電工材料及應用

電工材料及應用第1頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一Chap5電介質(zhì)與絕緣材料

絕緣材料是指電導率較低(一般在10-9~10-10s/m之間),用來限制電流使其按一定途徑流動的材料(如在電機,變壓器,電器,電纜中的絕緣);另外,還有利用其”介電”特性建立電場以貯存電能的材料(如電容器).

電介質(zhì)是指能在電場中極化的材料.而電介質(zhì)多數(shù)是優(yōu)良的絕緣材料,故兩者經(jīng)常通用.

電介質(zhì)一般是絕緣體。但廣義的電介質(zhì)還包括半絕緣體和某些處于特殊狀態(tài)下的半導體（如載流子耗盡狀態(tài)下的半導體）第2頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一

材料的介電性能是電介質(zhì)的主要特征，它以正、負電荷重心不重合的電極化方式傳遞、存儲或記錄電的作用和效應。電極化中的電荷主要指那些束縛在原子、分子、晶格、缺陷位置或局部區(qū)域內(nèi)的束縛電荷。本章介紹電介質(zhì)與絕緣材料的基本概念和性能,并揭示電介質(zhì)材料宏觀介電性能的一些微觀機制。

各種束縛電荷在不同頻率的交變電場作用下表現(xiàn)出不同的電極化行為，并進行決定著電介質(zhì)材料的各種性能。第3頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一§0電介質(zhì)分類電介質(zhì)按其分子中正負電荷的分布狀況不同可分為:中性電介質(zhì)偶極電介質(zhì)離子型電介質(zhì)第4頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一§1介質(zhì)極化的基本概念

電偶極矩的單位為C.m(庫侖.米).在分子物理中，常用德拜(D)為單位，1D等于10-18cgs(靜電單位)，相當于3.33×10-28C.cm。H2O的電偶極矩為1.85D,HCl的電偶極矩為1.08D.一、定義及有關物理量1、電偶極矩：由大小相等、符號相反、彼此相距為l的兩點電荷(+q、-q)所組成的束縛系統(tǒng)，稱為偶極子，偶極子的大小和方向常用電偶極矩μ來表示(方向由負電荷指向正電荷)第5頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一2、極化強度：單位體積內(nèi)的電偶極矩總和稱為極化強度，用P表示

在電介質(zhì)中，由電磁學理論有

3、電介質(zhì)的極化率χ和相對介電常數(shù)ε

(庫/米2)

其中因此，在描述物質(zhì)的介電性質(zhì)時，使用相對介電常數(shù)ε和宏觀極化率χ在物理上等價的。第6頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一二、電極化的微觀機構

由物質(zhì)的組成可以知道，物質(zhì)的宏觀電極化是組成物質(zhì)的微觀粒子在外電場作用下發(fā)生微觀電極化的結(jié)果，通常，微觀粒子在外電場作用下而產(chǎn)生的電矩與場強存在如下關系：式中α稱為微觀極化率。粒子的微觀極化率可能來自多種原因，一般情況包括電子云位移極化（其極化率用αe表示）、離子位移極化（其極化率用αi表示）、偶極子轉(zhuǎn)向極化（其極化率用αd表示）等第7頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一1、電子云位移極化：沒有受電場作用時，組成電介質(zhì)的分子或原子所帶正負電荷中心重合，對外呈中性。受電場作用時，正、負電荷中心產(chǎn)生相對位移(電子云發(fā)生了變化而使正、負電荷中心分離的物理過程)，中性分子則轉(zhuǎn)化為偶極子，這種過程就是電子云位移極化。電子云位移極化存在于一切氣體、液體及固體介質(zhì)中。

