lec5-材料的介电性能

材料的介电性能DielectricPropertiesofMaterials杜宇雷材料科学与工程学院介质的击穿：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。热击穿电击穿化学击穿电介质在电场中的破坏——介电强度热击穿。电极间介质在一定外加电压作用下，其中不大的电导最初引起较小的电流。电流的焦耳热使样品温度升高。但电介质的电导会随温度迅速变大而使电流及焦耳热增加。若样品及周围环境的散热条件不好，则上述过程循环往复，互相促进，最后使样品内部的温度不断升高而引起损坏。在电介质的薄弱处热击穿产生线状击穿沟道。击穿电压与温度有指数关系，与样品厚度成正比；但对于薄的样品，击穿电压比例于厚度的平方根。热击穿还与介质电导的非线性有关，当电场增加时电阻下降，热击穿一般出现于较高环境温度。在低温下出现的是另一种类型的电击穿。电击穿。又称本征击穿。电介质中存在的少量传导电子在强外电场加速下得到能量。若电子与点阵碰撞损失的能量小于电子在电场加速过程中所增加的能量，则电子继续被加速而积累起相当大的动能，足以在电介质内部产生碰撞电离，形成电子雪崩现象。结果电导急剧上升，最后导致击穿。在不完整或掺杂单晶和一些非晶态电介质中，缺陷和杂质形成的浅位阱束缚的电子所需激活能要比禁带宽度小很多。受外电场加速的传导电子更容易使这部分电子被激活参与导电而引起击穿。电击穿的另一种机制是1934年C.曾讷提出来的内部冷发射模型。认为强外电场使能带发生倾斜。因而价带上的电子出现隧道效应。当场强为106V/cm数量级时,电子可通过隧道效应移动几百个原子的距离。在约10-12秒时间内导带就可以出现足够数量的电子而引起击穿。此外，在强电场下金属电极中的自由电子也可以注入于电介质而参与导电，称为外部冷发射。化学击穿。电介质中强电场产生的电流在例如高温等某些条件下可以引起电化学反应。例如离子导电的固体电介质中出现的电解、还原等。结果电介质结构发生了变化，或者是分离出来的物质在两电极间构成导电的通路。或者是介质表面和内部的气泡中放电形成有害物质如臭氧、一氧化碳等，使气泡壁腐蚀造成局部电导增加而出现局部击穿，并逐渐扩展成完全击穿。温度越高，电压作用时间越长，化学形成的击穿也越容易发生。电介质的特殊性质•压电性•热释电性•铁电性压电性（Piezoelectricity）•压电性的发现1880年法国人P.居里和J.居里兄弟发现石英晶体受到压力时，它的某些表面上会产生电荷，电荷量与压力成正比；称这种现象为压电效应；具有压电效应的物体称为压电体。居里兄弟还证实了压电体具有逆压电效应，即在外电场作用下压电体会产生形变。正压电效应逆压电效应电介质在压力作用下发生极化而在两端表面间出现电位差的性质。逆压电效应电能机械能正压电效应具有对称中心的晶体结构具有对称中心的晶体结构不会发生极化，因此不会产生压电效应。无对称中心的晶体结构晶体压电性产生的原因——以α-石英为例天然石英晶体，其结构形状为一个六角形晶柱，两端为一对称棱锥。在晶体学中，可以把将其用三根互相垂直的轴表示，其中，纵轴Z称为光轴，通过六棱线而垂直于光铀的X铀称为电轴，与X-X轴和Z-Z轴垂直的Y-Y轴(垂直于六棱柱体的棱面)称为机械轴。+xy++---石英晶体具有压电效应，是由其内部分子结构决定的。右图是一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子，在垂直于z轴的xy平面上的投影，等效为一个正六边形排列。图中“＋”代表硅离子Si4+，“－”代表氧离子O2-。硅氧离子的排列示意图当石英晶体未受外力作用时，正、负离子正好分布在正六边形的顶角上，形成三个互成120°夹角的电偶极矩P1、P2、P3。如下图所示。因为P=qL（q为电荷量，L为正负电荷之间的距离），此时正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即P1+P2+P3＝0所以晶体表面不产生电荷，呈电中性。Fx=0xy+P1P2P3--++-Fx0x+Fxy+-Fx-P1P2P3--++-+++--当晶体受到沿x方向的压力（Fx0）作用时，晶体沿x方向将产生收缩，正、负离子的相对位置随之发生变化，如图所示。