介电性能材料性能学

1、1 介质极化 2 介质损耗3 介电强度4 铁电性5 压电性参考书:1 无机材料物理性能,关振铎,张中太,焦金生,清华大学出版社2 材料科学导论,第2篇:材料的物性,冯端,师昌绪,刘治国,化学化工出版社3 电介质物理学,殷之文,科学出版社材料可按其对外电场的响应方式区分为两类： 一类以电荷长程迁移即传导的方式对外电场作出响应，称为导电材料； 另一类以感应的方式对外电场作出响应，即沿电场方向产生电偶极矩或电偶极矩的改变，此类材料称为介电材料（电介质）；电介质： 在电场作用下，能建立极化的物质；电介质的极化：电介质在外电场作用下产生电偶极矩或电偶极矩改变的现象；真空介电常数与相对介电常数：伏特库仑法

2、拉电介质的极化能力；为相对介电常数，反映真空介电常数嵌入电介质后：真空平行板电容器/11;F/m,1085. 8;1;:1200000000rrrACdCCCCCdAC1.1 极化现象及其物理量极化：电介质内质点正负电荷中心分离，转变成偶极子；电偶极距：极化率：单位电场强度下质点电偶极距的大小，表征电介质的 极化能力，只与材料的性质有关，单位F.m2；极化强度：电介质单位体积内的电偶极距总和，与面电荷密度 单位一样，C/m2；电介质极化系数：将宏观电场E和宏观物理量P联系起来；一致；正电荷，与外电场方向；其方向由负电荷指向l q不同；局部电场，与宏观电场为作用在微观质点上的；loclocEEV

3、PEP0成正比。与宏观电场一定，和；特定材料的方向相同，则与电场，由各偶极子电偶极距极化质点数为若电介质单位体积中的EPnEnnPnloc1、宏观电场E：由外加电场和退极化场合成；退极化场：极化强度P造成的电场可认为是由表面束缚电荷引起的；因为据静电学原理，均匀极化产生的电场等于分布在物体表面上的束缚电荷在真空中产生的电场；此电场与外加电场方向相反，故称之为退极化场。2、局部电场Eloc：晶体中作用于一个原子位置上的局部电场是外加电场及晶体中其它原子所产生的电场之和；其值与宏观电场之间相差甚大。1EEE外求局部电场的标准方法：以参考原子为球心划出一个球，其半径比原子间距大得多，但又比整个介质小

4、得多；对球心原子而言：球外电介质为连续介质；对宏观整体来说：球内又是均匀的，即宏观电场对球内各点 作用一样；其半径一般为原子间距的几十 到几百倍。若把球挖空，则球外介质的作用可归结为空球表面极化电荷作用场E2和整个介质边界表面极化电荷作用场E1之和；球内则只考虑原点附近偶极子的影响E3。321EEEEEloc外内洛宏EEEEloc局部电场：E2为洛伦兹电场， ；E3由晶体结构决定，对于球体中具有立方对称的参考位置，若所有原子都可用彼此平行的点型偶极子代替，则E3=0；E2的计算：321EEEEEloc外PE023100200200220202231coscos21sincos21;sincos

5、21cos41PO;sincos2cos;sin2sin2cosPdPdPdEEdPrdqdEdqdPrdSPdqdrrdrdSdP所以：方向的投影）为：点产生的电场（在在空腔球心其上的电荷为：面积为：对应的微小环球面的表与；度为处空腔表面上的电荷密夹角；则表示相对于极化方向的若洛伦兹关系：3、克劳修斯-莫索蒂方程：建立了相对介电常数(宏观量)与极化率(微观量)之间的关系；适用于分子间作用很弱的气体、非极性液体和非极性固体以及一些NaCl型离子晶体和具有适当对称性的晶体。0321nrrPEPEEEloc0013131外0000000000321;1321;32131311nEEnEnPEnPE

6、PEEEPEEEEEDPPEEDrrrrloclocrrrlocr即：所以：；，且又由于：所以：；，得由于电介质的总极化：电子极化、离子极化、偶极子转向极化位移极化：弹性的、瞬时完成的极化，不消耗能量；松弛极化：完成极化需要一定的时间，是非弹性的，消耗一定 的能量，与热运动有关。1、电子位移极化的经典理论：电子位移极化：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；具有弹性束缚电荷在强迫振动中表现出的特性。极化率与频率的关系反映了极化的惯性；测量电子极化一般在紫光光频下进行，此时其它极化机构的惯性跟不上电场的变化，因而此时的介电常数（ ）几乎完全来自电子极化率的贡献。2022