（1）電子云位移極化率：理論計算值取決于所采用的粒子模型，由點狀核球狀負電殼體模型或圓周軌道模型(玻爾模型)計算出的電子極化率為：

第8頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一（2）電子云位移極化的特點：a)形成極化所需時間極短(因電子質(zhì)量極小)，約為10-15ｓ，在一般頻率范圍內(nèi)，可以認為ε與頻率無關；

b)具有彈性，當外電場去掉時，作用中心又馬上會重合而整個呈現(xiàn)非極性，故電子式極化沒有能量損耗。

c)溫度對電子式極化影響不大。

在數(shù)量級上上述各種情況均相同，其值都在10-40F·m2，與實驗結(jié)果相吻合。

由量子力學計算給出的電子極化率為

第9頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一2、離子位移極化：離子晶體中，無電場作用時，離子處在正常格點位置并對外保持電中性，但在電場作用下，正、負離子產(chǎn)生相對位移，破壞了原先呈電中性分布的狀態(tài)，電荷重新分布，相當于從中性分子轉(zhuǎn)變?yōu)榕紭O子產(chǎn)生離子位移極化.

離子位移極化主要存在于離子化合物材料中，如云母、陶瓷材料等。（1）離子位移極化率：

以NaCl為例，在外電場E作用下，正、負離子相對自己原來位置發(fā)生△r大小位移，在△r不大時，離子達到平衡的條件是電場作用力與離子的恢復力相等，即第10頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一（2）離子位移極化的特點：

a)形成極化所需時間很短，約為10-13ｓ。在頻率不太高時，可以認為ε與頻率無關；b)屬彈性極化，能量損耗很小。c)離子位移極化受兩個相反因素的影響：溫度升高時離子間的結(jié)合力降低，使極化程度增加；但離子的密度隨溫度升高而減小，使極化程度降低。通常，前一種因素影響較大，故ε一般具有正的溫度系數(shù)，即隨溫度升高，出現(xiàn)極化程度增強趨勢的特征。第11頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一3、偶極子轉(zhuǎn)向極化：極性電介質(zhì)中，存在具有固有偶極矩μ0的偶極子。無外電場時，偶極子排列混亂，使∑μi=0；加外電場時，偶極轉(zhuǎn)向，成定向排列，從而使電介質(zhì)極化.（1）偶極子極化率：具有固有電偶極矩μ0的偶極子的轉(zhuǎn)向極化率為

（2）偶極子極化的特點：a)極化是非彈性的，消耗的電場能在復原時不可能收回。b)形成極化所需時間較長，約為10-10～10-2ｓ，故其ε與電源頻率有較大的關系，頻率很高時，偶極子來不及轉(zhuǎn)動，因而其ε減小。

c)溫度對極性介質(zhì)的ε有很大的影響。

第12頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一4、空間電荷極化：空間電荷極化常常發(fā)生在不均勻介質(zhì)中。在電場作用下，不均勻介質(zhì)內(nèi)部的正負間隙離子分別向負、正極移動，引起電介質(zhì)內(nèi)各點離子密度的變化，出現(xiàn)了電偶極距。這種極化叫作空間電荷極化。在電極附近積聚的離子電荷就是空間電荷。實際上晶界，相界，晶格畸變，雜質(zhì)等缺陷區(qū)都可成為自由電荷運動的障礙，在這些障礙處，自由電荷積聚，也形成空間電荷極化

空間電荷極化的特點：空間電荷極化隨溫度升高而下降。因為溫度升高，離子運動加劇，離子擴散容易，因而空間電荷減少?？臻g電荷的建立需要較長的時間，大約幾秒到數(shù)十分鐘，甚至數(shù)十小時，因此空間電荷極化只對直流和低頻下的介電性質(zhì)有影響。第13頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一5、松弛極化

當材料中存在著弱聯(lián)系電子、離子和偶極子等松弛質(zhì)點時，熱運動使這些松弛質(zhì)點分布混亂，而電場力圖使這些質(zhì)點按電場規(guī)律分布，最后在一定溫度下，電場的作用占主導，發(fā)生極化。這種極化具有統(tǒng)計性質(zhì)，叫作熱松馳極化。

