第三章材料物理性能

1、 第三章第三章 材料的介电性能材料的介电性能本章本章主要内容主要内容l电介质及其极化电介质及其极化l压电性和热释电性压电性和热释电性l铁电性铁电性1. 1. 以以电荷长程迁移电荷长程迁移即即传导传导的方式（可以是电子传导、空的方式（可以是电子传导、空穴传导和离子传导）对外电场作出响应，这类材料即穴传导和离子传导）对外电场作出响应，这类材料即导导电材料电材料； 材料对外电场作用的响应材料对外电场作用的响应2. 2. 以以感应的方式感应的方式对外电场作对外电场作出响应，即沿电场方向产生出响应，即沿电场方向产生电偶极矩电偶极矩或或电偶极矩的改变电偶极矩的改变，这类材料称为这类材料称为电介质电介质；这

2、种；这种现象称为现象称为电介质的极化。电介质的极化。 极化极化绝缘体绝缘体电介质电介质 将物质分类为绝缘体、半导体、导体、以及超导体将物质分类为绝缘体、半导体、导体、以及超导体时，其依据是物质的电荷传导特性或者说电荷长程迁移时，其依据是物质的电荷传导特性或者说电荷长程迁移特性。电荷的传导（电荷的长程迁移），作为物质对外特性。电荷的传导（电荷的长程迁移），作为物质对外电场的响应，其宏观表现即为电流。根据欧姆定律电场的响应，其宏观表现即为电流。根据欧姆定律: : J=J= E E，其中，其中J J为电流密度，为电流密度，E E电场强度，而电场强度，而 为电导率张为电导率张量量( (二阶对称张量二阶

3、对称张量) )。电导率反映了物质的电荷传输特性。电导率反映了物质的电荷传输特性或电荷长程迁移特性。或电荷长程迁移特性。 物质对外电场的响应除去电荷的传导外，还有电荷短物质对外电场的响应除去电荷的传导外，还有电荷短程运动与位移。这种电荷的短程运动与位移称为程运动与位移。这种电荷的短程运动与位移称为极化极化(Polarization)(Polarization)，其结果是促使正负电荷中心偏移、从而产，其结果是促使正负电荷中心偏移、从而产生生电偶极矩电偶极矩。而。而以极化方式传递、储存或记录外电场作用以极化方式传递、储存或记录外电场作用和影响的物质就是电介质和影响的物质就是电介质。显然，。显然，电介

4、质中起主要作用的电介质中起主要作用的乃是束缚电荷而非自由电荷乃是束缚电荷而非自由电荷。极化可以来自极性晶体或分。极化可以来自极性晶体或分子的自发极化、也可以来自电场的诱导作用。子的自发极化、也可以来自电场的诱导作用。 传导与极化是物质对电场的两种主要响应方式传导与极化是物质对电场的两种主要响应方式，它们虽有主次、但往往同时存在。当我们主要关注其它们虽有主次、但往往同时存在。当我们主要关注其传导特性时，将物质分类为绝缘体、半导体与导体；传导特性时，将物质分类为绝缘体、半导体与导体；而当我们重点关注其极化特性时，则将物质分类为顺而当我们重点关注其极化特性时，则将物质分类为顺电体、铁电体、反铁电体、

5、压电体、热释电体等电介电体、铁电体、反铁电体、压电体、热释电体等电介质。质。 电介质与绝缘体是相互密切联系、然而并不能等同电介质与绝缘体是相互密切联系、然而并不能等同的两个概念。的两个概念。绝缘体肯定是电介质，但电介质却不仅绝缘体肯定是电介质，但电介质却不仅仅包括绝缘体。仅包括绝缘体。虽然大部分实用电介质材料为绝缘体，虽然大部分实用电介质材料为绝缘体，然而半导体甚至金属都有电介质的特性、只是其对外然而半导体甚至金属都有电介质的特性、只是其对外电场的响应中传导效应远远超过了极化效应而已。电场的响应中传导效应远远超过了极化效应而已。 介电材料和绝缘材料是电子与电介电材料和绝缘材料是电子与电气工程中

6、不可缺的功能材料。气工程中不可缺的功能材料。3.1 3.1 电介质及其极化电介质及其极化3.1.1 3.1.1 平板电容器及其电介质平板电容器及其电介质电容电容 ：两个临近导体加上电压后存储：两个临近导体加上电压后存储电荷能力的量度。是表征电容器容电荷能力的量度。是表征电容器容纳电荷的本领的物理量纳电荷的本领的物理量 电容的单位是法拉，简称法，符号是电容的单位是法拉，简称法，符号是F, F, 毫法毫法(mF)(mF)、微法、微法( (FF) )、纳法、纳法( (nFnF) ) 和和皮法皮法(pF)(pF)3.1.2 介电常数1）材料因素： 材料在电场中被极化的能力 2）尺寸因素： d 和A ：

7、平板间的距离和面积如果平板间为真空：在平行板电容器间放置某些材料，会使电容器存储电荷的能力增加，CCCC0真空介电常数：0 =8.8510-12 F. m-1(法拉/米) 相对介电常数：r介电常数（电容率）： =0r(F/m)介电常数是描述某种材料放入电容器中增加电容器存储电荷能力的物理量。dAVQC/0000CCrdAVQCdACCrr/00材料频率范围/Hz相对介电常数二氧化硅玻璃102-10103.78金刚石直流6.6-SiC直流9.70多晶ZnS直流8.7聚乙烯602.28聚氯乙烯603.0聚甲基丙烯酸甲酯603.5钛酸钡1063000刚玉6093 3）电介质的极化：）电介质的极化：l