7、2020;1memeee：静态极化率2022202002202000;1;exp1;exp;expexpmemeEmktiEmkmeextiEmkextieEkxxmtiEEkxeemeeloceloc：静态极化率所以：；动频率），且（弹性偶极子的固有振由于其电偶极距：该振动方程的解为：下运动；其运动方程为在交变电场，束缚，其弹性恢复力为的粒子被正电中心带电质量 玻尔原子模型：303034;4RRee原子集合单个原子)(34:34,31coscos;4:444;,M;303022303020202同类原子集合，即故在电场较低时，偶极距为：电场方向上的平均感生对同类原子的集合，在（单个原子）即，

8、由其中则原子感生偶极距为点到沿轴线从轨道中心位移使轨道平面的电场圆周轨道运行；垂直于环绕正电中心点电荷RERRERedeERReeEFeERdOMdedqEqeelocelocloclocRlocloc2、电子极化率的量子理论：子强度代表电偶极子跃迁的振其中20022022,jjjjjjePemffme越大。越窄，与禁带宽度有关；禁带固体材料的子强度；代表电偶极子跃迁的振式中；所以：又因为；的矩阵元：两种状态之间的偶极距为允许的激发态；是基态，其中，二级修正为正为微扰下，能量的一级修极化单元体系在电场的电子位移为的哈密顿量为其中无电场时极化单元方向）为：电场沿极化单元的哈密顿量（ejjjjjj

9、jjjjeejjjjijijjiiiiWWPemffmePEWWWPPxejPjxejEWWxejjxeWxHExeHHox02002202020200*000200002,221;00000:; 0;,;离子在电场作用下偏离平衡位置的移动相当于形成一个感生偶极矩；其极化率与电子位移极化率的表达式相似，具有弹性偶极子的极化性质，可由晶格振动红外吸收频率测量得出，其建立时间约为10-12- 10-13秒。20*20220*20220*00*22*0001exp1expexpexpMqMqEqtiEMqMktiEMqMkdtdMMMMMMMtiqEkMtiqEkMkiiloci：；静态极化率所以离

10、子位移极化率：；又因为，则其解为：为相对振动的固有频率；设，得到化质量，然后相减；并引入约、两式分别除以；运动方程：；，方向与位移方向相反弹性恢复力电场中离子的位移受到 20*20220*201MqMqii：；静态极化率松弛极化：)包括离子松弛极化、电子松弛极化和偶极子松弛极化；2)多发生在晶体缺陷区或玻璃体内以及极性分子物质中;3)热运动使松弛质点分布混乱，而电场则力图使其按电场规律分布，在一定温度下发生极化；4)具有热统计性质，质点需克服一定的势垒才能移动，迁移距离比较大，极化建立的时间较长(10-2- 10-9秒)，且要吸收一定的能量，非可逆过程。1、离子松弛极化A）强联系离子：在完整的

11、离子晶体中处于正常结点(平衡位置)的离子，其能量最低，最稳定；其在电场作用下只能产生弹性位移极化，极化质点仍束缚在原平衡位置附近。B）弱联系离子：在玻璃态物质、结构松散的离子晶体中以及晶体的杂质和缺陷区，离子本身能量较高，易被活化迁移；极化时可从一个平衡位置迁移到另一个平衡位置，迁移行程可与晶格常数相比，大于弹性位移距离；去掉外电场后，离子不能回到原平衡位置。C）与离子电导的区别：a)迁移距离迁移距离：离子电导是离子作远程迁移，而离子松弛极化质点仅作有限距离的迁移，它只能在结构松散区或缺陷区附近移动；b)势垒高度势垒高度：离子松弛极化所需克服的势垒低于离子电导势垒，离子参加极化的几率远大于参加

12、电导的几率。D）离子热松弛极化率： 比电子及离子的位移极化率大一个数量级，导致材料较大的介电常数；极化强度P与温度的关系中往往出现最大值(温度升高,松弛过程加快，但极化率下降)。kTqT1222 kTUkTUnkTUndtndkTUkTUkTUkTUnkTUnkTUnkTUnkTUdtnddtkTUUnkTUUndnndtnnnnnnnnnnnUUUUEnnnnxnxUnexp31exp21expexpexp61expexp61expexpexp2321;2321;2211221363,210002111020112021000，上式变为：时，当即：的变化为：时间内，解得：，即的离子数增加，位