松馳極化的特點：松馳極化的帶電質(zhì)點在熱運動時移動的距離可以有分子大小，甚至更大。松馳極化中質(zhì)點需要克服一定的勢壘才能移動，因此這種極化建立的時間較長（可達10-2－10-9秒）,并且需要吸收一定的能量，所以這種極化是一種不可逆的過程。松馳極化多發(fā)生在晶體缺陷處或玻璃體內(nèi)。第14頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一§2材料的介電性1、介電常數(shù)與相對介電常數(shù)

為了將極化強度P和宏觀實際有效電場E相聯(lián)系,人們定義

一、介電常數(shù)：

式中

為真空介電常數(shù)，其值為8.85×10-12F/m,

為電介質(zhì)的極化系數(shù)，是個無量綱的數(shù)。

第15頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一式中

為電介質(zhì)的絕對介電常數(shù)；

為電介質(zhì)的相對介電常數(shù),是一個無量綱的數(shù)。電介質(zhì)在電場中的極化將使電感應強度D變化，

絕對介電常數(shù)、相對介電常數(shù)都表征電介質(zhì)極化并儲存電荷的能力的宏觀物理量。

第16頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一2、相對介電常數(shù)與分子極化率α的關系

對彌散態(tài)物質(zhì)，1880年，H.A.Lorentz和

L.Lorenz各自獨立得到下列公式

式中N單位體積中的分子數(shù)。此式稱為Lorentz－Lorenz公式，它將表征極化特性的宏觀參數(shù)（介電常數(shù)）與微觀參數(shù)（分子極化率α）聯(lián)系起來，同時提供了計算介電性能參數(shù)的方法。第17頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一Clausius-Mosotti方程——相對分子質(zhì)量——密度——阿佛迦德羅常數(shù)——電子極化率由上式可知，介電常數(shù)是隨著電子極化率的增大而增大。密度增大，介電常數(shù)也將提高。第18頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一二、介電馳豫

1、馳豫過程：一個宏觀系統(tǒng)由于周圍環(huán)境的變化或受到外界的作用而變?yōu)榉菬崞胶鉅顟B(tài)，這個系統(tǒng)再從非平衡狀態(tài)過渡到新的熱平衡態(tài)的整個過程就稱為馳豫過程。

馳豫過程實質(zhì)上是系統(tǒng)中微觀粒子由于相互作用而交換能量，最后達到穩(wěn)定分布的過程。馳豫過程的宏觀規(guī)律決定于系統(tǒng)中微觀粒子相互作用的性質(zhì)。因此，研究馳豫現(xiàn)象是獲得這些相互作用的信息的最有效途徑之一。

2、介電馳豫與馳豫時間：

發(fā)生在電介質(zhì)中的與極化相關的馳豫過程就是介電馳豫。

第19頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一式中τ稱為馳豫時間，它是P減小到e-1倍時所需要的時間。

由初始條件可知此微分方程的解為

設在t<0時，介質(zhì)受外電場作用產(chǎn)生極化，其強度為P0,在t=0時突然除去電場，然后系統(tǒng)就會經(jīng)歷馳豫過程，其極化強度將隨時間逐漸減小，最后達到熱平衡態(tài)的零值。一般可設極化強度P的減小速率與P成正比，即第20頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一德拜在描述電介質(zhì)極化現(xiàn)象的馳豫過程中采用介如下電常數(shù)ε對交變電場的頻率ω的關系3、德拜馳豫方程：其中，

是電場頻率趨于無窮大時介質(zhì)的介電常數(shù)。α（t）被稱為衰減因子。

若在t<0時，介質(zhì)的極化強度為0,在t=0時突然加一恒定電場，則系統(tǒng)也會經(jīng)歷馳豫過程，其極化強度將隨時間逐漸增大，最后達到新的熱平衡態(tài)的P0值。這一馳豫過程的極化強度變化為