8、介电材料：放在平板电容器中增加电容介电材料：放在平板电容器中增加电容的材料的材料 l电介质：在电场作用下能建立极化的物电介质：在电场作用下能建立极化的物质。质。 在真空平板电容器中，嵌入一块电介质。在真空平板电容器中，嵌入一块电介质。加入外电场时，加入外电场时，在正极附近的介质表面在正极附近的介质表面感应出负电荷，负极板附件的介质表面感应出负电荷，负极板附件的介质表面感应出正电荷感应出正电荷，这些电荷称为，这些电荷称为感应电荷感应电荷或或束缚电荷束缚电荷。l极化：电介质在电场作用产生束缚电荷极化：电介质在电场作用产生束缚电荷的现象。的现象。+偶极子+自由电荷束缚电荷3.1.23.1.2极化相关

9、的物理量极化相关的物理量1 1）电偶极矩：）电偶极矩：带有等量异号电荷并且相距一段距离的荷电质点，形带有等量异号电荷并且相距一段距离的荷电质点，形成电偶极矩。成电偶极矩。 对于极性分子电介质，由于分子的正负电荷中心不重合，存对于极性分子电介质，由于分子的正负电荷中心不重合，存在电偶极矩；对于非极性分子电解质，由于外界作用，正负电荷在电偶极矩；对于非极性分子电解质，由于外界作用，正负电荷中心瞬时分离，也产生电偶极距。中心瞬时分离，也产生电偶极距。 ql 电偶极子：具有一个正极和一个负极的分子或结构电偶极子：具有一个正极和一个负极的分子或结构. .极化电荷：和外电场相垂直的电介质表面分别出现的正负

10、电荷，不能自极化电荷：和外电场相垂直的电介质表面分别出现的正负电荷，不能自由移动，也不能离开，总保持电中性。由移动，也不能离开，总保持电中性。2 2）极化强度）极化强度P P：电介质极化程度的量度，单位体积内的电偶极矩，数值电介质极化程度的量度，单位体积内的电偶极矩，数值上等于分子表面电荷密度上等于分子表面电荷密度 ； Xe: Xe: 电极化率电极化率, , 不同材料具有不同的值。不同材料具有不同的值。 VPEPe0 它和实际有效电场有关，实际电场包括它和实际有效电场有关，实际电场包括(1)(1)外加电场；外加电场；(2)(2)极化电荷极化电荷自身的电场自身的电场可以证明：可以证明：所以有：所

11、以有：令电位移令电位移D D为：为： 代入得：代入得：在各向同性的电介质中，电位移等于场强的在各向同性的电介质中，电位移等于场强的 倍。倍。 1re) 1(0rEPEPe0PED0EEEEPEDrr0000) 1(1. 1. 电子位移极化电子位移极化无外电场作用无外电场作用+ + E E- -3.1.3 3.1.3 极化机制极化机制 电子位移极化：在外电场作用下，原子外围的电电子位移极化：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，原子中的正、负电荷重子云相对于原子核发生位移，原子中的正、负电荷重心产生相对位移，形成电矩，称电子的位移极化。心产生相对位移，形成电矩，称电子的位移极化。

12、特点：特点：1. 1. 范围：一切气体、液体及固体介质中范围：一切气体、液体及固体介质中2. 2. 能耗：具有弹性，当外电场去掉后，依靠正、负电荷间能耗：具有弹性，当外电场去掉后，依靠正、负电荷间的吸引力，作用中心又马上会重合，对外不显电性。不引的吸引力，作用中心又马上会重合，对外不显电性。不引起能量损耗起能量损耗3. 3. 与频率关系：由于电子质量轻，极化速度快，与频率关系：由于电子质量轻，极化速度快，1010-14-14-10-10-15-15秒，秒， 在各种频率的交变电场下均能产生，与频率无关在各种频率的交变电场下均能产生，与频率无关其平均极化率为：其平均极化率为：3034Re2. 2.

13、 离子位移极化离子位移极化 离子位移极化：电介质中的正负离子在电场作用下发离子位移极化：电介质中的正负离子在电场作用下发生可逆的弹性位移。正离子沿电场方向移动，负离子沿反生可逆的弹性位移。正离子沿电场方向移动，负离子沿反电场方向移动。由此形成的极化称为离子位移极化。电场方向移动。由此形成的极化称为离子位移极化。 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。感生偶极矩。 E E特点：特点：1. 1. 范围：由离子键构成的电介质中范围：由离子键构成的电介质中2. 2. 能耗：具有弹性，当外电场去掉后，依靠正、负电荷能耗：具有弹性，当外

14、电场去掉后，依靠正、负电荷间的吸引力，作用中心又马上会重合，对外不显电性。间的吸引力，作用中心又马上会重合，对外不显电性。有微量能量损耗有微量能量损耗3. 3. 与频率关系：极化完成时间约为与频率关系：极化完成时间约为l0 l0-12-12-10-10-13-13s s。离子位移极化率：离子位移极化率：0341naa式中：式中：a a为晶格常数；为晶格常数；n n为电子层斥力指数，为电子层斥力指数， 对于离子晶体对于离子晶体n n为为7-117-113 3、松弛极化（驰豫极化）、松弛极化（驰豫极化）1 1）. .松弛极化松弛极化 当材料中存在着弱联系电子、离子和偶极子等松弛质点时，热运当材料中

15、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按电场规律分布，动使这些松弛质点分布混乱，而电场力图使这些质点按电场规律分布，最后在一定的温度下发生极化。这种极化具有统计性质，叫做松弛极最后在一定的温度下发生极化。这种极化具有统计性质，叫做松弛极化。化。2 2）. .特点特点 松弛极化的带电质点在热运动时移动的距离，可与分子大小相比松弛极化的带电质点在热运动时移动的距离，可与分子大小相比拟，甚至更大。因此这种拟，甚至更大。因此这种极化建立的时间较长极化建立的时间较长( (可达可达1010-2-2-10-10-9-9秒秒) )，需要，需要吸收一定的能

