材料合成與制備第二章B

1、材料合成與制備材料合成與制備 第二章第二章 材料的性能材料的性能 2.3 無機(jī)非金屬材料的電性能無機(jī)非金屬材料的電性能 無機(jī)非金屬材料的電性能主要包括無機(jī)非金屬材料的電性能主要包括導(dǎo)電性、絕緣性、介電性、半導(dǎo)電性、導(dǎo)電性、絕緣性、介電性、半導(dǎo)電性、抗電性、抗電性、 壓電性、熱釋電性、超導(dǎo)電性壓電性、熱釋電性、超導(dǎo)電性等等,這些性質(zhì)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中有著廣泛這些性質(zhì)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用。的應(yīng)用。 2.3.1 導(dǎo)電性導(dǎo)電性 2.3.1.1 吸收電流與漏導(dǎo)電流吸收電流與漏導(dǎo)電流 如圖如圖2.31 (a)所示所示,當(dāng)給材料加上一個(gè)當(dāng)給材料加上一個(gè)電壓電壓U的瞬間的瞬間,將產(chǎn)生一個(gè)電流將產(chǎn)生一個(gè)

2、電流Ia: (2.3.1) 式中式中:U為電壓為電壓;R為電阻為電阻;為時(shí)間常數(shù)為時(shí)間常數(shù);C為材為材料的電容。料的電容。Ia持續(xù)的時(shí)間很短持續(xù)的時(shí)間很短(充電充電),隨時(shí)間呈隨時(shí)間呈指數(shù)規(guī)律下降指數(shù)規(guī)律下降,稱為材料的吸收電流。經(jīng)過足稱為材料的吸收電流。經(jīng)過足夠長(zhǎng)的時(shí)間后夠長(zhǎng)的時(shí)間后,則有則有: Il =U/RV (2.3.2) 式中式中:Il稱為漏導(dǎo)電流；稱為漏導(dǎo)電流；RV為體積電阻為體積電阻(),與與材料性質(zhì)、形狀、尺寸等有關(guān)。材料性質(zhì)、形狀、尺寸等有關(guān)。RCRUIaexp G I E Ia Il l 0 t (a) (b) 圖2.3.1 陶瓷材料的導(dǎo)電性 2.3.1.2 電阻、電導(dǎo)與電

3、流密度電阻、電導(dǎo)與電流密度 根據(jù)物理學(xué)原理根據(jù)物理學(xué)原理,截面積為截面積為A、長(zhǎng)度為、長(zhǎng)度為l l的的材料的電阻與電導(dǎo)可以表示為材料的電阻與電導(dǎo)可以表示為: (2.3.3a) 或或: (2.3.3b) 式中式中:UC為電壓為電壓;R為電阻為電阻;GV為體積電導(dǎo)為體積電導(dǎo)(S);V為體積電阻率為體積電阻率(m);V為體積電導(dǎo)率為體積電導(dǎo)率(Sm1);A為材料垂直電流方向的截面積為材料垂直電流方向的截面積(m2);l l為材料平行電流方向的長(zhǎng)度為材料平行電流方向的長(zhǎng)度(m)(m)。材料的電流。材料的電流密度則可表示為密度則可表示為: : J=IV/A=UGV=VU/l l (2.3.4) AlGR

4、VVV/1lARGVVV/1 2.3.1.3 不同材料不同材料的導(dǎo)電性的導(dǎo)電性 上述各個(gè)物理量都上述各個(gè)物理量都從不同的角度表征從不同的角度表征了材料的導(dǎo)電性了材料的導(dǎo)電性,實(shí)際應(yīng)用中實(shí)際應(yīng)用中,常根常根據(jù)材料的電阻率或據(jù)材料的電阻率或電導(dǎo)率將材料分為電導(dǎo)率將材料分為導(dǎo)電材料、半導(dǎo)體導(dǎo)電材料、半導(dǎo)體材料、絕緣材料和材料、絕緣材料和超導(dǎo)材料四大類超導(dǎo)材料四大類,如圖如圖2.3.2所示。所示。 8 金屬 4 半導(dǎo)體 0 -4 絕緣材料 -8 -12 -16 200 400 600 800 1000 T/K 圖2.3.2 不同材料的導(dǎo)電性lgV/Sm1 表表2.3.1 典型材料的電阻率典型材料的電阻

5、率材料材料電阻率電阻率/m電介質(zhì)電介質(zhì)1081020半導(dǎo)體半導(dǎo)體102107玻璃熔體玻璃熔體103102導(dǎo)體導(dǎo)體108104超導(dǎo)體超導(dǎo)體 0 2.3.2 導(dǎo)電機(jī)理導(dǎo)電機(jī)理 導(dǎo)電的本質(zhì)是荷電粒子導(dǎo)電的本質(zhì)是荷電粒子(載溜子載溜子)在電場(chǎng)在電場(chǎng)作用下的定向遷移。材料中的載流子種類有作用下的定向遷移。材料中的載流子種類有自由電子、離子、電子自由電子、離子、電子-空穴對(duì)等。材料導(dǎo)空穴對(duì)等。材料導(dǎo)電的難易程度可以用電導(dǎo)率或電阻率表示電的難易程度可以用電導(dǎo)率或電阻率表示,根根據(jù)電學(xué)原理?yè)?jù)電學(xué)原理,電導(dǎo)率可用下式表示電導(dǎo)率可用下式表示: =nZe (2.3.5) 式中式中:n為載流子濃度為載流子濃度(mol

6、m3);Z為載流子為載流子電價(jià)電價(jià);e為電子的電量為電子的電量(C);為載流子遷移率為載流子遷移率(m2S1V1),即單位電場(chǎng)強(qiáng)度作用下荷電離即單位電場(chǎng)強(qiáng)度作用下荷電離子的遷移子的遷移(漂移漂移)速度。速度。 材料電導(dǎo)率大小主要由載流子濃度材料電導(dǎo)率大小主要由載流子濃度和遷移率決定。陶瓷材料主要涉及離子和遷移率決定。陶瓷材料主要涉及離子式電導(dǎo)和電子式電導(dǎo)和電子-空穴對(duì)電導(dǎo)空穴對(duì)電導(dǎo),很少涉及自很少涉及自由電子式電導(dǎo)。由電子式電導(dǎo)。 2.3.2.1 電子式電導(dǎo)電子式電導(dǎo)電子式載流子電子式載流子: 自由電子； 電子-空穴對(duì)。電子式電導(dǎo)的類型電子式電導(dǎo)的類型: 本征電子電導(dǎo)； 雜質(zhì)電子電導(dǎo)。本征電子

7、電導(dǎo)本征電子電導(dǎo)(能帶電導(dǎo)能帶電導(dǎo)) 構(gòu)成材料的原子或離子導(dǎo)帶中的構(gòu)成材料的原子或離子導(dǎo)帶中的價(jià)電子價(jià)電子(自由電子自由電子)在電場(chǎng)作用下定向運(yùn)在電場(chǎng)作用下定向運(yùn)動(dòng)形成電流。電導(dǎo)大小主要取決于晶動(dòng)形成電流。電導(dǎo)大小主要取決于晶格點(diǎn)原子相互作用對(duì)電子遷移的影響格點(diǎn)原子相互作用對(duì)電子遷移的影響,因此因此,金屬材料中本征電子電導(dǎo)率通常金屬材料中本征電子電導(dǎo)率通常具有負(fù)的溫度系數(shù)具有負(fù)的溫度系數(shù)(正的電阻溫度系數(shù)正的電阻溫度系數(shù))。金屬和陶瓷材料晶體的能帶結(jié)構(gòu)如圖金屬和陶瓷材料晶體的能帶結(jié)構(gòu)如圖2.3.3所示。所示。 1 部分填充 空導(dǎo)帶 能帶 g 禁帶 價(jià)帶能 內(nèi)量 電 子 能 帶 (a) 金屬 (

8、b) 非金屬 圖2.3.3 晶體的能帶結(jié)構(gòu) 純凈的非金屬固體純凈的非金屬固體,導(dǎo)帶一般不存在導(dǎo)帶一般不存在固定的自由電子固定的自由電子(價(jià)電子價(jià)電子,圖圖2.3.3),本征電本征電子電導(dǎo)的大小主要與禁帶寬度和溫度有子電導(dǎo)的大小主要與禁帶寬度和溫度有關(guān)關(guān): (2.3.6) 式中式中:B為常數(shù)；為常數(shù)；g為禁帶寬度為禁帶寬度,半導(dǎo)體材半導(dǎo)體材料禁帶寬度為料禁帶寬度為1eV左右左右,絕緣體通常為絕緣體通常為8eV以上；以上；k為波爾滋曼常數(shù)。為波爾滋曼常數(shù)。300K時(shí)電子時(shí)電子的熱振動(dòng)能量為的熱振動(dòng)能量為0.08 eV左右。因此左右。因此,常溫常溫下下,非金屬固體的本征電子電導(dǎo)很小。非金屬固體的本征