13、置的离子数减少平衡时位置；所要克服的势垒为到，从要克服的势垒为到时，离子从有外电场；，正向热运动的离子数为轴，沿轴热运动的离子数为沿无外电场时；的势垒为，离子迁移需克服为体积中弱联系离子总数，且假设单位和位置考虑缺陷区的两个平衡kTqEkTqnqnPxnkTqEnntkTqEnnqEFUtkTUnnkTUnCntkTUntCnkTUnndtndkTUUTttt1212;12exp1122121;exp16;6006exp6exp2122220000000热松弛极化率：得，由极化强度方向转移的净离子数为间，为弱联系离子的松弛时其中；，所以：又因为即：求得时由，积分得：；则：不变，并令设极化过程中

14、2、电子松弛极化：A）由弱束缚电子引起，与弱联系离子的迁移类似，也是不可逆的热松弛过程，消耗一定能量，比电子位移极化强烈得多；B）晶格的热振动、晶格缺陷、杂质的引入、化学组成的局部改变等因素都能使电子能态发生改变，出现位于禁带中的局部能级，形成弱束缚电子。C）电子松弛极化与电子电导不同：弱束缚电子不能远程迁移，弱束缚电子只有获得更高能量才能跃迁到导带成为自由电子，形成电导；具有电子松弛极化得介质往往具有电子电导的特性；D）电子松弛极化主要是折射率大、结构紧密、内电场大和电子电导大的电介质的特性。1.6 转向极化主要发生在极性分子介质中；无外加电场时，极性分子的取向在各方向相同，整体偶极矩为零；

15、偶极子在外电场作用下发生转向，趋于和外电场方向一致，体系建立起新的统计平衡，介质整体出现宏观偶极矩；需要时间较长(10-2-10-10秒)；也可应用于带有正负电荷缺陷对的离子晶体中(又称离子跃迁极化)。转向极化率：1.7 空间电荷极化不均匀介质内部的正负间隙离子在外电场作用下分别向负正极移动，引起瓷体内各点离子密度变化，出现电偶极矩；其建立需要较长时间，随温度升高而下降；只对直流和低频下的介电性能有影响。1.8 自发极化并非外电场引起，由晶体的内部结构造成，每个晶胞内存在固有电偶极矩。在4中详细介绍。kTor320各种极化形式的比较极化形式具有此种极化的电介质发生极化的频率范围与温度的关系能量

16、消耗电子位移极化一切陶瓷介质中直流-光频无关无离子位移极化离子结构介质直流-红外温度升高，极化增强很微弱离子松弛极化离子结构的玻璃、结构不紧密的晶体及陶瓷直流-超高频随温度变化有极大值有电子松弛极化钛质瓷、高价金属氧化物为基的陶瓷直流-超高频随温度变化有极大值有转向极化有机材料直流-超高频随温度变化有极大值有空间电荷极化结构不均匀的陶瓷介质直流-高频随温度升高而减弱有自发极化温度低于居里点的铁电材料直流-超高频随温度变化有显著极大值很大A）大部分离子晶体的相对介电常数 但对金红石和钙钛矿型晶体，其相对介电常数非常高；例如B）这类材料的介电常数与温度和频率的关系不大，即没有松弛极化的特征；其基本

17、极化形式仍然是电子和离子位移极化。C）原因： 此类晶体结构比较特殊，其附加内电场特别大，在金红石和钙钛矿型晶体中，E内不但不为零，而且有很大的数值；在外电场的作用下，由于离子之间的相互作用，引起了极其强烈的局部内电场；在此内电场的作用下，离子的电子壳层发生强烈的变形，离子本身也发生了强烈的位移，使材料具有很高的介电常数。；约为，约为1255 . 36 . 1。，；钙钛矿，金红石1503 . 51141108 . 7内洛宏EEEElocD）介电常数大的晶体所具备的条件：比较特殊的晶体结构；含有尺寸大、电荷小、电子壳层易变形的阴离子；以及尺寸小、电荷大、易产生离子位移极化的阳离子。E）内电场结构系

18、数： Ckk 和Ckj分别为同种离子间、不同种离子间的内电场结构系数；表示被考察离子周围晶格内其他离子的影响，仅决定于晶胞参数，可正可负；正值表示附加内电场与外电场方向相同，加强了外电场的作用；负值表示附加内电场与外电场反向，削弱了外电场的作用。kjjjkjkkkkkkCEECEE内内;晶体中总是存在几种性质和相互位置不同的离子，需将其建立的附加内电场区分开来：若晶体中共有m种性质不同的离子，设第k种离子的感应偶极矩k=kEk，第j种离子的感应偶极矩j=jEj；所有第k种离子的感应偶极矩作用在某一个k离子上的内电场为E内kk= kEkCkk； 第j种离子作用在某一k离子上的内电场为E内kj=