16、量，是一种吸收一定的能量，是一种非可逆非可逆的过程。的过程。 3 3）. .类型类型 松弛极化包括离于松弛极化，电子松弛极化和偶极子松弛极化，松弛极化包括离于松弛极化，电子松弛极化和偶极子松弛极化，多发生在多发生在晶体缺陷区或玻璃体内晶体缺陷区或玻璃体内。（一）电子松弛极化（一）电子松弛极化电子松弛极化是由弱束缚电子引起的极化。电子松弛极化是由弱束缚电子引起的极化。1. 1.弱束缚电子：弱束缚电子：晶格的热振动、晶格缺陷、杂质的引入、化学组晶格的热振动、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

17、部能级，形成弱束缚电子。中的局部能级，形成弱束缚电子。2. 2.电子松弛极化：电子松弛极化：电介质在外电场作用下，其中弱联系电子能在电介质在外电场作用下，其中弱联系电子能在一定范围内作定向运动，造成电荷分布不均匀，引起的极化。一定范围内作定向运动，造成电荷分布不均匀，引起的极化。 外加电场使弱束缚电子的运动具有方向性，外加电场使弱束缚电子的运动具有方向性， 形成极化状态。形成极化状态。这种极化与热运动有关，也是一个热松弛过这种极化与热运动有关，也是一个热松弛过 程，所以叫电子松程，所以叫电子松弛极化。弛极化。 电子松弛极化的过程是不可逆的，必然有能量的损耗。电子松弛极化的过程是不可逆的，必然有

18、能量的损耗。19（二）离子松弛极化（二）离子松弛极化 离子式电解质在外电场作用下，其中的离子式电解质在外电场作用下，其中的弱联系离子弱联系离子能在一个或几个离子范围内作定向运动，以致内部电荷能在一个或几个离子范围内作定向运动，以致内部电荷分布不均匀，而引起的极化。分布不均匀，而引起的极化。 1 1）强联系离子：强联系离子：在完整的离子晶体中，离子处于正常结在完整的离子晶体中，离子处于正常结点，能量最低，最稳定，离子牢固地束缚在结点上，称为强联点，能量最低，最稳定，离子牢固地束缚在结点上，称为强联系离子。它们在电场作用下，只能产生弹性位移极化。系离子。它们在电场作用下，只能产生弹性位移极化。 2

19、) 2)弱联系离子：弱联系离子：在玻璃态物质、结构松散的离于晶体中以在玻璃态物质、结构松散的离于晶体中以及晶体的杂质和缺陷区域，离子本身能量较高，易被活化迁移及晶体的杂质和缺陷区域，离子本身能量较高，易被活化迁移的离子，称为弱联系离子。的离子，称为弱联系离子。 弱联系离子的极化从一个平衡位置到另一个平衡位置，当弱联系离子的极化从一个平衡位置到另一个平衡位置，当去掉外电场时，离子不能回到原来的平衡位置，因而是去掉外电场时，离子不能回到原来的平衡位置，因而是不可逆不可逆的迁移。这种迁移的行程比弹性位移距离大。的迁移。这种迁移的行程比弹性位移距离大。20kTqaT1222 T Ta a极化率极化率

20、；q q为离子荷电量；为离子荷电量； 为弱离子电场作用下的迁移；为弱离子电场作用下的迁移； 温度越高，热运动对质点的规则运动阻碍增强，极温度越高，热运动对质点的规则运动阻碍增强，极化率减小。化率减小。 离子松弛极化率比位移极化率大一个数量级，可导致离子松弛极化率比位移极化率大一个数量级，可导致材料大的介电常数。材料大的介电常数。离子松弛极化率：离子松弛极化率：4. 4. 转向极化转向极化( (取向极化）取向极化） 偶极分子在无外电场时就有一定的偶极矩，偶极分子在无外电场时就有一定的偶极矩， 但因热运动缘故，但因热运动缘故，它在各方向运动概率相同，故无外电场时它的宏观电矩为零。但它在各方向运动概

21、率相同，故无外电场时它的宏观电矩为零。但有有外电场时，由于偶极子要受到转矩的作用，有沿外电场方向排列的外电场时，由于偶极子要受到转矩的作用，有沿外电场方向排列的趋势，因而呈现宏观电矩，形成极化。趋势，因而呈现宏观电矩，形成极化。这种极化所需时间较长，约这种极化所需时间较长，约1010-2-21010-10-10s, s, 且极化是非弹性的，即撤去外电场后，偶极子不能恢复且极化是非弹性的，即撤去外电场后，偶极子不能恢复原状。在极化过程中要消耗能量。原状。在极化过程中要消耗能量。 转向极化主要发生在转向极化主要发生在极性分子介质极性分子介质中。具有恒定偶中。具有恒定偶极矩极矩的分子称为极性分子。的

22、分子称为极性分子。 在外场不是很高时，取向极化率：在外场不是很高时，取向极化率：kTd320无外场时的均方偶极距无外场时的均方偶极距 比电子极化大比电子极化大2 2个数量级，但由于分子质量大，极化建个数量级，但由于分子质量大，极化建立时间慢，约为立时间慢，约为1010-2-21010-10-10s s。5. 5. 空间电荷极化空间电荷极化在不均匀介质中，如介质中存在晶界、相界、晶格畸变、在不均匀介质中，如介质中存在晶界、相界、晶格畸变、杂质、气泡等杂质、气泡等缺陷区缺陷区，都可成为自由电荷（，都可成为自由电荷（电子、离子电子、离子）运动的障碍；运动的障碍； 在障碍处，自由电荷积聚，形成在障碍处

