第二章-電介質(zhì)材料-講稿

第二章

電介質(zhì)材料Dielectricmaterial內(nèi)容.電介質(zhì)基本物理性能（重點(diǎn)）.微波介質(zhì)材料.多層電容器介質(zhì)材料電介質(zhì)基本物理性能（重點(diǎn)）

一、簡(jiǎn)介

二、電介質(zhì)分類

三、極化類型

四、電介質(zhì)的物理性質(zhì)一、簡(jiǎn)介電介質(zhì)材料定義：什么是極化？在電場(chǎng)作用下，電介質(zhì)中束縛著的電荷發(fā)生位移或者極性按電場(chǎng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)的現(xiàn)象在電場(chǎng)作用下，能建立極化的一切物質(zhì)。二、極化的微觀機(jī)制（1）無(wú)極分子：正負(fù)電荷重心重合，感應(yīng)偶極矩位移極化例如，He、H2、N2、CO2

、CH4等。

-+（2）有極分子：正負(fù)電荷重心不重合，+-固有偶極矩-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-++-+-+-+-+-+-+-+-+-取向極化例如，H2O、NH3、CO、SO2、H2S、CH3OH等。三、極化的類型

電子位移極化、離子位移極化、偶極子轉(zhuǎn)向極化等1、電子位移極化電場(chǎng)作用下，粒子中的電子云相對(duì)于原子核發(fā)生位移，而感生一個(gè)沿電場(chǎng)方向的感應(yīng)偶極矩。存在于一切介質(zhì)中。建立時(shí)間短；具有彈性；溫度影響不大。2、離子位移極化無(wú)電場(chǎng)作用時(shí)，離子處在正常結(jié)點(diǎn)位置并對(duì)外保持電中性，

偶極矩矢量和為零；離子晶體在電場(chǎng)作用下離子間的鍵合被拉長(zhǎng)。存在于具有

離子式結(jié)構(gòu)的固體無(wú)機(jī)化合物屬?gòu)椥詷O化，幾乎沒(méi)有能量損耗；響應(yīng)時(shí)間也較短溫度升高，出現(xiàn)極化程度增強(qiáng)趨勢(shì)。3、偶極子轉(zhuǎn)向極化非彈性的、隨溫度的升高而下降、響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)4、松弛（弛豫）極化玻璃態(tài)物質(zhì)、機(jī)構(gòu)松散的離子晶體及晶體的雜質(zhì)缺陷區(qū)域，存在弱束縛離子；晶格的熱振動(dòng)、晶格缺陷、雜質(zhì)引入、化學(xué)成分局部改變等因素，使電子能態(tài)發(fā)生改變，出現(xiàn)位于禁帶中的局部能級(jí)，形成弱束縛電子。離子松弛極化率與溫度成反比；熱運(yùn)動(dòng)越劇烈對(duì)弱離子規(guī)則運(yùn)動(dòng)阻礙越大。建立的時(shí)間較慢，約為10-2s；是非可逆的過(guò)程；電介質(zhì)定義的解析：

電介質(zhì)是在電場(chǎng)中沒(méi)有穩(wěn)定傳導(dǎo)電流通過(guò)，而以感應(yīng)的方式對(duì)外場(chǎng)做出相應(yīng)擾動(dòng)的物質(zhì)的統(tǒng)稱。電介質(zhì)的特征是以正、負(fù)電荷重心不重合的電極化方式傳遞、存儲(chǔ)或記錄電的作用和影響，但其中起主要作用的是束縛電荷。物質(zhì)對(duì)電場(chǎng)的響應(yīng)分為：傳導(dǎo)（自由電荷的長(zhǎng)程移動(dòng)）

感應(yīng)（束縛電荷的短程運(yùn)動(dòng)）電介質(zhì)=絕緣體?物質(zhì)對(duì)電場(chǎng)的兩種響應(yīng)方式：傳導(dǎo)和極化。傳導(dǎo)性：絕緣體、半導(dǎo)體與導(dǎo)體；極化特性：順鐵體、鐵電體、反鐵電體、壓電體、熱釋電體等電介質(zhì)。絕緣體肯定是電介質(zhì)，電介質(zhì)卻不僅僅包括絕緣體。半導(dǎo)體甚至金屬都有電介質(zhì)的特性，只是對(duì)外電場(chǎng)的響應(yīng)中傳導(dǎo)效應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了極化效應(yīng)。四、電介質(zhì)的物理性質(zhì)電介質(zhì)材料的三個(gè)基本參數(shù)：介電常數(shù)、介電損耗、介電強(qiáng)度1.介電常數(shù)介電性：

