第六章-电介质材料1

1第六章电介质材料23铁电材料2电容器介质材料1电介质材料慨述4压电材料本章内容5热释电材料6微波陶瓷介质材料8有机电介质材料7玻璃电介质材料3一.概论电介质：在电场作用下，能建立极化的一切物质。通常是指电阻率大于1010·cm的一类在电场中以感应而并非传导的方式呈现其电学性能的物质。绝缘体，无自由电荷电介质极化特点：内部场强一般不为零。陶瓷电介质的主要应用：电子电路中的电容元件、电绝缘体、谐振器。某些具有特殊性能的材料，如：具有压电效应、铁电效应、热释电效应等特殊功能的电介质材料在电声、电光等技术领域有着广泛的应用前景。电介质的主要性能：介电常数、介电损耗因子、介电强度。4①无极分子（Nonpolarmolecule）在无外场作用下整个分子无电矩。例如，CO2H2N2O2He②有极分子（Polarmolecule）在无外场作用下存在固有电矩例如，H2OHclCOSO2因无序排列对外不呈现电性。2电介质的分子：1电介质－是由大量电中性的分子组成的绝缘体。紧束缚的正、负电荷在外电场中要发生变化。1、电介质的极化电子云的正电中心5极化机制极化的基本形式：第一种：位移式极化------弹性的、瞬间完成的、不消耗能量的极化。第二种：该极化与热运动有关，其完成需要一定的时间，且是非弹性的，需要消耗一定的能量。60E位移极化取向极化0E①位移极化Displacementpolarization主要是电子发生位移②取向极化Orientationpolarization由于热运动这种取向只能是部分的，遵守统计规律。7(1).电子位移极化电子位移极化和电子松弛极化电子位移极化无外电场作用+E电子位移极化±-8电子位移极化：在外电场作用下，原子外围的电子云相对于原子核发生相对位移形成的极化。在交变电场的作用下，可以将其看作一个弹簧振子，弹性恢复力：-kx+-建立牛顿方程：ma=-kx-eEoeit电偶极矩：=-ex=Eoeit{1/[(k/m)o2－2]}e2/m弹性振子的固有频率：o=(k/m)1/2有：=eEloc得：e=[1/(o2－2)]e2/m0e=e2/mo2（静态极化率）9(2).离子位移极化离子位移极化：离子在电场的作用下，偏移平衡位置引起的极化。在交变电场作用下，离子在电场中的运动设想为弹簧振子。－++－EX+X-感生的电偶极矩为：=q(x+－x-)=iEloc10(3).松弛极化松弛质点：材料中存在着弱联系的电子、离子和偶极子。松弛极化：松弛质点由于热运动使之分布混乱，电场力使之按电场规律分布，在一定温度下发生极化。松弛极化的特点：比位移极化移动较大距离，移动时需克服一定的势垒，极化建立时间长，需吸收一定的能量，是一种非可逆过程。11(ⅰ)离子松弛极化结构正常区缺陷区U松U’松U导电12离子松弛极化率：T=q2x2/12kT温度越高，热运动对质点的规则运动阻碍增强，极化率减小。离子松弛极化率比电子位移极化率大一个数量级，可导致材料大的介电常数。13(ⅰ)电子松弛极化电子松弛极化：材料中弱束缚电子在晶格热振动下，吸收一定能量由低级局部能级跃迁到较高能级处于激发态；处于激发态的电子连续地由一个阳离子结点，移到另一个阳离子结点；外加电场使其运动具有一定的方向性，由此引起极化，使介电材料具有异常高的介电常数。14(4).转向极化转向极化：具有恒定偶极矩的极性分子在外加电场作用下，偶极子发生转向，趋于和外加电场方向一致，与极性分子的热运动达到统计平衡状态，整体表现为宏观偶极矩。转向极化比电子极化率高得多。15转向极化在离子晶体中的应用－－－－+－－－－+－－－+－－－+－－－－+++++++－+－－－－+－－－－+－－－－+－－－+－－－－++++++++一对晶格空位的定向16(5).空间电荷极化空间电荷极化：在不均匀介质中，如介质中存在晶界、相界、晶格畸变、杂质、气泡等缺陷区，都可成为自由电子运动的障碍；在障碍处，自由电子积聚，形成空间电荷极化，一般为高压式极化。