23、，自由电荷积聚，形成空间电荷极化空间电荷极化。这种极化这种极化所需时间最长，所需时间最长， 约几秒到数十分钟，甚至数十小时。约几秒到数十分钟，甚至数十小时。-+-+-+外电场外电场P极化形式极化的电介质种类极化的频率范围与温度的关系能量消耗电子位移极化一切陶瓷直流光频无关无离子位移极化离子结构直流红外温度升高极化增强很弱离子松弛极化离子不紧密的材料直流超高频随温度变化有极大值有电子松弛极化高价金属氧化物直流超高频随温度变化有极大值有转向极化有机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材料直流高频随温度升高而减小有各种极化形式的比较各种极化形式的比较6 6、自发极化、自发极化 是一

24、种特殊的极化方式。自发极化不是由外加电场是一种特殊的极化方式。自发极化不是由外加电场引起的，它是由晶体的内部结构造成的。在此类晶体中，引起的，它是由晶体的内部结构造成的。在此类晶体中，每个晶胞里存在固有电矩，此类晶体称为极性晶体。每个晶胞里存在固有电矩，此类晶体称为极性晶体。自发极化现象通常发生在一些具有特殊结构的晶体中。自发极化现象通常发生在一些具有特殊结构的晶体中。3.1.4 3.1.4 宏观极化强度和微观极化率的关系宏观极化强度和微观极化率的关系(1)(1)作用于分子、原子上的有效电场（作用于分子、原子上的有效电场（局部电场）局部电场）ElocEloc ：作用于分子、原子上的有效电场作用

25、于分子、原子上的有效电场外加电场外加电场E E0 0电介质极化形成电介质极化形成的退极化场的退极化场E Ed d周围的荷周围的荷电质点作电质点作用形成用形成E Ei i+ +- -E0EdEi03PEiidlocEEEE0E宏宏=E0+Ed质点位置上的局部电场质点位置上的局部电场E Elocloc （有效电场）：（有效电场）： E Elocloc=E=E0 0+E+Ed d+P/3+P/3 o o 对于对于气体质点气体质点，其质点间的相互作用可以忽略，局，其质点间的相互作用可以忽略，局部电场与外电场相同。部电场与外电场相同。 对于对于固体介质固体介质，周围介质的极化作用对作用于特定，周围介质的

26、极化作用对作用于特定质点上的局部电场有影响。质点上的局部电场有影响。周围介质的极化作用对作用于特周围介质的极化作用对作用于特定质点上的电场贡献。定质点上的电场贡献。（2 2）. .克劳修斯克劳修斯- -莫索堤方程莫索堤方程iiNPlociiElociiENP03PEPNii宏) 1(0rEP宏003) 1(PPPNriiiiirrN03121克劳修斯克劳修斯- -莫索堤方程莫索堤方程克劳修斯克劳修斯-莫索堤方程的意义：莫索堤方程的意义： 建立了可测物理量建立了可测物理量 r （宏观量）与质点极化率（宏观量）与质点极化率 （微观（微观量）之间的关系。量）之间的关系。iiirrN03121相对介电

27、常数相对介电常数偶极子种类偶极子种类极化率极化率偶极子数目偶极子数目宏观介电常数宏观介电常数微观介电机制微观介电机制)(3121443322110NNNNirr电子位电子位移极化移极化离子位离子位移极化移极化取向取向极化极化空间电空间电荷极化荷极化从克劳修斯从克劳修斯-莫索堤方程：讨论高介电常数的质点：莫索堤方程：讨论高介电常数的质点： （ r 1 ）/（ r +2 ）= n /（3 o ） （ r 1 ）/（ r +2 ）- r越大其值越大越大其值越大克劳修斯克劳修斯- -莫索堤方程的适用范围：莫索堤方程的适用范围： 适用于分子间作用很弱的气体、非极性液体、非极性固适用于分子间作用很弱的气体

28、、非极性液体、非极性固体、具有适当对称性的固体。体、具有适当对称性的固体。 介质中质点介质中质点极化率大极化率大，极化介质中，极化介质中极化质点数多极化质点数多，则，则介质具有介质具有高介电常数高介电常数。电介质在电场作用下，内部通过的电流包括：电介质在电场作用下，内部通过的电流包括： ：电容电流：电容电流：由样品的几何电容的充电引起电流；由样品的几何电容的充电引起电流； ：介质极化的建立引起的电流介质极化的建立引起的电流：与极化的松弛（驰豫）：与极化的松弛（驰豫）过程有关；过程有关； ：介质的电导（漏导）造成的电流介质的电导（漏导）造成的电流：与自由电荷有关。：与自由电荷有关。3.2 3.2

29、 交变电场下的电介质交变电场下的电介质3.2.1 3.2.1 复介电常数和介质损耗复介电常数和介质损耗 在在真空中的平行平板式电容器真空中的平行平板式电容器两极板上加交变电压两极板上加交变电压U=UU=Uo oe e i i t t，电容上的电流与外电压相差，电容上的电流与外电压相差9090o o的位相的位相。由由 Q=CQ=Co oU U U=Q/C U=Q/Co o= = Idt/CIdt/Co o I=C I=Co odU/dtdU/dt电容上的电流：电容上的电流： I Ic c=i=i C Co oU U 两极板间填充相对介电常数为两极板间填充相对介电常数为 r r的的理想介电材料理想

30、介电材料（绝缘、非极性），（绝缘、非极性）， 电容上的电流：电容上的电流：I=iI=i CU= iCU= ir rC Co oU= U= r rI Ic, c,电容上的电流与外电压仍相差电容上的电流与外电压仍相差9090o o的位相的位相如果介质有微弱的导电如果介质有微弱的导电，则其中有一个与外加电压相位，则其中有一个与外加电压相位相同的小电流通过相同的小电流通过（I= i CU+GU）Ui CU设设电导电导G仅由自由电荷产生，则仅由自由电荷产生，则: G= A/d , 由于电容由于电容: C= r 0A/d则电流密度则电流密度: J=(ir 0 + )E= *E 复电导率复电导率 * 的定义

