材料的介電性課件

第二章材料的電學(xué)性能1本章內(nèi)容金屬的導(dǎo)電性合金的導(dǎo)電性半導(dǎo)體的導(dǎo)電性材料的介電性材料的超導(dǎo)電性2介電材料的應(yīng)用領(lǐng)域絕緣材料：介電材料，又稱電介質(zhì)。3第四節(jié)材料的介電性

電介質(zhì)的定義與特征電介質(zhì)的極化電介質(zhì)的基本常數(shù)電介質(zhì)的應(yīng)用41.電介質(zhì)的定義與基本特征在電場(chǎng)作用下，能產(chǎn)生極化與偶極子，并存在有內(nèi)電場(chǎng)的物質(zhì)。物質(zhì)電介質(zhì)半導(dǎo)體導(dǎo)體是一類特殊的絕緣體。電介質(zhì)導(dǎo)體高電場(chǎng)作用5電介質(zhì)的類型氣體液體陶瓷玻璃離子晶體NaCl等H2，空氣，六氟化硫等水，石油等云母，瓷，橡膠，聚苯乙烯等鈦酸鋇、鐵酸鉍、鈦酸鉛等6電介質(zhì)的特征從電場(chǎng)特性來(lái)看（a）導(dǎo)體中：內(nèi)部電場(chǎng)為零（平衡狀態(tài)），電場(chǎng)終止于導(dǎo)體表面并與表面垂直。（b）在電介質(zhì)中：內(nèi)部存在電場(chǎng)，表面會(huì)產(chǎn)生束縛電荷。載流子：

導(dǎo)體的載流子為電子；半導(dǎo)體的載流子為電子和空穴；電介質(zhì)的載流子主要為離子。在傳導(dǎo)上，導(dǎo)體為自由電子，而電介質(zhì)則以電極化。故對(duì)極化的研究是介質(zhì)物理的主要任務(wù)。7介電常數(shù)：是指以電極化的方式傳遞、存貯或記錄電的作用。電導(dǎo)：是指電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下存在泄露電流。介電損耗：是電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下存在電能的損耗。介電強(qiáng)度：是指在強(qiáng)電場(chǎng)下可能導(dǎo)致電介質(zhì)的破壞。電介質(zhì)的四大基本常數(shù)好的電介質(zhì)要求較容易極化，具有較高的介電常數(shù)和介電強(qiáng)度，較低的電導(dǎo)和介電損耗。8第四節(jié)材料的介電性

電介質(zhì)的定義與特征

電介質(zhì)的極化電介質(zhì)的基本常數(shù)電介質(zhì)的應(yīng)用9-----++

++++

+++----+-插入電介質(zhì)束縛電荷在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生束縛電荷的現(xiàn)象稱為電介質(zhì)的極化。2.電介質(zhì)的極化10與極化相關(guān)的物理量電偶極矩極化電荷（束縛電荷）電極化強(qiáng)度P——

電介質(zhì)極化程度的量度由極化而引起的宏觀電荷11電介質(zhì)的極化機(jī)制

電介質(zhì)在外加電場(chǎng)作用下產(chǎn)生宏觀的電極化強(qiáng)度，實(shí)際上是電介質(zhì)微觀上各種極化機(jī)制貢獻(xiàn)的結(jié)果。包括電子式極化、離子式極化、電偶極子轉(zhuǎn)向極化和空間電荷極化等。電子極化和離子極化又都可分為位移極化和弛豫極化。極化電子式極化離子式極化電偶極子極化空間電荷極化位移極化弛豫極化位移極化弛豫極化12電介質(zhì)極性材料非極性材料只有位移極化的電介質(zhì)有轉(zhuǎn)向極化的電介質(zhì)根據(jù)極化類型對(duì)電介質(zhì)進(jìn)行分類微觀上，根據(jù)參加極化的微觀粒子的種類，電介質(zhì)的分子極化可分為三類：電子位移極化；離子位移極化；電偶極子轉(zhuǎn)向極化。13①電子位移極化與電子位移極化率

