第五章材料的介电性能-

1、第五第五章章 材料的介电性能材料的介电性能5.1 介质极化和静态介电常数5.2 交变电场中的电介质12021/3/14 在外电场作用下,材料发生两种响应,一种是电传导,另一种是电感应。与导电材料相伴而生,主要应用于材料介电性能的这一类材料总称为电介质电介质（材料）。 表征材料的介电性能的基本参数:介电系数、介电损耗、电导率和击穿强度。22021/3/145.1 介质极化和静态介电常数 5.1.1 电介质极化及其表征 电介质内部没有自由电子,它是由中性分子构成的,是电的绝缘体。所谓中性中性,是指分子中所有电荷的代数和为零 由于分子内在力的约束,电介质分子中的带电粒子不能发生宏观的位移,被称作束缚

2、电荷。束缚电荷。 与外电场强度相垂直的电介质表面分别出现的正、负电荷,这些电荷不能自由移动,也不能离开,总值保持中性32021/3/14自由电子偶极子束缚电荷E真空真空图图5.1 电介质的极化现象电介质的极化现象如右图所示:在外电场的作用下,这些带电粒子可以有微观的位移,这种微观位移将激发附加的电场,从而使总电场变化。电介质电介质就是指在电场作用下能建立极化的一切物质根据分子的电结构,电介质可分为两大类:极性分子电介质和非极性分子电介质42021/3/1452021/3/14材料材料材料材料二氧化硅玻璃3.78（102103）刚玉9（6.5）60(106)金刚石6.6（直流）云母晶体5.46.

3、29.7（直流）氧化铝陶瓷9.511.2多晶ZnS8.7（直流）食盐晶体6.12钛酸钡3000（106）LiF晶体9.27聚苯乙烯泡沫塑料1.021.06（60）聚苯乙烯2.453.10（60）石蜡2.02.5高抗冲聚苯乙烯2.454.75（60）聚乙烯2.26聚苯醚2.58（60）天然橡胶2.62.9聚碳酸酯2.973.71（60）聚乙烯泡沫塑料1.1（60）聚砜3.14(60)ABS泡沫塑料1.63（60）聚氯乙烯3.23.9(60)聚四氟乙烯2.0（60）聚甲基苯烯酸甲酯3.33.9（60）聚丙烯2.2（60）尼龙-63.8（60）聚三氟氯乙烯2.24（60）尼龙-664.0（60）低密

4、度聚乙烯2.24（60）酚醛树脂5.06.5（60）62021/3/145.1.2 5.1.2 电介质的极化的微观机制电介质的极化的微观机制如果按作用质点的性质分,介质的极化一般包括三部分:电子极化电子极化、离子极化离子极化和偶级子转向极化偶级子转向极化通常意义上,电介质极化是由外加电场作用于这些质点产生的,还有一种极化与质点的热运动有关。因此。极化的基本形式有可分为两种两种:（1） 位移式极化位移式极化:一种弹性的、瞬时完成的极化,不消耗能量。例:电子位移极化、离子位移极化电子位移极化、离子位移极化（2） 松弛极化松弛极化: 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,消耗能量

5、 例:电子松弛极化、离子松弛极化电子松弛极化、离子松弛极化72021/3/141. 1. 电子位移极化电子位移极化5.1.2 5.1.2 电介质的极化的微观机制电介质的极化的微观机制电场作用时,正、负电荷中心产生相对位移(电子云发生了变化而使正、负电荷中心分离的物理过程) 电子云位移极化存在于一切气体、液体及固体介质中。图5.2 电子云位移极化示意图电子云位移极化的电子云位移极化的特点特点:a) 极化所需时间极短,在一般频率范围内,可以认为与频率无关; b)具有弹性,没有能量损耗。 c)温度对电子式极化影响不大。 82021/3/14结论:电子极化率的大小与原子（离子）的半径有关92021/3

6、/142. 2. 离子位移极化离子位移极化5.1.2 5.1.2 电介质的极化的微观机制电介质的极化的微观机制对于离子组成的分子,在电场作用下,正负离子都要产生有限范围的位移,因而使介质产生感应偶极矩。这种感应偶极矩是正负离子之间出现相对位移的结果。主要存在于离子化合物材料中,如云母、陶瓷云母、陶瓷等。 102021/3/14112021/3/143. 3. 固有电矩的取向极化固有电矩的取向极化5.1.2 5.1.2 电介质的极化的微观机制电介质的极化的微观机制电介质中电偶极子的产生有两种机制:一是产生于感应电矩一是产生于感应电矩;二是产生于固有电矩二是产生于固有电矩在么偶外电场作用时,电偶极