9、電子電導(dǎo)很小。 kTBg2/exp非本征電子電導(dǎo)非本征電子電導(dǎo)(摻雜或變價(jià)離子摻雜或變價(jià)離子):對(duì)電介質(zhì)、對(duì)電介質(zhì)、純凈非金屬固體進(jìn)行摻雜或因其本身存在變純凈非金屬固體進(jìn)行摻雜或因其本身存在變價(jià)離子時(shí)價(jià)離子時(shí),將形成附加的施主能級(jí)將形成附加的施主能級(jí)(施主摻雜施主摻雜,陽(yáng)離子過剩陽(yáng)離子過剩,形成形成n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體)或受主能級(jí)或受主能級(jí)(受主受主摻雜摻雜,陰離子過剩陰離子過剩,形成形成P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體)。例如。例如,在在純硅晶體中摻入少量磷原子純硅晶體中摻入少量磷原子P取代晶格結(jié)點(diǎn)上取代晶格結(jié)點(diǎn)上的的Si原子。因?yàn)樵?。因?yàn)镻原子有原子有5個(gè)價(jià)電子個(gè)價(jià)電子,其中只有其中只有4個(gè)價(jià)電子與周圍

10、的硅原子形成電子對(duì)個(gè)價(jià)電子與周圍的硅原子形成電子對(duì),而而“多余多余”的一個(gè)電子所受的束縛力相對(duì)于其的一個(gè)電子所受的束縛力相對(duì)于其它電子要弱很多它電子要弱很多,因而在導(dǎo)帶底部形成一個(gè)能因而在導(dǎo)帶底部形成一個(gè)能隙很小的施主能級(jí)隙很小的施主能級(jí)(圖圖2.3.4)。 在被置換位置上產(chǎn)生一個(gè)有效正電在被置換位置上產(chǎn)生一個(gè)有效正電荷荷(+e),也即形成也即形成n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體.如果是摻如果是摻入少量的硼原子入少量的硼原子(B),則在價(jià)帶頂形成則在價(jià)帶頂形成一個(gè)一個(gè)0.01eV的受主能級(jí)的受主能級(jí),在被取代的在被取代的晶格位置形成一個(gè)正的電子空穴晶格位置形成一個(gè)正的電子空穴,產(chǎn)產(chǎn)生一個(gè)有效負(fù)電荷生一個(gè)有效

11、負(fù)電荷(-e),形成形成p型半導(dǎo)型半導(dǎo)體。體。 f e e e 導(dǎo)帶 i =0.01eV 摻P 禁帶 g =1.10eV 摻B i =0.01eV 價(jià)帶 圖2.3.4 摻雜能級(jí)示意圖 無論是形成無論是形成n型半導(dǎo)體還是型半導(dǎo)體還是P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體,電電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系與式導(dǎo)率與溫度的關(guān)系與式(2.3.6)相似相似,只需用只需用i取取代代g即可。另外即可。另外,對(duì)于含變價(jià)離子的材料對(duì)于含變價(jià)離子的材料,例如例如TiO2基電介質(zhì)等。這類材料在還原氣氛或與銀基電介質(zhì)等。這類材料在還原氣氛或與銀電極反應(yīng)時(shí)電極反應(yīng)時(shí): Ti4+ + e Ti3+ Ti4+ + Ag Ti3+ + Ag Ti3+不穩(wěn)定

12、不穩(wěn)定,易釋放出一個(gè)電子形成易釋放出一個(gè)電子形成Ti4+: Ti3+ Ti4+ + e 可見可見,相當(dāng)于形成一個(gè)施主能級(jí)相當(dāng)于形成一個(gè)施主能級(jí)(陽(yáng)離子過剩陽(yáng)離子過剩),因而使材料電導(dǎo)率增大。因而使材料電導(dǎo)率增大。還原 通常通常,自由電子和電子自由電子和電子-空穴對(duì)的遷空穴對(duì)的遷移率很大移率很大(約約104mS1V1),遠(yuǎn)大于離遠(yuǎn)大于離子的遷移率子的遷移率(約約101310-16mS-1V-1)。 2.3.2.1 離子式電導(dǎo)離子式電導(dǎo)載流子載流子: 本征離子本征離子:肖特基缺陷肖特基缺陷(正負(fù)離子正負(fù)離子空穴對(duì)空穴對(duì))；弗侖克爾缺陷弗侖克爾缺陷(空位、間隙離空位、間隙離子子)； 雜質(zhì)離子。雜質(zhì)離

13、子。導(dǎo)電通道導(dǎo)電通道:結(jié)構(gòu)空隙。結(jié)構(gòu)空隙。 本征離子電導(dǎo)本征離子電導(dǎo):固體中的本征離子電導(dǎo)固體中的本征離子電導(dǎo)可用下式表示可用下式表示: i=0exp(i/kT) (2.3.7) 式中式中:i為離子遷移活化能為離子遷移活化能,通常為通常為16eV；0為與溫度無關(guān)的常數(shù)；為與溫度無關(guān)的常數(shù)；k為波爾滋曼為波爾滋曼常數(shù)。由于離子遷移的活化能較大常數(shù)。由于離子遷移的活化能較大,所以所以低溫時(shí)本征離子電導(dǎo)率通常很小低溫時(shí)本征離子電導(dǎo)率通常很小,但在高但在高溫下可能很大溫下可能很大,因此也稱為高溫電導(dǎo)。本因此也稱為高溫電導(dǎo)。本征離子電導(dǎo)通常具有正的溫度系數(shù)。征離子電導(dǎo)通常具有正的溫度系數(shù)。 雜質(zhì)離子電導(dǎo)

14、雜質(zhì)離子電導(dǎo):雜質(zhì)離子電導(dǎo)有以下特征雜質(zhì)離子電導(dǎo)有以下特征: 雜質(zhì)離子以固溶體形式存在雜質(zhì)離子以固溶體形式存在,產(chǎn)生各種缺陷；產(chǎn)生各種缺陷； 載流子濃度在常溫時(shí)一般與溫度無關(guān)載流子濃度在常溫時(shí)一般與溫度無關(guān)(或不或不明顯明顯)； 活化能明顯較本征離子低；活化能明顯較本征離子低； 低溫時(shí)雜質(zhì)離子電導(dǎo)通常較本征離子電導(dǎo)大低溫時(shí)雜質(zhì)離子電導(dǎo)通常較本征離子電導(dǎo)大許多許多,并且不會(huì)象本征離子電導(dǎo)那樣隨溫度并且不會(huì)象本征離子電導(dǎo)那樣隨溫度升高而很快增大；升高而很快增大； 電導(dǎo)率主要取決于雜質(zhì)離子濃度、電價(jià)以及電導(dǎo)率主要取決于雜質(zhì)離子濃度、電價(jià)以及離子半徑等。離子半徑等。典型無機(jī)非金屬材料的離子電導(dǎo)典型無機(jī)

15、非金屬材料的離子電導(dǎo) 玻璃玻璃:玻璃的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較疏松、缺玻璃的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較疏松、缺陷多、活化能低陷多、活化能低,而且通常含有濃度而且通常含有濃度較高的堿金屬和堿土金屬離子較高的堿金屬和堿土金屬離子,特別特別是半徑較小的是半徑較小的Li和和Na離子較易遷離子較易遷移。因此移。因此,玻璃通常比晶體具有明顯玻璃通常比晶體具有明顯大的離子式電導(dǎo)。玻璃的離子式電大的離子式電導(dǎo)。玻璃的離子式電導(dǎo)有以下特點(diǎn)導(dǎo)有以下特點(diǎn):l電導(dǎo)率與溫度成指數(shù)關(guān)系電導(dǎo)率與溫度成指數(shù)關(guān)系,與晶體材與晶體材料相似料相似,但活化能較低；但活化能較低；l對(duì)于給定的溫度和堿金屬離子濃度對(duì)于給定的溫度和堿金屬離子濃度,離子電導(dǎo)率隨離子半徑增