此时正、负电荷中心不再重合，电偶极矩P1减小，P2、P3增大，它们在x方向上的分量不再等于零:(P1+P2+P3)x0在y、z方向上的分量为:(P1+P2+P3)y=0(P1+P2+P3)z=0当晶体受到沿x方向的拉力（Fx＞0）作用时，其变化情况如图所示。电偶极矩P1增大，P2、P3减小，此时它们在x、y、z三个方向上的分量为(P1+P2+P3)x0(P1+P2+P3)y=0(P1+P2+P3)z=0Fx0yx+++FxFxP2P3P1+++--+----在x轴的正向出现负电荷，在y、z方向依然不出现电荷。可见，当晶体受到沿x(电轴)方向的力Fx作用时，它在x方向产生正压电效应，而y、z方向则不产生压电效应。当晶体受到沿y轴方向的压力作用时,晶体的变形如图6-3（c）所示,与图6-3（b）情况相似,P1增大,P2、P3减小。在x轴上出现电荷,它的极性为x轴正向为负电荷。在y轴方向上不出现电荷。如果沿z轴方向施加作用力,因为晶体在x方向和y方向所产生的形变完全相同,所以正负电荷重心保持重合,电偶极矩矢量和等于零。这表明沿z轴方向施加作用力,晶体不会产生压电效应。当作用力fx、fy的方向相反时,电荷的极性也随之改变。压电陶瓷：压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴,它有一定的极化方向,在无外电场作用时,电畴在晶体中杂乱分布,它们的极化效应被相互抵消,压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性,不具有压电性质。压电陶瓷经极化处理后，剩余极化强度会使与极化方向垂直的两端出现束缚电荷（一端为正，另一端为负），由于这些束缚电荷的作用在陶瓷的两个表面吸附一层来自外界的自由电荷，并使整个压电陶瓷片呈电中性。当对其施加一个与极化方向平行或垂直的外压力，压电陶瓷片将会产生形变，片内束缚电荷层的间距变小，一端的束缚电荷对另一端异号的束缚电荷影响增强，而使表面的自由电荷过剩出现放电现象。当所受到的外力是拉力时，将会出现充电现象。图5-5束缚电荷和自由电荷排列示意图自由电荷自由电荷电极束缚电荷压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多,所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温度有关,它的参数也随时间变化,从而使其压电特性减弱。最早使用的压电陶瓷材料是钛酸钡（BaTiO3）。它是由碳酸钡和二氧化钛按一定比例混合后烧结而成的。它的压电系数约为石英的50倍,但使用温度较低,最高只有70℃,温度稳定性和机械强度都不如石英。目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅（PZT系列）,它是钛酸钡（BaTiO3)和锆酸铅（PbZrO3）组成的Pb(ZrTi)O3。它有较高的压电系数和较高的工作温度。铌镁酸铅是20世纪60年代发展起来的压电陶瓷。它由铌镁酸铅(Pb（Mg·Nb）O3)、锆酸铅(PbZrO3)和钛酸铅(PbTiO3)按不同比例配成的不同性能的压电陶瓷,具有极高的压电系数和较高的工作温度,而且能承受较高的压力。3132•压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数,它直接关系到压电输出的灵敏度。•压电材料的弹性常数、刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。•对于一定形状、尺寸的压电元件,其固有电容与介电常数有关;而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。•在压电效应中,机械耦合系数等于转换输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根;它是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。