將某一均勻的電介質(zhì)作為電容器的介質(zhì)而置于其兩極之間，由于電介質(zhì)的極化，可造成電容器的電容量比以真空為介質(zhì)時(shí)的電容量增加若干倍，電介質(zhì)的這一性質(zhì)稱為介電性。介電常數(shù)：用來(lái)表示材料介電性的大小的參數(shù)。極化能力的表征——介電常數(shù)

定義電容器充以電介質(zhì)時(shí)的電容量C與真空時(shí)的電容量C0的比值為該電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)：

介電常數(shù)反映了介質(zhì)極化能力的大小，介電常數(shù)值越大，極化能力越強(qiáng)。80.1水26.4乙醇4.27~4.34石英3.80玻璃1.00059空氣2.0~2.51.00000石蠟真空常用電介質(zhì)材料的相對(duì)介電常數(shù)5.1~8.6酚醛樹脂2.6~2.93.6~4.14.552.112.26天然橡膠環(huán)氧樹脂聚氯乙烯聚四氟乙烯聚乙烯2000110鈦酸鋇

金紅石（TiO2）Pb(Mg1/3Nb2/3)O3

MgSiO3

云母10456.1巨介電常數(shù)材料—CaCu3Ti4O12：~105②復(fù)介電常數(shù)復(fù)介電常數(shù)的實(shí)部反映介質(zhì)的儲(chǔ)存電荷的能力；復(fù)介電常數(shù)的虛部是由材料內(nèi)部的各種極化跟不上外高頻電場(chǎng)變化而引起的弛豫現(xiàn)象，代表著材料的損耗項(xiàng)。物理意義是單位體積介質(zhì)中當(dāng)單位場(chǎng)強(qiáng)變化一周時(shí)所消耗的能量，這些能量通常轉(zhuǎn)化成熱能而耗散掉。恒定靜電場(chǎng)作用下介質(zhì)電流與電壓相位相同，介電常數(shù)為一恒定值。③多相系統(tǒng)電介質(zhì)材料的介電常數(shù)多相系統(tǒng)：

系統(tǒng)中存在兩個(gè)或兩個(gè)以上的相態(tài)。③影響因素：各相的介電常數(shù)、體積濃度以及相與相之間的配置。配置情況：并聯(lián)串聯(lián)③多相系統(tǒng)電介質(zhì)材料的介電常數(shù)如果二相的介電常數(shù)相差不大，而且均勻分布時(shí)，其混合物的介電常數(shù)為：當(dāng)介電常數(shù)為的球形顆粒均勻地分散在介電常數(shù)為的基相中時(shí)，其混合物的介電常數(shù)為：③④介電常數(shù)的溫度系數(shù)指隨溫度的變化，介電常數(shù)的相對(duì)變化率，即：各種極化的溫度系數(shù)：電子位移極化的溫度系數(shù)：具有不大的負(fù)溫度系數(shù)離子位移極化的溫度系數(shù)：具有正的溫度系數(shù)松弛極化的溫度系數(shù)：可能出現(xiàn)極大值當(dāng)一種材料由兩種介質(zhì)復(fù)合而成，且這兩種介質(zhì)的粒度都非常小，分布均勻時(shí)，該材料的溫度系數(shù)可由定義式微分得到，即：應(yīng)用：熱穩(wěn)定陶瓷電容器用一種TKε值為很小正值的晶體作為主晶體，加入另一種具有負(fù)TKε值的晶體。調(diào)節(jié)TKε到最小值。⑤介質(zhì)極化強(qiáng)度和極化率極化強(qiáng)度矢量，它等于單位體積內(nèi)感生偶極矩的矢量和：若介質(zhì)中的電場(chǎng)是均勻的，則有：?jiǎn)挝粸椋篊/m2若單位體積中有n0個(gè)極化粒子，各極化粒子偶極矩的平均值為，則有：對(duì)于線性極化，與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比，有：：作用在極化粒子（原子、分子或離子）上的局域電場(chǎng)，稱為有效電場(chǎng)；：極化粒子的極化率，是表征微觀粒子極化性質(zhì)的微觀參數(shù)。

⑥電介質(zhì)極化的宏觀參數(shù)和微觀參數(shù)的關(guān)系平板型電容器的極片面積為S，極片間距為d，均勻極化時(shí)，整個(gè)電介質(zhì)總的感應(yīng)偶極矩：Sd極化強(qiáng)度：影響介電常數(shù)的微觀因素：

