材料的介電性課件

第二章材料的電學性能1本章內容金屬的導電性合金的導電性半導體的導電性材料的介電性材料的超導電性2介電材料的應用領域絕緣材料：介電材料，又稱電介質。3第四節(jié)材料的介電性

電介質的定義與特征電介質的極化電介質的基本常數電介質的應用41.電介質的定義與基本特征在電場作用下，能產生極化與偶極子，并存在有內電場的物質。物質電介質半導體導體是一類特殊的絕緣體。電介質導體高電場作用5電介質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電介質的特征從電場特性來看（a）導體中：內部電場為零（平衡狀態(tài)），電場終止于導體表面并與表面垂直。（b）在電介質中：內部存在電場，表面會產生束縛電荷。載流子：

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

電介質的定義與特征

電介質的極化電介質的基本常數電介質的應用9-----++

++++

+++----+-插入電介質束縛電荷在電場作用下產生束縛電荷的現象稱為電介質的極化。2.電介質的極化10與極化相關的物理量電偶極矩極化電荷（束縛電荷）電極化強度P——

電介質極化程度的量度由極化而引起的宏觀電荷11電介質的極化機制

電介質在外加電場作用下產生宏觀的電極化強度，實際上是電介質微觀上各種極化機制貢獻的結果。包括電子式極化、離子式極化、電偶極子轉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電介質極性材料非極性材料只有位移極化的電介質有轉向極化的電介質根據極化類型對電介質進行分類微觀上，根據參加極化的微觀粒子的種類，電介質的分子極化可分為三類：電子位移極化；離子位移極化；電偶極子轉向極化。13①電子位移極化與電子位移極化率

在外電場作用下，電子云相對原子核的位移是彈性聯系，其振動頻率在光頻范圍，所以電子極化又稱光極化，極化建立和消除的時間極短，約10-15—10-16s。E電子位移極化在外電場作用下，構成原子外圍的電子云相對于原子核發(fā)生位移感應偶極矩：14平衡建立后-QQxa以電子云中心為參考點，核沿電場方向移動x，使核移動的電場力為核移動后，受到電子云的庫侖力為15與溫度無關-QQxa電偶極矩電子極化率：由電子產生的偶極矩與作用于該分子的電場強度之比。16電子位移極化結論同族元素：由上到下增大；同周期元素：不定；電子位移極化率與溫度無關；極化率為快極化：10-15–10-16s，該極化無損耗。在光頻下，只有電子極化，介質的光折射率為：17②離子位移極化和極化率離子晶體的介電常數值比n2值大的多，如8.431.99CaF2110-1147.3TiO24.682.13KCl介電常數n2因此，必然存在電子極化外的其他極化機制。離子位移極化：離子晶體中正、負離子發(fā)生相對位移而形成的極化，稱為離子（位移）極化(Ionicpolarization)。18-q+qEK=?當位移不是很大時可將正負離子間的恢復力看成為準彈性力根據正、負離子對的固有諧振頻率用實驗方法求解k值。E19正負離子位移形成的偶極距離子極化率根據離子晶體的勢能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量級；離子位移極化只可能在離子晶體中存在，液體或氣體介質中不存在離子極化；離子位移極化只與離子晶體結構參數有關，與溫度無關；離子位移極化建立或消除時間與離子晶格振動周期有相同數量級，10-12–10-13秒。離子位移極化模型（一維）離子極化結論：21③偶極子轉向極化和極化率當極性分子受外電場作用時，偶極子就會產生轉矩，由于偶極子與電場方向相同時具有最小位能，于是就電介質整體來看，偶極矩不再等于零，而出現沿電場方向的宏觀偶極矩，這種極化現象稱為偶極子轉向極化。E22每一偶極子的勢能Boltzman統(tǒng)計分布極性分子固有極距極化建立時間：10-6–10-2秒，為慢極化。23極化形式發(fā)生極化的電介質極化的頻率范圍和溫度的關系能量消耗電子位移極化一切陶瓷介質中直流-光頻無關沒有離子位移極化離子結構介質直流-紅外溫度升高，極化增強很微弱離子松弛極化離子結構的玻璃、結構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瓷、高價金屬氧化物基陶瓷直流-超高頻隨溫度變化有極大值有轉向極化有機材料直流-超高頻隨溫度變化有極大值有空間電荷極化結構不均勻的陶瓷介質直流-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