第21頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一上面兩個式子常稱為德拜方程。

在一定情況下，可設

令，于是由上述積分可得

第22頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一從上面還可得到

這是一個以為坐標的圓方程。如果分別以為橫、縱坐標做圖，則方程描繪的是一條半圓周曲線。這種曲線常稱為Cole-Cole圖。

4、Cole-Cole圖從德拜方程中消去ωτ，可得到

第23頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一Cole-Cole圖在處理實驗數(shù)據(jù)時很有用。只要在實驗上測出不同頻率下材料的復介電常數(shù)的實部和虛部，并將實驗數(shù)據(jù)在復平面上做Cole-Cole圖，就可以從圖上材料的介電馳豫是否屬于德拜馳豫，還可以求得馳豫時間。

顯然，半圓與橫坐標的兩個交點的值是。將半圓頂點的坐標代入德拜方程，可以得到頂點處的圓頻率與馳豫時間的關系為ωτ=1。

第24頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一三、介質(zhì)損耗：

電介質(zhì)在電場作用下，單位時間消耗的電能叫介質(zhì)損耗。

1、損耗的形式①電導損耗：在電場作用下，介質(zhì)中由泄漏電流引起的損耗就是電導損耗。絕緣好的液、固電介質(zhì)在工作電壓下時一般電導損耗很小，但隨溫度的增加而急劇增加的。②極化損耗：由各種極化機構在電場作用下發(fā)生的能量損耗稱為極化損耗。極化損耗主要是由那些較緩慢的極化過程造成的，如偶極子的極化損耗。極化損耗與溫度有關，也與交變電場的頻率有關，在某種溫度或某種頻率下，損耗會呈現(xiàn)最大值。③游離損耗：氣體間隙中的電暈損耗和液、固絕緣體中局部放電引起的功率損耗稱為游離損耗。

第25頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一2、介質(zhì)損耗的表示

在大多實際電介質(zhì)中，介電常數(shù)是復數(shù)常用損耗角的大小表示介質(zhì)損耗，損耗角定義為

第26頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一四、介電常數(shù)與介質(zhì)損耗的影響因素

材料電介常數(shù)與頻率的一般關系如下:

1、頻率的影響電子極化→離子（原子）極化→偶極極化→界面極化→電頻率光頻率ε第27頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一第28頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一εr，tgδ，p與ω的關系

1）外加電場頻率很低（ω→0）時，介質(zhì)的各種極化都能跟上外加電場的變化，介電常數(shù)有最大值，不存在極化損耗。介質(zhì)損耗主要由漏導引起。2）隨外加電場頻率升高，松弛極化在某一頻率開始跟不上外電場的變化，它對介電常數(shù)的貢獻減小，因而εr隨ω升高而減少。在這一頻率范圍內(nèi)，由于ωτ＜＜1，故tgδ隨ω升高而增大，同時P也增大。(3)當ω很高時，εr→ε∞，介電常數(shù)僅由位移極化決定，εr趨于最小值。此時由于ωτ＞＞1，此時tgδ隨ω升高而減小。ω→∞時，tgδ→0。第29頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一2、溫度的影響溫度對松弛極化產(chǎn)生影響，因而P，ε和tgδ與溫度關系很大。松弛極化隨溫度升高而增加，此時，離子間易發(fā)生移動，松弛時間常數(shù)τ減小。（1）當溫度很低時，隨溫度上升，εr、tgδ和P上升。

（3）當溫度升到很大值時，離子熱運動能量很大，離子在電場作用下的定向遷移受到熱運動的阻礙，因而極化減弱，εr下降。此時電導損耗劇烈上升，tgδ也隨溫度上升急劇上升。（2）在中間溫度范圍的某一溫度Tm下，P和tgδ有極大值，第30頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一1：結(jié)構損耗；2：松弛損耗，3：電導損耗；4：總