7、子在固体中杂乱无章地排列,宏观上显示不出它的带电特征;如果将该系统放入外电场中,固有电矩将沿电场方向取向时,其固有的电偶极矩沿外电场方向有序化,这个过程被称为取向取向极化或转向极化极化或转向极化122021/3/14132021/3/14取向极化的机理可以应用于离子晶体的介质中,带有正、负电荷和成对的晶格缺陷所组成的离子晶体中的“偶级子”,在外电场作用下也可能发生取向极化。如下图所示的极化是由杂质离子（通常是带大电荷和阳离子）在阴离子空位周围跳跃引起的,有时也称为离子跃迁极化离子跃迁极化,其极化机构相当于偶级子的转动。在气体、液体和理想的完整晶体中,经常存在的微观极化机制是电子位移极化、离子位

8、移极化和固有电矩的取向极化在非晶体固体、聚合物高分子、陶瓷以及不完整的晶体中,还会存在其他复杂的微观极化机制。松弛极化、空间电荷极化和自发极化松弛极化、空间电荷极化和自发极化142021/3/144. 4. 松弛极化松弛极化有一种极化,虽然也是由外加电场造成的,但是它还与带电质点的热运动状态密切相关。当材料中存在弱电联系的电子、离子和偶级子等松弛质点时,温度造成的热运动使这些质点分布混乱,而在电场的作用使它们有序分布,平衡时建立了极化状态。这种极化具有统计性质,称为热松弛（驰豫）极化热松弛（驰豫）极化包括:电子松弛极化、离子松弛极化电子松弛极化、离子松弛极化以及以及偶级子松弛极化偶级子松弛极化

9、,多发生子晶体缺陷区或玻璃体内,有些极性分子物质也会发生152021/3/144. 4. 松弛极化松弛极化材料材料中弱束缚电子在晶格热振动下中弱束缚电子在晶格热振动下,吸收一定能吸收一定能量由低级局部能级跃迁到较高能级处于量由低级局部能级跃迁到较高能级处于激发态激发态;处于激发态的电子连续地由一个阳离子结点处于激发态的电子连续地由一个阳离子结点,移移到另一个阳离子结点到另一个阳离子结点;外加电场使其运动具有一定的方向性外加电场使其运动具有一定的方向性,由此引起由此引起极化极化,使介电材料具有异常高的介电常数。使介电材料具有异常高的介电常数。162021/3/144. 4. 松弛极化松弛极化结构

10、正常区结构正常区 缺陷区缺陷区U松松U松松U导电导电172021/3/14182021/3/145. 5. 空间电荷极化空间电荷极化在在不均匀介质中不均匀介质中,如介质中存在晶界、相界、晶格畸变、杂质、气泡等缺陷区如介质中存在晶界、相界、晶格畸变、杂质、气泡等缺陷区,都可都可成为自由电子运动的成为自由电子运动的障碍障碍;在障碍处在障碍处,自由电子积聚自由电子积聚,形成空间电荷极化形成空间电荷极化,一般为高压式极化一般为高压式极化。在电场的作用下在电场的作用下,这些混乱分布的空间趋向于有序化这些混乱分布的空间趋向于有序化,即空间电荷的正、负电荷质点即空间电荷的正、负电荷质点分布向外电场的正、负极

11、方向移动分布向外电场的正、负极方向移动,其表现类似于一个宏观的电矩群从无序取向向有其表现类似于一个宏观的电矩群从无序取向向有序取向的转化过程。序取向的转化过程。这种极化称为空间电荷极化这种极化称为空间电荷极化192021/3/14空间电荷极化的空间电荷极化的特点特点: 时间较时间较长长; 属非弹性极化属非弹性极化,有能量损耗有能量损耗; 随温度的升高而下降随温度的升高而下降; 主要存在于直流和低频下主要存在于直流和低频下,高频时因空高频时因空间电荷来不及移动间电荷来不及移动,没有或很少有这种极没有或很少有这种极化现象。化现象。 202021/3/146. 6. 自发极化自发极化这种极化状态并非