16、大而減小。離子電導(dǎo)率隨離子半徑增大而減小。堿金屬離子的電導(dǎo)率順序?yàn)閴A金屬離子的電導(dǎo)率順序?yàn)? LiNaK(離子半徑之比為離子半徑之比為: 1:1.5:2);l多種堿金屬離子同時(shí)存在時(shí)多種堿金屬離子同時(shí)存在時(shí),呈現(xiàn)出呈現(xiàn)出中和效應(yīng)；而堿金屬離子與堿土金中和效應(yīng)；而堿金屬離子與堿土金屬離子共同存在時(shí)屬離子共同存在時(shí),則呈現(xiàn)出壓抑效則呈現(xiàn)出壓抑效應(yīng)應(yīng),此時(shí)電導(dǎo)主要由擴(kuò)散系數(shù)大的離此時(shí)電導(dǎo)主要由擴(kuò)散系數(shù)大的離子決定。子決定。 多相材料多相材料:多相材料的離子電導(dǎo)主要多相材料的離子電導(dǎo)主要取決于相的種類、相對(duì)數(shù)量、分布關(guān)系、取決于相的種類、相對(duì)數(shù)量、分布關(guān)系、各個(gè)相的性質(zhì)、相界或晶界的的數(shù)量、各個(gè)相的性

17、質(zhì)、相界或晶界的的數(shù)量、分布與性質(zhì)等。主要體現(xiàn)在分布與性質(zhì)等。主要體現(xiàn)在:l主次相的導(dǎo)電性；主次相的導(dǎo)電性；l主次相的連接關(guān)系主次相的連接關(guān)系-連通結(jié)構(gòu)連通結(jié)構(gòu),孤立相結(jié)孤立相結(jié)構(gòu)；構(gòu)；l相界或晶界的性質(zhì)以及連通性等。相界或晶界的性質(zhì)以及連通性等。 2.3.3 靜電場(chǎng)中的電介質(zhì)靜電場(chǎng)中的電介質(zhì) 2.3.3.1 極化與偶極矩極化與偶極矩極化極化:電子式極化電子式極化,離子式極化離子式極化,分子式極化分子式極化,空空間電荷極化。極化引起正負(fù)電荷中心的分離間電荷極化。極化引起正負(fù)電荷中心的分離(非極性機(jī)構(gòu)非極性機(jī)構(gòu))形成偶極子或間距增大形成偶極子或間距增大(極性機(jī)極性機(jī)構(gòu)構(gòu))以及偶極子定向排列以及偶

18、極子定向排列(趨向于電場(chǎng)方向趨向于電場(chǎng)方向)。偶極矩與極化率偶極矩與極化率:極化形成偶極子極化形成偶極子,極化的程度極化的程度用單位體積材料的總偶極矩或極化強(qiáng)度用單位體積材料的總偶極矩或極化強(qiáng)度P(極極化電荷密度化電荷密度)表示表示: (2.3.8) 式中式中:N為偶極子濃度；為偶極子濃度； 為偶極子平均偶極矩為偶極子平均偶極矩: (2.3.9)NP E 式中式中:為極化率為極化率,即單位電場(chǎng)強(qiáng)度作用下產(chǎn)生即單位電場(chǎng)強(qiáng)度作用下產(chǎn)生的偶極矩；的偶極矩；E為有效電場(chǎng)強(qiáng)度。結(jié)合上述兩為有效電場(chǎng)強(qiáng)度。結(jié)合上述兩式可得式可得: (2.3.10) 對(duì)于平板電容器中的電介質(zhì)對(duì)于平板電容器中的電介質(zhì),有有:

19、(2.3.11) 0真空介電常數(shù)真空介電常數(shù); 為電極化率為電極化率,且且 或或 ;為材料絕對(duì)介電為材料絕對(duì)介電常數(shù)常數(shù);r為相對(duì)介電常數(shù)。為相對(duì)介電常數(shù)。ENPEPe0e1re1er1/0 因此因此: (2.3.12) 另外另外,根據(jù)物理學(xué)原理根據(jù)物理學(xué)原理: (2.3.13) 令令r=1/30,r為內(nèi)場(chǎng)常數(shù)為內(nèi)場(chǎng)常數(shù),可得到克勞修斯可得到克勞修斯-莫索第方程莫索第方程: (2.3.14 )EP0NNNNNNe0000333/1/1/0231Nrr 此式用于研究固體時(shí)價(jià)值不大此式用于研究固體時(shí)價(jià)值不大,所以使所以使用非常有限用非常有限,需要假設(shè)偶極子對(duì)極化的需要假設(shè)偶極子對(duì)極化的貢獻(xiàn)為零。但

20、從方程貢獻(xiàn)為零。但從方程(2.3.13)可以看出可以看出,當(dāng)當(dāng) 1時(shí)時(shí), ,這意味著在某些條件這意味著在某些條件下下,由于晶格極化產(chǎn)生極化電場(chǎng)由于晶格極化產(chǎn)生極化電場(chǎng),使極化使極化更為穩(wěn)定更為穩(wěn)定,也即形成所謂的也即形成所謂的“反饋反饋”機(jī)機(jī)理。它指出了自發(fā)極化的可能性理。它指出了自發(fā)極化的可能性,即在即在沒有外場(chǎng)時(shí)沒有外場(chǎng)時(shí),晶格產(chǎn)生極化。鐵電體中晶格產(chǎn)生極化。鐵電體中就存在這種現(xiàn)象。就存在這種現(xiàn)象。eN 2.3.3.1 極化機(jī)理極化機(jī)理電子彈性位移極化電子彈性位移極化:原子或離子的電子原子或離子的電子云在外電場(chǎng)或熱運(yùn)動(dòng)等的作用下相對(duì)于云在外電場(chǎng)或熱運(yùn)動(dòng)等的作用下相對(duì)于帶正電的原子核產(chǎn)生位移

21、而引起的極化。帶正電的原子核產(chǎn)生位移而引起的極化。電子彈性位移極化是電介質(zhì)中普遍存在電子彈性位移極化是電介質(zhì)中普遍存在的極化形式的極化形式,其特征為其特征為:極化可逆極化可逆;極化形極化形成的時(shí)間短成的時(shí)間短,約為約為10141015秒秒(稱為松稱為松弛或弛豫時(shí)間弛或弛豫時(shí)間),相當(dāng)于光頻相當(dāng)于光頻;通常不以熱通常不以熱的形式耗散能量的形式耗散能量,因此通常不產(chǎn)生介電損因此通常不產(chǎn)生介電損耗。耗。 對(duì)于大多數(shù)電子彈性位移極化對(duì)于大多數(shù)電子彈性位移極化,極化極化率率e與電子軌道半徑的關(guān)系如下與電子軌道半徑的關(guān)系如下: (2.3.15 ) 式中式中:r為電子軌道半徑為電子軌道半徑(離子半徑離子半徑

22、)；k主要與材料位移極化有關(guān)的系數(shù)主要與材料位移極化有關(guān)的系數(shù),對(duì)于對(duì)于H原子原子,k=1,因此有因此有: (2.3.16 ) 3kre3rHe 通常通常,在材料中在材料中: (2.3.17 ) 另外另外: N1/r3 所以所以: 因?yàn)槭峭鈭?chǎng)因?yàn)槭峭鈭?chǎng),E為定值為定值,所以所以: 因此因此,可以用來評(píng)價(jià)原子或離子對(duì)材料電可以用來評(píng)價(jià)原子或離子對(duì)材料電子式彈性位移極化的貢獻(xiàn)。高介電常數(shù)的介子式彈性位移極化的貢獻(xiàn)。高介電常數(shù)的介電材料常用此參數(shù)。例如電材料常用此參數(shù)。例如Ba2+、Pb2+、Ti4+、Zr4+等都具有高的等都具有高的 。 ENNPeee3/rEPee3/rPee3/re3/re3/

23、re 電子式彈性位移極化通常具有負(fù)的電子式彈性位移極化通常具有負(fù)的溫度系數(shù)溫度系數(shù),因?yàn)闇囟壬邥r(shí)因?yàn)闇囟壬邥r(shí),變化很小變化很小,而而N值下降很多值下降很多,導(dǎo)致極化率降低。導(dǎo)致極化率降低。 電子式彈性位移極化存在于任何介電子式彈性位移極化存在于任何介質(zhì)中。由于電子質(zhì)量小質(zhì)中。由于電子質(zhì)量小,極化位移小極化位移小,因因此極化建立所需的時(shí)間短此極化建立所需的時(shí)間短,相當(dāng)于光頻范相當(dāng)于光頻范圍。在常用的交變電場(chǎng)中圍。在常用的交變電場(chǎng)中,極化能與電場(chǎng)極化能與電場(chǎng)同步同步,因此不消耗能量因此不消耗能量,也即無介電損耗。也即無介電損耗。 當(dāng)外場(chǎng)取消時(shí)當(dāng)外場(chǎng)取消時(shí),位移極化也消失位移極化也消失,因此稱因

