《材料的介电性能》PPT课件.ppt

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1、3.3.1 介电强度介电强度1.1.介介质质的的击击穿穿:当当电电场场强强度度超超过过某某一一临临界界值值时时，介介质质由由介介电电状状态态变变为为导导电电状状态态。这这种种现现象象称称介介电电强强度度的的破破坏坏，或或叫叫介介质的击穿。质的击穿。2.2.击击穿穿电电场场强强度度:介介质质的的击击穿穿时时，相相应应的的临临界界电电场场强强度度称称为介电强度，或称为击穿电场强度。为介电强度，或称为击穿电场强度。（介介电电强强度度：一一种种介介电电材材料料在在不不发发生生击击穿穿或或者者放放电电的的情情况况下下承受的最大电场。承受的最大电场。）3.3 电介质在电场中的破坏电介质在电场中的破坏 Em

2、ax=(V/d)max 通常，凝聚态绝缘体的击穿电场范围约为通常，凝聚态绝缘体的击穿电场范围约为(10(105 5-510-5106-16-1。介介电电强强度度依依赖赖于于材材料料的的厚厚度度，厚厚度度减减小小，介介电电强强度度增加。由测试区域中出现的临界裂纹的几率决定。增加。由测试区域中出现的临界裂纹的几率决定。还还与与环环境境温温度度和和气气氛氛、电电极极形形状状、材材料料表表面面状状态态、电电场场频频率率和和波波形形、材材料料成成分分和和孔孔隙隙、晶晶体体各各向向异异性性，非非晶晶态态结结构等因素有关。构等因素有关。3.3.1 介电强度介电强度例：设计一方案，满足3KV下存储10-4C的

3、要求，设电介质材料厚的BaTiO3，求电介质的厚度及面积。（注:BaTiO3的介电强度为120KV/cm）。3.3.1 介电强度介电强度3.3.1 介电强度介电强度Al2O3(0.03mm)7.0 BaTiO3(0.02cm，单晶）0.04Al2O3(0.6mm)1.5 BaTiO3(0.02cm，多晶）0.12Al2O3(0.63cm)0.18环氧树脂160-200云母(0.002cm)10.1聚苯乙烯160云母(0.006cm)9.7硅橡胶220 一些电介质的介电强度 单位：106V/cm电击穿：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，电场强度高时会形成电流脉冲发生击

4、穿，由此产生点坑，孔洞和通道并连通。孔洞和通道并连通。2.击穿发生于材料的表面，通过表面水分或污染杂质增击穿发生于材料的表面，通过表面水分或污染杂质增加了击穿的可能性。加了击穿的可能性。电击穿是一种集体现象。能量通过其它粒子（例如，已经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子或分子上。分中的原子或分子上。3.3.1 介电强度介电强度 1.介质的不均匀性：介质的不均匀性：无无机机材材料料常常常常为为不不均均匀匀介介质质，有有晶晶相相、玻玻璃璃相相和和气气孔孔存存在在，这这使

5、使无无机机材材料的击穿性质与均匀材料不同。料的击穿性质与均匀材料不同。不不均均匀匀介介质质最最简简单单的的情情况况是是双双层层介介质质。设设双双层层介介质质具具有有各各不不相相同同的的电电性性质质，1 1，1 1，d d1 1和和 2 2，2 2，d d2 2 分分别别代代表表第第一一层层、第第二二层层的的介介电常数、电导率、厚度。电常数、电导率、厚度。若在此系统上加直流电压若在此系统上加直流电压U U，则各层内的电场强度，则各层内的电场强度E E1 1，E E2 2，为：，为：3.3.2 影响无机材料击穿强度的各种因素影响无机材料击穿强度的各种因素 上式表明：电导率小的介质承受场强高，电导率

6、大的介质承受场强低。在交流电压下也有类似的关系。如果1和2 相差甚大，则必然其中一层的电场强度将大于平均场强E，这一层可能首先达到击穿强度而被击穿。一层击穿以后，增加了另一层的电压，且电场因此大大畸变，结果另一层也随之击穿。由此可见，材料的不均匀性可能引起击穿场强的降低。陶瓷中的晶相和玻璃相的分布可看成多层介质的申联和并联，上述的分析方法同样适用。3.3.2 影响无机材料击穿强度的各种因素影响无机材料击穿强度的各种因素 2.材料中气泡的作用：材料中气泡的作用：材料中含有气泡时，气泡的及很小，因此加上电压后气泡上的电场较高。而气泡本身的抗电强度比固体介质要低得多(一般空气的Eb33kv/cm，而

