《介电性能》PPT课件.ppt

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1、Inner Mongolia University of TechnologyCollege of Materials Science and Engineering内蒙古工业大学材料科学与工程学院Yanhua HuEmail:,材料的介电性能,介电材料，又称电介质，是电的绝缘材料，主要用于制造电容器。,3.1电介质及其极化,1.电容，两个邻近导体加上电压后具有储存电荷的能力的度量。C(F)=Q(C)/V(V)表征的是电容器容纳电荷的本领。,3.电介质的极化介电材料：放在平板电容器中增加电容的材料电介质：在电场作用下能建立极化的物质。感应电荷（束缚电荷）：在真空平板电容器中嵌入一块电解质加入外

2、电场时，在整机附近的介质表面感应出的负电荷，负极板附件的介质表面感应出的正电荷。,束缚电荷形成新的电场，该电场与外加电场的方向相反-退极化场Ed。宏观电场：E宏=E0+Ed,极化：电介质在电场作用下产生束缚电荷的现象。,极化电荷：电介质在外电场的作用下，在和外电场相垂直的电介质表面分别出现正、负电荷。这些电荷不能自由移动，也不能离开，总保持中性。,4.极化的相关物理量（1）电解质的分类：极性分子电解质和非极性分子电解质-分子的正负电荷统计重心是否重合，是否有点偶极子？,Q：所含电量；l：正负电荷重心距离,电介质在外电场作用下，无极性分子的正负电荷重心重合将产生分离，产生电偶极矩。,据分子的电结

3、构，电介质可分为：极性分子电介质：H2O;CO（有）非极性分子电介质：CH4;He（2）电极化强度（P）：电解质极化程度的量度（C/m2）.P=/V：电介质中所有电偶极矩的矢量和V：所有电偶极矩所在空间的体积资料表明，电极化强度和电介质所处的实际有效电场成正比，即P=X00EX0：电极化率 0：真空介电常数 E：电场强度,电解质的极化机制，电介质在外加电场作用下的宏观极化强度，实际上是电介质微观上各种极化机制共同作用的结果：电子极化、离子极化、电偶极子取向极化、空间电荷极化等。,实际电场作用下的电极化强度P可表示为克劳修斯莫索堤方程:即电介质在所有偶极矩的总和，即：P=NiiNi：第i种偶极子

4、数目；i：第i种偶极子平均偶极矩,电介质在电场中的破坏,1.介质的击穿：当电场强度超过某一临界值时，介质由介电状态变为导电状态，该现象成为介电强度的破坏，或介质的击穿。2.击穿电场强度：介质击穿时，相应的临界电场强度称为介质强度，或击穿电场强度。注，介电强度，一种介电材料在不发生击穿或者放电的情况下承受的最大电场。介电强度依赖于材料的厚度，厚度减小，介电强度增加；介电强度还与环境温度和气氛、电极形状、材料表面状态、电场频率和波形、材料成分和孔隙、晶体各向异性、非晶体结构等因素有关。,电击穿1.电场强度高时会形成电流脉冲发生击穿，由此产生点坑、孔洞和通道并连通；2.击穿发生于材料的表面，通过表面

5、水分或污染杂质增加了击穿的可能性；3.电击穿是一种集体现象，能量通过其它粒子（例如，已经从电场中获得了足够能量的电子和离子）传送到被击穿的组分中的原理或分子上。,压电性,电介质作为材料，主要用于电子工程中的绝缘材料、电容器材料和封装材料应用的是电介质的共性性质。电介质还可用于传感器、光学、声学、红外探测等领域电介质的三种特殊性质，即压电性、热释电性、铁电性。,正压电效应实验,1880年，Piere兄弟实验发现，对-石英单晶体在一定方向上加力，则在力的垂直方向出现正负束缚电荷压电效应。具有压电效应的物体压电体。,正压电效应：是机械能转换成电能的过程即当晶体受到一定的机械力作用时，一定方向的表面产

6、生数量相等、符号相反的束缚电荷。作用力反向时，表面电荷性质亦反号。电荷密度大小与所加应力的大小成线性关系。-用于传感测力,逆压电效应:当晶体在外加电场作用下，晶体的某些方向产生形变或谐振现象，形变与电场强度成正比。电致伸缩：任何电介质在外电场作用下，会发生尺寸变化，产生应变。其大小与所加电压平方成正比。如，电致伸缩陶瓷（锌铌酸铅陶瓷）对于一般电介质，电致伸缩效应所产生的应变实在太小，可以忽略,石英晶体的化学组成是SiO2，3个Si原子和6个O原子位于晶包的格点上。Si4+，O2-。,压电性产生的原因,当材料受到压缩应力的作用时，A面Si4+挤入两个O2-间，B面O2-挤入两个Si4+间。因此，