24、此稱為彈性位移極化。為彈性位移極化。3/re3/re 離子彈性位移極化離子彈性位移極化 概念概念:在外電場(chǎng)的作用下在外電場(chǎng)的作用下,正負(fù)離子發(fā)正負(fù)離子發(fā)生彈性相對(duì)位移而引起的極化生彈性相對(duì)位移而引起的極化,稱為離稱為離子彈性位移極化。其極化強(qiáng)度和極化率子彈性位移極化。其極化強(qiáng)度和極化率可表示如下可表示如下: (2.3.18 ) (2.3.19 ) 式中式中:b為波恩指數(shù)為波恩指數(shù),取取711。 EENPiii1/3brri 特點(diǎn)特點(diǎn):l建立時(shí)間較短建立時(shí)間較短,約為約為10121013秒秒,接近于晶格接近于晶格點(diǎn)陣中離子的固有震動(dòng)頻率；點(diǎn)陣中離子的固有震動(dòng)頻率；l因?yàn)殡x子質(zhì)量較大因?yàn)殡x子質(zhì)量較

25、大,位移小位移小,僅限于兩離子的作僅限于兩離子的作用力場(chǎng)范圍。在中低頻弱場(chǎng)中為彈性位移極用力場(chǎng)范圍。在中低頻弱場(chǎng)中為彈性位移極化化,不耗散能量；不耗散能量；l通常具有正的溫度系數(shù)通常具有正的溫度系數(shù),因?yàn)闇囟壬邥r(shí)因?yàn)闇囟壬邥r(shí),離子離子可移動(dòng)性可移動(dòng)性(或振幅或振幅)增大增大,使離子極化率增大。對(duì)使離子極化率增大。對(duì)于多數(shù)離子晶體于多數(shù)離子晶體,離子極化率溫度系數(shù)的絕對(duì)離子極化率溫度系數(shù)的絕對(duì)值大于電子位移極化率溫度系數(shù)值大于電子位移極化率溫度系數(shù),因此因此,當(dāng)溫度當(dāng)溫度升高時(shí)升高時(shí),大多數(shù)離子晶體的極化強(qiáng)度增大。大多數(shù)離子晶體的極化強(qiáng)度增大。 松弛式極化松弛式極化 概念概念:在結(jié)構(gòu)疏松的玻

26、璃體、晶體以及晶在結(jié)構(gòu)疏松的玻璃體、晶體以及晶體中含有雜質(zhì)離子或原子、缺陷等區(qū)域體中含有雜質(zhì)離子或原子、缺陷等區(qū)域,會(huì)形會(huì)形成一些與周圍離子或原子聯(lián)系較弱的電子、成一些與周圍離子或原子聯(lián)系較弱的電子、離子或偶極子離子或偶極子,也即所謂的弱聯(lián)系質(zhì)也即所謂的弱聯(lián)系質(zhì)點(diǎn)點(diǎn),也稱為也稱為松弛質(zhì)點(diǎn)松弛質(zhì)點(diǎn)。熱運(yùn)動(dòng)使這些熱運(yùn)動(dòng)使這些質(zhì)點(diǎn)趨于無規(guī)則隨質(zhì)點(diǎn)趨于無規(guī)則隨機(jī)分布機(jī)分布(排列排列),如果施加一電場(chǎng)如果施加一電場(chǎng),則可使這些質(zhì)則可使這些質(zhì)點(diǎn)按一定規(guī)律分布或取向。在一定條件下點(diǎn)按一定規(guī)律分布或取向。在一定條件下,電電場(chǎng)作用與熱運(yùn)動(dòng)會(huì)形成一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡場(chǎng)作用與熱運(yùn)動(dòng)會(huì)形成一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡,在介質(zhì)在介質(zhì)中建立起電

27、荷的不均勻分布中建立起電荷的不均勻分布,形成偶極子形成偶極子,這就這就是松弛式極化。是松弛式極化。 特點(diǎn)特點(diǎn):l位移距離較大位移距離較大,為分子大小或更大。因此為分子大小或更大。因此極化建立過程會(huì)遇到障礙；極化建立過程會(huì)遇到障礙；l極化建立時(shí)間較長(zhǎng)極化建立時(shí)間較長(zhǎng),一般為一般為102108秒；秒；l建立極化需要吸收一定的能量。這種極建立極化需要吸收一定的能量。這種極化通常在無線電波范圍內(nèi)化通常在無線電波范圍內(nèi)(有人認(rèn)為在有人認(rèn)為在106Hz以下以下)才出現(xiàn)。在較高的頻率范圍才出現(xiàn)。在較高的頻率范圍,松弛式極化跟不上電場(chǎng)方向的改變而完松弛式極化跟不上電場(chǎng)方向的改變而完成同步極化成同步極化,因此會(huì)

28、產(chǎn)生大的能量損耗。因此會(huì)產(chǎn)生大的能量損耗。 分類分類:l電子松弛式極化；電子松弛式極化；l離子松弛式極化；離子松弛式極化；l偶極子松弛式極化；偶極子松弛式極化；u電子松弛式極化電子松弛式極化 在一般陶瓷介質(zhì)中在一般陶瓷介質(zhì)中,弱聯(lián)系電子并不多。弱聯(lián)系電子并不多。但在高介電常數(shù)的含但在高介電常數(shù)的含Ti4+等高價(jià)晶體陶瓷中等高價(jià)晶體陶瓷中,會(huì)形成所謂的會(huì)形成所謂的“F色心色心”,或半束縛電子。或半束縛電子。F色色心僅受到很小的庫(kù)侖引力心僅受到很小的庫(kù)侖引力(F=q2/r2)的作用的作用,使使介質(zhì)具有明顯的松弛式極化。介質(zhì)具有明顯的松弛式極化。F色心的形成機(jī)色心的形成機(jī)理如下理如下: nTiO2

29、+ xCO + 或或:2 nTiO2 3242xxnTiTixOxnVO222xCOeOOVTiTiOOTiTi234213eTiTi43 反應(yīng)中形成的反應(yīng)中形成的e被被 俘獲俘獲,每個(gè)每個(gè) 俘俘獲兩個(gè)獲兩個(gè)e,形成所謂的形成所謂的“F色心色心”,也稱為也稱為“F中心中心”。這些被俘獲的電子屬于弱。這些被俘獲的電子屬于弱聯(lián)系電子聯(lián)系電子(半束縛電子半束縛電子),它為周圍幾個(gè)正它為周圍幾個(gè)正離子所共有離子所共有,其激發(fā)能量相當(dāng)于可見光波其激發(fā)能量相當(dāng)于可見光波長(zhǎng)范圍。因此長(zhǎng)范圍。因此,受可見光激發(fā)時(shí)便產(chǎn)生一受可見光激發(fā)時(shí)便產(chǎn)生一定的選擇性吸收定的選擇性吸收,使材料呈現(xiàn)相應(yīng)的顏色使材料呈現(xiàn)相應(yīng)的顏

30、色,因此而稱為因此而稱為F色心。色心。 OVOV 以以F色心形式存在的電子云很容易在外場(chǎng)色心形式存在的電子云很容易在外場(chǎng)作用下變形作用下變形,因而呈現(xiàn)出較強(qiáng)的松弛式極化因而呈現(xiàn)出較強(qiáng)的松弛式極化,使使材料介電常數(shù)和介質(zhì)損耗都大幅度增加。處材料介電常數(shù)和介質(zhì)損耗都大幅度增加。處于激發(fā)態(tài)的半束縛電子數(shù)隨溫度升高會(huì)出現(xiàn)于激發(fā)態(tài)的半束縛電子數(shù)隨溫度升高會(huì)出現(xiàn)一個(gè)極大值一個(gè)極大值(TC)。溫度較低時(shí)激發(fā)電子不多。溫度較低時(shí)激發(fā)電子不多,溫度升高激發(fā)電子數(shù)明顯增加溫度升高激發(fā)電子數(shù)明顯增加,因此電子式松因此電子式松弛極化率也隨之增大。當(dāng)溫度超過某一極限弛極化率也隨之增大。當(dāng)溫度超過某一極限溫度溫度TC (

31、居里點(diǎn)居里點(diǎn))時(shí)時(shí),能量較高的基態(tài)電子大部能量較高的基態(tài)電子大部分被激發(fā)分被激發(fā),溫度繼續(xù)升高時(shí)溫度繼續(xù)升高時(shí),激發(fā)的電子數(shù)不但激發(fā)的電子數(shù)不但不增加不增加,相反將解離為自由電子相反將解離為自由電子,使處于激發(fā)態(tài)使處于激發(fā)態(tài)的半束縛電子數(shù)量降低而導(dǎo)致電子松弛式極的半束縛電子數(shù)量降低而導(dǎo)致電子松弛式極化率降低?；式档?。 在電子陶瓷中在電子陶瓷中,加入一些低價(jià)加入一些低價(jià)的補(bǔ)償雜質(zhì)的補(bǔ)償雜質(zhì),如如Al2O3、MgO等等,用用以提高以提高TiO2的抗還原性的抗還原性,同時(shí)采用同時(shí)采用氧化氣氛燒成氧化氣氛燒成,以減少或避免以減少或避免F色色心形成。心形成。離子松弛式極化離子松弛式極化( ) 由弱聯(lián)系

