第6章 材料的介電性能-3

1、第6章 材料的介電性能2009.05 熱擊穿 電擊穿 局部放電擊穿 6.3 電介質(zhì)在電場的破壞當(dāng)固體電介質(zhì)在電場作用下，由電導(dǎo)和介質(zhì)損耗產(chǎn)生的熱量超過試樣通過傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射所能散發(fā)的熱量時(shí)，試樣中的熱平衡就被破壞，試樣溫度不斷上升，最終造成介質(zhì)永久性的熱破壞，這就是熱擊穿。 6.3.1熱擊穿機(jī)制2( , )expAABW V TVdT對(duì)面積為A、厚度為d的試樣施加直流電壓V，且介質(zhì)只有漏導(dǎo)電流產(chǎn)生的熱量。使試樣本身溫度升高通過熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流向周圍散發(fā)熱量20( )()W TB TTv 不是瞬時(shí)完成的，要有熱量聚集的過程；v 非本征的，不僅與介質(zhì)物性有關(guān)，還與器件幾何形狀、絕緣結(jié)構(gòu)、散熱條件、

2、電壓種類和媒質(zhì)溫度等因素有關(guān)。 特征固體電介質(zhì)的熱擊穿判據(jù)固體電介質(zhì)的熱擊穿判據(jù)當(dāng)發(fā)熱曲線W1與散熱直線W2相切時(shí)，切點(diǎn)C應(yīng)滿足以下條件12 12(,)() mmmmTTTTTTTTWV TWTVVTT當(dāng)電子從電場中得到的能量大于傳導(dǎo)給晶格振動(dòng)的能量時(shí)，電子的動(dòng)能就越來越大，至電子能量大到一定值時(shí)，電子與晶格振動(dòng)的相互作用導(dǎo)致電離產(chǎn)生新電子，使自由電子數(shù)迅速增加，電導(dǎo)進(jìn)入不穩(wěn)定階段，擊穿發(fā)生。從理論上可分為 本征電擊穿理論 “雪崩”電擊穿理論 6.3.2 電擊穿機(jī)制1.本征電擊穿理論電子加速運(yùn)動(dòng)(動(dòng)能)與晶格振動(dòng)的相互作用，把能量傳遞給晶格。當(dāng)其處于平衡時(shí)，介質(zhì)中有穩(wěn)定的電導(dǎo)，若電子能量大到一

3、定值而破壞平衡，電導(dǎo)由穩(wěn)定態(tài)變?yōu)榉欠€(wěn)定態(tài)。 A表示單位時(shí)間內(nèi)從電場獲得的能量 *mEeA22)U,E(A)tU(AEE電場強(qiáng)度； 松弛時(shí)間 (與電子能量U有關(guān)) B表示電子與晶格振動(dòng)相互作用時(shí)單位時(shí)間內(nèi)能量的損失， 晶格振動(dòng)與溫度有關(guān)BUtB T UL()(,)0 平衡時(shí)，A(E,U)=B(T0,U) 當(dāng)E上升到使平衡破壞時(shí)，碰撞電離過程便立即發(fā)生晶格溫度 引起非穩(wěn)態(tài)的起始強(qiáng)度定義為。 （電子平均自由行程時(shí)間）特征發(fā)生在室溫或室溫以下發(fā)生的時(shí)間間隔很短，在微秒或微秒以下與樣品或電極幾何形狀無關(guān)，或者與所加電場的波形無關(guān)僅與材料有關(guān)與介質(zhì)中的自由電子有關(guān)（來源為雜質(zhì)或缺陷能級(jí)、價(jià)帶）本征擊穿理論

4、可歸結(jié)為基本上處理電子與晶格間能量的傳遞，并且考慮材料中電子能量的分布變化。參與能量傳遞作用的因素偶極場中的晶格振動(dòng)與偶極場晶格振動(dòng)共有的電子殼層變形非偶極場短程電子軌道畸變本征擊穿理論所相關(guān)的電子能量分布變化的因素電場對(duì)電子的加速作用傳導(dǎo)電子間的碰撞傳導(dǎo)電子與晶格的相互碰撞電子的電離、再復(fù)合和捕獲電場梯度形成的擴(kuò)散本征擊穿機(jī)制模型單電子近似模型僅適用于材料本征擊穿低溫區(qū)集合電子近似模型22*/Ae Em00ln2uEckT2.雪崩式電擊穿機(jī)制把本征電擊穿機(jī)制和熱擊穿機(jī)制結(jié)合起來電荷是逐漸或者相繼積聚，而不是電導(dǎo)率的突然改變，盡管電荷集聚在很短時(shí)間內(nèi)發(fā)生最初機(jī)制是場發(fā)射或離子碰撞2expbIP

