陶瓷的基本电学性质.ppt
现代功能陶瓷,材料在应用中，主要利用其非力学性能时，可通称这类材料为功能材料。所谓非力学性能，包括材料的电、磁、光、热、化学和生物等方面的性能，以及核性能，对气体的敏感性能等。在功能材料中，陶瓷占有十分重要的地位。功能陶瓷占整个特种陶瓷销售量的80，而且每年以20的速度增长。功能陶瓷中，电磁功能陶瓷又要占到80。即现代陶瓷市场中60以上是电磁功能陶瓷。功能陶瓷已在能源开发、空间技术、电子技术、传感技术、激光技术、光电子技术、红外技术、生物技术、环境科学等领域得到广泛的应用。,陶瓷的基本电学性质,陶瓷的基本电学性质是指其在电场的作用下传导电流和被电场感应的性质。导体：J=EJ：电流密度；：电导率；E：电场强度。绝缘体：D=ED：电位移；：介电系数。,导体：Conductor:V=10-810-4 m半导体：Semiconductor:V=10-4106 m绝缘体：Insulator:V=1061022 m,陶瓷材料的导电性及机理,陶瓷材料常温电阻值差别很大，各种陶瓷材料中或多或少都存在着能传递电荷的质点载流子。Metal：自由电子 Ceramics：混合型,1.电子导电：霍耳效应(Hall effect)一般情况下很微弱，产生的原因有：制备工艺（气氛）导致化学计量比偏移；引入不等价杂质。2.离子导电不呈现霍耳效应外来杂质离子热缺陷,F为电子受力方向,如果在电流的垂直方向上加上磁场，则在同电流和磁场都垂直的方向上建立一个电场。,体积电阻率,VRS/L（m），其中 V为电阻率；L为导体的长度；S为导体的横截面积。,陶瓷材料的极化及介电系数,电介质的主要特制是外围电子被原子核束缚很紧，不能自由移动，宏观上基本没有自由电荷。电介质在电场作用下感应电荷的现象，称为电介质的极化，反映此行为的主要宏观物理量为介电系数。,电介质周围无外电场时,电介质处于外电场中时，偶极子在外电场作用下转向，正极板附近的电介质感应出了负电荷，负极板附近的介质表面感应出正电荷，即在电介质两表面上出现束缚电荷。,介电系数(Permitivity),介电系数，是一个在电的位移和电场强度之间存在的比例常量：D=E；这一常量在自由的空间（真空中）是 08.8510-12（F/m）；相对介电系数rQ/Q0，表征电介质极化并储存电荷的能力；电子陶瓷的介电系数变化很大，是由于其内部存在着不同的极化形式。,陶瓷体中的极化形式及其微观机制,a.位移式极化：电子位移（建立时间：1015s），离子位移（建立时间：1013s，相当于红外频率），出现在所有介电材料中，不耗能、均可逆。,组成介质的原子或离子，在电场作用下，原子的或离子的正负电荷中心不重合，即带正电的原子核与其壳层电子的负电中心不重合，因而产生感应偶极矩，称为电子位移极化。组成介质的正负离子，在电场作用下，正负离子产生相对位移。因为正负离子的距离发生改变而产生的感应偶极矩，称为离子位移极化。,b.偶极子极化：组成极性电介质中的极性分子具有恒定的偶极矩。无外加电场时，这些极性分子的取向在各个方向的几率是相等的，就介质整体来看，偶极矩等于零。在电场作用下，这些极性分子除贡献电子极化和离子极化外，其固有的偶极矩将沿外电场方向有序化。,c.松弛极化,当材料中存在着弱联系电子、离子和偶极子等松弛质点时，热运动使这些松弛质点分布混乱，而电场力图使这些质点按电场规律分布，最后在一定温度下，电场的作用占主导，发生极化。这种极化具有统计性质，叫作热松驰极化。松驰极化的带电质点在热运动时移动的距离可以有分子大小，甚至更大。另外，此时质点需要克服一定的势垒才能移动，因此这种极化建立的时间较长（10-210-9秒）,并且需要吸收一定的能量，所以这种极化是一种不可逆的过程。,空间电荷极化常常发生在不均匀介质中。在电场作用下，不均匀介质内部的正负间隙离子分别向负、正极移动，引起电介质内各点离子密度的变化，出现了电偶极距。这种极化叫作空间电荷极化。在电极附近积聚的离子电荷就是空间电荷。,空间电荷极化,实际上晶界、相界、晶格畸变、杂质等缺陷区都可成为自由电荷运动的障碍，在这些障碍处，自由电荷积聚，也形成空间电荷极化。,陶瓷介质一般为多晶多相材料，其极化机制可以不止一种。一般都含有电子位移极化和离子位移极化。介质中有缺陷存在，则通常存在松驰极化。电工陶瓷按其极化形式可分类如下：以电子位移极化为主的电介质：金红石瓷（TiO2）、钙钛矿瓷（CaTiO3）及某些含锆陶瓷。以离子位移极化为主的电介质：刚玉（Al2O3）,斜顽辉石为基础的陶瓷及碱性氧化物含量不多的玻璃。具有显著松驰极化的材料:绝缘子瓷、碱玻璃、高温含Ti陶瓷。,陶瓷材料的介质损耗,电介质在电场作用下，单位时间消耗的电能叫介质损耗，材料的结构和组成对损耗的影响是根本性的。由各种介质极化的建立所造成的电流，这种电流损耗能量，称为极化损耗（iP）。由介质的电导(漏导)造成的电流，这种电流损耗为漏导损耗（iC）。,介质损耗因素（tg）,介质损耗角，在交变电场作用下，电介质内流过的电流相量和电压相量之间的夹角(功率因数角)的余角()。介质损耗因数，是指介质损耗角正切值，介质损耗因数的定义如下：,功能陶瓷的损耗角一般小于1,漏导损耗示意图,介电强度,电介质只能在一定的电场强度以内保持绝缘的特性。当电场强度超过某一临界值时，电介质变成了导体，这种现象称为电介质的击穿，相应的临界电场强度称为介电强度或击穿电场强度；EjUj/h(kV/cm)严格地划分击穿类型是很困难的，通常分为三种类型：热击穿、电击穿、局部放电击穿。,