32、離子引起的極化。極化位移一由弱聯(lián)系離子引起的極化。極化位移一般在一個(gè)到數(shù)個(gè)離子范圍般在一個(gè)到數(shù)個(gè)離子范圍,也稱為熱極化。離也稱為熱極化。離子松弛式極化是大多數(shù)陶瓷材料子松弛式極化是大多數(shù)陶瓷材料(電介質(zhì)電介質(zhì))的的主要極化形式之一。具特點(diǎn)為主要極化形式之一。具特點(diǎn)為:溫度升高時(shí)溫度升高時(shí),松弛式極化建立的時(shí)間縮短松弛式極化建立的時(shí)間縮短,即松弛式極化易即松弛式極化易于發(fā)生。并在一定溫度時(shí)達(dá)到一定極限于發(fā)生。并在一定溫度時(shí)達(dá)到一定極限,其后其后,隨溫度繼續(xù)升高隨溫度繼續(xù)升高,由于熱運(yùn)動(dòng)的加劇而導(dǎo)致極由于熱運(yùn)動(dòng)的加劇而導(dǎo)致極化產(chǎn)生干擾化產(chǎn)生干擾,同時(shí)單位體積中的離子數(shù)也減少同時(shí)單位體積中的離子數(shù)也

33、減少,使極化率降低。使極化率降低。 i極性分子的定向極化極性分子的定向極化( ) 固體材料內(nèi)部極性分子在無外電場(chǎng)固體材料內(nèi)部極性分子在無外電場(chǎng)作用時(shí)已存在偶極子作用時(shí)已存在偶極子(矩矩),只是由于熱運(yùn)只是由于熱運(yùn)動(dòng)而成隨機(jī)取向動(dòng)而成隨機(jī)取向,宏觀上呈電中性。當(dāng)施宏觀上呈電中性。當(dāng)施加一個(gè)外電場(chǎng)時(shí)加一個(gè)外電場(chǎng)時(shí),隨機(jī)取向隨機(jī)取向(分布分布)的偶極的偶極子將趨向于電場(chǎng)方向排列子將趨向于電場(chǎng)方向排列,并與溫度的作并與溫度的作用建立起動(dòng)態(tài)平衡用建立起動(dòng)態(tài)平衡( )。建立。建立這種極化的時(shí)間與溫度有關(guān)這種極化的時(shí)間與溫度有關(guān),一般為一般為106秒數(shù)量級(jí)。秒數(shù)量級(jí)。Td/20d空間電荷極化空間電荷極化(

34、) 載流子在電介質(zhì)中遷移時(shí)受晶界、氣孔載流子在電介質(zhì)中遷移時(shí)受晶界、氣孔及其它非均勻界面阻礙而聚集及其它非均勻界面阻礙而聚集,或電極不能充或電極不能充分放電、雜質(zhì)俘獲載流子等原因使電場(chǎng)變形分放電、雜質(zhì)俘獲載流子等原因使電場(chǎng)變形(分布不均勻分布不均勻),都會(huì)形成空間電荷極化。都會(huì)形成空間電荷極化。 電介質(zhì)總的極化率為上述各種極化率的電介質(zhì)總的極化率為上述各種極化率的總和。由于極化機(jī)理不同總和。由于極化機(jī)理不同,極化形成的時(shí)間極化形成的時(shí)間(松弛時(shí)間松弛時(shí)間)也各不相同。因此也各不相同。因此,電介質(zhì)的極化電介質(zhì)的極化和介電常數(shù)和介電常數(shù)()隨電場(chǎng)頻率不同而變化。隨電場(chǎng)頻率不同而變化。溫度對(duì)電子式極

35、化影響較小溫度對(duì)電子式極化影響較小,但溫度升高增加但溫度升高增加了離子的可移動(dòng)性了離子的可移動(dòng)性,因此因此,溫度對(duì)離子式極化溫度對(duì)離子式極化影響較大。影響較大。j F 2.3.4 交變電場(chǎng)中的電介質(zhì)交變電場(chǎng)中的電介質(zhì) 實(shí)際應(yīng)用中實(shí)際應(yīng)用中,電介質(zhì)常常處于隨時(shí)電介質(zhì)常常處于隨時(shí)間變化的不穩(wěn)定或交變電場(chǎng)中間變化的不穩(wěn)定或交變電場(chǎng)中,而且電而且電場(chǎng)一般可以用正弦波來描述場(chǎng)一般可以用正弦波來描述,其它形式其它形式的交變電場(chǎng)也可以通過相應(yīng)的傅立葉的交變電場(chǎng)也可以通過相應(yīng)的傅立葉函數(shù)函數(shù)(級(jí)數(shù)級(jí)數(shù))來描述來描述(合成合成)。因此。因此,詳細(xì)討詳細(xì)討論電介質(zhì)受隨時(shí)間作正弦變化電場(chǎng)的論電介質(zhì)受隨時(shí)間作正弦變化

36、電場(chǎng)的影響具有普遍意義。影響具有普遍意義。 2.3.4.1 介電損耗介電損耗概念概念:電介質(zhì)在外場(chǎng)作用下因發(fā)熱而在單位時(shí)電介質(zhì)在外場(chǎng)作用下因發(fā)熱而在單位時(shí)間內(nèi)消耗的電功率稱為介質(zhì)損耗。間內(nèi)消耗的電功率稱為介質(zhì)損耗。機(jī)理機(jī)理:電介質(zhì)的介質(zhì)損耗主要由漏導(dǎo)和極化引電介質(zhì)的介質(zhì)損耗主要由漏導(dǎo)和極化引起。由漏導(dǎo)的引起的損耗稱為漏導(dǎo)損耗起。由漏導(dǎo)的引起的損耗稱為漏導(dǎo)損耗,由極由極化引起的損耗則稱為極化損耗。極化損耗主化引起的損耗則稱為極化損耗。極化損耗主要是由于松弛極化和空間電荷極化等緩慢極要是由于松弛極化和空間電荷極化等緩慢極化所引起。極化損耗主要是由于在較高頻率化所引起。極化損耗主要是由于在較高頻率的

37、交變電場(chǎng)作用下的交變電場(chǎng)作用下,緩慢極化不能隨交變電場(chǎng)緩慢極化不能隨交變電場(chǎng)方向的改變而完成同步換向極化所致。方向的改變而完成同步換向極化所致。 介電損耗介電損耗:如果給電介質(zhì)加上一個(gè)交變電場(chǎng)如果給電介質(zhì)加上一個(gè)交變電場(chǎng)U=U0exp(jt)構(gòu)成一個(gè)電容回路構(gòu)成一個(gè)電容回路,則流經(jīng)回路則流經(jīng)回路的電流為的電流為: (2.3.20) 式中式中:C0為真空的電容量為真空的電容量; 電流由電流由IC與與IU兩部分組成兩部分組成 (圖圖2.3.8)。UCUCjUCjIrrr02010 IC=r1C0U I IU=r2C0U 圖2.3.8電流電場(chǎng)的相位關(guān)系 第一項(xiàng)為復(fù)數(shù)虛部第一項(xiàng)為復(fù)數(shù)虛部;此項(xiàng)超前于此

38、項(xiàng)超前于U /2;由電容控制的由電容控制的IC與與U垂直垂直,不產(chǎn)生介不產(chǎn)生介質(zhì)損耗。另一部分質(zhì)損耗。另一部分IU與與U同相位同相位;產(chǎn)生介產(chǎn)生介質(zhì)質(zhì)(功率功率)損耗損耗;由圖可見由圖可見: IU /IC=r2/r1=tg (2.3.21) 顯然顯然,tg增加時(shí)增加時(shí),IU增加增加,即損耗增加。即損耗增加。因此把因此把tg稱為電介質(zhì)的介質(zhì)損耗系數(shù)稱為電介質(zhì)的介質(zhì)損耗系數(shù),則稱為介質(zhì)損耗角則稱為介質(zhì)損耗角,而把而把tg的倒數(shù)稱為的倒數(shù)稱為材料的品質(zhì)因數(shù)材料的品質(zhì)因數(shù)Q,即即: Q=1/tg (2.3.22) 根據(jù)復(fù)數(shù)的三角式與代數(shù)式的關(guān)系有根據(jù)復(fù)數(shù)的三角式與代數(shù)式的關(guān)系有: r1=rcos (2