5、aEE以碰撞電離后自由電子數(shù)倍增到一定值作為電擊穿判據(jù)。 當(dāng)介質(zhì)很薄時(shí)，碰撞電離不足以發(fā)展到40代，電子雪崩系列已進(jìn)入陽極復(fù)合，此時(shí)介質(zhì)不能擊穿。因此便定性解釋了薄層介質(zhì)具有較高擊穿電場的原因。通過估算：由陰極出發(fā)的初始電子，在其向陽極運(yùn)動(dòng)的過程中，1cm內(nèi)的電離次數(shù)達(dá)到40次，介質(zhì)便擊穿。雪崩電擊穿和本征電擊穿一般難于區(qū)分在理論上它們的關(guān)系十分明顯本征電擊穿理論中增加傳導(dǎo)電子是繼穩(wěn)態(tài)破壞后突然發(fā)生而雪崩擊穿是考慮高場強(qiáng)時(shí)，傳導(dǎo)電子倍增過程逐漸達(dá)到難以忍受的程度，導(dǎo)致介質(zhì)晶格破壞。局部放電就是在電常作用下，在電介質(zhì)區(qū)域中所發(fā)生放電現(xiàn)象，沒有電極之間形成貫穿的通道，整個(gè)試樣并沒有擊穿局部放電是脈

6、沖性的，其過程與電暈放電相同。局部放電將導(dǎo)致介質(zhì)的擊穿與老化。6.3.3 局部放電擊穿擊穿的隨機(jī)性傳統(tǒng)的擊穿模型屬于純確定論，是建立在超過某一臨界電場時(shí)，因一連串因果效應(yīng)使系統(tǒng)不再能維持能量平衡從而發(fā)生擊穿的基礎(chǔ)之上的。由于高聚物的能帶理論、電荷注入、電子激發(fā)及輸運(yùn)過程的深入研究與發(fā)展，以及非線性科學(xué)中分形及混沌的廣泛應(yīng)用，促使電擊穿從確定論確定論邁向破壞過程的隨機(jī)論隨機(jī)論的根本性變化。擊穿也包括最終導(dǎo)致?lián)舸┑睦匣^程。老化本身是一種空間分布的、隨時(shí)間不斷發(fā)展且累積的損傷過程。1920年法國人Valasek發(fā)現(xiàn)羅息鹽具有特異的介電性，其極化強(qiáng)度隨外加電場的變化為以下形狀，稱為電滯回線，把具有這

7、種性質(zhì)的晶體稱為鐵電體6.4 鐵電性6.4.1 鐵電體與電疇1.電滯回線和鐵電體電滯回線和鐵電體 電滯回線鐵電體典型的極化曲線(極化強(qiáng)度與電場強(qiáng)度的變化關(guān)系) OAB表示對(duì)未極化樣品施加電場E，隨E，極化強(qiáng)度不斷增加，達(dá)到B點(diǎn)，極化強(qiáng)度飽和，再繼續(xù)增加E，極化強(qiáng)度隨外電場線性增加。BC線外推至電場為0，則與縱坐標(biāo)軸相交于PS點(diǎn)。PS自發(fā)極化強(qiáng)度。達(dá)到飽和后再減小電場，極化強(qiáng)度并不是沿原始的極化曲線下降，而是沿圖中CBD變化，在D點(diǎn)電場為0，但極化強(qiáng)度并沒有消失，Pr剩余極化強(qiáng)度(Remnant Polarization) 。只有當(dāng)電場沿相反方向增加到-Ec時(shí)，極化才變?yōu)?，Ec被稱之為矯頑場(