19、jEjCkj;如果晶体点阵中含有m种离子（不同性质和不同相对位置），则结构系数为m2个；每种离子除了受其它种类离子的影响外，还受到同种离子的作用； 金红石晶体中有Ti4+和O2-两类离子：m=2，结构系数有4个；表示钛离子之间和氧离子之间相互作用的内电场结构系数C11和C22均为负值，表明同种离子之间都有削弱内电场的作用； 表示钛离子和氧离子之间相互作用的内电场结构系数C12和C21均为较大的正值，表明异种离子之间都有加强外电场的作用；综合结果是使Ti4+和O2-的极化加强，而且此种加强远远超过了同种离子削弱外电场的作用，因此晶体的介电常数很大。中心离子周围离子Ti4+O2-Ti4+C11=

20、-0.8/a3C12= +36.3/a3O2-C21= +18.15/a3C22= -12.0/a3金红石晶体的内电场结构系数1、混合物法则：多相系统的介电常数取决于各相的介电常数、体积浓度以及相与相之间的配置情况。以两相系统为例;两相并联：两相串连：混合分布：球形颗粒均匀分散在基相中时：2211xx1221111xx2211lnlnlnxxdmdmddmdmmxxxx332332布的情况）数相差不大，且均匀分；（适用于两相介电常所以：；时得：；当求全微分得：对；，两相混合分布时，两相串连时；两相并联时22112221112122111112211lnlnln0011xxdxdxdkdkxdk

21、xdkkkkxxkkkkkk2、陶瓷介质的极化：多晶多相材料，其极化机构通常不止一种；一般都含有电子位移极化和离子位移极化；如有缺陷存在，还存在松弛极化。3、介电常数的温度系数：电子陶瓷分为两类： 一类是介电常数与温度成非线性关系，包括铁电陶瓷和松弛极化明显的材料；另一类是与温度成线性关系的材料，可用介电常数的温度系数描述。介电常数的温度系数：介电常数随温度变化的相对变化率。dTdTK11122121122lnlnln111;xxdddxxdTdTdTTKxTKx TK上式两边对温度微分，得：即：对陶瓷电容器而言，其介电常数的温度系数非常重要；有的要求为正，有的要求为负，有的要接近零；目前制作

22、电容器用高介陶瓷材料的一项重要任务就是获得TK0而介电常数尽可能高的材料； 生产中往往通过改变双组分或多组分固溶体的相对含量来调节系统的TK值。2.1 介质损耗的表示方法介质损耗：电介质在电场作用下，单位时间内消耗的电能。1、介质损耗的形式：极化损耗、电导损耗加电场后通过电介质的全部电流：A）电容电流：样品的几何电容充电所造成的电流，不损耗能量；B）极化电流：各种介质极化的建立造成的电流，损耗能量，该损耗称为极化损耗；极化损耗主要与极化的驰豫过程有关。 电介质在恒定电场作用下，从建立极化到其稳定状态，一般要经过一定的时间；a）电子位移极化和离子位移极化达到稳态所需的时间为10-16-10-12

23、秒，与无线电频率(51012Hz)相比极短，为瞬时极化，几乎不损耗能量；b）而偶极子转向极化和空间电荷极化，达到稳定所需的时间相当长(大于10-10秒)，为驰豫极化，消耗能量。C）漏导电流：由介质电导造成的电流，损耗能量，称之为电导损耗。2、复介电常数为频率的函数；动，则若来源于束缚电荷的运与外电压频率无关；动，则电导若来源于自由电荷的运；合成电流为，其来源于电荷的运动相同的电导分量，因为存在与电压位相电流与电压相位差不是电容器不再是理想的，性或极性时：）电极间材料为弱导电；位，仍为非损耗性电流相，仍与外电压相差大于，其上电流为电容变为全绝缘材料：）电极间存在非极性完流；相位，此为非损耗性电相

24、差与外电压容上的电流为与外电压同相位；该电电荷；电极上出现的，加上交变电压容量为：）真空平行平板电容器GG;90C90B90Aoo00o000000UGCiIGUICUiQICCUCiQIUCQeUUdSCrti *tg;i都是依赖于频率的量；和常数；其中相当于测得的绝对介电引起，实部引起；通常电容电流由虚部损耗是由复介电常数的 ；虚部也不精确等于，的实部不精确等于复量，则本身就是依赖于频率的电导率电荷时：荷产生，也来源于束缚当电导不完全由自由电；电容项损耗项；损耗角由下式定义：定义复介电常数；或由定义复电导率由为绝对介电系数；项为传导电流密度，项是位移电流密度，其中得，和由电导时：是由自由电