12、由外电场引起这种极化状态并非由外电场引起,而是由晶体的内部结构造成的而是由晶体的内部结构造成的,在这类晶体中,每一个晶胞里都存在固有电偶极矩,即使外加电场除去,任存在极化,而且其自发极化方向可随外电场方向的不同而反转,这类材料称为铁电体铁电体铁电体的就按强度P和电场强度E的关系类似于铁磁材料的此话特性,称为电滞现象电滞现象自发极化在某一温度下急剧消失,称此为“居里温度”,并用Tc表示212021/3/14 表表5-2 各种极化形式的比较各种极化形式的比较极化形式极化形式极化的电极化的电介质种类介质种类极化的频极化的频率范围率范围与温度的关与温度的关系系能量消耗能量消耗电子位移电子位移极化极化一

13、切陶瓷一切陶瓷直流直流光频光频无关无关无无离子位移离子位移极化极化离子结构离子结构直流直流红外红外温度升高极温度升高极化增强化增强很弱很弱离子松弛离子松弛极化极化离子不紧离子不紧密的材料密的材料直流直流超高频超高频随温度变化随温度变化有极大值有极大值有有电子位移电子位移松弛极化松弛极化高价金属高价金属氧化物氧化物直流直流超高频超高频随温度变化随温度变化有极大值有极大值有有转向极化转向极化有机有机直流直流超高频超高频随温度变化随温度变化有极大值有极大值有有空间电荷空间电荷极化极化结构不均结构不均匀的材料匀的材料直流直流高频高频随温度升高随温度升高而减小而减小有有222021/3/14图图5-8

14、各种极化频率范围及其对介电常数的贡献232021/3/145.1.3 5.1.3 宏观极化强度与微观极化率宏观极化强度与微观极化率1. 有效电场有效电场作用在被考察分子上的有效电场与宏观电场不同,它是外加宏观电场与周围极化了的分子对被考察分子相互作用电场之和。即与分子、原子上的有效电场分子、原子上的有效电场、外加电场外加电场E0、电介质极化形成单刀退电介质极化形成单刀退极化场极化场Ed、还有分子还有分子或或原子周围的带电质点的相互作用原子周围的带电质点的相互作用有关有关当电介质极化后,在其表面形成了束缚电荷。这些束缚电荷形成了一个新的电场,由于与极化电场方向相反。故称为退极化场Ed,如右图所示

15、。图5.9 退极化场退极化场EdP外加电场E0和退极化场Ed的共同作用才是宏观电场E宏,即 E宏=E0+Ed242021/3/142. 2. 克劳修斯克劳修斯- -莫索堤方程莫索堤方程5.1.3 5.1.3 宏观极化强度与微观极化率宏观极化强度与微观极化率整理得:252021/3/145.1.4 5.1.4 影响介电常数的因素影响介电常数的因素 介电类型 温度系数 介电常数与温度呈强的非线性关系,用温度系数描述温度特征难度大 介电常数与温度呈线性关系,可以用温度系数描述介电常数与温度的关系262021/3/145.2 5.2 交变电场中的电介质交变电场中的电介质 5.2.1 复介电常数在变动的

16、电场下,静态介电常数不再适用,而出现动态介电常数复介电常数复介电常数272021/3/14 5.2.1 复介电常数复介电常数最普遍地表达式是复介电常数最普遍地表达式是282021/3/145.2.2 5.2.2 介电驰豫的物理意义介电驰豫的物理意义图5.11 极化强度的建立 当电介质开始受静电场作用时,要经过一段时间后,极化强度才能达到相应的数值,这个现象称为极化弛豫,所经过的这段时间称为弛豫时间。292021/3/14302021/3/145.2.3 5.2.3 德拜驰豫方程德拜驰豫方程而312021/3/14上式就常称为德拜方程德拜方程5.2.3 5.2.3 德拜驰豫方程德拜驰豫方程322

17、021/3/14Cole-Cole图在处理实验数据时很有用。在不同的频率下,测出复介电长生殿额实部和虚部,将测量点标在复平面上,所实验点组成一个半圆弧,则属于德拜型驰豫;同时,个别实验点对圆弧的偏离程度表明了这些实验点的精确程度对于偏离德拜型的介电驰豫,有一个很有用的经验公式经验公式,把复介电常数写成:332021/3/145.2.4 5.2.4 谐振吸收和色散谐振吸收和色散342021/3/145.2.5 5.2.5 介电损耗介电损耗介质损耗介质损耗:任何电介质在电场（直流、交流）的作用下,总有部分电能转化为其他形式的能电介质损耗电介质损耗:电介质在单位时间内损耗的能量称为电介质损耗功率,简

