《介电材料物理》PPT课件.ppt

第五章材料的介电性能 一 基本概念 介电材料定义具有介电常数的物质 电介质介电常数 在电场的作用下 能建立极化的物质 产生的感应电荷 不会形成漏导电流 即极化感应电荷被束缚 也称束缚电荷 对于真空平板电容器 电容C0 A为面积 d为极板间距 0真空介电常数 8 85 10 12F m 法 米 在平板电容器嵌入电介质 电容C 其中 为电介质的介电常数 r为相对 真空的 介电常数 上述两式可以得出 为电介质极化能力的参数 介电性能 电介质的极化介质的损耗介电强度 定义 一 极化现象及其物理量偶极子的产生 在电场的作用下 正负电荷重心的分离 电偶极矩的定义 q q 方向为从负电荷指向正电荷介质中的极性分子可看作偶极子 在电场的作用下极性分子发生转向 极化率 单位电场强度下 质点的电偶极矩的大小 E 介质极化 其中 Eloc为作用在微观质点上的局部电场 它与宏观外电场并不一定相同 表征材料的极化能力 只与材料的性质有关 其单位为F m2 法 米2 介质的极化强度 P 单位体积内的电偶极矩的总和 介质的极化强度 P 与E为宏观物理量 电场强度 x为电介质极化系数相联系 二 克劳修斯 莫索蒂方程 宏观电场EE E外 E内原子位置上的局部电场E 克劳修斯 莫索蒂方程建立了宏观量 与微观量 之间的关系 对于两种以上极化质点的介质 单个质点极化率 和介电常数 获得高的介电常数的途径 1 质点 2 单位体积质点的数目 三 介质极化 介质的极化 包括三个部分 电子极化离子极化偶极子转向极化极化形式 两种 位移极化是一种弹性的 瞬时完成的极化 不消耗能量电子位移极化 离子位移极化松弛极化这种极化与热运动有关完成这种极化需要一定的时间并且是非弹性的 因而消耗一定的能量电子松弛极化 离子松弛极化属这种类型 1 位移极化 电子位移极化的定义在外电场作用下 原子外围的电子云相对于原子核发生位移形成的极化电子位移极化的性质具有一个弹性束缚电荷在强迫振动中所表现出来的特性设想一个质量为m 带电为 e的粒子 为一带正电 e的中心所束缚 弹性恢复力为 kx 这里k是弹性回复系数 x表示粒子的位移 我们考虑它在交变电场下运动 电场用复数表示 Eloc Eoei x电荷的运动方程m 2x t2 kx eEoeiwx 电子位移极化 电子的极化率 静态极化率电子极化率的大小与原子 离子 半径有关若考虑同类原子的集合 它们所有轨道是随机取向电子极化率的量子理论 略 根据量子力学 极化率的计算是非常复杂的对于少数简单离子 具有完整电子壳层的原子 已能用量子力学方法计算极化率 已计算出氢原子电子极化率为7 52X10 41法 米2 离子位移极化 离子在电场作用下偏移平衡位置的移动 相当于形成一个感生偶极矩与电子位移极化类似 在电场中离子的位移 仍然受到弹性恢复力的限制离子位移极化和电子位移极化的表达式一样 都具有弹性偶极子的极化性质离子位移极化建立的时间约为10 12 10 13秒 静态极化率 以NaCl为例 k n 1 q2 4 0a3 式中a为晶格常数 n为电子层斥力指数 对离子晶体n 7 11 可计算出其极化率的数量级为10 40法 米2 2 松弛极化 热松弛极化极化是电场作用造成 它还与质点的热运动有关当材料中存在着弱联系电子 离子和偶极子等松弛质点时 热运动使这些松弛质点分布混乱 而电场力图使这些质点安电场规律分布 最后在一定的温度下发生极化 这种极化具有统计性质松弛极化离子松弛极化 离子松弛极化随频率变化 一般松弛时间长达10 2 10 5秒 电子松弛极化 电子松弛极化建立的时间约为10 