8、Coercive Field) 。繼續(xù)增加反向電場可使極化強(qiáng)度達(dá)到反向飽和，再增加到正向飽和。極化強(qiáng)度將完成圖示的回線，稱之為電滯回線。 鐵電體具有自發(fā)極化的特性，而且這種自發(fā)極化的電偶極矩在外電場作用下可以改變其取向，甚至反轉(zhuǎn)。在同一外電場作用下，極化強(qiáng)度可以有雙值，表現(xiàn)為電場E的雙值函數(shù)，這正是鐵電體的重要物理特性鐵電體有電滯回線的原因：電疇。居里溫度TC或稱居里點(diǎn)TC鐵電體整體上呈現(xiàn)自發(fā)極化，其結(jié)果是晶體正、負(fù)端分別有一層正、負(fù)束縛電荷。束縛電荷產(chǎn)生的電場-退極化場與極化方向反向，是靜電能升高。在受機(jī)械束縛時(shí)，伴隨著自發(fā)極化的應(yīng)變還將使應(yīng)變能增加所以整體均勻極化的狀態(tài)不穩(wěn)定，晶體趨向于分

9、成多個(gè)小區(qū)域。每個(gè)區(qū)域內(nèi)部電偶極子沿同一個(gè)方向，但不同小區(qū)域的電偶極子不同，這每個(gè)小區(qū)域稱為電疇。180疇壁（較?。?0疇壁（較厚）2.電畤轉(zhuǎn)向電畤轉(zhuǎn)向鐵電畤在外電場作用下，總是趨向與外電場方向一致，稱之為畤轉(zhuǎn)向。電畤運(yùn)動(dòng)是通過新畤出現(xiàn)，發(fā)展和畤壁移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。電滯回線是鐵電體的鐵電畤在外電場作用下運(yùn)動(dòng)的宏觀描述。 6.4.2鈦酸鋇自發(fā)極化的微觀機(jī)理及電疇的形成1.鈦酸鋇自發(fā)極化的微觀機(jī)理鈦酸鋇自發(fā)極化的微觀機(jī)理從非鐵電相到鐵電相的過渡總是伴隨著晶格結(jié)構(gòu)的改變，晶體從立方晶系轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆骄?，晶體的對(duì)稱性降低，提出離子位移理論，認(rèn)為自發(fā)極化主要是由晶體中某些離子偏離了平衡位置造成。由于離子偏離了

10、平衡位置，使得單位晶胞中出現(xiàn)了電矩，電矩之間的相互作用使偏離平衡位置的離子在新的位置穩(wěn)定下來，與此同時(shí)晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生了畸變。 在一定情況下 ，晶體結(jié)構(gòu)的鐵電相變是布里淵區(qū)中心的橫向光學(xué)晶格振動(dòng)的”柔軟化”結(jié)果。聲子橫光學(xué)振動(dòng)頻率接近于零。 Ti4+在氧八面體中心有位移的余地，在較高溫度時(shí)(120)由于離子熱振動(dòng)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(gè)氧離子的機(jī)率是相等的，所以晶體結(jié)構(gòu)仍保持較高的對(duì)稱性，晶胞內(nèi)不產(chǎn)生電矩，即自發(fā)極化為0。當(dāng)溫度降低(120，立方結(jié)構(gòu) a4.01 AoO2-O2-間隙： A28. 1dA37. 132. 1201. 44TiAAoo99.

11、 3a03. 4c，2 .電畤形成電畤形成電畤的形成及其運(yùn)動(dòng)的微觀機(jī)理是復(fù)雜的6.4.3鐵電體的臨界性質(zhì)1.環(huán)境因素對(duì)鐵電體性質(zhì)的影響環(huán)境因素對(duì)鐵電體性質(zhì)的影響 （1） 外部條件（電場，應(yīng)力。溫度，壓力）的變化，可以引起鐵電體極化強(qiáng)度PS的變化（2）鐵電體相變按自由能變化來分，可分為兩類。即：一級(jí)相變二級(jí)相變?cè)谙嘧凕c(diǎn)上，PS突變到零；鐵電相與非鐵電相共存；相變伴隨著潛熱和熱滯現(xiàn)象。 如BT等。在相變點(diǎn)上，PS連續(xù)地下降至零；相變沒有潛熱和熱滯現(xiàn)象。 如KDP等。TTCPSTTCPS鐵電體居里溫度是由材料成分決定，不同元素在同一鐵電體中對(duì)的TC影響不同的。晶粒的大小也影響鐵電體的行為。一般情況下

