材料物理性能课件.ppt

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1、1,第3章 材料的介电性能,介电材料和绝缘材料是电子与电气工程中不可缺的功能材料,2,3.1 电介质及其极化,3.1.1 平板电容器及其电介质电容 ：两个临近导体加上电压后存储电荷能力的量度。是表征电容器容纳电荷的本领的物理量,电容的单位是法拉，简称法，符号是F, 1F=1C/V 毫法(mF)、微法(F)、纳法(nF) 和皮法(pF),3,3.1 电介质及其极化,3.1.2 介电常数,如果介电介质为真空：,1）0: 常数 2）尺寸因素： d 和A -平板间的距离和面积,真空介电常数：0 =8.8510-12 F. m-1(法拉/米),4,3.1 电介质及其极化,在平行板电容器间放置某些材料，会

2、使电容器存储电荷的能力增加，,CC0,相对介电常数：r介电常数（电容率）： =0r(F/m),5,3.1 电介质及其极化,介电常数是描述某种材料放入电容器中增加电容器存储电荷能力的物理量。,1）材料因素：材料常数 2）尺寸因素： d 和A ：平板间的距离和面积,6,3.1 电介质及其极化,7,3）电介质的极化：在真空平板电容器中，嵌入某些物质。加入外电场时，在正极附近的介质表面感应出负电荷，负极板附件的介质表面感应出正电荷，这些电荷为感应电荷，又因其不可移动，又是束缚电荷。极化：某些物质在电场作用产生束缚电荷的现象。电介质：在电场作用下能建立极化的物质。介电材料：放在平板电容器中增加电容的材料

3、 ，是一类特殊的电介质。,3.1 电介质及其极化,8,3.1 电介质及其极化,例：一个简单的平行板电容器，3kV时存10-4C的电荷，电介质厚0.02cm, 计算使用面积。（分真空，BaTiO3，云母三种情况，相对介电常数分别为1、3000和7）,9,1）电偶极矩：带有等量异号电荷并且相距一段距离的荷电质点，形成电偶极矩对于极性分子电介质，由于分子的正负电荷中心不重合，存在电偶极矩；对于非极性分子电解质，由于外界作用，正负电荷中心瞬时分离，也产生电偶极距。,电偶极子：具有一个正极和一个负极的分子或结构.,3.1 电介质及其极化,3.1.3 极化相关的物理量,10,2）极化电荷：和外电场相垂直的

4、电介质表面分别出现的正负电荷，不能自由移动，也不能离开，总保持电中性。 极化强度P：电介质极化程度的量度，单位体积内的电偶极矩，数值上等于分子表面电荷密度；,e: 极化率, 不同材料具有不同的值。,它和实际有效电场有关，实际电场包括(1)外加电场；(2)极化电荷自身形成的电场,3.1 电介质及其极化,单位：C/m2,11,3.1 电介质及其极化,可以证明：,12,3.1.4 电介质极化的机制：电介质在电场作用下产生电偶极矩或使已有的电偶极矩体现出宏观效果的过程；电子极化，离子极化，电偶极子取向，空间电荷极化，分别对应电子、原子、分子和空间电荷情况。,3.1 电介质及其极化,电子,原子,分子,宏

5、观,13,E,位移极化，由电子或离子位移产生电偶极距而产生的极化。分为电子位移极化和离子位移极化。 1）电子位移极化：材料在外电场的作用下，原子中的电子云将偏离带正电的原子核这个中心，原子就成为一个暂时的感应的偶极子。 这种极化可以在光频下进行，10-14-10-10S 可逆 与温度无关 产生于所有材料中电子极化率的大小与原子(离子)的半径有关,3.1 电介质及其极化,14,例：500V的电场作用下，Ni原子的电子云从原子核的电荷中心偏离10-9nm,Ni为FCC结构，晶格常数为0.351nm, 设金属中所有电子对电子极化均有贡献，计算极化强度（Ni的原子序数为28）。,3.1 电介质及其极化