31、：的定义： *= i r 0 + 复介电常数复介电常数的定义：的定义： *i*rrri 电容项损耗项rrtg损耗角正切损耗角正切的定义：的定义： 表示为获得给定的存储电荷要消耗的能量的大小，表示为获得给定的存储电荷要消耗的能量的大小，是评价电介质作为绝缘材料使用评价的参数。是评价电介质作为绝缘材料使用评价的参数。德拜方程：德拜方程： r( )= r + rs - r /(1+i ) r = r + rs - r /(1+ 2 2) （ r( )的实部）的实部） r = rs - r /(1+ 2 2) （ r( )的虚部）的虚部） tg = r / r = 其中：其中： rs -低频或静态时的

32、相对介电常数低频或静态时的相对介电常数 r - 时的相对介电常数时的相对介电常数德拜研究了电介质的德拜研究了电介质的介电常数介电常数 r、反映介电损耗的反映介电损耗的 r 、所加所加电场的角频率电场的角频率及及松弛时间松弛时间之间的关系。之间的关系。22)(rrsrrs3.2.2 介电松弛（弛豫）和德拜方程介电松弛（弛豫）和德拜方程 0.1 1 10 r rs r r =1， r最大，大于或小于最大，大于或小于1 时，时， r都小，都小，即：松弛时间和所加电场的频率相比，松弛时间较长即：松弛时间和所加电场的频率相比，松弛时间较长时，偶极子来不及转移定向，时，偶极子来不及转移定向， r就小；松弛

33、时间比所就小；松弛时间比所加电场的频率还要迅速，加电场的频率还要迅速， r也小。也小。空间电荷极化空间电荷极化松弛极化松弛极化离子极化离子极化电子极化电子极化 工频工频 声频声频 无线电无线电 红外红外 紫外紫外极极化化率率或或 极化率和介电常数与频率的关系极化率和介电常数与频率的关系3.2.3 3.2.3 介电损耗介电损耗分析分析电介质在电场作用下，单位时间电介质在电场作用下，单位时间内消耗的电能称为介电损耗。内消耗的电能称为介电损耗。在直流电场下，在直流电场下，22EVGUVIUVPpw介质损耗率介质损耗率p p：单位体积的介质损耗：单位体积的介质损耗介质损耗率取决于材料的介质损耗率取决于

34、材料的电导率电导率。 在交变电场下，介质损耗不仅与自由电荷的电导有关，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，所以还与松弛极化过程有关，所以不仅决定于自由电荷电导，不仅决定于自由电荷电导，还由束缚电荷产生，与频率有关。还由束缚电荷产生，与频率有关。0 rrrtg（1 1）频率的影响）频率的影响介质损耗和频率、温度的关系介质损耗和频率、温度的关系0， 介质的各种极化都能跟上外加电场的变化，此时不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，介电常数达到最大。介电损耗主要存在极化损耗，介电常数达到最大。介电损耗主要由漏导引起，与频率无关。由漏导引起，与频率

35、无关。tg = / 0，tg tg 当外加电场频率当外加电场频率逐渐升高逐渐升高时，松弛极化在时，松弛极化在某一频率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，逐渐减小，很高时，很高时， r r , r 趋于最小值。趋于最小值。，tg 0 r tg （2 2）温度的影响）温度的影响T T 很低时很低时, , r 较小较小, tg 较小较小,且且221 T , r , tan ,Pw T T 较高时较高时, , 221T , tan ,Pw T T 很高时很高时, , r 下降下降, tan 增大增大陶瓷材料的损耗陶瓷材料的损

36、耗 电导损耗电导损耗 取向极化和驰豫极化损耗取向极化和驰豫极化损耗 电介质结构损耗电介质结构损耗高温、低频下，主要为电导损耗；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；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；高频、低温下，主要为结构损耗；1. 压电效应压电效应3.4.1 压电性压电性3.4 3.4 压电性和铁电性压电性和铁电性 18801880年年J.J.居里和居里和P.P.居里兄弟发现，对居里兄弟发现，对-石英单晶体在石英单晶体在一些特定方向上加力，则在力的垂直方向的平面上出现正、一些特定方向上加力，则在力的垂直方向的平面上出现正、负束缚电荷，后

37、来称这种现象为压电效应。（正压电效应）负束缚电荷，后来称这种现象为压电效应。（正压电效应） 居里兄弟发现压电效应后的第二年（即居里兄弟发现压电效应后的第二年（即18811881年），李普年），李普曼（曼（LippmannLippmann）依据热力学方法，推知应有逆压电效应存在，）依据热力学方法，推知应有逆压电效应存在，几个月后，居里兄弟从实验上验证了这一点。几个月后，居里兄弟从实验上验证了这一点。 正压电效应和逆压电效应统称为正压电效应和逆压电效应统称为压电效应。压电效应。 1 1）、正压电效应）、正压电效应 对晶体材料在一定方向上施加压应力时，在其对晶体材料在一定方向上施加压应力时，在其两端

38、表面上会出现数量相等、符号相反的束缚电荷；两端表面上会出现数量相等、符号相反的束缚电荷；如施加拉应力，则表面荷电性质反号。在一定范围如施加拉应力，则表面荷电性质反号。在一定范围内电荷密度与作用力大小成正比。内电荷密度与作用力大小成正比。 2 2）、逆压电效应）、逆压电效应 在一定方向的电场作用下，具有压电效应的晶在一定方向的电场作用下，具有压电效应的晶体材料会产生外形尺寸的变化，在一定范围内，其体材料会产生外形尺寸的变化，在一定范围内，其形变与电场强度成正比。这种现象称为逆压电效应。形变与电场强度成正比。这种现象称为逆压电效应。 F FF F极化面极化面Q Q压电效应及可逆性压电效应及可逆性正