12、晶粒越大，其起壓電性值就越高。2. 成分，晶粒大小，尺寸因素的影響成分，晶粒大小，尺寸因素的影響3. 反鐵電反鐵電-鐵電相變鐵電相變反鐵電晶體含有反平行排列的偶極子。反鐵電相的偶極子結(jié)構(gòu)很接近鐵電相的結(jié)構(gòu)，能量上的差別很小，因此，只要在成分上稍有改變，或者加強(qiáng)的外電場或者是壓力則反鐵相就轉(zhuǎn)變?yōu)殍F相結(jié)構(gòu)。某些晶體材料按所施加的機(jī)械力成比例地產(chǎn)生電荷的特性。 6.5 壓電性和熱釋電性6.5.1 壓電性1.正壓電效應(yīng)，逆壓電效應(yīng)和壓電常數(shù)正壓電效應(yīng)，逆壓電效應(yīng)和壓電常數(shù)當(dāng)晶體受到機(jī)械力作用時(shí)，一定方向的表面產(chǎn)生束縛電荷，其電荷密度大小與所加的應(yīng)力的大小成線性關(guān)系。這種由機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的過程，稱為。

13、當(dāng)晶體在外電場激勵(lì)下，晶體的某些方向上產(chǎn)生形變，而且應(yīng)變大小與所加電場在一定范圍內(nèi)有線性關(guān)系，這種由電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的過程稱為。 在正壓電效應(yīng)中，電荷與應(yīng)力成比列，即在正壓電效應(yīng)中，電荷與應(yīng)力成比列，即 DdT在逆壓電效應(yīng)中，應(yīng)變?cè)谀鎵弘娦?yīng)中，應(yīng)變S S與電場強(qiáng)度與電場強(qiáng)度E E成正比，即成正比，即 SdEd 壓電常數(shù)(C/N)D 電位移(C/m2)T 應(yīng)力(N/m2)d (V/m)S 應(yīng)變(m/m)E 電場強(qiáng)度(V/m)F 比例常數(shù)d數(shù)值相同 dD TS E2.壓電性產(chǎn)生原因壓電性產(chǎn)生原因晶體壓電效應(yīng)的本質(zhì)是因?yàn)闄C(jī)械作用引起晶體介質(zhì)的極化從而導(dǎo)致介質(zhì)兩端表面內(nèi)出現(xiàn)符號(hào)相反的束縛電荷。3.

14、壓電振子及其參數(shù)壓電振子及其參數(shù)最基本元件，是被覆激勵(lì)電極的壓電體壓電振子參數(shù)諧振頻率與反諧振頻率機(jī)械品質(zhì)因數(shù)頻率常數(shù)機(jī)電耦合系數(shù)2mmmWQW12lYN22kk由機(jī)械能轉(zhuǎn)化的電能輸入的總機(jī)械能或由電能轉(zhuǎn)化的機(jī)械能輸入的總電能4. 壓電陶瓷的預(yù)極化壓電陶瓷的預(yù)極化極化條件在壓電陶瓷上加一個(gè)強(qiáng)直流電場，使陶瓷中的電畤沿電場方向取向排列。 極化電場極化電場 極化溫度極化溫度 極化時(shí)間極化時(shí)間6.5.2 熱釋電性1. 熱釋電性現(xiàn)象熱釋電性現(xiàn)象在電化石熱釋電實(shí)驗(yàn)中，由于加熱，溫度變化，使自發(fā)極改變，屏蔽電荷失去平衡。因此，晶體一端的正電荷吸引硫磺粉顯黃色，另一端吸引鉛丹粉顯紅色。由于溫度變化而使極化改變的現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)，其本質(zhì)稱為熱釋電性。2. 熱釋電效應(yīng)產(chǎn)生的條件熱釋電效應(yīng)產(chǎn)生的條件具有熱釋電