材料物理性能5学习教案.pptx
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1、会计学1材料材料(cilio)物理性能物理性能5第一页,共39页。Emax=(V/d)max Emax=(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(105-5106)V.cm-1(105-5106)V.cm-1。介电强度依赖于材料的厚度,介电强度依赖于材料的厚度,介电强度依赖于材料的厚度,介电强度依赖于材料的厚度,厚度减小,介电强度增加。由测试区域中出现的临界裂厚度减小,介电强度增加。由测试区域中出现的临界裂厚度减小,介电强度增加。由测试区域中出现的临界裂厚度减小,介电强度增
2、加。由测试区域中出现的临界裂纹的几率决定。纹的几率决定。纹的几率决定。纹的几率决定。还与环境温度和气氛、电极还与环境温度和气氛、电极还与环境温度和气氛、电极还与环境温度和气氛、电极(dinj)(dinj)形状、材料表面状态、电场频率和波形、材料成分形状、材料表面状态、电场频率和波形、材料成分形状、材料表面状态、电场频率和波形、材料成分形状、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,非晶态结构等因素有关。和孔隙、晶体各向异性,非晶态结构等因素有关。和孔隙、晶体各向异性,非晶态结构等因素有关。和孔隙、晶体各向异性,非晶态结构等因素有关。第1页/共38页第二页,共39页。例例:设设
3、计计一一方方案案,满满足足3KV3KV下下存存储储(cn(cn chch)10-4C)10-4C的的要要求求 ,设设电电介介质质材材料料厚厚0.02mm0.02mm的的BaTiO3BaTiO3,求求电电介介质质的的厚厚度度及及面面积积。(注(注:BaTiO3:BaTiO3的介电强度为的介电强度为120KV/cm120KV/cm)。)。介电强度介电强度第2页/共38页第三页,共39页。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
4、.002cm)10.1聚苯乙烯160云母(0.006cm)9.7硅橡胶220 一些(yxi)电介质的介电强度 单位:106V/cm第3页/共38页第四页,共39页。1.1.介质的不均匀性介质的不均匀性介质的不均匀性介质的不均匀性 无无无无机机机机(wj)(wj)材材材材料料料料常常常常常常常常为为为为不不不不均均均均匀匀匀匀介介介介质质质质,有有有有晶晶晶晶相相相相、玻玻玻玻璃璃璃璃相相相相和和和和气气气气孔存在,这使无机孔存在,这使无机孔存在,这使无机孔存在,这使无机(wj)(wj)材料的击穿性质与均匀材料不同。材料的击穿性质与均匀材料不同。材料的击穿性质与均匀材料不同。材料的击穿性质与均匀
5、材料不同。不不不不均均均均匀匀匀匀介介介介质质质质最最最最简简简简单单单单的的的的情情情情况况况况是是是是双双双双层层层层介介介介质质质质。设设设设双双双双层层层层介介介介质质质质具具具具有有有有各各各各不不不不相相相相同同同同的的的的电电电电性性性性质质质质,11,11,d1d1和和和和 22,22,d2 d2 分分分分别别别别代代代代表表表表第第第第一一一一层、第二层的介电常数、电导率、厚度。层、第二层的介电常数、电导率、厚度。层、第二层的介电常数、电导率、厚度。层、第二层的介电常数、电导率、厚度。若若若若在在在在此此此此系系系系统统统统上上上上加加加加直直直直流流流流电电电电压压压压U
6、U,则则则则各各各各层层层层内内内内的的的的电电电电场场场场强强强强度度度度E1E1,E2E2,为:,为:,为:,为:影响无机材料击穿影响无机材料击穿(j chun)强度的各种因素强度的各种因素第4页/共38页第五页,共39页。上式表明:电导率小的介质承上式表明:电导率小的介质承受场强高,电导率大的介质承受场强高,电导率大的介质承受场强低。在交流电压下也有受场强低。在交流电压下也有类似的关系。类似的关系。如果如果1和和2 相差甚大,则必然相差甚大,则必然其中其中(qzhng)一层的电场强度一层的电场强度将大于平均场强将大于平均场强E,这一层可能,这一层可能首先达到击穿强度而被击穿。首先达到击穿