39、压电效应的正压电效应的电位移电位移与施加的与施加的应力应力有如下关系：有如下关系： D=dTd:压电常数压电常数逆压电效应的逆压电效应的应变应变与施加的与施加的电场强度电场强度有如下关系：有如下关系： S=dEd:压电常数压电常数注：正、逆压电效应的压电常数一样。注：正、逆压电效应的压电常数一样。电能电能机械能机械能正压电效应正压电效应逆压电效应逆压电效应l压电体：压电体：具有压电效应的物体称为压电体。具有压电效应的物体称为压电体。l压电性：压电性：某些介质在机械力作用下发生电极化或电极化某些介质在机械力作用下发生电极化或电极化的变化，这样的性质称为压电性。的变化，这样的性质称为压电性。 目前

40、，已知压电体超过千种，可以是晶体，多晶体，目前，已知压电体超过千种，可以是晶体，多晶体，聚合物、生物体。聚合物、生物体。广泛的生产应用：广泛的生产应用：“压电压电效应”让人穿着衣服走路都能发电！国产 压电 写真机我们是“压压电电陶瓷点火器” 天然结构石英晶体的理想外形是一个正六面体，在晶体天然结构石英晶体的理想外形是一个正六面体，在晶体学中它可用三根互相垂直的轴来表示，其中纵向轴学中它可用三根互相垂直的轴来表示，其中纵向轴Z ZZ Z称为称为光轴；光轴；经过正六面体棱线，并垂直于光轴的经过正六面体棱线，并垂直于光轴的X XX X轴称为轴称为电电轴轴；与；与X XX X轴和轴和Z ZZ Z轴同时

41、垂直的轴同时垂直的Y YY Y轴（垂直于正六面轴（垂直于正六面体的棱面）称为体的棱面）称为机械轴。机械轴。ZXY(a)(b)石英晶体石英晶体( (a a) )理想石英晶体的外形理想石英晶体的外形 ( (b b) )坐标系坐标系ZYX 通常把沿电轴通常把沿电轴X XX X方向的力作方向的力作用下产生电荷的压电效应称为用下产生电荷的压电效应称为“纵纵向压电效应向压电效应”，而把沿机械轴，而把沿机械轴Y YY Y方向的力作用下产生电荷的压电效方向的力作用下产生电荷的压电效应称为应称为“横向压电效应横向压电效应”，沿光轴，沿光轴Z ZZ Z方向受力则不产生压电效应。方向受力则不产生压电效应。 2 2、

42、晶体压电性产生原因、晶体压电性产生原因 -石英石英晶体具有压电效应，是由其内部结构决定晶体具有压电效应，是由其内部结构决定的。的。-石英石英晶体属于离子晶体，无对称中心，化学组晶体属于离子晶体，无对称中心，化学组成是二氧化硅。石英晶体的硅离子成是二氧化硅。石英晶体的硅离子SiSi4+4+和氧离子和氧离子O O2-2-在在Z Z平面投影，如图平面投影，如图( (a a) )。为讨论方便，将这些硅、氧离子。为讨论方便，将这些硅、氧离子等效为图等效为图( (b b) )中正六边形排列，图中中正六边形排列，图中“”代表代表SiSi4+4+，“”代表代表2O2O2-2-。 (b)(a)+- - - -Y

43、XXY硅氧离子的排列示意图硅氧离子的排列示意图+l 当作用力当作用力F FX X=0=0时，正、负离子（即时，正、负离子（即SiSi4+4+和和2O2O2-2-）正好分布在正六边形顶角上，形成）正好分布在正六边形顶角上，形成三个互成三个互成120120夹角的偶极矩夹角的偶极矩P P1 1、P P2 2、P P3 3，如图，如图（a a）所示。此时正负电荷中心重合，电偶极）所示。此时正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即矩的矢量和等于零，即 P P1 1P P2 2P P3 30 0 l当晶体受到沿当晶体受到沿X X方向的压力（方向的压力（F FX X000在在Y Y、Z Z方向上的分量为

44、方向上的分量为（P P1 1+ +P P2 2+ +P P3 3）Y Y=0 =0 （P P1 1+ +P P2 2+ +P P3 3）Z Z=0=0由上式看出，在由上式看出，在X X轴的正向出现正电荷，在轴的正向出现正电荷，在Y Y、Z Z轴方向则不出现电荷。轴方向则不出现电荷。Y+- - - -X(a) FX=0P1P2P3FXXY+FX(b) FX0+- - -P1P2P3可见，当晶体受到沿可见，当晶体受到沿X X( (电轴电轴) )方向的力方向的力F FX X作用时，它在作用时，它在X X方向产方向产生正压电效应，而生正压电效应，而Y Y、Z Z方向则不产生压电效应。方向则不产生压电效

45、应。晶体在晶体在Y Y轴方向力轴方向力F FY Y作用下的情况与作用下的情况与F FX X相似。当相似。当F FY Y0 0时，晶体的时，晶体的形变与图（形变与图（b b）相似；当）相似；当F FY Y0 0时，则与图（时，则与图（c c）相似。由此可见，）相似。由此可见，晶体在晶体在Y Y（即机械轴）方向的力（即机械轴）方向的力F FY Y作用下，使它在作用下，使它在Y Y方向产生正方向产生正压电效应，在压电效应，在X X、Z Z方向则不产生压电效应。方向则不产生压电效应。 （P1+P2+P3）X0Y+- - -X- -+FXFXP2P3P1+l 当晶体受到沿当晶体受到沿X X方向的拉力（方

