介电性能11-12-5-精选课件.ppt

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:anhua0125yahoo 材料的介电性能 介电材料，又称电介质，介电材料，又称电介质，是电的绝缘材是电的绝缘材料，主要用于制造电容器。料，主要用于制造电容器。3.1电介质及其极化电介质及其极化1.电容电容，两个邻近导体加，两个邻近导体加上电压后具有储存电荷的上电压后具有储存电荷的能力的度量。能力的度量。C(F)=Q(C)/V(V)表征的是电容器容纳电荷表征的是电容器

2、容纳电荷的本领。的本领。2.介电率及介电常数介电率及介电常数（1）材料因素）材料因素，材料在电场中被极化的能力。材料在电场中被极化的能力。（2）尺寸因素）尺寸因素，d和和A，平板间的距离和面积。，平板间的距离和面积。如果介电介质为真空，如果介电介质为真空，真空介电常数：真空介电常数：相对介电常数：相对介电常数：3.电介质的极化电介质的极化介电材料：介电材料：放在平板电容器中增加电容的材料放在平板电容器中增加电容的材料电介质：电介质：在电场作用下能建立极化的物质。在电场作用下能建立极化的物质。感应电荷（束缚电荷）：感应电荷（束缚电荷）：在真空平板电容器中嵌入在真空平板电容器中嵌入一块电解质加入外

3、电场时，在整机附近的介质表面一块电解质加入外电场时，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感应出的负电荷，负极板附件的介质表面感应出的正电荷。正电荷。-+-+束缚电荷形成新的电场，该电场与外加电场的方向束缚电荷形成新的电场，该电场与外加电场的方向相反相反-退极化场退极化场Ed。宏观电场：宏观电场：E宏宏=E0+Ed极化：极化：电介质在电场作用下产生束缚电荷的现象。电介质在电场作用下产生束缚电荷的现象。极化电荷：极化电荷：电介质在外电场的作用下，在和外电场相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。这些电荷不垂直的电介质表面分别出现正、负电

4、荷。这些电荷不能自由移动，也不能离开，总保持中性。能自由移动，也不能离开，总保持中性。4.极化的相关物理量极化的相关物理量（1）电解质的分类：）电解质的分类：极性分子电解质和非极性分子极性分子电解质和非极性分子电解质电解质-分子的正负电荷统计重心是否重合，是否分子的正负电荷统计重心是否重合，是否有点偶极子？有点偶极子？Q：所含电量；：所含电量；l：正负电荷重心距离：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。心重合将产生分离，产生电偶极矩。据分子的电结构，电介质可分为：据分子的电结构，电介质可分为：极性

5、分子电介质：极性分子电介质：H2O;CO（有）（有）非极性分子电介质：非极性分子电介质：CH4;He（2 2）电极化强度（）电极化强度（P P）：电解质极化程度的量度电解质极化程度的量度（C/mC/m2 2）.P=/V：电介质中所有电偶极矩的矢量和：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，即场成正比，即P=XP=X0 00 0E EX X0 0：电极化率：电极化率 0 0：真空介电常数：真空介电常数 E E：电场强度：电场强度电解质的极化机制，电解质的极

6、化机制，电介质在外加电场作用下的宏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。取向极化、空间电荷极化等。实际电场作用下的电极化强度实际电场作用下的电极化强度P P可表示为克劳修斯可表示为克劳修斯莫莫索堤方程索堤方程:即电介质在所有偶极矩的总和，即：即电介质在所有偶极矩的总和，即：P=NiiNi：第：第i种偶极子数目；种偶极子数目；i：第：第i种偶极子平均偶极矩种偶极子平均偶极矩电介质在电场中的破坏电介质在电场中的

7、破坏1.1.介质的击穿：介质的击穿：当电场强度超过某一临界值时，介质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，或介质的击穿坏，或介质的击穿。2.2.击穿电场强度：介质击穿时，相应的临界电场强度击穿电场强度：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。称为介质强度，或击穿电场强度。注，介电强度，注，介电强度，一种介电材料在不发生击穿或者放电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。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，介电强度增介电强度依赖于材料的厚度，厚度减

8、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。各向异性、非晶体结构等因素有关。电击穿电击穿1.电场强度高时会形成电流脉冲发生击穿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；，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，通过表面水分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；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，能量通过其它电击穿是一种集体