39、.3.23a) r2=rsin (2.3.23b) r= (2.3.23c) (2.3.23d) 在介電常數(shù)中在介電常數(shù)中,r1(實(shí)部實(shí)部)反映了電介質(zhì)儲(chǔ)反映了電介質(zhì)儲(chǔ)存電荷的能力存電荷的能力,r2(虛部虛部)表示電介質(zhì)引起電場(chǎng)表示電介質(zhì)引起電場(chǎng)損耗的程度損耗的程度,其物理意義是指單位體積介質(zhì)中其物理意義是指單位體積介質(zhì)中,單位電場(chǎng)強(qiáng)度變化一周所消耗的電功率單位電場(chǎng)強(qiáng)度變化一周所消耗的電功率,常以常以熱的形式耗散。熱的形式耗散。2/1222rritgCosSinrrrr/21 在電子線路中在電子線路中,電容器等要求有盡可能小電容器等要求有盡可能小的的tg,而發(fā)熱元件則要求高的而發(fā)熱元件則要求高

40、的tg。根據(jù)物理學(xué)。根據(jù)物理學(xué)原理原理,電介質(zhì)的平均功率損耗密度為電介質(zhì)的平均功率損耗密度為: (2.3.24) 式中式中: 為電介質(zhì)平均損耗為電介質(zhì)平均損耗;V為電介質(zhì)體積為電介質(zhì)體積;E0為有效外電場(chǎng)強(qiáng)度；為有效外電場(chǎng)強(qiáng)度；為電場(chǎng)角頻率；為電場(chǎng)角頻率；0為真為真空的介電常數(shù)空的介電常數(shù);r為電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。為電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。rtg也稱為介質(zhì)的介電損耗因子也稱為介質(zhì)的介電損耗因子,其值增加其值增加,損損耗也增加。而耗也增加。而0rtg為電介質(zhì)的電導(dǎo)率為電介質(zhì)的電導(dǎo)率,即即: Ac=0rtg (2.3.25)tgEVPr02021/P 2.3.4.1 影響介電損耗的因素影響介電損耗

41、的因素電場(chǎng)頻率電場(chǎng)頻率:電介質(zhì)的極化電介質(zhì)的極化,特別是緩慢極特別是緩慢極化的建立需要一定的時(shí)間化的建立需要一定的時(shí)間,也即松弛時(shí)間。也即松弛時(shí)間。德拜研究了電介質(zhì)的德拜研究了電介質(zhì)的r及反映介電損耗及反映介電損耗的的rtg與所加電場(chǎng)的角頻率與所加電場(chǎng)的角頻率及松弛時(shí)及松弛時(shí)間間的關(guān)系的關(guān)系,給出下述表達(dá)式給出下述表達(dá)式: (2.3.26a) (2.3.26b) jS12211Sr (2.3.26c) (2.3.26d) 式中式中:S與與分別為介電常數(shù)發(fā)生突變前分別為介電常數(shù)發(fā)生突變前足夠低頻率和足夠高頻率時(shí)的介電常數(shù)。足夠低頻率和足夠高頻率時(shí)的介電常數(shù)。分別以分別以r1和和r2對(duì)對(duì)作圖作圖,

42、結(jié)果如如圖結(jié)果如如圖(2.3.9)。2221Sr2212SSrrtg 可見可見,當(dāng)當(dāng)=1/時(shí)時(shí),介電損耗最大。在介電損耗最大。在此前此后此前此后,介電損耗變小介電損耗變小,即松弛時(shí)間即松弛時(shí)間所加電場(chǎng)頻率相比是所加電場(chǎng)頻率相比是較長(zhǎng)較長(zhǎng)(周期長(zhǎng)周期長(zhǎng))時(shí)時(shí),偶極偶極子遠(yuǎn)來不及轉(zhuǎn)向或建子遠(yuǎn)來不及轉(zhuǎn)向或建立立,損失就小。相反損失就小。相反,松弛過程較電場(chǎng)頻率松弛過程較電場(chǎng)頻率的改變更為迅速的改變更為迅速,損耗損耗也小。也小。共震吸收損失共震吸收損失: 極化偶極子可以看作是一個(gè)極化偶極子可以看作是一個(gè)彈性震子，其本身有一個(gè)固有震動(dòng)角頻率彈性震子，其本身有一個(gè)固有震動(dòng)角頻率0，當(dāng)施加的外電場(chǎng)角頻率，當(dāng)

43、施加的外電場(chǎng)角頻率0時(shí)，根據(jù)時(shí)，根據(jù)物理學(xué)經(jīng)典震動(dòng)理論物理學(xué)經(jīng)典震動(dòng)理論,可以推出下述兩式可以推出下述兩式: (2.3.27a) (2.3.27b) 可見可見,在在=0前后前后,介電常數(shù)有最大和最低值。介電常數(shù)有最大和最低值。在在=0處處,介電損耗最大介電損耗最大(r2最大最大),稱為共振稱為共振吸收損失。吸收損失。 22220220br222202bhr 如果離子的震動(dòng)是簡(jiǎn)諧震動(dòng)如果離子的震動(dòng)是簡(jiǎn)諧震動(dòng),則則0=(/M)1/2,其中其中是離子間結(jié)合是離子間結(jié)合力的彈性常數(shù)。力的彈性常數(shù)。M是離子質(zhì)量。這是離子質(zhì)量。這種損耗通常在種損耗通常在108Hz(室溫室溫)以上的以上的電場(chǎng)中發(fā)生。電場(chǎng)中

44、發(fā)生。 由于介電常數(shù)與材由于介電常數(shù)與材料的折射率有關(guān)料的折射率有關(guān),因此因此,這種損失就這種損失就是光學(xué)材料光吸收的本質(zhì)。是光學(xué)材料光吸收的本質(zhì)。介質(zhì)損耗與溫度的關(guān)系介質(zhì)損耗與溫度的關(guān)系l 電導(dǎo)損耗電導(dǎo)損耗:電導(dǎo)損耗與溫度的關(guān)系可用下電導(dǎo)損耗與溫度的關(guān)系可用下式表示式表示: tg=tg0exp(T) (2.3.28) 式中式中: 0、分別為溫度分別為溫度T0與與T時(shí)的介質(zhì)時(shí)的介質(zhì)損耗角；損耗角；為溫度系數(shù)為溫度系數(shù),其值為其值為0.0010.1?？梢娍梢?溫度升高時(shí)溫度升高時(shí),損耗損耗(tg)成指數(shù)規(guī)律增成指數(shù)規(guī)律增加加,即在高溫時(shí)即在高溫時(shí),介電損耗隨溫度升高而迅介電損耗隨溫度升高而迅速增

45、大。因此速增大。因此,高溫時(shí)電導(dǎo)損耗可能成為高溫時(shí)電導(dǎo)損耗可能成為介質(zhì)損耗的主要形式介質(zhì)損耗的主要形式,嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致介質(zhì)嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致介質(zhì)損壞損壞(破壞破壞)。l極化損耗極化損耗:低溫時(shí)低溫時(shí),質(zhì)點(diǎn)的熱運(yùn)動(dòng)較弱質(zhì)點(diǎn)的熱運(yùn)動(dòng)較弱,松松弛時(shí)間較長(zhǎng)弛時(shí)間較長(zhǎng),松弛極化可能遠(yuǎn)來不及跟隨松弛極化可能遠(yuǎn)來不及跟隨電場(chǎng)周相改變而改變或建立電場(chǎng)周相改變而改變或建立,因此較小。因此較小。溫度升高時(shí)溫度升高時(shí),熱運(yùn)動(dòng)加劇熱運(yùn)動(dòng)加劇,松弛時(shí)間松弛時(shí)間縮短縮短,極化程度或速率增大極化程度或速率增大,所以所以tg隨溫度升隨溫度升高而增大高而增大, 當(dāng)溫度達(dá)到一定值當(dāng)溫度達(dá)到一定值(TC點(diǎn)點(diǎn))時(shí)時(shí),松松弛極化剛好能在外電場(chǎng)