7、陶瓷的Eb80kv/cm)，所以首先气泡击穿，引起气体放电(电离)，产生大量的热，容易引起整个介质击穿。由于在产生热量的同时，形成相当高的内应力，材料也易丧失机械强度而被破坏，这种击穿称为电机械热击穿。3.3.2 影响无机材料击穿强度的各种因素影响无机材料击穿强度的各种因素3.3.2 影响无机材料击穿强度的各种因素影响无机材料击穿强度的各种因素 3.材料表面状态及边缘电场：材料表面状态及边缘电场：（1）固体介质的表面放电）固体介质的表面放电 固体介质的表面放电属于气体放电。固体介质常处于周围气体媒质中，击穿时，常发现介质本身并未击穿，但有火花掠过它的表面，这就是表面放电。a:固体介质材料不同，

8、表面放电电压也不同。陶瓷介质由于介电常数大、表面吸湿等原因，引起空间电荷极化，使表面电场畸变，降低表面击穿电压。b:固体介质与电极接触不好，则表面击穿电压降低。c:电场的频率不同，表面击穿电压也不同。频率升高，击穿电压降低。3.材料表面状态及边缘电场：材料表面状态及边缘电场：（2 2）边缘电场：）边缘电场：电极边缘常常电场集中，发生电场极变，使边缘局部电场强度升电极边缘常常电场集中，发生电场极变，使边缘局部电场强度升高，导致击穿电压的下降。高，导致击穿电压的下降。影响因素：影响因素：a:a:电极周围媒质电极周围媒质 b:b:电场的分布电场的分布(电极的形状、相互位置电极的形状、相互位置)c:c

9、:材料的介电系数、电导率材料的介电系数、电导率 3.3.2 影响无机材料击穿强度的各种因素影响无机材料击穿强度的各种因素1.压电性：压电性：1）正正压压电电效效应应：晶晶体体受受到到机机械械作作用用力力时时，在在一一定定方方向向的的表表面面上上会会出出现现数数量量相相等等、符符号号相相反反的的束束缚缚电电荷荷；作作用用力力反反向向时时，表表面面荷荷电电性性质质亦亦反反号号，而而且且在在一一定定范范围围内内电电荷荷密密度度与与作作用用力力成成正正比比。这这种种由由机机械械能能转转化化为为电电能能的的过过程程，为为正正压电效应。压电效应。逆逆压压电电效效应应：当当晶晶体体在在外外加加电电场场作作用

10、用下下，晶晶体体的的某某些些 方方向向上上产产生生形形变变，其其形形变变与与电电场场强强度度成成正正比比。称称为为逆逆压压电电效应。效应。正正压压电电效效应应与与逆逆压压电电效效应应统统称称为为压压电电效效应应。具具有有压压电电效应的物体称为压电体。效应的物体称为压电体。3.4.1 压电性压电性a:在X方向上的二个晶体面上接电极，测定电荷密度。X方向上受正应力T1(N/m2)时，测得X方向电极面上产生的束缚电荷Q，其表面电荷密度（C/m2）与作用力成正比。D1=d11T1 其中T1为为沿沿法法线线方方向向正正应应力力，d11为为压压电电应应变变常常量量，其其下下标标第第一一个个1代代表电学量，

11、第二个表电学量，第二个1代表力学量。代表力学量。在Y方向上受正应力T2时，X方向上测电荷密度：D1=d12T2 在Z方向上受正应力T3时，测电流为0 D1=d13T3=0 因为T3不等于0，则d13=0。切应力：T4（yz或zy应力平面的切应力），T5（xz或zx平面），T6（xy或yx平面）在切应力作用下切应力作用下，X方向上测电荷密度：D1=d14T4 而 d15=d16=0 X方向总电位移：D1=d11T1+d12T2+d14T4 3.4.1 压电性压电性 x方向总电位移：D1=d11T1+d12T2+d14T4 同样，在晶体y方向的平面上被电极，测y方向的电位移D2：D2=d25T5+