7、强度而被击穿。一层击穿以后,增加了另一层一层击穿以后,增加了另一层的电压,且电场因此大大畸变,的电压,且电场因此大大畸变,结果另一层也随之击穿。由此结果另一层也随之击穿。由此可见,材料的不均匀性可能引可见,材料的不均匀性可能引起击穿场强的降低。起击穿场强的降低。陶瓷中的晶相和玻璃相的分布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,可看成多层介质的申联和并联,上述的分析方法同样适用。上述的分析方法同样适用。影响无机材料击穿影响无机材料击穿(j chun)强度的各种因强度的各种因素素第5页/共38页第六页,共39页。2.材料中气泡的影响:材料中气泡的影响:材材料料中中含含有有气气泡泡时时
8、,气气泡泡的的及及很很小小,因因此此加加上上电电压压后后气气泡泡上上的的电电场场较较高高。而而气气泡泡本本身身的的抗抗电电强强度度比比固固体体介介质质要要低低得得多多(一一般般空空气气的的Eb33kv/cm,而而陶陶瓷瓷的的Eb80kv/cm),所所以以(suy)首首先先气气泡泡击击穿穿,引引起起气气体体放放电电(电电离离),产产生生大大量量的的热热,容容易易引引起起整整个个介介质质击击穿穿。由由于于在在产产生生热热量量的的同同时时,形形成成相相当当高高的的内内应应力力,材材料料也也易易丧丧失失机机械械强强度度而而被被破破坏坏,这这种种击穿称为电击穿称为电机械机械热击穿。热击穿。影响无机影响无
9、机(wj)材料击穿强度的各种因素材料击穿强度的各种因素第6页/共38页第七页,共39页。影响影响(yngxing)无机材料击穿强度的各种因无机材料击穿强度的各种因素素 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)固体介质(jizh)的表面放电的表面放电 固体介质固体介质(jizh)的表面放电属于气体放电。固体介质的表面放电属于气体放电。固体介质(jizh)常处于周围气体媒质中,击穿时,常发现介质常处于周围气体媒质中,击穿时,常发现介质(jizh)本身并未本身并未击穿,但有火花掠过它的表面,这就是表面放电。击穿,但有火花掠过它的表面,这就是表面放电。a:固体介质固体介质(
10、jizh)材料不同,表面放电电压也不同。陶瓷介材料不同,表面放电电压也不同。陶瓷介质质(jizh)由于介电常数大、表面吸湿等原因,引起空间电荷极由于介电常数大、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。化,使表面电场畸变,降低表面击穿电压。b:固体介质固体介质(jizh)与电极接触不好,则表面击穿电压降低。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。电压降低。第7页/共38页第八页,共39页。3.材料表面状态及边缘电场:材料表面状态及边缘电场:(2)边缘电场:)边
11、缘电场:电电极极边边缘缘常常常常发发生生电电场场畸畸变变,使使边边缘缘局局部部(jb)电电场场强强度度升升高高,导致击穿电压的下降。导致击穿电压的下降。影响因素:影响因素:a:电极周围媒质电极周围媒质 b:电电场场的的分分布布(电电极极的的形形状状、相互位置相互位置)c:材料的介电系数、电导率材料的介电系数、电导率 影响无机影响无机(wj)材料击穿强度的各种因素材料击穿强度的各种因素第8页/共38页第九页,共39页。1.1.压电性概念压电性概念压电性概念压电性概念 1 1)正压电效应)正压电效应)正压电效应)正压电效应 :晶体受到机械作用力时,在一定:晶体受到机械作用力时,在一定:晶体受到机械
12、作用力时,在一定:晶体受到机械作用力时,在一定方向的表面方向的表面方向的表面方向的表面(biomin)(biomin)上会出现数量相等、符号相上会出现数量相等、符号相上会出现数量相等、符号相上会出现数量相等、符号相反的束缚电荷;作用力反向时,表面反的束缚电荷;作用力反向时,表面反的束缚电荷;作用力反向时,表面反的束缚电荷;作用力反向时,表面(biomin)(biomin)荷荷荷荷电性质亦反号,而且在一定范围内电荷密度与作用电性质亦反号,而且在一定范围内电荷密度与作用电性质亦反号,而且在一定范围内电荷密度与作用电性质亦反号,而且在一定范围内电荷密度与作用力成正比。这种由机械能转化为电能的过程,为