2 10 9秒 介电常数随频率的升高而降低 电子 离子 松弛极化在M G Hz的无线电频率下 其松弛极化来不及建立 频率升高 无松弛极化 只存在 电子 离子 位移极化 3 转向极化 转向极化主要发生在极性分子介质中具有恒定偶极矩的分子称为极性分子无外加电场时 这些极性分子的取向在各个方向的几率是相等的 因此就介质整体来看 偶极矩等于零当极性分子受到外电场作用时 偶极子发生转向 趋于和外加电场方向一致热运动抵抗这种趋势 所以体系最后建立一个新的统计平衡在这种状态下 沿外场方向取向的偶极子比和它反向的偶极子的数目多 所以介质整体出现宏观偶极矩 转向极化一般需要较长时间 约为10 2 10 10秒 4 空间电荷极化 空间电荷极化定义在电场作用下 不均匀介质内部的正负间隙离子分别向负 正极移动 引起体系内各点离子密度变化 即出现电偶极矩空间电荷极化常常发生在不均匀介质中实际上晶界 相界 晶格畸变 杂质等缺陷区都可以成为自由电荷 间隙离子 空位 等 运动的障碍 在这些障碍处 自由电荷积聚 形成空间电荷极化 所以又称界面极化宏观不均匀性 可形成空间电荷极化由于空间电荷的积聚 可形成很高的与外电场方向相反的电场 因此这种极化有时称为高压式极化 空间电荷极化的影响因素空间电荷极化随温度升高而下降 因为温度升高 离子运动加剧 离子扩散容易 因而空间电荷减少 空间电荷的建立需要较长的时间 大约几秒到数十分钟 甚至数十小时 因而空间电荷极化只对直流和低频下的介电性质有影响5 自发极化这种极化状态并非由外电场引起而是由于晶体的内部结构造成的在这类晶体中 每一个晶胞里存在有固有电矩 这类晶体称为极性晶体 铁电体就具有这种特殊的晶体结构 各种极化形式的比较 介质损耗 一 介质损耗的表示方法介质损耗的形式电介质在恒定电场作用下所损耗的能量与通过其内部的电流有关 加上电场后 通过介质的全部电流包括由样品几何电容的充电所造成的电流 简称电容电流 不损耗能量 由各种介质极化的建立所造成的电流 电流引起的损耗称为极化损耗 由介质的电导 漏导 造成的电流 电流引起的损耗称为电导损耗 极化损耗主要与极化的驰豫 松弛 过程有关 电介质在恒定电场作用下 从建立极化到其稳定状态 一般来说要经过一定时间建立电子位移极化和离子位移极化 到达其稳态所需时间约为10 16 10 12秒在无线电频率 5 1012Hz以下 范围 仍可认为是极短的 因此这类极化又称为无惯性极化或瞬时位移极化 这类极化几乎不产生能量损耗偶极子转向极化和空间电荷极化 在电场作用下则要经过相当长的时间 10 10秒或更长 才能达到其稳态 所以这类极化称为有惯性极化或驰豫极化 这种极化损耗能量 考虑一个在真空中的容量 C0 0S d的平行平板式电容器把交变电压U U0ei t加在这个电容器上 则在电极上出现电荷Q 0C0U 并且与外电压同相位该电容上的电流 I0 i C0U它与外电压相差90度的相位 是一种非损耗性的电流当两电极间充以非极性的 完全绝缘的材料时 C rC0 则电流变为I i C0U rI0 二 复 数 介电常数 如果试样材料是弱导电性的 或是极性的 或兼有此两种特性 那么电容器不再是理想的 电流与电压的相位相差不恰好是90度 这是由于存在一个与电压相位相同的很小的 来源于电荷运动的电导分量如果这些电荷是自由的 则电导G实际上与外电压频率无关如果这些电荷是被符号相反的电荷所束缚 如振动偶极子的情况 则G为频率的函数合成电流I i C G U电流密度j i U位移电流密度 传导电流密度j i E E 复电导率 复介电常数定义j i E i i i