46、向的拉力（F FX X0 0）作用时，其变化情况如）作用时，其变化情况如图（图（c c）。此时电极矩的三个分量为）。此时电极矩的三个分量为在在X X轴的正向出现负电荷，在轴的正向出现负电荷，在Y Y、Z Z方向则不出现电荷。方向则不出现电荷。 压电效应与晶体的对称性有关。由前讨论可知，压电压电效应与晶体的对称性有关。由前讨论可知，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，效应的本质是对晶体施加应力时，改变了晶体内的电极化，这种电极化这种电极化只能在不具有对称中心的晶体内才可能发生只能在不具有对称中心的晶体内才可能发生。 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

47、称中心，才有可能产生压电效应 而且必须是：电介质而且必须是：电介质（或至少具有半导体性质）；其结构（或至少具有半导体性质）；其结构必须有带正、负电荷的质点必须有带正、负电荷的质点-离子或离子团存在离子或离子团存在（离子晶（离子晶体或离子团组成的分子晶体）体或离子团组成的分子晶体）常用：常用： 石英晶体，钛酸钡，钛酸铅，铋酸钼等石英晶体，钛酸钡，钛酸铅，铋酸钼等3. 3. 压电材料主要的表征参数压电材料主要的表征参数（1 1）机电耦合系数）机电耦合系数（2 2）机械品质因数）机械品质因数（3 3）压电常数）压电常数（4 4）弹性模量、相对介电常数、居里温度等。）弹性模量、相对介电常数、居里温度等

48、。机电耦合系数机电耦合系数K K：表征压电材料的机械能与电能之间的耦合关系，它的定义是表征压电材料的机械能与电能之间的耦合关系，它的定义是通过逆压电效应转换的机械能储入的电能总量K2= 储入的机械能总量通过压电效应转换的电能K2=由于压电振子的机械能与振子的形状和振动模式有关，因此对不同的模由于压电振子的机械能与振子的形状和振动模式有关，因此对不同的模式有不同的耦合系数：式有不同的耦合系数： 机电耦合系数越大越好机电耦合系数越大越好，国内，国内K Kp p可以从可以从0.10.1到到0.650.65。 机械品质因数机械品质因数QmQm：用来描述压电振子在谐振时的能量损耗的。用来描述压电振子在谐

49、振时的能量损耗的。压电振子谐波时，要克服内摩擦而消耗能量，造成机械损耗，压电振子谐波时，要克服内摩擦而消耗能量，造成机械损耗，Q Qm m就是用来描述这种损耗的，它的定义是就是用来描述这种损耗的，它的定义是 谐振时振子储存的机械能量Qm=2 谐振每周振子损耗的机械能量Q Qm m的值越大，说明机械损耗越小，材料的品质越好。的值越大，说明机械损耗越小，材料的品质越好。国内国内Q Qm m可从可从101017001700。对于平面径向振动模式测出的对于平面径向振动模式测出的Q Qm m，近似计算式为，近似计算式为fRCC(41Q11om）,一般通过传输线法测出一般通过传输线法测出 等后，由式子求出

50、等后，由式子求出Q Qm m. . frfaf1R, f，式中3 . 3 . 压电材料及其应用压电材料及其应用钛酸钡钛酸钡钛酸铅钛酸铅锆酸铅锆酸铅钛锆酸铅钛锆酸铅非钙钛矿型：非钙钛矿型： 焦绿石、硫化镉、氧化焦绿石、硫化镉、氧化锌、氮化铝锌、氮化铝（1 1）材料）材料钙钛钙钛矿型矿型种类种类：n压电晶体，如石英等；压电晶体，如石英等；n压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等；压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等；n压电半导体，如硫化锌、碲化镉等。压电半导体，如硫化锌、碲化镉等。 对压电材料特性要求：对压电材料特性要求： 转换性能。要求具有转换性能。要求具有较大压电常数较大压电常数。 机械性能。压电元件作为受

51、力元件，希望它的机械机械性能。压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、强度高、刚度大刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。 电性能。希望具有电性能。希望具有高电阻率高电阻率和和大介电常数大介电常数，以减弱外部分，以减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性。布电容的影响并获得良好的低频特性。 环境适应性强。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的环境适应性强。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。居里点，获得较宽的工作温度范围。 时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。 石英石英

52、（SiOSiO2 2）是一种具有良好压电特性的压电晶体。其）是一种具有良好压电特性的压电晶体。其介电常数和压电系数的温度稳定性相当好，在常温范围内这介电常数和压电系数的温度稳定性相当好，在常温范围内这两个参数几乎不随温度变化。两个参数几乎不随温度变化。 在在2020200200范围内，温度每升高范围内，温度每升高11，压电系数仅减少，压电系数仅减少0.0160.016。但是当到。但是当到573573时，它完全失去了压电特性，这就时，它完全失去了压电特性，这就是它的是它的居里点。居里点。 1.000.990.980.970.960.9520406080 100 120 140 160 180 2

53、00dt/d20斜率：斜率：0.016/t6543210100 200 300400 500 600t/相相对对介介电电常常数数居里点居里点 石英晶体的突出优点是性能非常稳定，机械强度石英晶体的突出优点是性能非常稳定，机械强度高，绝缘性能也相当好。但石英材料价格昂贵，且高，绝缘性能也相当好。但石英材料价格昂贵，且压电系数比压电陶瓷低得多。因此一般仅用于压电系数比压电陶瓷低得多。因此一般仅用于标准标准仪器或要求较高的传感器中。仪器或要求较高的传感器中。 因为石英是一种各向异性晶体，因此，按不同因为石英是一种各向异性晶体，因此，按不同方向切割的晶片，其物理性质（如弹性、压电效应、方向切割的晶片，其