6、,15,晶体中负离子和正离子相对于它们的正常位置发生位移，形成一个感生偶极矩。 可逆; 反应时间为10-13-10-12S 温度升高，极化增强 产生于离子结构电介质中离子位移极化率：,2）离子位移极化：,a为晶格常数；n为电子层斥力指数，对于离子晶体n为7-11,3.1 电介质及其极化,16,驰豫极化：外加电场作用于弱束缚荷电粒子造成，与带电质点的热运动密切相关。热运动使这些质点分布混乱，而电场使它们有序分布，平衡时建立了极化状态。为非可逆过程。3）电子驰豫极化 ：由于晶格的热运动，晶格缺陷，杂质引入，化学成分局部改变等因素，使电子能态发生改变，导致位于禁带中的局部能级中出现弱束缚电子，在热运

7、动和电场作用下建立相应的极化状态。不可逆；反应时间为 10-210-9S；多产生于Nb,bi,Ti为基的氧化物陶瓷中，随温度升高变化有极大值。,3.1 电介质及其极化,17,3.1 电介质及其极化,4）离子驰豫极化 ： 弱联系离子：在玻璃状态的物质、结构松散的离子晶体、晶体中的杂质或缺陷区域，离子自身能量较高，易于活化迁移，这些离子称为弱联系离子。由弱联系离子在电场和热作用下建立的极化为离子弛豫极化。 不可逆；反应时间为 10-210-5S；随温度变化有极大值。,Ta极化率 ；q为离子荷电量； 为弱离子电场作用下的迁移；,18,5) 取向极化：沿外场方向的偶极子数大于和外场反向的偶极子数，因此

8、电介质整体出现宏观偶极矩。这种极化与永久偶极子的排列取向有关，又称分子极化（或偶极子极化）。,E,热运动：无序电 场：有序,为无外电场时的均方偶极矩。,3.1 电介质及其极化,19,（1） 在包括硅酸盐在内的离子键化合物与极性聚合物中是普遍存在的；（2） 响应时间 10-210-10S；（3）这种极化在去掉电场后能保存下来，因而涉及的 偶极子是永久性的；（4）随温度变化有极大值。,3.1 电介质及其极化,20,实际中需要一种驻电体。试从(C2H4)n, (C2H2F2)n, (C2F4)n中选用。,由于(C2H4)和 (C2F4）团均是对称的，C2H2F2是非对称结构，另外C-F键具有键极性，

9、(C2H2F2)n易发生取向极化，是普通的工业驻电体之一。,案例： 驻电体材料及其选择。驻电体：能长时间保持极化结构的聚合物为驻极体。,3.1 电介质及其极化,2022/11/26,21,22,6) 空间电荷极化： 可动的载流子受到电场作用移动，受到阻碍而排列于一个物理阻碍前面时产生的极化。 物理阻碍：晶界，相界，自由表面，缺陷。反应时间很长，几秒到数十分钟；随温度升高而减弱；存在于结构不均匀的陶瓷电介质中；,3.1 电介质及其极化,23,小结：（1）总的极化强度是上述各种机制作用的总和。（2）材料的组织结构影响极化机制。,（3） 外电场的频率：某种机制都是在不同的时间量级内发生的，只有在某个

10、领域频率范围内才有显著的贡献。,3.1 电介质及其极化,24,3.1 电介质及其极化,25,3.1.5宏观极化强度和微观极化率的关系,(1)作用于分子、原子上的有效电场：,作用于分子、原子上的有效电场,外加电场E0,电介质极化形成的退极化场Ed,周围的荷电质点作用形成Ei,26,（2）克劳修斯-莫索堤方程,极化强度P可以写为单位体积电介质在实际电场作用下所有电偶极矩的总和,单位体积第i种偶极子数目,第i种偶极子平均偶极矩,荷电质点的平均偶极矩正比于作用于质点上的局部电场,局部电场,第i种偶极子电极化率,27,相对介电常数,偶极子种类,极化率,偶极子数目,宏观介电常数,微观介电机制,电子位移极化