----++++----++++----++++外电场P17l在外电场中的电介质分子无极分子只有位移极化，感生电矩的方向沿外场方向。无外场下，所具有的电偶极矩称为固有电偶极矩。在外电场中产生感应电偶极矩（约是前者的10-5)。有极分子有上述两种极化机制。在高频下只有位移极化。0E0E18各种极化形式的比较极化形式极化的电介质种类极化的频率范围与温度的关系能量消耗电子位移极化一切陶瓷直流——光频无关无离子位移极化离子结构直流——红外温度升高极化增强很弱离子松弛极化离子不紧密的材料直流——超高频随温度变化有极大值有电子位移松弛极化高价金属氧化物直流——超高频随温度变化有极大值有转向极化有机直流——超高频随温度变化有极大值有空间电荷极化结构不均匀的材料直流——高频随温度升高而减小有19两块金属板间为真空时，板上的电荷与所施加的电压成正比：Qo=CoV两板间放入绝缘材料，施加电压不变电荷增加了Q1，有：Qo+Q1=CV相对介电常数r：介电质引起电容量增加的比例。r=C/Co=(Qo+Q1)/Qo电介质提高电容量的原因：由于质点的极化作用，结果在材料表面感应了异性电荷，它们束缚住板上一部分电荷，抵消（中和）了这部分电荷的作用，在同一电压下，增加了电容量。结果：材料越易极化，材料表面感应异性电荷越多，束缚电荷也越多，电容量越大，相应电容器的尺寸可减小。20球外介质的作用电场：设想把假想的球挖空，使球外的介质作用归结为空球表面极化电荷作用场（洛伦兹场）E2和整个介质外边界表面极化电荷作用场E1之和。假想：有一个特定质点被一个足够大的球体所包围，球外的电介质可看成连续的介质，同时，球半径比整个介质小得多。介质中的其它偶极子对特定质点的电场贡献分为两部分：球外介质的作用E1＋E2和球内介质的作用E3球外介质的作用电场:E3为只考虑质点附近偶极子的影响，其值由晶体结构决定，已证明，球体中具有立方对称的参考点位置，如果所有原子都可以用平行的点型偶极子来代替，则E3=0。212.原子位置上的局部电场Eloc（有效电场）Eloc=E外+E1+E2+E3++++++++－－－－－－－+++－－－E外E1E2E3对于气体质点，其质点间的相互作用可以忽略，局部电场与外电场相同。对于固体介质，周围介质的极化作用对作用于特定质点上的局部电场有影响。作用于介质中质点的内电场周围介质的极化作用对作用于特定质点上的电场贡献。22空间电荷极化松弛极化离子极化电子极化工频声频无线电红外紫外极化率或极化率和介电常数与频率的关系231介质在电场中的破坏介质的击穿：外加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的现象。介电强度：相应的临界电场强度。2热击穿热击穿的本质：处于电场中的介质，由于介质损耗而受热；当外加电压足够高时，散热和发热从平衡状态转入非平衡状态，介质的温度将越来越高，直至出现永久性破坏。3介电强度24固体介质电击穿的碰撞电离理论：在强电场作用下，固体导带中可能因冷或热发射存在一些电子，这些电子被加速，获得动能；高速电子与晶格振动相互作用，把能量传递给晶格；上述两个过程在一定温度和场强下平衡时，固体介质有稳定的电导；当电子从电场中获得能量大于传递给晶格振动能量时，电子动能越来越大；大到一定值，电子与晶格振动的相互作用导致电离产生新电子，使电子数目迅速增加，电导进入不稳定状态，发生击穿。电击穿25二、电容器介质材料AB0CABC电容器就是能够储存电荷的“容器”。只不过这种“容器”是一种特殊的物质——电荷，而且其所存储的正负电荷等量地分布于两块不直接导通的导体板上。至此，我们就可以描述电容器的基本结构：两块导体板（通常为金属板）中间隔以电介质，即构成电容器的基本模型。26电容器的作用电容器在电子线路中的作用一般概括为：通交流、阻直流。电容器通常起滤波、旁路、耦合、去耦、转相等电气作用，是电子线路必不可少的组成部分。在集成电路、超大规模集成电路已经大行其道的今天，电容器作为一种分立式无源元件仍然大量使用于各种功能的电路中，其在电路中所起的重要作用可见一斑。