電介質的定義與特征電介質的極化

電介質的基本常數

電介質的應用253.基本常數——

靜態(tài)介電常數——

真空介電常數——

相對介電常數介電常數可理解為在單位電場強度下，單位體積中所存儲的能量。電容①介電常數（dielectriccoefficient）26②介電強度擊穿指當施加于電介質上的電場強度或電壓增大到一定程度時，電介質由介電狀態(tài)變?yōu)閷щ姞顟B(tài)的現象。介電強度填充電介質的目的是使極板間可承受的電位差能比空氣介質承受的更高些，即提高其介電強度。27③電介質的電導電介質中的帶電質點在電場作用下做定向遷移形成的。固體電導電子電導離子電導電子和空穴可移動的正負離子和離子空位低電場下高電場下28體電導和表面電導體電導率：由材料的本質所決定，與試樣尺寸無關。表面電導：表示介質抵抗沿表面漏電的性能。29電擊穿UIOUbUb為擊穿電壓（擊穿電場Eb=Ub/d，d為介質厚度）30固體介質擊穿的一般規(guī)律：固體介質的擊穿電場大于液體和氣體介質

Eb（氣體）=3106V/m

Eb（液體）=107~108V/mEb（固體）=108~109V/m

固體介質擊穿是永久性的從擊穿過程看：-電場的破壞——變成導體——電擊穿；-介質本身的破壞：a）熱破壞——熱擊穿；b）機械破壞——機械擊穿31電擊穿的特點：電擊穿必須滿足：電導率小、tan小、散熱條件好，無氣隙、無邊緣放電。b.擊穿電場范圍較窄：108~109V/m32④介電損耗在外電場作用下，由電導作用和極化作用引起的電介質內的能量損耗。介電損耗電導損耗介質極化損耗靜電場中交變電場中電導損耗電導損耗電導損耗并聯等效電路串聯等效電路33引起介電損耗的微觀機制普通無機晶體介質(NaCl,SiO2等)只有位移極化，損耗來源：離子電導，與電導率成正比無定形玻璃介質電導損耗、松弛損耗和結構損耗（Si-O網絡變形）多晶陶瓷離子電導，松弛損耗和夾層損耗多相復合介質界面電荷積累——“夾層極化”34有損耗電容器的等效電路和向量圖并聯等效電路串聯等效電路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）電容器無損耗，δ=0；δ越大，說明介質損耗越大。36電介質基本常數之間的關系提高電介質的介電常數有利于提高電容器的存儲電荷量，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和低介電損耗的電介質是當前科學研究者的任務。材料的介電常數越大，其介電強度不一定高；電介質的電導越大，介電損耗也越高。37一些材料的介電性能材料相對介電常數介電強度/(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

電介質的定義與特征電介質的極化電介質的基本常數

電介質的應用39電介質的應用領域電容器場效應晶體管超級電容器信息存儲聲納超聲波紅外探測器高介電常數材料鐵電材料壓電材料熱釋電材料40電介質領域專家——陳湘明陳湘明，浙江大學教授，長江學者主要研究方向：

長期從事鐵電與介電材料的基礎與應用研究，現主要研究方向為微波介質陶瓷、多鐵性材料、鐵電與馳豫鐵電材料。鎢青銅結構CaCu3Ti4O12陶瓷41電介質材料應用一：超級電容器單位重量儲存的能量能達到一般蓄電池的水平。與鋰離子電池或其它蓄電池聯用，作為短時驅動電源，應用于電動汽車的動力電池領域。應用于大型石化、電子、紡織等領域的重要電力系統(tǒng)或大功率系統(tǒng)使輸出電壓穩(wěn)定。特點：長壽命、大容量、高充放電速率。42電介質材料應用二：鐵電存儲器英文名稱：FRAM原理：利用鐵電晶體的鐵電效應實現數據存儲。特點：長壽命、快的寫入速度、非易失性。43電介質材料應用三：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