46、半周期內(nèi)完全建弛極化剛好能在外電場(chǎng)半周期內(nèi)完全建立立,所以所以tg出現(xiàn)極大值出現(xiàn)極大值(圖圖2.3.10)。當(dāng)溫。當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí)度繼續(xù)升高時(shí),松弛時(shí)間繼續(xù)縮短松弛時(shí)間繼續(xù)縮短,松弛極松弛極化逐漸跟上電場(chǎng)的變化化逐漸跟上電場(chǎng)的變化,故故tg降低。降低。 當(dāng)溫度過高時(shí)當(dāng)溫度過高時(shí), 熱運(yùn)動(dòng)干擾極化的熱運(yùn)動(dòng)干擾極化的 建立建立,同時(shí)由于材料同時(shí)由于材料 密度降低密度降低,即單即單 位體積材料中位體積材料中 偶極子的數(shù)量偶極子的數(shù)量 減少減少,故故tg隨隨 溫度升高而降溫度升高而降 低低,圖圖2.3.10。 TC T/K 圖2.3.10 介質(zhì)損耗與溫度的關(guān)系tg 3.3.5 材料的介電強(qiáng)度材料的介電

47、強(qiáng)度 3.3.5.1 引言引言 陶瓷、玻璃等介電材料承受的電壓陶瓷、玻璃等介電材料承受的電壓超過某一臨界值超過某一臨界值(UC)時(shí)時(shí),材料會(huì)失去絕緣材料會(huì)失去絕緣性。這種現(xiàn)象稱為電介質(zhì)的擊穿性。這種現(xiàn)象稱為電介質(zhì)的擊穿, UC 稱稱為擊穿電壓。為擊穿電壓。 UC與材料的厚度與材料的厚度(平行于電場(chǎng)方向的平行于電場(chǎng)方向的尺寸尺寸)有關(guān)有關(guān),因此因此,通常以材料單位厚度的通常以材料單位厚度的擊穿電壓擊穿電壓-擊穿場(chǎng)強(qiáng)擊穿場(chǎng)強(qiáng)Eb來比較不同材料來比較不同材料的絕緣性能。的絕緣性能。 材料所能承受的最大電場(chǎng)強(qiáng)度稱為材料所能承受的最大電場(chǎng)強(qiáng)度稱為材料的介電強(qiáng)度材料的介電強(qiáng)度,其數(shù)值等于相應(yīng)的擊其數(shù)值等于

48、相應(yīng)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)穿場(chǎng)強(qiáng)Eb(Vm1)。陶瓷電介質(zhì)的擊穿。陶瓷電介質(zhì)的擊穿同時(shí)伴隨著破壞同時(shí)伴隨著破壞,將永久失去使用功能。將永久失去使用功能。 材料的介電強(qiáng)度除與材料的本征材料的介電強(qiáng)度除與材料的本征性質(zhì)有關(guān)外性質(zhì)有關(guān)外,還與環(huán)境條件還與環(huán)境條件(介質(zhì)性質(zhì)、介質(zhì)性質(zhì)、 溫度、濕度、壓力等溫度、濕度、壓力等)、材料及電極形、材料及電極形狀、尺寸、電場(chǎng)類型狀、尺寸、電場(chǎng)類型(AC、DC、脈沖、脈沖)等因素有關(guān)。等因素有關(guān)。 2.3.5.2 介電材料的擊穿機(jī)理介電材料的擊穿機(jī)理 擊穿類型擊穿類型:介電材料的擊穿按機(jī)理可分為本征擊穿、介電材料的擊穿按機(jī)理可分為本征擊穿、熱擊穿、電離擊穿和化學(xué)擊穿四類。熱

49、擊穿、電離擊穿和化學(xué)擊穿四類。本征擊穿本征擊穿:本征擊穿主要是電子導(dǎo)電過程。當(dāng)外電場(chǎng)本征擊穿主要是電子導(dǎo)電過程。當(dāng)外電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到強(qiáng)度達(dá)到Eb時(shí)時(shí),材料中的原子或離子中的部分導(dǎo)帶電材料中的原子或離子中的部分導(dǎo)帶電子將獲得足夠的能量以致于將原子或離子中的價(jià)帶子將獲得足夠的能量以致于將原子或離子中的價(jià)帶電子撞擊激發(fā)到導(dǎo)帶上成為次級(jí)自由電子電子撞擊激發(fā)到導(dǎo)帶上成為次級(jí)自由電子,由于撞擊由于撞擊而失去部分能量的電子和次級(jí)自由電子而失去部分能量的電子和次級(jí)自由電子,都會(huì)繼續(xù)被都會(huì)繼續(xù)被電場(chǎng)加速進(jìn)而激發(fā)出第三級(jí)自由電子電場(chǎng)加速進(jìn)而激發(fā)出第三級(jí)自由電子,此過程將連鎖此過程將連鎖進(jìn)行下去進(jìn)行下去,結(jié)果在介質(zhì)中形

50、成由大量自由電子形成的結(jié)果在介質(zhì)中形成由大量自由電子形成的“電子潮電子潮”,或所謂的或所謂的“電子雪蹦電子雪蹦”,使材料電導(dǎo)在很使材料電導(dǎo)在很短的時(shí)間內(nèi)迅速增大短的時(shí)間內(nèi)迅速增大(約約108秒秒),導(dǎo)致材料擊穿。導(dǎo)致材料擊穿。 熱擊穿熱擊穿:介電材料在電場(chǎng)作用下由于漏導(dǎo)和介電材料在電場(chǎng)作用下由于漏導(dǎo)和極化產(chǎn)生介質(zhì)損耗極化產(chǎn)生介質(zhì)損耗,使部分電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。使部分電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋．?dāng)熱量產(chǎn)生的速度大于材料的散熱速度時(shí)當(dāng)熱量產(chǎn)生的速度大于材料的散熱速度時(shí),熱熱量就在材料量就在材料(器件器件)內(nèi)部積聚內(nèi)部積聚,使材料溫度升高使材料溫度升高,進(jìn)而導(dǎo)致介質(zhì)損耗增加進(jìn)而導(dǎo)致介質(zhì)損耗增加,如此惡性循環(huán)如此惡性

51、循環(huán),最終使最終使材料喪失絕緣性材料喪失絕緣性,這就是熱擊穿。這就是熱擊穿。 熱擊穿是一個(gè)積熱過程熱擊穿是一個(gè)積熱過程,需要一定的時(shí)間。需要一定的時(shí)間。熱擊穿是介電材料在高頻電場(chǎng)中的主要擊穿熱擊穿是介電材料在高頻電場(chǎng)中的主要擊穿形式。圓板介電材料的擊穿電壓形式。圓板介電材料的擊穿電壓Ub可用下式可用下式表示表示: (2.3.29) 式中式中:k為常數(shù)；為常數(shù)； 、ad是與材料厚度和是與材料厚度和散熱有關(guān)的參數(shù)。顯然散熱有關(guān)的參數(shù)。顯然,決定熱擊穿的參決定熱擊穿的參數(shù)可分為兩類。一類是與材料本身性能數(shù)可分為兩類。一類是與材料本身性能有關(guān)的參數(shù)有關(guān)的參數(shù),即材料參數(shù)。另一類與環(huán)境即材料參數(shù)。另一類

52、與環(huán)境條件有關(guān)條件有關(guān),如電場(chǎng)頻率、材料形狀與尺寸、如電場(chǎng)頻率、材料形狀與尺寸、散熱情況等。散熱情況等。 2/11tgakUrdb 圖圖2.3.11是高鋁瓷介電強(qiáng)度與溫度的關(guān)系?？墒歉咪X瓷介電強(qiáng)度與溫度的關(guān)系?？梢娨?低溫時(shí)溫度對(duì)介電強(qiáng)度影響不大低溫時(shí)溫度對(duì)介電強(qiáng)度影響不大,但當(dāng)溫但當(dāng)溫 度升高到某一臨度升高到某一臨 界值時(shí)界值時(shí)TC,介電強(qiáng)介電強(qiáng) 度隨溫度升高而度隨溫度升高而 迅速降低。這是迅速降低。這是 因?yàn)橐驗(yàn)?當(dāng)溫度高于當(dāng)溫度高于 TC時(shí)時(shí),材料中玻璃材料中玻璃 相離子電導(dǎo)呈指相離子電導(dǎo)呈指 數(shù)規(guī)律上升。數(shù)規(guī)律上升。 Eb TC T/K 圖2.3.11 氧化鋁瓷介電強(qiáng)度與溫度的關(guān)系電離

53、擊穿電離擊穿:陶瓷介質(zhì)中存在的氣孔、裂紋陶瓷介質(zhì)中存在的氣孔、裂紋(含含有氣體相有氣體相)等使材料均勻性降低。這些氣孔等使材料均勻性降低。這些氣孔(包括裂紋包括裂紋)在一定強(qiáng)度的電場(chǎng)作用下在一定強(qiáng)度的電場(chǎng)作用下,會(huì)發(fā)生會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈電離強(qiáng)烈電離,產(chǎn)生大量的熱能產(chǎn)生大量的熱能,使氣孔局部區(qū)域使氣孔局部區(qū)域強(qiáng)烈過熱強(qiáng)烈過熱,因此而在材料內(nèi)部形成相當(dāng)高的熱因此而在材料內(nèi)部形成相當(dāng)高的熱應(yīng)力。當(dāng)熱應(yīng)力大于材料的斷裂強(qiáng)度時(shí)應(yīng)力。當(dāng)熱應(yīng)力大于材料的斷裂強(qiáng)度時(shí),使材使材料喪失機(jī)械強(qiáng)度而破壞料喪失機(jī)械強(qiáng)度而破壞,以致于喪失介電性能以致于喪失介電性能,造成材料擊穿。擊穿電壓與材料尺寸有關(guān)。造成材料擊穿。擊穿電壓與材