25、荷产生的纯当*):)btgiiEijiEjEEiEijdSCdSGGa3、介质驰豫和德拜方程介质驰豫：在外电场加上或移去后，系统 逐渐达到平衡状态的过程。A）阶跃电场：B）交变电场： EeeEEtPPtPPtPPdtdPEPEPPtPPtPPtPtt110001010101111110011010；得到时为驰豫时间常数；当，其中程得：；据驰豫过程的特征方，设；稳定值为松弛极化，逐渐达到为瞬时建立的极化，极化包括两项： 为相对复极化系数，其中即：，所以：，得到并考虑到，带入，考虑同向运动rcrcEEitPiEtPiEAEPPPdtdPtiAtPtiEE0101101111111011;1expe

26、xp: C）德拜方程： 22 22 0022 220 2222000000tg1010101100;111111111;11111111rrrrrrrrrrrriiiiiEEEEPEEDrrrrrrrrrrrrrcrrrrr；其中即：；时，；当频率，低频或静态时；所以：，所以根据 22 22 tg101010rrrrrriir；4、介质损耗的表示方法A）直流电压下：介质损耗仅由电导引起，取决于材料的电导率；损耗功率为PW=IU=GU2；单位体积的介质损耗称为介质损耗率：B）交变电场下：介质损耗既与自由电荷的电导有关，也与松弛极化过程有关； 不仅决定于自由电荷电导，还由束缚电荷产生，它与频率有关

27、。C）介质的等效电导率：22EVGUVIUVPpWtg;tg,tg, tg此处的 为交流电压下的介质等效电导率 损耗因素：当外加电压一定时 介质损耗只与有关仅由介质本身决定。 02022020 010, 1;10tg)(，；低频区高频区所以：为通常测量的时：只与松弛极化损耗有关当rrrrr1、频率的影响 达到最大值。此时微分，得由德拜公式对。时，的升高而减小；随，由德拜公式可知，趋于最小值；此时由于化决定，介电常数仅由位移极很高时，）当也增大。升高而增大，同时随，由德拜公式可知，围内，由于频率范的升高而减小；在这一随贡献逐渐减小，因而松弛极化对介电常数的场的变化，一频率开始跟不上外电升高时，松

28、弛极化在某）当外加电场频率逐渐减小。的升高，；随时，可知，当率无关。由与频，质损耗主要由漏导引起介电常数达最大值；介此时不存在极化损耗，能跟上外电场的变化，时，介质的各种极化都，即）当外加电场频率很低tg01tg0tgtg13tg12tgtg0tg01mrrWrWPP2、温度的影响(松弛极化随T而增加，减小) 向高温方向移动。高频下的增加。所以应减小，即增加时，为常数，当可知，由度急剧上升。也随温烈上升，下降；此时电导损耗剧碍，极化减弱，向迁移受到热运动的阻场作用下的定动能量很大，离子在电到很大值时，离子热运）当温度继续升高，达有极大值。和下，而减小。在某一温度极化过程，随温度上升主要决定于明

29、显，减小。这时电导上升不减小，上升，此温度范围内，随温度；，因而较小，此时）当温度较高时，上升。也增大，增大，减小，因而度上升，在此温度范围内，随温；，也较小；此时由于较小，较大，由德拜关系可知）当温度很低时，mmmmmrWmWWrrTTPTPP001tg3tgtg0000tg12tg11tg1tg122222222主要损耗形式:电导损耗、松弛极化损耗、电离损耗、结构损耗；电离损耗：含有气孔的固体电介质在外电场强度超过了气孔内气体电离所需要的电场强度时，由于气孔内气体电离而吸收能量，造成损耗。结构损耗：在高频低温下，与电介质内部结构的紧密程度密切相关的介质损耗；与温度关系很小，损耗功率随频率升

30、高而增大，但损耗角和频率无关。各种损耗发生的场合：高温低频下，主要为电导损耗；常温高频下主要为松弛极化损耗；高频低温下主要为结构损耗。1、离子晶体的损耗：A）结构紧密的晶体：离子堆积十分紧密，排列很有规则，离子键强度很大；很难发生离子松弛极化，只有电子和离子的弹性位移极化；仅有漏导引起的少量损耗，无极化损耗；介质损耗功率与频率无关，损耗角随频率升高而降低；B）结构不紧密的晶体：有较大的空隙或晶格畸变，缺陷和杂质较多；其中的弱联系离子既可能贯穿电极运动形成电导损耗，也可能因热离子松弛出现极化损耗；其损耗较大；C）两种晶体形成的固溶体：存在各种点阵畸变和结构缺陷，损耗较大。2、玻璃的损耗A）无机材