12、d26T6 同样，在晶体z方向的平面上被电极，测z方向的电位移D3：D3=0 对于 石英晶体，无论在哪个方向上施加应力，在z方向的 电极面上无压电效应。3.4.1 压电性压电性 以上正压电效应可以写成一般代数式的求和方式：即 m=1,2,3 m为电学量，为电学量，j为力学量为力学量 采用矩阵方式可表示为：压电应变常量是有方向的，而且具有张量性质。另外一种表示方法为：Dm=emiSi m=1,2,3 i=1,2,3,4,5,6 Emi为压电应力常量，为压电应力常量，Si为应变为应变 2）逆压电效应与电致伸缩）逆压电效应与电致伸缩：逆压电效应：逆压电效应：当晶体在外加电场作用下，晶体的某些当晶体在

13、外加电场作用下，晶体的某些 方向上产生形方向上产生形变，其形变与电场强度成正比。这种由电能转变为机械能的过程称为变，其形变与电场强度成正比。这种由电能转变为机械能的过程称为逆压电效应。逆压电效应。定量表示逆压电效应的一般式为：定量表示逆压电效应的一般式为：3.4.1 压电性压电性 Si=dmiEn n=1,2,3 i=1,2,3,4,5,6 Ti=enjEn n=1,2,3 j=1,2,3,4,5,6逆压电效应的压电常量矩阵是正压电效应压电常量矩阵的转置矩阵，分别逆压电效应的压电常量矩阵是正压电效应压电常量矩阵的转置矩阵，分别表示为表示为dT、eT，则逆压电效应短阵式可简化为，则逆压电效应短阵

14、式可简化为 S=dTE T=eTE 电致伸缩：电致伸缩：任何电介质在外电场作用下，会发生尺寸变化，任何电介质在外电场作用下，会发生尺寸变化，产生应变。为电致伸缩效应，其大小与所加电压平方成正产生应变。为电致伸缩效应，其大小与所加电压平方成正比。比。对于一般电介质而言：对于一般电介质而言：电致伸缩效应所产生的应变实在太电致伸缩效应所产生的应变实在太小，可以忽略。小，可以忽略。只有个别材料，共电致伸缩应变较大，在工程上有使用价只有个别材料，共电致伸缩应变较大，在工程上有使用价值，这就是值，这就是电致伸缩材料。电致伸缩材料。例如例如电致伸缩陶瓷电致伸缩陶瓷PZN(锌铌锌铌酸铅陶瓷酸铅陶瓷)，其应变水

15、平与压电陶瓷应变水平相当。，其应变水平与压电陶瓷应变水平相当。3.4.1 压电性压电性 3）晶体压电性产生的原因：）晶体压电性产生的原因：3.4.1 压电性压电性 石英晶体属于离子晶体三方晶系、无中心对称的32点群。三个硅离子和六个氧离子配置在晶胞的晶格上。图中大圆为硅原于，小圆为氧原子。硅离子按左螺旋线方向排列，3#硅离子比5#硅离子较深(向纸内)，而1#硅离于比3#硅离子较深。3.4.1 压电性压电性x方向加力方向加力1#Si4+进入到进入到2、6号号O2-之间之间4#Si4+进入到进入到3、5号号O2-之间之间表面表面A为负电荷为负电荷表面表面B为正电荷为正电荷y方向加力方向加力3#Si

16、4+及及2号号O2-内移内移5#Si4+及及6号号O2-内移内移C、D之间不出现电荷之间不出现电荷A-B出现出现 (A+，B-）力力应变应变原子相对位置的改变原子相对位置的改变净电偶极矩净电偶极矩束缚电荷束缚电荷3.4.1 压电性压电性 压电效应与晶体的对称性有关。由前讨论可知，压电效压电效应与晶体的对称性有关。由前讨论可知，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，这应的本质是对晶体施加应力时，改变了晶体内的电极化，这种电极化只能在不具有对称中心的晶体内才可能发生。种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只有结构上没有对称中心

17、，才有可能产生压电效应在在32种宏观对称类型中，不具有对称中心的有种宏观对称类型中，不具有对称中心的有21种，其中有种，其中有一种一种(点群点群43)压电常数为零，其余压电常数为零，其余20种都具有压电效应。种都具有压电效应。而且必须是：电介质而且必须是：电介质（或至少具有半导体性质）；其结构必（或至少具有半导体性质）；其结构必须有带正、负电荷的质点须有带正、负电荷的质点-离子或离子团存在离子或离子团存在（离子晶体或（离子晶体或离子团组成的分子晶体）离子团组成的分子晶体）常用：常用：石英晶体，钛酸钡，钛酸铅，铋酸钼等石英晶体，钛酸钡，钛酸铅，铋酸钼等 4）压电材料的主要表征参数：）压电材料的主