54、料尺寸有關(guān)。因?yàn)椴牧铣叽鐪p小時(shí)因?yàn)椴牧铣叽鐪p小時(shí),通常在一定熱應(yīng)力下通常在一定熱應(yīng)力下,所存在的可能導(dǎo)致材料擊穿的缺陷的可能性所存在的可能導(dǎo)致材料擊穿的缺陷的可能性也相應(yīng)降低。也相應(yīng)降低。 電離擊穿的原因是因?yàn)椴牧系臍饪纂婋x擊穿的原因是因?yàn)椴牧系臍饪字械臍怏w存在電離現(xiàn)象。這是由于氣孔中的氣體存在電離現(xiàn)象。這是由于氣孔中的電場(chǎng)強(qiáng)度比其附近基質(zhì)部分的電場(chǎng)中的電場(chǎng)強(qiáng)度比其附近基質(zhì)部分的電場(chǎng)強(qiáng)度高。假定一含圓腔狀氣孔的材料在強(qiáng)度高。假定一含圓腔狀氣孔的材料在平面電場(chǎng)平面電場(chǎng)E的作用下的作用下,則空隙內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度則空隙內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度EP可表示為可表示為: (2.3.30) 式中式中:r、rg分別為材料和圓腔中

55、氣體的分別為材料和圓腔中氣體的相對(duì)介電常數(shù)相對(duì)介電常數(shù),rg值近似為值近似為1。EErgrP/ 對(duì)于低介電常數(shù)的材料對(duì)于低介電常數(shù)的材料,氣孔周圍溫度通常情氣孔周圍溫度通常情況下僅上升數(shù)度況下僅上升數(shù)度,而對(duì)于高介電常數(shù)材料而對(duì)于高介電常數(shù)材料(如鐵如鐵電陶瓷電陶瓷),則溫度可能上升則溫度可能上升103,容易引起材料容易引起材料的熱擊穿。而且氣的熱擊穿。而且氣 孔尺寸越大孔尺寸越大,就越容就越容 易引起擊穿。典型易引起擊穿。典型 材料的擊穿強(qiáng)度與材料的擊穿強(qiáng)度與 密度的關(guān)系如圖密度的關(guān)系如圖 2.3.12所示。所示。 300 MV/m 250 200 150 100 80 85 90 95 1

56、00 相對(duì)密度/% 圖2.3.12 高鋁瓷擊穿強(qiáng)度與密度的關(guān)系化學(xué)擊穿化學(xué)擊穿(疲勞擊穿疲勞擊穿):長(zhǎng)期運(yùn)行在遠(yuǎn)長(zhǎng)期運(yùn)行在遠(yuǎn)低于瞬時(shí)擊穿電壓下的材料所發(fā)生低于瞬時(shí)擊穿電壓下的材料所發(fā)生的擊穿現(xiàn)象?？諝獾奈廴尽⑻鞖獾牡膿舸┈F(xiàn)象。空氣的污染、天氣的影響等可使器件材料表面變得粗糙、影響等可使器件材料表面變得粗糙、吸收水蒸氣或?qū)щ娦噪s質(zhì)吸收水蒸氣或?qū)щ娦噪s質(zhì),在高溫或在高溫或所連接的導(dǎo)體如電極中的金屬原子所連接的導(dǎo)體如電極中的金屬原子的侵蝕作用等使材料逐漸失去絕緣的侵蝕作用等使材料逐漸失去絕緣性性,最終導(dǎo)致材料擊穿。最終導(dǎo)致材料擊穿。 電容等元器件在直流電場(chǎng)作用電容等元器件在直流電場(chǎng)作用下下,材料內(nèi)部

57、和表面同時(shí)發(fā)生電化學(xué)材料內(nèi)部和表面同時(shí)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)反應(yīng),使電極銀原子等在表面擴(kuò)散并使電極銀原子等在表面擴(kuò)散并沿晶沿晶(相相)界逐漸滲入材料內(nèi)部界逐漸滲入材料內(nèi)部,導(dǎo)致導(dǎo)致材料電阻下降材料電阻下降,絕緣性相對(duì)降低。此絕緣性相對(duì)降低。此外外,Na+、Li+等離子在玻璃相中的擴(kuò)等離子在玻璃相中的擴(kuò)散、散、 在晶相中的擴(kuò)散等在晶相中的擴(kuò)散等,都可能導(dǎo)都可能導(dǎo)致化學(xué)擊穿。致化學(xué)擊穿。 OV 2.4 陶瓷材料的磁性能陶瓷材料的磁性能 磁性材料是現(xiàn)代重要的功能材料磁性材料是現(xiàn)代重要的功能材料,被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域。如用作磁記錄材料、磁域。如用作磁記錄材料、磁-

58、機(jī)械能轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換材料、磁電材料、磁光材料、微波換材料、磁電材料、磁光材料、微波材料等。由于早期的大部分磁性材料材料等。由于早期的大部分磁性材料都含有鐵元素都含有鐵元素,因此而統(tǒng)稱為鐵氧體。因此而統(tǒng)稱為鐵氧體。從導(dǎo)電性來看從導(dǎo)電性來看,磁性材料可以是導(dǎo)體磁性材料可以是導(dǎo)體(金金屬屬)、半導(dǎo)體以及絕緣體、半導(dǎo)體以及絕緣體(陶瓷等陶瓷等)。 2.4.1 磁性的概念磁性的概念 眾所周知眾所周知,磁鐵具有磁性磁鐵具有磁性,通有電流的導(dǎo)線或通有電流的導(dǎo)線或線圈會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。當(dāng)環(huán)形電流線圈會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。當(dāng)環(huán)形電流I環(huán)繞的面積為環(huán)繞的面積為A(法向法向),則磁偶極矩為則磁偶極矩為: =IA (2.4.1) 式中

59、式中:為磁偶極矩為磁偶極矩 或磁矩或磁矩(magnetic moment)。 環(huán)流系環(huán)流系 統(tǒng)則可稱為磁偶極統(tǒng)則可稱為磁偶極 子。子。 I 圖2.4.1 磁偶極子示意圖 A 同樣同樣,電子圍繞原子核外軌道運(yùn)轉(zhuǎn)也會(huì)形電子圍繞原子核外軌道運(yùn)轉(zhuǎn)也會(huì)形成磁偶極子成磁偶極子,也即形成本征磁偶極矩。當(dāng)存在也即形成本征磁偶極矩。當(dāng)存在外磁場(chǎng)時(shí)外磁場(chǎng)時(shí),本征磁偶極矩在平行外場(chǎng)方向的分本征磁偶極矩在平行外場(chǎng)方向的分量為量為m ml l(eh/4m me)。其中。其中,m ml l為磁量子數(shù)為磁量子數(shù), ,e e和和m me e分別為電子的電荷和質(zhì)量分別為電子的電荷和質(zhì)量, ,h h為普郎克常數(shù)。為普郎克常數(shù)。凡

60、是已經(jīng)填滿的殼層和亞層凡是已經(jīng)填滿的殼層和亞層, ,對(duì)原子軌道磁矩對(duì)原子軌道磁矩都不會(huì)有任何凈余貢獻(xiàn)都不會(huì)有任何凈余貢獻(xiàn)(凈余磁矩凈余磁矩), ,對(duì)于部分對(duì)于部分填充的外層或次外層電子軌道填充的外層或次外層電子軌道, ,如果其磁量子如果其磁量子數(shù)的總和不為零數(shù)的總和不為零, ,就會(huì)貢獻(xiàn)出凈余原子磁矩就會(huì)貢獻(xiàn)出凈余原子磁矩(平平行于外磁場(chǎng)方向行于外磁場(chǎng)方向)。eh/4m me為磁學(xué)基本量為磁學(xué)基本量,稱稱為波爾磁子為波爾磁子,以符號(hào)以符號(hào)BB表示表示,其值為其值為9.7241024Am2。 量子力學(xué)電子磁矩表達(dá)式為量子力學(xué)電子磁矩表達(dá)式為: 式中式中:L(=l l1 1+l +l2 2, ,l