31、料的玻璃相是造成介质损耗的重要原因；复杂玻璃中的介质损耗主要包括电导损耗、松弛损耗和结构损耗；工频高温下，电导损耗占优势；高频常高温下，主要是松弛损耗；高频低温下，主要是结构损耗；B）简单玻璃的损耗一般很小；在纯玻璃中加入碱金属氧化物后，介质损耗随碱性氧化物浓度的增大按指数增大。（因为一价的碱性氧化物破坏玻璃的点阵结构，使其越加疏松，离子更易发生移动，造成电导损耗和松弛损耗）C）双碱效应和压碱效应：与玻璃电导中的情况类似。3、陶瓷材料的损耗 主要来源于电导损耗、松弛质点的极化损耗、结构损耗A）以结构紧密的离子晶体为主晶相的陶瓷，主要来源玻璃相；B）大多数电工陶瓷，由于主晶相结构松散，形成缺陷固

32、溶体及多晶形转变，而使得离子松弛极化损耗较大；C）含有可变价离子的陶瓷材料，具有显著的电子松弛极化总之：介质损耗是由介质的电导和松弛极化引起的；电导和极化过程中带电质点(弱束缚电子和弱束缚离子，包括缺陷和空位)移动时，将它在电场中所吸收的能量部分地传递给周围质点，使电磁场的能量转变为质点的热振动，能量消耗在使电介质发热效应上。3.1 介质在电场中的破坏介质的击穿：电介质材料只能在一定的电场强度内保持其绝缘或介电能力；当电场强度超过某一临界值时，材料由介电状态变为导电状态；电击穿是一种集体现象：击穿电场的范围为1055106 V/cm；宏观尺度上为高电场，但从原子尺度看却非常低(106 V/cm

33、为10-2 伏/埃)；即击穿不是由于电场对原子的直接作用导致；电击穿是一种集体现象：能量通过其它粒子传送到被击穿组分中的原子上。分类：热击穿、电击穿、局部放电击穿3.2 热击穿热击穿的本质：处于电场中的电介质，由于其中的介质损耗而受热；当外加电压足够高时，可能由散热与发热的热平衡状态转为不平衡状态；若产生的热量比散出的多，介质温度将愈来愈高，直至出现永久性损坏。分为稳态热击穿和脉冲热击穿。临界电压时： ccTcTcccccTTQTTEQTQTEQ2121,1、概述：在强电场下，固体导带中可能存在一些电子；这些电子一方面被外电场加速而获得动能，另一方面又与晶格振动相互作用，把电场的能量传递给晶格

34、；当这两个过程在一定温度和场强下平衡时，固体介质有稳定的电导；当电子从电场中获得的能量大于传递给晶格振动的能量时，电子的动能愈来愈大；当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的自由电子，自由电子数目的迅速增加使电导进入不稳定阶段，发生击穿；理论上可分为本征电击穿和“雪崩”电击穿两种类型。2、本征电击穿：当电场上升到电子从外电场获得的能量大于传递给晶格的能量时，碰撞电离过程立即发生；只考虑电子的非稳定态，没有考虑晶格的破坏过程；引起非稳定态的起始场强定义为介质的电击穿场强。3、“雪崩”电击穿：碰撞电离发生后，自由电子数倍增形成“电子崩”；以电子“崩”传递给介质的能量足以破坏

35、介质的晶体结构作为击穿判据；4、两种理论的区别：本征击穿理论中介质的击穿是继稳态破坏后突然发生的；而“雪崩”击穿则是考虑到高场强中导电电子倍增直到介质晶格难以忍受而发生破坏；两者在理论上的区别很明显，但实际中很难区分。1、不均匀介质中的电压分配：无机材料一般为多晶多相，晶相、玻璃相、气孔的存在使其为不均匀介质；以双层介质为例：EddddEEddddE1221211212212121；电导率小的介质承受的场强高，电导率大的介质承受的场强低；其中一层的电场强度大于平均场强，可能首先达到击穿强度而破坏；因此材料的不均匀性可能引起击穿场强的降低。2、内电离：材料中的气孔由于 很小，其上的电场较高，而其