在外電場(chǎng)作用下，電子云相對(duì)原子核的位移是彈性聯(lián)系，其振動(dòng)頻率在光頻范圍，所以電子極化又稱光極化，極化建立和消除的時(shí)間極短，約10-15—10-16s。E電子位移極化在外電場(chǎng)作用下，構(gòu)成原子外圍的電子云相對(duì)于原子核發(fā)生位移感應(yīng)偶極矩：14平衡建立后-QQxa以電子云中心為參考點(diǎn)，核沿電場(chǎng)方向移動(dòng)x，使核移動(dòng)的電場(chǎng)力為核移動(dòng)后，受到電子云的庫(kù)侖力為15與溫度無(wú)關(guān)-QQxa電偶極矩電子極化率：由電子產(chǎn)生的偶極矩與作用于該分子的電場(chǎng)強(qiáng)度之比。16電子位移極化結(jié)論同族元素：由上到下增大；同周期元素：不定；電子位移極化率與溫度無(wú)關(guān)；極化率為快極化：10-15–10-16s，該極化無(wú)損耗。在光頻下，只有電子極化，介質(zhì)的光折射率為：17②離子位移極化和極化率離子晶體的介電常數(shù)值比n2值大的多，如8.431.99CaF2110-1147.3TiO24.682.13KCl介電常數(shù)n2因此，必然存在電子極化外的其他極化機(jī)制。離子位移極化：離子晶體中正、負(fù)離子發(fā)生相對(duì)位移而形成的極化，稱為離子（位移）極化(Ionicpolarization)。18-q+qEK=?當(dāng)位移不是很大時(shí)可將正負(fù)離子間的恢復(fù)力看成為準(zhǔn)彈性力根據(jù)正、負(fù)離子對(duì)的固有諧振頻率用實(shí)驗(yàn)方法求解k值。E19正負(fù)離子位移形成的偶極距離子極化率根據(jù)離子晶體的勢(shì)能E(x)，可以得到k值。20離子位移極化率與電子位移極化率幾乎有相同的數(shù)量級(jí)；離子位移極化只可能在離子晶體中存在，液體或氣體介質(zhì)中不存在離子極化；離子位移極化只與離子晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，與溫度無(wú)關(guān)；離子位移極化建立或消除時(shí)間與離子晶格振動(dòng)周期有相同數(shù)量級(jí)，10-12–10-13秒。離子位移極化模型（一維）離子極化結(jié)論：21③偶極子轉(zhuǎn)向極化和極化率當(dāng)極性分子受外電場(chǎng)作用時(shí)，偶極子就會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，由于偶極子與電場(chǎng)方向相同時(shí)具有最小位能，于是就電介質(zhì)整體來(lái)看，偶極矩不再等于零，而出現(xiàn)沿電場(chǎng)方向的宏觀偶極矩，這種極化現(xiàn)象稱為偶極子轉(zhuǎn)向極化。E22每一偶極子的勢(shì)能Boltzman統(tǒng)計(jì)分布極性分子固有極距極化建立時(shí)間：10-6–10-2秒，為慢極化。23極化形式發(fā)生極化的電介質(zhì)極化的頻率范圍和溫度的關(guān)系能量消耗電子位移極化一切陶瓷介質(zhì)中直流-光頻無(wú)關(guān)沒(méi)有離子位移極化離子結(jié)構(gòu)介質(zhì)直流-紅外溫度升高，極化增強(qiáng)很微弱離子松弛極化離子結(jié)構(gòu)的玻璃、結(jié)構(gòu)不緊密的晶體及陶瓷直流-超高頻隨溫度變化有極大值有電子松弛極化鈦質(zhì)瓷、高價(jià)金屬氧化物基陶瓷直流-超高頻隨溫度變化有極大值有轉(zhuǎn)向極化有機(jī)材料直流-超高頻隨溫度變化有極大值有空間電荷極化結(jié)構(gòu)不均勻的陶瓷介質(zhì)直流-超高隨溫度升高而減弱有自發(fā)極化溫度低于居里點(diǎn)的鐵電體直流-超高頻隨溫度變化有顯著極大值很大各種極化形式的綜合比較24第四節(jié)材料的介電性

電介質(zhì)的定義與特征電介質(zhì)的極化

電介質(zhì)的基本常數(shù)

電介質(zhì)的應(yīng)用253.基本常數(shù)——

靜態(tài)介電常數(shù)——

真空介電常數(shù)——

相對(duì)介電常數(shù)介電常數(shù)可理解為在單位電場(chǎng)強(qiáng)度下，單位體積中所存儲(chǔ)的能量。電容①介電常數(shù)（dielectriccoefficient）26②介電強(qiáng)度擊穿指當(dāng)施加于電介質(zhì)上的電場(chǎng)強(qiáng)度或電壓增大到一定程度時(shí)，電介質(zhì)由介電狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài)的現(xiàn)象。介電強(qiáng)度填充電介質(zhì)的目的是使極板間可承受的電位差能比空氣介質(zhì)承受的更高些，即提高其介電強(qiáng)度。27③電介質(zhì)的電導(dǎo)電介質(zhì)中的帶電質(zhì)點(diǎn)在電場(chǎng)作用下做定向遷移形成的。固體電導(dǎo)電子電導(dǎo)離子電導(dǎo)電子和空穴可移動(dòng)的正負(fù)離子和離子空位低電場(chǎng)下高電場(chǎng)下28體電導(dǎo)和表面電導(dǎo)體電導(dǎo)率：由材料的本質(zhì)所決定，與試樣尺寸無(wú)關(guān)。表面電導(dǎo)：表示介質(zhì)抵抗沿表面漏電的性能。29電擊穿UIOUbUb為擊穿電壓（擊穿電場(chǎng)Eb=Ub/d，d為介質(zhì)厚度）30固體介質(zhì)擊穿的一般規(guī)律：固體介質(zhì)的擊穿電場(chǎng)大于液體和氣體介質(zhì)