i 电导 或损耗 既由自由电荷产生 也由束缚电荷产生 电导率本身就是一个依赖于频率的复量 所以 的实部不是精确地等于 虚部也不是精确地等于 i i 其中 是依赖于频率的量损耗角 tg 由此可知 损耗由复介电常数的虚部 引起 相当于测得的介电常数 即绝对介电常数 不说明 系指绝对介电常数 第五章材料的介电性能 二 介质驰豫和德拜方程 介质在交变电场中常发生驰豫 松弛极化 现象在一个实际介质样品上突然加上一个电场 阶跃电场 所产生的极化过程不是瞬时完成的P0代表瞬时建立的极化 位移极化 P1 t 渐渐达到一稳定值 P1代表松弛极化 通常是由松弛极化 偶极子极化和空间电荷极化所致介质驰豫定义外电场施加或移去后 系统逐渐达到平衡状态的过程德拜方程 介质损耗 P 介质损耗定义电介质在电场作用下 单位时间内消耗的电能在直流电压下 介质损耗仅由电导引起在交变电场下 介质损耗不仅与自由电荷的电导有关 还与松弛极化过程有关 所以它不仅决定于自由电荷电导 还与束缚电荷产生有关 与频率有关的量 介质损耗与频率 温度 频率的影响 1 当外加电场频率很低即 趋于0时 介质的各种极化都能跟上外加电场的变化 此时不存在极化损耗 介电常数达最大值 介电损耗主要由漏导引起 P 和频率无关 2 当外加电场频率逐渐升高时松弛极化在某一频率开始跟不上外电场的变化 松弛极化对介电常数的贡献逐渐减小 因而 随 升高而减少 在这一频率范围内 随 的升高 P 也增大 3 当 很高时介电常数仅由位移极化决定 在这一频率范围内 随 的升高 P 变化较小 温度的影响 自学 1 当温度很低时 2 温度较高时 3 温度升高过程中 3介电强度 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这种现象称介电强度的破坏 或叫介质的击穿相应的临界电场强度称为介电强度 或称为击穿电场强度通常所观测到的击穿电场范围105 5 106 宏观尺度看 这些电场属于高电场 但从原子的尺度看 这些电场是非常低的击穿决不是由于电场对原子或分子的直接作用所导致 电击穿是一种集体现象击穿类型划分虽然严格地划分击穿类型是很困难的 但为了便于叙述和理解 通常将击穿类型分为三种 热击穿 电击穿 局部放电击穿 热击穿热击穿的本质是 处于电场中的介质 由于其中的介质损耗而受热 当外加电压足够高时 可能从散热与发热的热平衡状态转入不平衡状态 若发出的热量比散去的多 介质温度将愈来愈高 直至出现永久性损坏 这就是热击穿电击穿固体介质电击穿理论是在气体放电的碰撞电离理论基础上建立的在强电场下 固体导带中可能因冷发射或热发射存在一些电子 这些电子一方面在外电场作用下被加速获得动能 另一方面与晶格振动相互作用 把电场能量传递给晶格 电击穿 续 当两个过程在一定的温度和场强下平衡时 固体介质有稳定的电导 当电子从电场中得到的能量大于传递给晶格振动的能量时 电子的动能就越来越大 电子能量大到一定值时 电子与晶格振动的相互作用导致电离产生新电子 使自由电子数迅速增加 电导进入不稳定阶段 电击穿发生本征电击穿理论这种击穿与介质中的自由电子有关 室温下即可发生 发生时间很短 10 8 10 7s 介质中的自由电子的来源 1 杂质和缺陷能级 2 价带 雪崩 电击穿理论 本征电击穿理论只考虑电子的非稳定态 不考虑晶格的破坏过程引起非稳定态 即平衡方程的破坏 的起始场强定义为介质的电击穿场强 雪崩 电击穿理论以碰撞电离后自由电子数倍增到一定数值作为电击穿判据 雪崩 电击穿和本征电击穿一般很难区分 无机材料 无机材料的极化无机材料的击穿 无机材料的极化 