36、抗电强度远低于固体介质；因此气孔先击穿，气体电离放电产生大量热量，易使介质整体破坏。3、表面放电和边缘击穿：固体介质表面的击穿电压低于无固体介质时的空气击穿电压；电极边缘常常电场集中，因此击穿通常在电极边缘发生；表面放电与边缘击穿决定于电极周围媒质以及电场的分布，还决定于材料的介电系数和电导率；它与装置条件有关，不能表征材料的介电强度。和4.1 铁电体1、自发极化：极化状态并非由外电场造成，而是由晶体的内部结构特点造成的，晶体中每一个晶胞中存在固有电偶极矩。2、极性晶体：存在自发极化的晶体叫极性晶体。3、铁电体：在一定温度范围内存在自发极化，且自发极化方向可随外电场作可逆转动的晶体。铁电晶体一

37、定是极性晶体，但并非所有极性晶体都是铁电体；只有某些特殊晶体结构的极性晶体，在自发极化改变方向时，晶体构造不发生大的畸变，具有自发极化随外电场转动的性质。4、电滞回线：铁电体的极化与外电场的关系， 是铁电态的一个标志。5、铁电体的分类：A）有序-无序型：自发极化与个别离子的有序 化联系;如含氢键的晶体如KH2PO4;B）位移型: 自发极化同一类亚离子点阵相对于另一类亚离子点阵的 整体位移相联系；如钙钛矿结构BaTiO3；BaTiO3的结构和铁电性：120oC以上：立方结构，无铁电性， 处于顺电态，介电常数随温度的变化服从居里-外斯定律：120oC 5oC：晶体结构稍微畸变，为四方结构，Ba2+

38、和Ti4+相对于O2-发生一个位移，由此产生自发极化，沿001方向；该转变温度成为居里点；铁电相的晶体结构对称性低于顺电相； 5oC-80oC：斜方晶系，自发极化沿011方向； -80oC以下：菱形结构，自发极化沿111方向。TCTCr离子位移理论： 自发极化主要是由晶体中某些离子偏离了平衡位置造成的；由于离子偏移了平衡位置，使单位晶胞中出现了电偶极矩；电偶极矩之间的相互作用使偏离平衡位置的离子在新的位置上稳定下来，与此同时晶体的结构发生畸变。钛酸钡由顺电相到铁电相的转变伴随着晶体结构的改变，从立方晶系转变为四方晶系，晶体的对称性降低；其自发极化由钛、氧离子之间的强耦合作用引起。A）钛酸钡为钙

39、钛矿结构(等轴晶系a=4.01) ，钛离子位于氧八面体中心；氧八面体的空腔(1.37)尺寸大于Ti4+(1.28)的尺寸， Ti4+在氧八面体内有位移的余地；【因为 O2-半径1.32 ,两个O2-之间的空隙(4.01-21.32)=1.37 】B）在居里温度以上时，离子的热振动能比较大， Ti4+不可能在偏离中心的某一位置固定下来，它接近周围6个O2-的几率相等，晶体结构保持高的对称性，晶胞内不会产生电偶极矩，自发极化为零；C）当温度降低时， Ti4+的平均热振动能降低，那些热振动能量特别低的Ti4+不足以克服Ti4+ 和O2-之间的电场作用，而发生自发位移，向某个O2-靠近并在新的平衡位置

40、上固定下来，晶体顺此方向延长，并使此O2-出现强烈的电子位移极化，因此出现电偶极矩，并且晶胞发生轻微畸变。D）自发极化包括两部分：一部分直接由于离子位移，另一部分由于电子云的形变；其中离子位移极化占总极化的39%。1、铁电畴：铁电体通常不是在一个方向上单一地产生自发极化；但在一个小区域内，各晶胞的自发极化都相同，该小区域称为铁电畴；为使体系的能量最低，各电畴的极化方向通常“首尾相连”；电畴的结构与晶体结构有关；多晶陶瓷中每个小晶粒可包含多个电畴，由于晶粒本身取向无规则，所以各电畴的分布混乱，对外不显极性。2、电畴的形成：若中间部位的钛离子因热运动的涨落向OI发生微小的位移，则又使氧离子向钛离子

41、靠拢，接着由于较大的内电场力的传递，使自发极化首先沿Ti-OI离子线展开；同时由于电场力及弹性力的传递，周围的OI离子也被向下挤，使自发极化横向发展；横向发展是间接的，比较弱，因此形成的畴核及发展如针状；最后的电畴图案是电场力与弹性力平衡的结果，整个体系保持能量最低。3、电畴的运动：铁电畴在外电场作用下，总是趋向于与外电场方向一致；电畴的运动是通过在外电场作用下新畴的出现、发展及畴壁的移动实现的；180o畴的转向是通过许多尖劈形新畴的出现、发展而实现的；900畴的转向则主要是通过畴壁的侧向移动实现；侧向移动所需的能量低于产生针状新畴所需的能量； 180o畴的转向比较充分、比较稳定； 900电畴