18、称电介质损耗1. 介质损耗的形式和微观原理介质损耗的形式和微观原理电介质在恒定电场的作用下所损耗的能量与通过其内部的电流电流有关(1) 由样品集合电容的充电所造成的位移电流或电容电流,这部分电流不损耗能量(2) 由各种介质极化的建立引起的电流,此电流与松弛极化或惯性极化、共振等有关,引起的损耗为极化损耗极化损耗(3) 由介质的电导（漏导）造成的电流,这一电流与自由电荷有关,引起的损耗称为电导损耗电导损耗352021/3/141 1）电导（或漏导）损耗）电导（或漏导）损耗 缺陷的存在,产生带束缚较弱的带电质点。带电质点在外电场的作用下沿着与电场平行的方向做贯穿电极之间的运动。 实质相当于交流、直

19、流电流流过电阻做功,一切实用工程介质材料不论是在直流或在交流电场作用下,都会发生漏导损耗。362021/3/14 由于各种电介质极化的建立所造成的电流引起的损耗称为极化损耗,这里的极化一般是指弛豫型的。结论: 当外电场频率很低,即0时,各种极化都能跟上电场的变化,即所有极化都能完全建立,介电常数达到最大,而不造成损耗; 当外电场频率逐渐升高时,松弛极化从某一频率开始跟不上外电场变化,此时松弛极化对介电常数的贡献减小,使随频率升高而显著下降,同时产生介质损耗,当时,损耗达到最大; 当外电场频率达到很高时,松弛极化来不及建立,对介电常数无贡献,介电常数仅由位移极化决定, 0时, tan,此时无极化

20、损耗。 （说明:损耗角,大小可以作为绝缘材料的判据 =tan）2）极化损耗极化损耗372021/3/14 对于离子晶体,晶格振动的光频波代表原胞内离子的相对运动,若外电场的频率等于晶格振动光频波的频率,则发生共振吸收。 3）共振吸收）共振吸收损耗损耗382021/3/142. 2. 介电损耗的表示方法介电损耗的表示方法5.2.5 5.2.5 介电损耗介电损耗392021/3/142. 2. 介电损耗的表示方法介电损耗的表示方法5.2.5 5.2.5 介电损耗介电损耗在交变电场下,除电导损耗外,还有因介质极化（尤其是取向极化）而引起的能耗因介质极化（尤其是取向极化）而引起的能耗单位体积电解质的功

21、率损耗可表示为综合电导损耗和极化损耗两部分,可得到介质损耗为:介质损耗率P为402021/3/145.2.6 5.2.6 影响介质损耗的因素影响介质损耗的因素影响材料介质损耗的因素可分为两类两类,一类是材料结构本身的影响,如不同材料的漏导电流不同,由此引起的损耗也各不相同。第二类是外界环境或实验条件对材料介电损耗的影响。1. 介质损耗与频率的关系此时只有电导损耗412021/3/141. 介质损耗与频率的关系422021/3/145.2.6 5.2.6 影响介质损耗的因素影响介质损耗的因素2. 介质损耗与温度的关系介质损耗与温度的关系1) 低温区432021/3/142. 介质损耗与温度的关系

22、介质损耗与温度的关系2) 反常分散区3）高温区442021/3/145.2.6 5.2.6 影响介质损耗的因素影响介质损耗的因素3. 介质损耗与介质损耗与湿湿度的关系度的关系452021/3/14 以上介绍的介质损耗所针对的是单相的材料,而实际的材料往往是显微结构不均匀的多相体,尤为突出的是应用广泛的固体无机材料,这些材料损耗的主要形式是电导损耗和松弛极化损耗,但还有两种其他损耗形式:电离损耗电离损耗和结构损耗结构损耗5.2.7 5.2.7 材料的介质损耗材料的介质损耗1. 无机材料中的两种损耗形式无机材料中的两种损耗形式1）电离损耗 游离损耗游离损耗2) 结构损耗定义:在高频、低温下,与介质内部结构的紧密程度密切相关的介质损耗。一般材料:在高温、低频下,主要为电导损耗; 在常温、高频下,主要为松弛极化损耗 在高频、低温下,主要为结构损耗462021/3/142. 无机材料中的损耗无机材料中的损耗1）离子晶体的损耗5.2.7 5.2.7 材料的介质损耗材料的介质损耗2）玻璃的损耗3）陶瓷材料的损耗陶瓷材料损耗主要来源:电导损耗电导损耗、松弛损耗松弛损耗和结构损耗结构损耗复杂玻璃中的介质损耗:电导损耗电导损耗、松弛损耗松弛损耗和结构损耗结构损耗结构紧密的晶体结构紧密的晶体,在常温下热缺陷很少,因而损耗也少。这类晶体的介质损耗功率与频率无关结构不紧密的离子晶