9、现象，能量通过其它粒子（例如，已经从电场中获得了足够能粒子（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量的电子和离子）传送到被击穿的组分中的原理或分子上。的原理或分子上。压电性压电性电介质作为材料，主要用于电子工程中的绝缘电介质作为材料，主要用于电子工程中的绝缘材料、电容器材料和封装材料材料、电容器材料和封装材料应用的是电介应用的是电介质的共性性质。质的共性性质。电介质还可用于传感器、光学、声学、红外探电介质还可用于传感器、光学、声学、红外探测等领域测等领域电介质的三种特殊性质，即压电性电介质的三种特殊性质，即压电性、热释电性、铁电性。、热释电性、铁电性。正压电效应实验

10、正压电效应实验1880年，年，Piere兄弟实验发现兄弟实验发现，对，对-石英单石英单晶体在一定方晶体在一定方向上加力，则向上加力，则在力的垂直方在力的垂直方向出现正负束向出现正负束缚电荷缚电荷压电压电效应。效应。具有压电效应具有压电效应的物体的物体压电压电体。体。正压电效应：正压电效应：是机械能转换成电能的过程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，一定即当晶体受到一定的机械力作用时，一定方向的表面产生数量相等、符号相反的束方向的表面产生数量相等、符号相反的束缚电荷。作用力反向时，表面电荷性质亦缚电荷。作用力反向时，表面电荷性质亦反号。反号。电荷密度大小与所加应力的大小成线性

11、关电荷密度大小与所加应力的大小成线性关系。系。-用于传感测力用于传感测力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，晶体的某些方向产生形变或谐振现象，形变与电场的某些方向产生形变或谐振现象，形变与电场强度成正比。强度成正比。电致伸缩：电致伸缩：任何电介质在外电场作用下，会发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生尺寸变化，产生应变。其大小与所加电压平方成正比。方成正比。如，电致伸缩陶瓷（锌铌酸铅陶瓷）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，可以忽略实在

12、太小，可以忽略石英晶体的化学组成是石英晶体的化学组成是SiOSiO2 2，3 3个个SiSi原子和原子和6 6个个O O原子原子位于晶包的格点上。位于晶包的格点上。SiSi4+4+，O O2-2-。压电性产生的原因压电性产生的原因当材料受到压缩应力的当材料受到压缩应力的作用时，作用时，A A面面SiSi4+4+挤入两挤入两个个O O2-2-间，间，B B面面O O2-2-挤入挤入两个两个SiSi4+4+间。因此，间。因此，A A面面出现负电荷，出现负电荷，B B面出现正面出现正电荷。电荷。-纵向压电效应纵向压电效应当材料受到压缩应当材料受到压缩应力的作用时，力的作用时，C C、D D侧的硅离子

13、和氧离侧的硅离子和氧离子都向内移动同样子都向内移动同样的距离，因此，的距离，因此，C C、D D面不出现电荷，面不出现电荷，A A面出现正电荷，面出现正电荷，B B面面出现负电荷。出现负电荷。-横向压电效应横向压电效应CD压电效应与晶体的对称性有关。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。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，才有可能产生压电效应。而且必须是：电介质

14、（或至少具有半导体性质）；其而且必须是：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（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）离子晶体或离子团组成的分子晶体）常用：常用：石英，钛酸钡，钛酸铅，钛酸钼等。石英，钛酸钡，钛酸铅，钛酸钼等。热释电性热释电性热释电性（热电性）：热释电性（热电性）：由于温度的变由于温度的变化引起材料电极化强度变化的性质。化引起材料电极化强度变化的性质。热释电现象热释电现象坤特法显示电气石的热坤特法显示电气石的热释电性释电性均匀加热电气石均匀加热电气石（Na，Ca）（）（Mg，Fe）3B3Al6Si6（O，O

15、H，F）31，同，同时向电气石喷射硫磺粉和铅丹粉。结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，另果发现：电气石的一面呈现黄色，另一面呈现红色。一面呈现红色。热释电现象热释电现象坤特法显示电气石的热坤特法显示电气石的热释电性释电性原因：原因：电气石属于三方晶系，具有唯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

16、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呈黄色，负电荷侧吸引铅丹粉呈红色极轴：极轴：即晶体唯一的轴，该轴的两侧往往具有不同的性质即晶体唯一的轴，该轴的两侧往往具有不同的性质热释电性产生的条件：热释电性产生的条件：晶体，晶体，一定是具有自发极化的晶体，在结构上据有一定是具有自发极化的晶体，在结构上据有极轴；极轴；极轴，极轴，晶体唯一的轴，二端往往具有不同性质，且晶体唯一的轴，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。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。有热释电效应一定有压电效应，反之不然。提问提问:为什么说具有对称中心的物体