54、物理性质（如弹性、压电效应、温度特性等）相差很大。为了在设计石英传感器时，温度特性等）相差很大。为了在设计石英传感器时，根据不同使用要求正确地选择石英片的切型。根据不同使用要求正确地选择石英片的切型。 压电陶瓷压电陶瓷 1 1、 钛酸钡压电陶瓷钛酸钡压电陶瓷 钛酸钡（钛酸钡（BaTiOBaTiO3 3）是由碳酸钡（）是由碳酸钡（BaCOBaCO3 3）和二氧化钛和二氧化钛（TiOTiO2 2）按）按1 1：1 1分子比例在高温下合成的压电陶瓷。分子比例在高温下合成的压电陶瓷。 它具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为石英晶它具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为石英晶体的体的5050倍）。

55、不足之处是居里温度低（倍）。不足之处是居里温度低（120120），温度稳定性和），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。机械强度不如石英晶体。2 2、 锆钛酸铅系压电陶瓷（锆钛酸铅系压电陶瓷（PZTPZT） 锆钛酸铅是由锆钛酸铅是由PbTiOPbTiO3 3和和PbZrOPbZrO3 3组成的固溶体组成的固溶体PbPb（ZrZr、TiTi）O O3 3。它与钛酸钡相比，它与钛酸钡相比，压电系数更大压电系数更大，居里温度在居里温度在300300以上以上，各项，各项机电参数受温度影响小，时间稳定性好。此外，在锆钛酸中添加机电参数受温度影响小，时间稳定性好。此外，在锆钛酸中添加一种或两种其它微量元素（如

56、铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获一种或两种其它微量元素（如铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的得不同性能的PZTPZT材料。因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式材料。因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传感器中应用最广泛的压电材料。传感器中应用最广泛的压电材料。 压电半导体材料压电半导体材料 如如ZnOZnO、CdS CdS 、CdTeCdTe，这种力敏器件具有灵敏度高，响，这种力敏器件具有灵敏度高，响应时间短等优点。此外用应时间短等优点。此外用ZnOZnO作为表面声波振荡器的压电材作为表面声波振荡器的压电材料，可测取力和温度等参数。料，可测取力和温度等参数。压电聚合物压电聚合物 聚二氟乙烯（

57、聚二氟乙烯（PVDFPVDF）是目前发现的压电效应较强的）是目前发现的压电效应较强的聚聚合物薄膜合物薄膜，并容易制成大面积压电元件。这种元件耐冲击、，并容易制成大面积压电元件。这种元件耐冲击、不易破碎、稳定性好、频带宽。为提高其压电性能还可以不易破碎、稳定性好、频带宽。为提高其压电性能还可以掺入压电陶瓷粉末，制成混合复合材料掺入压电陶瓷粉末，制成混合复合材料(PVDF(PVDFPZT)PZT)。 （2 2） 应用应用l电声器件中的扬声器、送话器、拾声器等；电声器件中的扬声器、送话器、拾声器等；l水下通讯和探测的水声换能器和鱼群探测器等；水下通讯和探测的水声换能器和鱼群探测器等；l雷达中的陶瓷表

58、面波器件；雷达中的陶瓷表面波器件；l导航中的压电加速度计和压电陀螺等；导航中的压电加速度计和压电陀螺等；l通讯设备中的陶瓷滤波器、陶瓷鉴频器等；通讯设备中的陶瓷滤波器、陶瓷鉴频器等；l精密测量中的陶瓷压力计、压电流量计、压电厚度计等；精密测量中的陶瓷压力计、压电流量计、压电厚度计等；l红外技术中的陶瓷红外热电探测器；红外技术中的陶瓷红外热电探测器；l超声探伤、超声清洗、超声显像中的陶瓷超声换能器；超声探伤、超声清洗、超声显像中的陶瓷超声换能器；l高压电源的陶瓷变压器。高压电源的陶瓷变压器。高压引线高压引线压电陶瓷点火器压电陶瓷点火器垫块垫块外外壳壳冲击块冲击块V3.4.2 3.4.2 热释电性

59、热释电性 热释电效应是由于温度的变化而引起晶体表面极化改变热释电效应是由于温度的变化而引起晶体表面极化改变的现象。的现象。 它由于晶体受热膨胀而引起正负离子相对位移，从而导它由于晶体受热膨胀而引起正负离子相对位移，从而导致致晶体的总电矩发生改变，与压电效应相类似，致致晶体的总电矩发生改变，与压电效应相类似，具有对称具有对称中心的晶体不会具有热释电效应中心的晶体不会具有热释电效应。晶体在均匀受热时的膨胀。晶体在均匀受热时的膨胀（或均匀冷却时的收缩）是在各个方向上同时发生的，并且（或均匀冷却时的收缩）是在各个方向上同时发生的，并且在相互对称的方向上必定具有相等的线膨胀系数值，换句话在相互对称的方向

60、上必定具有相等的线膨胀系数值，换句话说，在这些方向上所引起的正负电荷重心的相对位移也都是说，在这些方向上所引起的正负电荷重心的相对位移也都是相等的。相等的。1. 1.线性介质与非线性介质线性介质与非线性介质1 1）线性介质）线性介质：有外电场时，介质的极化强度与宏观电场：有外电场时，介质的极化强度与宏观电场E E成正比，这类介质又叫线性介质。成正比，这类介质又叫线性介质。 P= P= o o e eE E 极化是介质在外加电场中的性质。没有外加电场时，介极化是介质在外加电场中的性质。没有外加电场时，介质的极化强度等于零。质的极化强度等于零。2 2）非线性介质）非线性介质：极化强度和外施电压的关