•压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏,从而改善压电传感器的低频特性。•压电材料开始丧失压电特性的温度称为居里点温度。压电材料的主要特性参数•标量，有些物理量，只具有数值大小，而没有方向，部分有正负之分。•矢量，有些物理量，既要有数值大小，又要有方向才能完全确定。•张量，是向量的推广。向量可以看成一维的“表格”（即分量按照顺序排成一排），矩阵是二维的“表格”（分量按照纵横位置排列），那么n阶张量就是所谓的n维的“表格”。标量可以看作是0阶张量，矢量可以看作一阶张量。压电效应的表达式FdQdjijiFdq压电效应的表达式更一般表达式：电荷密度（用单位面积受力表示）xzF3(q1)F2F1F4F6F5(q3)(q2)(1)(3)(2)qi=dijFji=1、2、3j=1、2、3、4、5、6y）常数（面上产生电荷时的压电方向的应力分量在）（面上产生电荷的面密度方向的应力分量在）方向的应力分量（C/N:C/m:Pa:2ijdijqjFijij)()(654321321zyxzyxjzyxi、、绕、、、沿、、、、、、、、、其中：i＝1,2,3表示晶体极化方向，指的是与产生电荷的面垂直的方向；j=1,2,3,4,5,6表示受力方向，1~3表示x,y.z向受力，4~6表示剪切力方向1313Fdq3333Fdq654321363534333231262524232221161514131211321FFFFFFddddddddddddddddddqqqjijiFdq压电方程的矩阵表示00000020000000000000000000011141411112625141211363534333231262524232221161514131211dddddddddddddddddddddddddddddij压电常数矩阵NC1073.0NC1031.212141211dd右旋石英晶体取负号；左旋石英晶体取正号。压电材料的应用——压电传感器通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器。压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电传感器PIX-30/4三维扫描仪采用动态压电传感器技术对实体物件进行超高精度扫描，能够扫描的实物包括：各种工业材质、粘土模型、玻璃、水晶、色彩丰富的物件，甚至还包括鲜果和鲜鱼纤维纳米发电机由于氧化锌具有独特的半导体和压电性质，弯曲的氧化锌纳米线能在其拉伸的一面产生正电势，压缩的一面产生负电势。氧化锌半导体和金属电极之间的肖特基势垒则能控制电荷的积累与释放，从而实现机械能到电能的转化，并有效释放。热释电性一般情况下，晶体自发极化所产生的表面束缚电荷被吸附在晶体表面上的自由电荷所屏蔽，当温度变化时，自发极化发生改变，从而释放出表面吸附的部分电荷。晶体冷却时电荷极性与加热时相反。热释电材料是压电材料中的一类，是不具有对称中心的晶体。晶体受热时，膨胀是在各个方向同时发生的，所以只有那些有着与其他方向不同的唯一的极轴时，才有热释电性。某些晶体受温度变化影响时，由于自发极化的相应变化而在晶体的一定方向上产生表面电荷，这一现象称为热释电效应。具有热释电效应的材料称为热释电材料。热释电效应的用途：热释电晶体广泛用于红外光谱仪、红外遥感以及热辐射探测器，还可用于非接触测温、火车热轴探测、森林防火和无损探伤等方面。物联网极化：在电场作用下，电介质中束缚着的电荷发生位移或者极性按电场方向转动的现象，称为电介质的极化。自发极化：在没有外电场作用时，铁电晶体或铁电陶瓷中存在着由于电偶极子的有序排列而产生的极化，称为自发极化。铁电性铁电材料：主要是指在某些温度范围内具有自发极化，且其自发极化强度能因外电场的作用而重新取向的材料，通常铁电体同时具有热释电和压电性。铁电体的标识性特征是其电极化与外电场的关系表现为电滞回线。铁电材料的电滞回线电滞回线电介质的极化强度与施加电场呈正比：P=oeE铁电材料的极化强度不与施加的电场成线性关系，并具有明显的滞后。二者典型的关系如下图：Ps：无电场时单畴的自发极化强度；Pr：剩余极化强度；EC：矫顽场强。P