多晶多相无机材料的极化混合物法则 系统的介电常数 两相并联 x1 1 x2 2两相串联 1 x1 1 1 x2 2 1两相混合 k趋近于零 k x1 1k x2 2kln x1ln 1 x2ln 2 适用于二相的介电常数相差不大 且均匀分布的混合物体系 陶瓷介质的极化 电子陶瓷按其极化形式分类 主要是电子位移极化的电介质陶瓷金红石陶瓷 钙钛矿陶瓷 某些含锆陶瓷主要是离子位移极化的电介质陶瓷刚玉 斜顽辉石基陶瓷 以及低碱性氧化物含量玻璃具有显著离子松弛极化和电子松弛极化的材料绝缘子瓷 碱玻璃 高温含钛陶瓷 硅酸盐玻璃 绿宝石 等介电常数的温度系数与温度成典型的非线形关系与温度成典型的线形关系 当介电常数为 d的球形颗粒分散在介电常数为 m的基相时 Maxwell方程推导出混合物的介电常数 一般式 无机材料的击穿 无机材料常常为不均匀介质 有晶相 玻璃相和气孔存在 这使无机材料的击穿性质与均匀材料不同不均匀介质中的电压分配内电离表面放电和边缘击穿 内电离材料中含有气泡时 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很多 一般空气的Eb 3 3kV cm 而陶瓷的Eb 80kV cm 所以首先气泡击穿 引起气体放电 电离 产生大量的热 引起整个介质击穿大量的气泡放电 一方面导致介电 机械 热击穿 另一方面介质引起不可逆的物理化学变化 使介质击穿电压下降 这种现象称为电压老化或化学击穿表面放电和边缘击穿表面放电 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煤质中 击穿时 常发现本身并未击穿 但有火花掠过它的表面提高表面放电电压 防止边缘击穿以发挥材料介电强度的有效作用 这对于高压下工作的元件 尤其是高频 高压下工作的元件 是极为重要的 如在瓷介表面施釉 一方面要增大表面放电途径 另一方面要使边缘电场均匀 4铁电体 线性介质没有外加电场时 这些介质的极化强度等于零有外电场时 介质的极化强度与宏观电场E成正比非线性介质另外一类介质 其极化强度和外施电压的关系是非线性的铁电体就是一种典型的非线性介质自发极化铁电体中 存在自发极化自发极化定义这种极化状态并非由外电场所造成由晶体的内部结构特点造成的 晶体中每一个晶胞里存在固有电偶极矩 这类晶体通常称为极性晶体 在一定温度范围内含有能自发极化 Ps表示自发极化强度 自发极化方向可随外电场作可逆转动的晶体铁电晶体一定是极性晶体 并非所有的极性晶体都具有这种自发极化可随外电场而转动的性质 只有某些特殊的晶体结构 在自发极化改变方向时 晶体构造不发生大的畸变 才能产生反向转动 铁电体就具有这些特殊的晶体结构 在铁电状态下 晶体的极化与电场的关系 铁电电滞回线 见左图 铁电体 这个回线称为电滞回线 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作 铁电体 其实晶体中并不含有铁铁电晶体可区分为两大类有序 无序型铁电体位移型铁电体有序 无序型铁电体是含有氢键的晶体这类晶体中质子的有序运动与铁电性相联系 例如 KH2PO4位移型铁电体结构大多同钙钛矿结构及钛铁矿结构相关钛酸钡是典型的钙钛矿型的铁电体BaTiO3在120 以上为立方结构 晶体无铁电性120 以下晶体结构稍有畸变 为四方结构 Ba2 和Ti4 相对于O2 发生一个位移 由此产生一个偶极矩 自发极化 通常把这种转变温度称为距离温度或居里点 居里点以上晶体无铁电性 处于顺电态 居里点以下 晶体处于铁电态 5压电性 压