13、正力成正比。这种由机械能转化为电能的过程,为正力成正比。这种由机械能转化为电能的过程,为正力成正比。这种由机械能转化为电能的过程,为正压电效应。压电效应。压电效应。压电效应。逆压电效应逆压电效应逆压电效应逆压电效应 :当晶体在外加电场作用下,晶体:当晶体在外加电场作用下,晶体:当晶体在外加电场作用下,晶体:当晶体在外加电场作用下,晶体的某些的某些的某些的某些 方向上产生形变,其形变与电场强度成正比。方向上产生形变,其形变与电场强度成正比。方向上产生形变,其形变与电场强度成正比。方向上产生形变,其形变与电场强度成正比。称为逆压电效应。称为逆压电效应。称为逆压电效应。称为逆压电效应。正压电效应与逆
14、压电效应统称为压电效应。具正压电效应与逆压电效应统称为压电效应。具正压电效应与逆压电效应统称为压电效应。具正压电效应与逆压电效应统称为压电效应。具有压电效应的物体称为压电体。有压电效应的物体称为压电体。有压电效应的物体称为压电体。有压电效应的物体称为压电体。3.4 压电性和热释电性压电性和热释电性压电性压电性第9页/共38页第十页,共39页。a:a:在在X X方向上的二个晶体面上接电极,测定电荷密度。方向上的二个晶体面上接电极,测定电荷密度。X X方向上受正应力方向上受正应力T1(N/m2)T1(N/m2)时,测得时,测得X X方向电极面上产生方向电极面上产生(chnshng)(chnshng
15、)的束缚电荷的束缚电荷Q Q,其表面电荷密度,其表面电荷密度 (C/m2C/m2)与)与作用力成正比。作用力成正比。1=d11T11=d11T1 其中其中T1T1为沿法线方向正应力,为沿法线方向正应力,d11d11为压电应变常量,其下为压电应变常量,其下标第一个标第一个1 1代表电学量,第二个代表电学量,第二个1 1代表力学量。代表力学量。石英(shyng)晶体第10页/共38页第十一页,共39页。在在Y Y方向上受正应力方向上受正应力T2T2时,时,X X方向上测电荷密度方向上测电荷密度(md)(md):1=d12T2 1=d12T2 在在Z Z方向上受正应力方向上受正应力T3T3时,测电流
16、为时,测电流为0 0 1=d13T3=0 1=d13T3=0 因为因为T3T3不等于不等于0 0,则,则d13=0d13=0。第11页/共38页第十二页,共39页。切应力:切应力:T4T4(yzyz或或zyzy应力平面的切应力),应力平面的切应力),T5 T5(xzxz或或zxzx平面),平面),T6 T6(xyxy或或yxyx平平面)面)在切应力作用在切应力作用(zuyng)(zuyng)下,下,X X方向上测电荷密度:方向上测电荷密度:1=d14T4 1=d14T4 而而 d15=d16=0 d15=d16=0 X X方向总电位移:方向总电位移:1=d11T1+d12T2+d14T4 1=
17、d11T1+d12T2+d14T4 第12页/共38页第十三页,共39页。x x方向总电位移:方向总电位移:1=d11T1+d12T2+d14T4 1=d11T1+d12T2+d14T4 同样,在晶体同样,在晶体y y方向的平面上被电极,测方向的平面上被电极,测y y方向的电位移方向的电位移D2D2:2=d25T5+d26T6 2=d25T5+d26T6 同样,在晶体同样,在晶体z z方向的平面上被电极,测方向的平面上被电极,测z z方向的电位移方向的电位移D3D3:3=0 3=0 对于对于 石英石英(shyng)(shyng)晶体,无论在哪个方向上施加应力,在晶体,无论在哪个方向上施加应力,
18、在z z方向的方向的 电极面上无压电效应。电极面上无压电效应。第13页/共38页第十四页,共39页。压电性压电性 以上正压电效应可以写成一以上正压电效应可以写成一般代数式的求和般代数式的求和(qi h)(qi h)方方式:即式:即 m=1,2,3 m为电学量,j为力学(l xu)量 采用矩阵方式(fngsh)可表示为:d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:m=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为应变为应变第14页/共38页第十五页,共39页。2 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
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