU(G：電導(dǎo))45介質(zhì)弛豫與德拜方程

RelaxationandDebyeEquations

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)漸漸達(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)46P(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+047與頻率的關(guān)系(恒定電場(chǎng))(光頻)在0～之間：lg48不同溫度下的、和頻率特性曲線49從Debye方程中削去半圓方程：圓心：半徑：頻譜分析技術(shù)505152介質(zhì)損耗介質(zhì)損耗：電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下，單位時(shí)間內(nèi)消耗的電能。介質(zhì)損耗率：?jiǎn)挝惑w積的介質(zhì)損耗。直流損耗功

PW＝IU＝GU2

G—電導(dǎo)(S西門(mén)子)為純自由電荷產(chǎn)生的電導(dǎo)率(S/m)

直流電壓下的介質(zhì)損耗率取決于材料的電導(dǎo)率介質(zhì)損耗率53介質(zhì)損耗DielectricLoss

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。IR54實(shí)部虛部損耗角正切損耗引子Lossfactor用tan值來(lái)探討電介質(zhì)損耗的優(yōu)點(diǎn)：tan、同時(shí)干脆測(cè)量得到。如：電橋法、諧振法tan與試樣大小、形態(tài)無(wú)關(guān)，為電介質(zhì)自身屬性，遠(yuǎn)比敏感。55（容抗）溝通電壓下IUICIRRC等效電路

，自由電荷的電導(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：56介質(zhì)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)，氣體被電離吸取能量造成損耗。影響因素內(nèi)因結(jié)構(gòu)外因溫度T和頻率ω57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

p＝E2(與頻率無(wú)關(guān))58

頻率的影響

(2)，緩慢極化跟不上電場(chǎng)的變更<<1，隨tan

p＝tanE2，、tanp

當(dāng)m＝1時(shí)，tan極大值

(3)，僅位移極化，(最小值)>>1，tan，p變更不大（）tan59

溫度的影響

(1)純電導(dǎo)損耗tan、p，與T成指數(shù)關(guān)系

60

溫度的影響

(2)溫度對(duì)松弛極化的影響低溫時(shí)，較大，22>>1，由Debye方程可得中溫時(shí)，較小，22<<1p主要確定于極化過(guò)程，p在Tm下，p、tan有一極大值61高溫時(shí)，松弛極化

T

T

電導(dǎo)tan

62634.3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)。緣由：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)復(fù)原性能。影響因素：材料本身性質(zhì)（內(nèi)因），電極形態(tài)，溫度，壓力（外因）等擊穿形式：電擊穿、熱擊穿、化學(xué)擊穿。64擊穿電場(chǎng)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取電場(chǎng)能量撞擊離子瞬時(shí)完成雪崩65擊穿電場(chǎng)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66擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度三．影響抗擊穿電場(chǎng)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．ω對(duì)熱擊穿影響很大ω↑越簡(jiǎn)潔熱擊穿67Timetobreakdownandthefieldatbreakdown,Ebr,areinterrelatedanddependonthemechanismthatcausestheinsulationbreakdown.Externaldischargeshavebeenexcluded(basedonL.A.DissadoandJ.C.Fothergill,ElectricalDegradationandBreakdowninPolymers,PeterPeregrinusLtd.forIEE,UK,?1992,p.63)68介電性能測(cè)試

（P188-192）1、絕緣電阻率2、介電常數(shù)3、介質(zhì)損耗4、擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度69707172737475ComparisonofdielectricsforcapacitorapplicationsCapacitornamePolypropylenePolyesterMicaAluminum,electrolyticTantalum,electrolytic,solidHigh-KceramicDielectricPolymerfilmPolymerfilmMicaAnodizedAl2O3filmAnodizedTa2O5filmX7RBaTiO3baseer2.2–2.33.2–3.36.98.5272000tand410-4410-3210-40.05-0.10.010.01Ebr(kVmm-1)DC100-350100-30050-300400-1000300-60010d(typicalminimum)3-4μm1μm2-3μm0.1μm0.1