作贮能元件也是电容器的一个重要应用领域，同电池等储能元件相比，电容器可以瞬时充放电，并且充放电电流基本上不受限制，可以为熔焊机、闪光灯等设备提供大功率的瞬时脉冲电流。电容器还常常被用以改善电路的品质因子，如节能灯用电容器。隔直流：作用是阻止直流通过而让交流通过。旁路（去耦）：为交流电路中某些并联的元件提供低阻抗通路。耦合：作为两个电路之间的连接，允许交流信号通过并传输到下一级电路滤波：将整流以后的锯齿波变为平滑的脉动波，接近于直流。温度补偿：针对其它元件对温度的适应性不够带来的影响，而进行补偿，改善电路的稳定性。计时：电容器与电阻器配合使用，确定电路的时间常数。调谐：对与频率相关的电路进行系统调谐，比如手机、收音机、电视机。整流：在预定的时间开或者关半闭导体开关元件。•储能：储存电能，用于必须要的时候释放。例如相机闪光灯，加热设备等等。27电容器的发展静电电容器电解电容器电化学离子电容器电极化或电荷迁移载体发展纯电介质离子输运电解质阀金属氧化物28•电容器电介质材料的分类绝缘材料，如纸、玻璃、陶瓷、云母、有机薄膜等由铝、钽、铌等阀金属表面生成的介电氧化膜等•电容器电介质对材料的要求介电常数ε值尽可能高（得到高比容量）损耗角正切（tanδ)值尽可能低（避免能量损耗）绝缘电阻值高且稳定击穿电场强度高29介质损耗的一些基本概念•1、介质损耗•什么是介质损耗：绝缘材料在电场作用下，由于介质电导和介质极化的滞后效应，在其内部引起的能量损耗。也叫介质损失，简称介损。•2、介质损耗角δ•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Φ)的余角(δ)。简称介损角。•3、介质损耗正切值tgδ•又称介质损耗因数，是指介质损耗角正切值，简称介损角正切。介质损耗因数的定义如下:介质损耗因数(tgδ)=(被测试品的有功功率P)/(被测试品的无功功率Q)×100%•如果取得试品的电流相量和电压相量，则可以得到如下相量图：总电流可以分解为电容电流Ic和电阻电流IR合成，因此：这正是损失角δ=(90°-Φ)的正切值。因此现在的数字化仪器从本质上讲，是通过测量δ或者Φ得到介损因数。测量介损对判断电气设备的绝缘状况是一种传统的、十分有效的方法。绝缘能力的下降直接反映为介损增大。进一步就可以分析绝缘下降的原因，如：绝缘受潮、绝缘油受污染、老化变质等等。测量介损的同时，也能得到试品的电容量。如果多个电容屏中的一个或几个发生短路、断路，电容量就有明显的变化，因此电容量也是一个重要参数。301.1纸电介质及其浸渍材料1.电容器纸的组成、结构和特性–电容器纸由无纺植物纤维素和空气隙交替分布构成；–主要成分纤维素[（C6H10O5)n，n›2000]31纸电介质的ε和tanδ与温度和频率的关系空气ε随温度变化极小，与频率无关，纸电介质ε决定于纤维素，故纸电介质的ε随温度升高而增大，在高频段随频率增高而略微降低；空气的tanδ极小，纸电介质tanδ决定于纤维素，随其密度增大而降低，80℃以上，迅速增大；tanδ在低温区，随频率增大而增大，在高温区，随频率增大而减小。纸电介质的电阻率和抗电强度外加电压低于电离电压，电阻率跟电压无关，高于时，电阻率陡降；抗电强度随密度增大而增加。322.电容器纸的浸渍•纸中大量的空气由于具有低的值，并成为极性基(OH)吸附水分的储存场所。故采用真空浸渍达到改性目的。可供浸渍的材料的分类–按极性程度：极性和非极性–按物理状态：液态，适于高压和脉冲电容器固态，适于一般直流或低压通用电容器331.2有机膜电容器介质材料•非极性薄膜优点：介电损耗很低，电阻率较高缺点：热膨胀系数大，产生不可逆的电容量变化，介电常数低（ε≈2~3)，比率电容量低，机械强度较差常见的有：聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯和聚四氟乙烯等•极性薄膜–介电常数低(ε≈3~3.6)常见的有对苯