損

耗

玻璃中各種介質(zhì)損耗與溫度的關系

第31頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一五、電介質(zhì)的電導電介質(zhì)并非理想絕緣體,在電場作用下均有一定的電流通過,此為電介質(zhì)的電導。電介質(zhì)的電導大小，一般用電阻率ρ或電導率γ表示。這兩個都是表征材料導電性能的宏觀參數(shù)，與材料的幾何尺寸無關。在含有m種載流子參與導電的情況下，電導率可表示為：第32頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一按導電載流子種類，電介質(zhì)的電導可分為：（1）電子電導（包括空穴導電）：載流子是帶負電荷的電子（或帶正電荷的空穴）（2）離子電導：載流子是理解了的原子或原子團（離子），它們可以帶正電荷，也可以帶負電荷。離子導電時，伴隨有電解現(xiàn)象發(fā)生。

固態(tài)導體、半導體及強電場下的絕緣體中主要是電子電導，液態(tài)導體、半導體及弱電場下的絕緣體中主要是離子電導。第33頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一氣體電介質(zhì)的電導

常溫、常壓下的氣體在較低電場強度下都是優(yōu)良的絕緣體，能夠通過氣體的電流極其微弱，只有采用很高靈敏度的靜電計才能檢測出來（j<10-14A/m2）j-E曲線三區(qū)域：Ⅰ——歐姆電導區(qū)Ⅱ——飽和電流區(qū)Ⅲ——電流激增區(qū)第34頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一液體電介質(zhì)的電導液體電介質(zhì)在純凈的情況下，電導率一般很小，如經(jīng)硅膠、白土精制后的礦物油，其電導率在80℃下僅為10-13S/m。工程用液體介質(zhì)由于受雜質(zhì)影響，其電導率一般較大，在10-13~10-9S/m的范圍內(nèi)變化。極性的比非極性的高。離子電導膠粒電導電子電導第35頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一固體電介質(zhì)的電導離子電導電子電導第36頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一固體電介質(zhì)的表面電導親水電介質(zhì)疏水電介質(zhì)第37頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一六、介電強度與擊穿

熱擊穿：當外加的電壓足夠高時，介質(zhì)可能處于發(fā)熱大于散熱的狀態(tài)，這將導致介質(zhì)溫度持續(xù)升高，直至出現(xiàn)永久性損壞，這就是熱擊穿。熱擊穿電壓隨環(huán)境溫度升高而降低。

電介質(zhì)只能在一定的電場強度以內(nèi)保持絕緣的特性。當電場強度超過某一臨界值時，電介質(zhì)變成了導體，這種現(xiàn)象稱為電介質(zhì)的擊穿，相應的臨界電場強度稱為介電強度或擊穿電場強度。顯然，在電介質(zhì)的使用中，這個參數(shù)特別重要。

嚴格地劃分擊穿類型是很困難的，通常分為三種類型：熱擊穿、電擊穿、局部放電擊穿。

第38頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一電擊穿：在強電場下,固體導帶中的電子一方面在外電場作用下被加速獲得動能,另一方面與晶格振動相互作用,把能量傳遞給晶格。若電場給于電子的能量大于電子傳遞給晶格振動能量時，電子的動能就會越來越大，達到某個值后，電子與晶格相互作用還會導致電離產(chǎn)生新電子，使自由電子數(shù)迅速增加，電導率不斷增大，擊穿發(fā)生。

表面放電和邊緣擊穿：固體介質(zhì)常處于周圍氣體媒質(zhì)中。擊穿時,常發(fā)現(xiàn)介質(zhì)本身并末擊穿,但有火花掠過它的表面,這就是表面放電。表面放電與電場畸變有關。

在電極邊緣，常常有電場集中，因而擊穿常在電極邊緣發(fā)生，即邊緣擊穿。

表面放電與邊緣擊穿決定于電極周圍的媒質(zhì)以及電場的分布，也與電介質(zhì)的介電系數(shù)、電導率有關。第39頁，共43頁，2023年，2月20日，星期一七、新型高性能介電材料需求分析1、集成電