7、A面出现负电荷，B面出现正电荷。-纵向压电效应,当材料受到压缩应力的作用时，C、D侧的硅离子和氧离子都向内移动同样的距离，因此，C、D面不出现电荷，A面出现正电荷，B面出现负电荷。-横向压电效应,C,D,压电效应与晶体的对称性有关。压电效应的本质是对晶体施加应力时，改变了晶体内的电极化。因此电极化只能在不具有对称中心的晶体内才可能发生。只有结构上没有对称中心，才有可能产生压电效应。而且必须是：电介质（或至少具有半导体性质）；其结构必须带正负电荷的质点离子或离子团存在（离子晶体或离子团组成的分子晶体）常用：石英，钛酸钡，钛酸铅，钛酸钼等。,热释电性,热释电性（热电性）：由于温度的变化引起材料电极

8、化强度变化的性质。热释电现象坤特法显示电气石的热释电性均匀加热电气石（Na，Ca）（Mg，Fe）3B3Al6Si6（O，OH，F）31，同时向电气石喷射硫磺粉和铅丹粉。结果发现：电气石的一面呈现黄色，另一面呈现红色。,热释电现象坤特法显示电气石的热释电性原因：电气石属于三方晶系，具有唯一的极轴。没有受热时，电气石的自发极化电偶极矩完全被吸附的空气中的电荷屏蔽掉了。受热后，由于温度的变化，自发极化改变，屏蔽电荷失去平衡。晶体正电荷一面吸引硫磺粉呈黄色，负电荷侧吸引铅丹粉呈红色,极轴：即晶体唯一的轴，该轴的两侧往往具有不同的性质,热释电性产生的条件：晶体，一定是具有自发极化的晶体，在结构上据有极轴

9、；极轴，晶体唯一的轴，二端往往具有不同性质，且采用对称操作不能与其它方向重合。有热释电效应一定有压电效应，反之不然。,提问:为什么说具有对称中心的物体不可能具有热释电性？从压电性和热释电性产生的条件知：对于具有对称中心的物体，当压电效应发生时，机械应力引起正负电荷的重心产生相对位移，一般来说不同方向上的位移大小是不相等的，因而出现电偶极矩；而当温度变化时，晶体受热膨胀在各个方向同时发生，在对称方向必然有相同的膨胀系数，即对称方向上引起正负电荷中心的相对位移也是相等的，即没有电偶极矩的改变，因此极化强度没变，所以没有热释电性。,压电性和热释电性是材料的重要性质：1.一些无对称中心的物体可具有压电

10、性2.具有极轴和自发极化的晶体介质具有热释电性。,铁电性,电滞回线，罗息盐（酒石酸钾钠NaKC4H4O64H2O）的极化强度随外加电场的变化如右图所示。铁电体，具有电滞回线性质的晶体。（晶体中并不含有铁）,电畴，铁电体自发极化时能量升高，状态不稳定，晶体趋向于分成许多小区域，每个小区域电偶极子沿同一方向，不同小区域的电偶极子方向不同，每个小区域为电畴。畴壁，畴之间的边界地区，决定畴壁厚度的因素是各种能量平衡的结果。铁电体在外电场作用下，趋向于与外电场方向一致，称为畴转向。通过新畴的出现，发展和畴壁移动来实现的；外加电铲去除后，小部分电畴偏离极化方向，恢复原位，大部分停留在新转向的极化方向上，为

11、剩余极化。,斜方晶系里有600和1200畴，菱形晶系里有710和1090畴,电滞回线是铁电体的铁电畴在外电场作用下运动的宏观描述。电畴运动是通过新畴的出现、发展和畴壁移动实现的。在外电场作用下，铁电畴总是趋向于与外电场方向一致畴转向；1800畴主要是通过尖劈型新畴发展来的，900畴主要是畴壁侧向移动实现的。,没有外电场时，晶体总电矩为零。加上外加电场时，沿电场方向的畴扩展变大，与电场方向的畴变小，因此，总的极化强度随外电场增加而增加，表现为图中的OA段。随着电场强度的继续增大，晶体电畴都趋向于电场方向，类似于形成一个单畴，表现为图中的OB段。继续增加电场强度，极化强度与电场强度呈线性关系，表现为BC段。,若电场强度自C处下降，晶体极化强度也随之减小，E=0时的极化强度Pr称之为剩余极化强度。反向电场强度为-Ec时，剩余极化强度消失。反向电场继续增大，极化强度开始反向，直至反向极化达到饱和，表现为图中的G点。Ec为矫顽电场强度。,一般电介质、压电体、热释电体、铁电体间的关系,