18、要表征参数：3.4.1 压电性压电性 （1）机械品质因数：机械品质因数：压电振子是最基本的压电元件，它是被覆激励电极的压电压电振子是最基本的压电元件，它是被覆激励电极的压电体。体。谐振频率谐振频率:若压电振子是具有固有振动频率若压电振子是具有固有振动频率fr的弹性体，当施加于压电的弹性体，当施加于压电振子上的激励信号频率等于振子上的激励信号频率等于fr时，压电振子由于逆压电效应产生时，压电振子由于逆压电效应产生机械谐振，这种机械谐振又借助于正压电效应而输出电信号。机械谐振，这种机械谐振又借助于正压电效应而输出电信号。压电振子谐振时，存在内耗，反映损耗程度的参数压电振子谐振时，存在内耗，反映损耗

19、程度的参数:Wm为振动一周单位体积存贮的机械能，为振动一周单位体积存贮的机械能，Wm为振动一周单位体积消耗的能量。为振动一周单位体积消耗的能量。3.4.1 压电性压电性 （2）机电耦合系数：机电耦合系数：机电耦合系数机电耦合系数k是综合反映压电材料性能的参数。它表示压是综合反映压电材料性能的参数。它表示压电材料的机械能与电能的耦合效应，定义为：电材料的机械能与电能的耦合效应，定义为：由于压电元件的机械能与它的形状和振动方式有关，因此不由于压电元件的机械能与它的形状和振动方式有关，因此不同形状和不同振动方式所对应的机电耦合系数也不相同。同形状和不同振动方式所对应的机电耦合系数也不相同。K：反映压

20、电材料机械能和电能相互转换的力度。：反映压电材料机械能和电能相互转换的力度。1.热释电现象：热释电现象：热热释释电电性性（热热电电性性）：晶晶体体由由于于温温度度的的作作用用而而使使其其电电极极化强度变化。化强度变化。3.4.2 热释电性热释电性电气石电气石:化学成分（化学成分（Na,Ca)(Mg,Fe)3B3Al6Si6(O,OH,F)31在均匀加热的同时，让一束硫磺粉和铅丹粉经过在均匀加热的同时，让一束硫磺粉和铅丹粉经过筛孔喷向这个晶体。筛孔喷向这个晶体。结果会发现。晶体一端出现结果会发现。晶体一端出现黄色黄色。另一端变为。另一端变为红红色色。这就是坤持法显示的天然矿物晶体电气石的。这就是

21、坤持法显示的天然矿物晶体电气石的热释电性实验。热释电性实验。3m点群，只有一个三次转轴，没有加热时，自发极化电偶极矩被吸收的空气点群，只有一个三次转轴，没有加热时，自发极化电偶极矩被吸收的空气中的电荷屏蔽中的电荷屏蔽;温度升高，这种平衡破坏，一端带正电，一端带负电。温度升高，这种平衡破坏，一端带正电，一端带负电。2.热释效应产生的条件：热释效应产生的条件：3.4.2 热释电性热释电性晶体：一定是具有自发极化的晶体，在结构上具有极轴。晶体：一定是具有自发极化的晶体，在结构上具有极轴。极轴：晶体惟一的轴，二端往往具有不同性质，且采用对称操作不能与其它极轴：晶体惟一的轴，二端往往具有不同性质，且采用

22、对称操作不能与其它方向重合。方向重合。有热电效应一定有压电效应，反之不然。有热电效应一定有压电效应，反之不然。石英晶体在X1，X2，X3方向等位移，正负电荷重心不变，没有热释电性。1.电滞回线和铁电体电滞回线和铁电体3.5.1 铁电体、电畴铁电体、电畴罗息盐罗息盐:酒石酸钾钠酒石酸钾钠-NaKC4H4O6 4H2O其极化强度随外加电场的变化如右图所其极化强度随外加电场的变化如右图所示形状，称为电滞回线。示形状，称为电滞回线。把具有这种性质的晶体称为铁电体把具有这种性质的晶体称为铁电体。它是铁电态的一个标志。同铁磁体具有它是铁电态的一个标志。同铁磁体具有磁滞回线一样，所以人们把这类晶体称磁滞回线

23、一样，所以人们把这类晶体称作作“铁电体铁电体”。其实晶体中并不含有铁。其实晶体中并不含有铁。Ps:饱和极化强度饱和极化强度Pr:剩余极化强度剩余极化强度Ec:矫顽电场矫顽电场居里温度：居里温度：铁电体在定温度以上，电滞铁电体在定温度以上，电滞回线消失，这个温度为居里温度回线消失，这个温度为居里温度Tc2.电畴电畴电畴：铁电体自发极化时能量升高，状态不电畴：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。偶极子方向不同，每个小区