Eb（氣體）=3106V/m

Eb（液體）=107~108V/mEb（固體）=108~109V/m

固體介質(zhì)擊穿是永久性的從擊穿過(guò)程看：-電場(chǎng)的破壞——變成導(dǎo)體——電擊穿；-介質(zhì)本身的破壞：a）熱破壞——熱擊穿；b）機(jī)械破壞——機(jī)械擊穿31電擊穿的特點(diǎn)：電擊穿必須滿足：電導(dǎo)率小、tan小、散熱條件好，無(wú)氣隙、無(wú)邊緣放電。b.擊穿電場(chǎng)范圍較窄：108~109V/m32④介電損耗在外電場(chǎng)作用下，由電導(dǎo)作用和極化作用引起的電介質(zhì)內(nèi)的能量損耗。介電損耗電導(dǎo)損耗介質(zhì)極化損耗靜電場(chǎng)中交變電場(chǎng)中電導(dǎo)損耗電導(dǎo)損耗電導(dǎo)損耗并聯(lián)等效電路串聯(lián)等效電路33引起介電損耗的微觀機(jī)制普通無(wú)機(jī)晶體介質(zhì)(NaCl,SiO2等)只有位移極化，損耗來(lái)源：離子電導(dǎo)，與電導(dǎo)率成正比無(wú)定形玻璃介質(zhì)電導(dǎo)損耗、松弛損耗和結(jié)構(gòu)損耗（Si-O網(wǎng)絡(luò)變形）多晶陶瓷離子電導(dǎo)，松弛損耗和夾層損耗多相復(fù)合介質(zhì)界面電荷積累——“夾層極化”34有損耗電容器的等效電路和向量圖并聯(lián)等效電路串聯(lián)等效電路35損耗角和損耗因素向量圖δ——損耗角tanδ

——損耗因素理想（真空）電容器無(wú)損耗，δ=0；δ越大，說(shuō)明介質(zhì)損耗越大。36電介質(zhì)基本常數(shù)之間的關(guān)系提高電介質(zhì)的介電常數(shù)有利于提高電容器的存儲(chǔ)電荷量，然而介電損耗也將隨之增加，因而尋找一種兼具有高介電常數(shù)和低介電損耗的電介質(zhì)是當(dāng)前科學(xué)研究者的任務(wù)。材料的介電常數(shù)越大，其介電強(qiáng)度不一定高；電介質(zhì)的電導(dǎo)越大，介電損耗也越高。37一些材料的介電性能材料相對(duì)介電常數(shù)介電強(qiáng)度/(kV·cm-1)真空1∞水78—紙3.51.4紅寶石云母5.416琥珀2.79.0瓷器6.50.4熔凝石英3.80.8玻璃4.51.3電木4.81.2聚乙烯2.35.0二氧化鈦1000.638第四節(jié)材料的介電性

電介質(zhì)的定義與特征電介質(zhì)的極化電介質(zhì)的基本常數(shù)

電介質(zhì)的應(yīng)用39電介質(zhì)的應(yīng)用領(lǐng)域電容器場(chǎng)效應(yīng)晶體管超級(jí)電容器信息存儲(chǔ)聲納超聲波紅外探測(cè)器高介電常數(shù)材料鐵電材料壓電材料熱釋電材料40電介質(zhì)領(lǐng)域?qū)＜摇愊婷麝愊婷?，浙江大學(xué)教授，長(zhǎng)江學(xué)者主要研究方向：

長(zhǎng)期從事鐵電與介電材料的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究，現(xiàn)主要研究方向?yàn)槲⒉ń橘|(zhì)陶瓷、多鐵性材料、鐵電與馳豫鐵電材料。鎢青銅結(jié)構(gòu)CaCu3Ti4O12陶瓷41電介質(zhì)材料應(yīng)用一：超級(jí)電容器單位重量?jī)?chǔ)存的能量能達(dá)到一般蓄電池的水平。與鋰離子電池或其它蓄電池聯(lián)用，作為短時(shí)驅(qū)動(dòng)電源，應(yīng)用于電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池領(lǐng)域。應(yīng)用于大型石化、電子、紡織等領(lǐng)域的重要電力系統(tǒng)或大功率系統(tǒng)使輸出電壓穩(wěn)定。特點(diǎn)：長(zhǎng)壽命、大容量、高充放電速率。42電介質(zhì)材料應(yīng)用二：鐵電存儲(chǔ)器英文名稱：FRAM原理：利用鐵電晶體的鐵電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。特點(diǎn)：長(zhǎng)壽命、快的寫(xiě)入速度、非易失性。43電介質(zhì)材料應(yīng)用三：液晶材料液晶是一種特殊的液態(tài)晶體或晶態(tài)液態(tài)，是液態(tài)和晶態(tài)的中間態(tài)。由于液晶分子間的相互作用力很弱，其