11、,离子位移极化,取向极化,空间电荷极化,28,3.2 交变电场下的电介质,3.2.1 复介电常数与介质损耗1）理想情况 对于平板式真空电容器有: 加上角频率为2f 的交流电压， 则有：Q=C0 U 其回路电流为： 可见电容电流Ic超前电压U相位90度。对于极板间为相对介电常数r 的介电材料，材料为理想介电质， C=r C0 ， 可得 I= rIC 的相位，仍超前电压90度。,29,3.2 交变电场下的电介质,3.2.1 复介电常数与介质损耗2）对于实际材料：存在漏电等因素 降了容性电流Ic外，还有与电压同相位的电导分量GU 则总电流应为这两部分的矢量和 而： 所以有： 令： 为复电导率则电流密

12、度为：,30,非理想电介质充电、损耗和总电流矢量图,Ic：理想电容器充电造成的电流；Idc：电介质真实介质漏电流；Iac：真实电介质极化建立的电流,3.2.1 复介电常数与介质损耗 真实的电介质平板电容器的总电流由： （1） 理想电容充电所造成的电流Ic （2） 电容器真实电介质极化建立的电流Iac （3） 电容器真实电介质漏电流Idc总电流超前电压（90-），其中为损耗角,31,3.2.1 复介电常数与介质损耗3）复介电常量：定义复介电常量* 和r* ，有：,分析前述总电流： 并且： 有： 第1项:电容充放电过程 第2项与电压同相位，对应能量损耗部分 r相对损耗因子， =0r为介质损耗因子,

13、32,3.2 交变电场下的电介质,4）介质损耗因子： 损耗角正切： 是 频率,温度, 及材料原子尺度结构的复杂函数，表示存储电荷要消耗的能量大小。 电介质的品质因数： 高频绝缘条件：Q越高越好。,33,定义电介质的品质因数：,电介质在高频绝缘条件下，Q越高则极化时损耗的能量越小。,部分陶瓷的损耗角正切值(f=106HZ,T=273K),部分陶瓷的损耗角正切值(f=106HZ,T=293K),34,案例：介电材料的选择和设计 介电材料是制备电容器的主要材料。选择合适的介电材料是制备长寿命高可靠的电容器的基础。选择合适的介电材料主要考虑的物理性能指标有：介电常数和损耗角正切值。前者表征了材料极化能

14、力的大小（放于电容器极板间存储电荷能力的大小），后者表征了在交变电场作用下极化时能量损耗的大小。可见损耗角正切值是电介质材料选择和相应器件制备的重要设计指标。,问题：从莫来石、刚玉瓷、钛酸钙和钛酸锆中选择可以作为介电材料的物质。,35,3.2.2）电介质驰豫和频率响应： 驰豫时间：电介质完成极化所需要的时间。 1）德拜方程：交变电场作用下，电介质的电容率与电场频率相关的：,rs为静态或低频下的相对介电常数r为光频下的相对介电常数,36,物理意义： (1) 相对介电常数（实部和虚部）随所加电场的频率而变化。 (2) 介电常数与温度有关，温度通过影响弛豫时间而影响介电常数 (3) 与tan 随频率

15、变化存在极大值。,37,3.2 交变电场下的电介质,2）频率响应： 在交变电场频率极高时，驰豫时间长的极化机制来不及响应，对总的极化强度没有贡献。,38,3.2 交变电场下的电介质,3.2.3 介电损耗分析： 1）频率的影响： 很小时，0，各种极化机制均跟上电场的变化，不存在极化损耗。介质损耗主要由电介质的漏电引起，与频率无关。外加电场的频率增加至某一值时，松驰极化跟不上电场变化，则随增加，r减小很小，1, 减小，tan 减小tan 在m时有极值,39,3.2 交变电场下的电介质,3.2.3 介电损耗分析： 2）温度的影响：温度很低时，较大，此时w2 21, 温度升高， 减小，则r和tan 增加(2) 温度较高时， 较小，此时2 21 温度升高，减小，则tan 减小。 电导上升不明显，过一定阶段Pw减小。(3) 温度很高时，离子振动很大，离子迁移受热振动阻碍增大，极化减弱， r减小，电导急剧上升，故tan 也增大。,2022/11/26,40,