提高單位體積內(nèi)的極化粒子數(shù)n0；選取極化率α

大的粒子組成電介質(zhì)；增強(qiáng)作用于極化粒子上的有效電場(chǎng)Ee。對(duì)于氣體、非極性電介質(zhì)及結(jié)構(gòu)高度對(duì)稱或完全無(wú)序的介質(zhì)，有效電場(chǎng)與外電場(chǎng)的關(guān)系為：在離子晶體中，Ee與離子種類、晶體結(jié)構(gòu)等有關(guān)。影響介電常數(shù)的宏觀因素：宏觀量：溫度T

頻率f微觀量：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)的極化粒子數(shù)n0極化率α

有效電場(chǎng)Ee確認(rèn)宏觀因素與微觀參數(shù)的關(guān)系：溫度、頻率分別與n0和α的關(guān)系。Ee：氣體、非極性介質(zhì)、高度對(duì)稱和完全無(wú)序介質(zhì)與外電場(chǎng)有關(guān)；在離子晶體中，與離子種類、晶體結(jié)構(gòu)等有關(guān)。介電常數(shù)與頻率的關(guān)系電子位移極化離子位移極化松弛極化空間電荷極化頻率f極化率

介電常數(shù)與溫度的關(guān)系考察介電常數(shù)隨溫度的變化關(guān)系，只需研究n0、極化率、和Ee隨溫度的變化關(guān)系。n0：

極化率：

電子位移極化率：與溫度無(wú)關(guān)；

離子位移極化：T升高，離子間距膨脹，極化率增加；

自發(fā)極化：與相變和晶體結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。

偶極子取向極化、離子松弛極化：溫度升高，抗取向性增強(qiáng)，極化率下降；溫度升高，由于熱膨脹，單位體積內(nèi)的粒子數(shù)減少；二、電介質(zhì)的分類按材料：

無(wú)機(jī)電介質(zhì)（云母、玻璃、陶瓷等無(wú)機(jī)材料）有機(jī)電介質(zhì)（礦物油、紙、高分子聚合物等有機(jī)材料）按物質(zhì)的聚集態(tài)：氣體電介質(zhì)（空氣）

液體電介質(zhì)（電容器油）固體電介質(zhì)按組成物質(zhì)原子排列的有序化程度:晶體電介質(zhì)(石英晶體、陶瓷晶體)

非晶體電介質(zhì)（玻璃、塑料、一些非晶體陶瓷）二、電介質(zhì)的分類按分子電極性：非極性電介質(zhì)（聚四氟乙烯薄膜、變壓器油）極性電介質(zhì)（纖維素聚氯乙烯薄膜）介質(zhì)成分均勻度：均勻電介質(zhì)（聚苯乙烯）非均勻電介質(zhì)（電容器-聚苯乙烯薄膜復(fù)合介質(zhì)）其他：塊狀介質(zhì)膜狀介質(zhì)定義：

電介質(zhì)材料在電場(chǎng)作用下，由于介質(zhì)電導(dǎo)和介質(zhì)極化的滯后效應(yīng)，在其內(nèi)部引起的能量損耗，內(nèi)部會(huì)有發(fā)熱現(xiàn)象。介質(zhì)損耗角δ

tgδ是所有應(yīng)用于交變電場(chǎng)中電介質(zhì)的重要品質(zhì)指標(biāo)之一。介質(zhì)損耗越小越好。2.介質(zhì)損耗

電子位移極化和離子位移極化建立的時(shí)間極短，稱為瞬時(shí)極化。

在靜電場(chǎng)下測(cè)得的介電常數(shù)稱為靜態(tài)介電常數(shù)（εs）。?瞬時(shí)極化與交變電場(chǎng)完全同步;?其極化強(qiáng)度與電場(chǎng)間沒(méi)有相位差。?緩慢極化需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才能達(dá)到；?相應(yīng)電場(chǎng)下的最大極化值；?緩慢極化強(qiáng)度與電場(chǎng)之間存在相位差。

偶極子取向極化、離子松弛極化等建立的時(shí)間較長(zhǎng)，稱為緩慢極化，也稱弛豫極化。介質(zhì)的幾何電容的充電所造成的電容電流，不損耗能量；由各種極化的建立所造成的電流，損耗稱為極化損耗；介質(zhì)電導(dǎo)（漏導(dǎo)），產(chǎn)生電流做功產(chǎn)生熱，稱為漏導(dǎo)損耗，也稱電導(dǎo)損耗。在直流電場(chǎng)下，介質(zhì)損耗率取決于材料的電導(dǎo)率；在交變電場(chǎng)下，介質(zhì)損耗不僅與自由電荷的電導(dǎo)有關(guān)，還與緩慢極化過(guò)程、頻率有關(guān)。影響損耗的因素?fù)p耗與內(nèi)部電流有關(guān)，包括：電子與離子位移極化為瞬時(shí)極化，與交變電場(chǎng)完全同步，其極化強(qiáng)度與電場(chǎng)間沒(méi)有相位差。無(wú)損耗在交變電場(chǎng)下，其他緩慢極化需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才能達(dá)到相應(yīng)最大極化值；緩慢極化強(qiáng)度與電場(chǎng)之間存在相位差。有損耗