42、转向不充分，且转向不稳定。4、电滞回线：铁电畴在外电场作用下运动的宏观描述。考虑单晶体、两种极化取向、无外电场时总电矩为零的情况：A）OA段曲线：当电场施加于晶体时， 沿电场方向的电畴扩展变大，与电 场反平行的电畴变小；极化强度随 外电场的增大而增加；B）C附近的曲线：电场强度继续增大， 最后晶体电畴方向都趋于电场方向， 类似于单畴，极化强度达到饱和；C）再增加电场，P与E成线性关系，该 线性关系外推至E=0时，再纵轴上的 截距称为饱和极化强度Ps；实际上是 每个单畴的自发极化强度，是对每个单畴而言的；D）电场自C处开始降低，晶体的极化强度也随之减小；零电场处仍存在剩余极化强度Pr；因为E=0

43、时，大部分电畴仍停留在极化方向，因而宏观上还有剩余极化强度，是对整个晶体而言的；E）当电场反向达到-Ec时，剩余极化全部消失； Ec称为矫顽电场强度；反向电场继续增大，极化强度开始反向。1、电滞回线 判定铁电体的依据，材料内部电畴运动的宏观表现；不同材 料和不同工艺条件对其形状影响很大。A）极化温度的影响：影响电畴运动和转向的难易，矫顽场强和饱和场强随温度升高而降低。 a）极化温度较高，可在较低极化电压下达到相同效果，其电 滞回线形状比较瘦长； b）环境温度既影响电畴运动的难易程度，又影响材料的结构， 在晶型转变温度附近最显著。B）极化时间和电压的影响： a）相同的电场强度下，极化时间延长可使

44、极化强度和剩余极 化强度较高； b）极化电压增大电畴转向程度高，剩余极化大。C）晶体结构的影响： a）单晶体的电滞回线接近矩形； b）陶瓷多晶体不易成为单畴，其电滞回线Ps和Pr相差较大；2、介电特性 钙钛矿型铁电体具有很高的介电常数(室温约1400，居里点附近高达600010000)；实际应用需要调整其居里温度和居里点处介电常数的峰值；A）移峰效应：在铁电体中引入添加物生成固溶体，改变原来的晶胞参数和离子间的相互联系，使居里点向低温或高温方向移动；使工作温度(室温)附近的介电常数和温度的关系尽可能平缓；B）压峰效应：为降低居里点处的介电常数的峰值，使工作状态处于相应的介电常数和温度的平缓区。

45、3、非线性 由电滞回线可知，介电常数随外加电场强度非线性地变化，其影响因素主要是材料的结构；使材料具有强非线性，即要使所有电畴在较低电场作用下全部定向；而低电场下的电畴转向主要取决于90o和180o畴壁的位移；而畴壁通常位于缺陷附近，由于缺陷区的内应力畴壁不易移动；因此要选择合适的主晶相材料、减少晶体缺陷、防止杂质掺入、优化工艺条件等。4、晶界效应 BaTiO3铁电材料微量掺杂可表现半导体特性；利用半导体陶瓷的晶界效应，可制造出边界层电容器：晶粒内部为半导体性质，晶界为绝缘层，相当于电容器的介质层。5.1 压电效应1、压电效应： 某些晶体材料在一定方向上可按所施加的机械应力成比例地在受力两端表

46、面上产生数量相等、符号相反的束缚电荷；反之在一定方向的电场作用下，会产生与电场强度成正比的几何应变。2、机理：机械应力引起了晶体介质的极化，从而导致介质两端表面内出现符号相反的束缚电荷。3、压电方程：为二阶对称张量、为矢量，、对正逆压电效应相同；比例常数为电场强度为应变，为应力，为介质电位移逆压电效应：正压电效应：STEDdmVESmNTmCDdESdTD/;2200000000000003332312415636535434333232131362652542432322212126165154143132121111dddddTdTdTdTdTdTdDTdTdTdTdTdTdDTdTdTdTdTdTdD，压电常数矩阵简化为由于压电陶瓷的对称性机械的方向方向，第二个下标代表第一个下标代表电场的11552154333333123311333231131341525151EdSEdSEdSEdSEdSTdTdTdDTdDTdD；逆压电效应：正压电效应：压电振子：被覆激励电极的压电体，是最基本的压电元件1、谐振频率fr和反谐振频率fa ：A）若压电振子的固有振动频率为fr，当施加于其上的激励信号频率等于fr时，压