17、不可能具有热释为什么说具有对称中心的物体不可能具有热释电性？电性？从压电性和热释电性产生的条件知：对于具有对称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；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

18、荷中心的相对位移也是相等的，即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。有热释电性。压电性和热释电性是材料的重要性质：压电性和热释电性是材料的重要性质：1.1.一些无对称中心的物体可具有压电性一些无对称中心的物体可具有压电性2.2.具有极轴和自发极化的晶体介质具有具有极轴和自发极化的晶体介质具有热释电性。热释电性。铁电性铁电性电滞回线，电滞回线，罗息盐（罗息盐（酒石酸钾钠酒石酸钾钠NaKCNaKC4 4H H4 4O O6 64H4H2 2O O）的极）的极化强度随外加电场的化强度随外加电场的

19、变化如右图所示。变化如右图所示。铁电体，铁电体，具有电滞回具有电滞回线性质的晶体线性质的晶体。（晶。（晶体中并不含有铁）体中并不含有铁）由于电滞回线与铁磁体的磁滞回线相似，因此，把具由于电滞回线与铁磁体的磁滞回线相似，因此，把具有这种晶体称为铁电体。有这种晶体称为铁电体。研究发现，当把罗息盐加热到24，电滞回线消失-铁电体具有自发极化现象，即电偶极矩在外电场作用下可以转向，甚至反向。在同一电场强度下，极化强度可以有双值。存在电畴存在电畴电畴，电畴，铁电体自发极化时能量升高，状态不稳定，晶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体趋向于分成许多小区域

20、，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。域为电畴。畴壁，畴壁，畴之间的边界地区，决定畴壁厚度的因素是各畴之间的边界地区，决定畴壁厚度的因素是各种能量平衡的结果。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，铁电体在外电场作用下，趋向于与外电场方向一致，称为称为畴转向。畴转向。通过新畴的出现，发展和畴壁移动来实通过新畴的出现，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，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，为剩恢复原位，大部

21、分停留在新转向的极化方向上，为剩余极化。余极化。BaTiOBaTiO3 3晶体电畴结构示意图晶体电畴结构示意图电矩反平行方向电矩反平行方向1801800 0畴壁畴壁90900 0畴壁畴壁斜方晶系里有斜方晶系里有60600 0和和1201200 0畴，菱形晶系里有畴，菱形晶系里有71710 0和和1091090 0畴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。描述。电畴运动是通过新畴的出现、发展和畴壁移动实现的。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在外电场作用下，铁电畴总是趋向

22、于与外电场方向一致畴转向；畴转向；1800畴主要是通过尖劈型新畴发展来的，畴主要是通过尖劈型新畴发展来的，900畴主要是畴畴主要是畴壁侧向移动实现的。壁侧向移动实现的。没有外电场时，晶体总电没有外电场时，晶体总电矩为零。矩为零。加上外加电场时，沿电场加上外加电场时，沿电场方向的畴扩展变大，与电场方方向的畴扩展变大，与电场方向的畴变小，因此，总的极化向的畴变小，因此，总的极化强度随外电场增加而增加，表强度随外电场增加而增加，表现为图中的现为图中的OAOA段。段。随着电场强度的继续增大随着电场强度的继续增大，晶体电畴都趋向于电场方向，晶体电畴都趋向于电场方向，类似于形成一个单畴，表现，类似于形成一

23、个单畴，表现为图中的为图中的OBOB段。段。继续增加电场强度，极化继续增加电场强度，极化强度与电场强度呈线性关系，强度与电场强度呈线性关系，表现为表现为BCBC段。段。若电场强度自若电场强度自C C处下处下降，晶体极化强度也随降，晶体极化强度也随之减小，之减小，E=0E=0时的极化强时的极化强度度Pr称之为剩余极化强称之为剩余极化强度。度。反向电场强度为反向电场强度为-Ec-Ec时，剩余极化强度消失时，剩余极化强度消失。反向电场继续增大反向电场继续增大，极化强度开始反向，极化强度开始反向，直至反向极化达到饱和直至反向极化达到饱和，表现为图中的，表现为图中的G G点。点。Ec为矫顽电场强度。为矫顽电场强度。一般电介质、压电体、热释电体、铁电体间的关系一般电介质、压电体、热释电体、铁电体间的关系