24、域为电畴。畴壁：畴之间的边界地区。决定畴壁厚度的畴壁：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。因素是各种能量平衡的结果。180度，度，90度度 (单晶体）单晶体）60度，度，120度度（斜方晶系）（斜方晶系）71度，度，109度度 （菱形晶系）（菱形晶系）铁电体在外电场的作用下，趋向与外电场方向一致，称为铁电体在外电场的作用下，趋向与外电场方向一致，称为“畴畴”转向，通过新转向，通过新畴的出现，发展和畴壁移动来实现的。外加电场撤去后，小部分电畴偏离极化方向，畴的出现，发展和畴壁移动来实现的。外加电场撤去后，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，为剩

25、余极化。恢复原位，大部分停留在新转向的极化方向上，为剩余极化。1.设设单单晶晶体体的的极极化化强强度度方方向向只只有有沿沿某某轴轴的的正正向向或或负负向向二二种种可可能能。在在没没有有外外电电场场时时，晶晶体体总总电电矩矩为为零零(能能量量最最低低)。加加上上外外电电场场后后，沿沿电电场场方方向向的的电电畴畴扩扩展展、变变大大，而而与与电电场场方方向向反反向向的的电电畴畴变变小小。这样极化强度随外电场增加而增加。这样极化强度随外电场增加而增加。2.电电场场强强度度继继续续增增大大，电电畴畴方方向向趋趋于于电电场场方方向向、形形成成一一个个单单畴畴，极极化化强强度度达达到饱和。到饱和。3.如如再

26、再增增加加电电场场，则则极极化化强强度度P与与电电场场E成成线线性性增增加加，沿沿这这线线性性外外推推至至E0处处，相相应应的的Ps值值称称为为饱饱和和极极化化强强度度，也也就是自发极化强度。就是自发极化强度。4.若电场强度自若电场强度自c处下降，晶体极化强度亦随之减小。在处下降，晶体极化强度亦随之减小。在E0时仍存在极化强时仍存在极化强度，就是剩余极化强度度，就是剩余极化强度Pr。5.当反向电场强度为一震当反向电场强度为一震c时时(图中图中y点处点处)，剩余极化强度，剩余极化强度Pr全部消失。全部消失。6.反向电场继续增大极化强度才开始反向，直到反向极化到饱和达图中反向电场继续增大极化强度才

27、开始反向，直到反向极化到饱和达图中G处。处。2c称为矫顽电场强度。称为矫顽电场强度。1.铁电体的起源：铁电体的起源：3.5.2 铁电体的起源与晶体结构铁电体的起源与晶体结构 自发机制与铁电体的晶体结构有关，主要是晶体中原自发机制与铁电体的晶体结构有关，主要是晶体中原子位置的变化的结果。子位置的变化的结果。自发机制：氧自发机制：氧8面体中离子偏离中心的位移（应变）运动；面体中离子偏离中心的位移（应变）运动；氢键中质子运动的有序化；氢键中质子运动的有序化；OH-集团择优分布；含其它离集团择优分布；含其它离子集团的集性分布。子集团的集性分布。BaTiO3:-90度，度，5度，度，120度度 菱方结构

28、菱方结构 斜方斜方 四方四方 立方结构立方结构 120度以下为铁电体，且电偶矩方向受外电场控制度以下为铁电体，且电偶矩方向受外电场控制 在温度在温度TTc时，热能足以使时，热能足以使Ti 4+在中心位置附近任意移动。这种运动在中心位置附近任意移动。这种运动的结果造成无对称可言。的结果造成无对称可言。当外加电场时，可以造成当外加电场时，可以造成Ti 4+产生较大的电偶极矩，但不能产生自发极产生较大的电偶极矩，但不能产生自发极化。化。当温度当温度T丁丁c时，此时时，此时Ti 4+和氧离于作用强于热振动晶体结构从立方和氧离于作用强于热振动晶体结构从立方改为四方结构，而且改为四方结构，而且T4+偏离了对称中心，产生永久偶极矩，并形成电畴。偏离了对称中心，产生永久偶极矩，并形成电畴。3.5.2 铁电性、压电性、热释电性关系铁电性、压电性、热释电性关系