極化過(guò)程不同，分2種情況：

隨著交變電場(chǎng)頻率的不同，分3種情況：

頻率很低：各種極化的建立跟得上電場(chǎng)的變化，介質(zhì)的極化響應(yīng)同靜電場(chǎng)情形；無(wú)損耗

頻率極高：弛豫極化完全來(lái)不及建立，不必考慮；瞬時(shí)極化仍同靜電場(chǎng)情形；無(wú)損耗

介于中間：出現(xiàn)極化損耗，介電常數(shù)隨電場(chǎng)頻率變化。3介電強(qiáng)度定義：

當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)某一臨界時(shí)，介質(zhì)由介電狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài)，稱介電強(qiáng)度的破壞，或介質(zhì)的擊穿。相應(yīng)的臨界電場(chǎng)稱為介電強(qiáng)度或擊穿強(qiáng)度。

介質(zhì)擊穿的主要形式：熱擊穿電擊穿局部放電擊穿

特點(diǎn)：一種集體現(xiàn)象、間接作用問(wèn)題什么叫電介質(zhì)？什么是介質(zhì)的極化？簡(jiǎn)述介電常數(shù)的物理意義。介質(zhì)的極化有哪幾種常見(jiàn)的形式？微波介質(zhì)材料定義：

應(yīng)用于微波頻段電路中的介質(zhì)材料。移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信等。微波介質(zhì)陶瓷（MWDC）是指應(yīng)用于微波頻段(主要是UHF、SHF頻段，300MHz～300GHz)電路中作為介質(zhì)材料并完成一種或多種功能的陶瓷，是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)微波介質(zhì)材料研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)方向。這主要是適應(yīng)微波移動(dòng)通訊的發(fā)展需求。

評(píng)價(jià)微波介電陶瓷的主要技術(shù)參數(shù)是介電常數(shù)，品質(zhì)因數(shù)Q和頻率溫度系數(shù)TCF。發(fā)展歷程：1939年，首次報(bào)道TiO2（金紅石）作為介質(zhì)諧振器使用的微波介質(zhì)陶瓷；1955年研究成功BaTi4O9；20世紀(jì)60年代后期，研制出εr約為100，Q值為1000，

TCf約為400×10-6/℃微波陶瓷；20世紀(jì)70年代，

實(shí)用化的新型微波陶瓷材料Ba2Ti9O20；Paladino首次把兩種低損耗、分別具有正負(fù)頻率溫度系數(shù)的材料MgTi2O5和TiO2復(fù)合，得到了零溫度系數(shù)的材料體系。應(yīng)用：介質(zhì)諧振器、微博集成電路基片、微波元件、介質(zhì)波導(dǎo)介質(zhì)天線、衰減器、匹配終端、行波管夾持棒。

用于微波頻段的介質(zhì)一般要滿足如下4個(gè)要求：（1）高的介電常數(shù)（2）低的介質(zhì)損耗（高Q）（3）溫度膨脹系數(shù)?。?）低的頻率溫度系數(shù)TCf

評(píng)價(jià)微波介電陶瓷的主要技術(shù)參數(shù)是介電常數(shù)εr

，品質(zhì)因數(shù)Q和頻率溫度系數(shù)TCf。38BaO-TiO2系A(chǔ)(B1/3B’2/3)O3(Zr,Sn)TiO4系BaO-Ln2O3-TiO2系等；低溫?zé)Y(jié)Bi基材料:低介電常數(shù)、中介電常數(shù)、高介電常數(shù)；高介電微波介質(zhì)材料(Ln為稀土材料)：BaO-Ln2O3-TiO2鎢青銅系(BLT)鉛基復(fù)合鈣鈦礦系

CaO-Li2O-Ln2O3-TiO2系微波介質(zhì)材料系列:微波介質(zhì)諧振器優(yōu)點(diǎn)：(l)小型化(高介電常數(shù))

微波設(shè)備實(shí)現(xiàn)小型化、高穩(wěn)定及廉價(jià)的方式是微波電路的集成的要求化。

在微波電路集成化的進(jìn)程中，微波電路中各種金屬