研究生课程-陶瓷介电性能

1、无机材料的介电性质6.3介电强度介电强度 v介质的特性，指在一定的电场强度范围内的材料的特性。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。v击穿类型分为三种：热击穿、点击穿、局部放电击穿 2 固体电介质的击穿 1）热击穿）热击穿 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。 （1）电压长期作用，介质内温度变化极慢稳态热击穿； （2）电压作用时间很短，

2、散热来不及进行脉冲热击穿。 设有厚度为d，面积无限大的平板电容器，外施直流电压U0。设介质导热系数为，只考虑x方向热流，得包含温升、散热、发热在内的热平衡方程 当处于热稳定状态时如果采用电流密度 J=E，则上式可化为 解此方程，可求出热击穿电压U0（临界电压） Oxd/2d/2U0U0/2-U0/2U=0T=Tm1 温度不均匀的厚膜介质T=T0T=T0dxdTdxdTdxdTddxdxdTdxdJUxxx00000dxdT因为dxdTdxdUUdxdTEUdxdTJUdTUdUOxd/2d/2U0U0/2-U0/2U=0T=TmT=T0T=T0mmTTUTTdTUdTUdUdTUdU00081

3、020设临界电压Uoc=U0mTTocdTU081kTWe/0电导率mTTkTWocdTeU008102210208kTWoceWkKTU一般T0不太大时，02TBocAeU由上面的公式可以得到：1）热击穿电压随着环境温度升高而降低2）热击穿电压与介质厚度无关，当介质厚度增大时，热击穿场强降低2 温度均匀的薄膜介质两点假设：1）试样内始终是等温的2）试样温度T向周围介质温度T0热量传输时，形式简化为)(0TT 试样温度温度，满足下面的条件不会发生击穿)(0TTUJkTWe/0利用 近似代替 其中)(00TTekTWe/020kTW)()()(0)(02000TTedUTTUETTUJTT临界击

4、穿温度Toc满足下列条件：ococococTocTTTocTTTTTTedUTTedU)()(0)(020)(0200解这个方程组：2100)(1edUTTococ击穿电压和试样厚度的关系可以作为热击穿的判据2）电击穿）电击穿在强电场下，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。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，至电子能量大到一定值时，电子与晶格振动相互作用导致电离产生新电子，使自由电子数迅速增加，

5、电导进入不稳定阶段，击穿发生。3. 无机材料的击穿a) 不均匀介质中的电压分配设双层介质具有各不相同的电性质， 和第一层、第二层的介电常数、电导率、厚度。分别代表若在此系统上加直流电压U，则各层内的电场强度1，2 b) 内电离 材料中气泡的 及 很小，加上电压后气泡上的电场较高，首先气泡击穿，引起气体放电（电离）产生大量的热，容易引起整个介质击穿.由于在产生热量的同时，形成相当高的内应力，材料也易丧失机械强度而被破坏，这种击穿称为电-机械-热击穿c) 表面放电和边缘击穿 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媒质中，有时介质本身并未击穿，但有火花掠过它的表面，这就是表面放电 （

6、）固体介质材料不同，表面放电电压也不同。陶瓷介质由于介电常数大、表面吸湿等原因，引起离子式高压极化,使表面电场畸变，表面击穿电压降低。（）固体介质与电极接触不好，使表面击穿电压降低（）电场的频率不同，表面击穿电压也不同。随频率升高，击穿电压降低。6.4铁电体v铁电体的极化强度与外电场呈非线性关系铁电体的电滞回线Ps：饱和极化强度Pr：剩余极化强度Es：矫顽电场(强度)铁电体存在居里点，居里点以下显铁电性 位移型铁电晶体，如BaTiO3、KNbO3、LiNbO3等含有氧八面体结构的氧化物晶体，通过单胞内正负离子的相对位移产生电偶极矩 无序一有序型铁电晶体，如KDP、TGS等含有O-H-O键或N-

7、H-O（或N-H）键的化合物晶体，则通过无序的键取向到有序键取向的转变产生电偶极矩，铁电体的分类BaTiO3晶体自发极化的微观机理钛酸钡的居里温度为120度，在居里温度以上，是立方晶系。钛酸钡晶体的自发极化是由晶胞中钛离子的位移引起的。在钛酸钡晶体中，钛离子处于“氧的八面体”中央。钛氧离子间距离较钛氧离子半径稍大，钛离子能在氧八面体内移动，在居里温度（120）以上，虽然氧八面体空隙较大，允许钛离子向六个氧离子中的任何一个位移，然而，由于热运动能量很高，不会在偏离中心的任何位置固定下来，钛离子向周围六个氧离子靠近的几率是相等的，不会形成自发极化但在居里温度以下，热运动能量减小，由于钛氧离子之间形

8、成的电场的作用，钛离子就有可能向某个氧原子靠近，并在这个位置固定下来，产生自发位移，结果晶胞发生畸变，晶胞沿钛离子位移的方向（即c轴方向）伸长，其它两个方向（即原立方a轴与b轴方向）上则缩短，从而变成了四方晶系，晶胞中出现电矩，产生自发极化。BaTiO3晶体自发极化120以上， BaTiO3为顺电态，不存在自发极化1205 ， BaTiO3为四方晶系，自发极化沿c轴001方向5-80 ， BaTiO3为斜方晶系，自发极化沿011方向-80 以下 ， BaTiO3为菱形结构，自发极化沿111方向铁电畴铁电畴 在铁电体中，我们将自发极化方向相同的区域称作铁电畴，而不同极化方向的铁电畴之间的界面称作

9、铁电畴界。各种因素对电滞回线的影响（）温度对电滞回线的影响 极化温度的高低影响到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。极化温度较高，可以在较低的极化电压下达到同样的效果，其电滞回线形状比较瘦长。 环境温度对材料的晶体结构也有影响，可使内部自发极化发生改变，尤其是在相界处（晶型转变温度点）更为显著。例如，BaTiO在居里温度附近，电滞回线逐渐闭合为一直线（铁电性消失） （）极化时间和极化电压对电滞回线的影响 电畴转向需要一定的时间，时间适当长一点，极化就可以充分些。实验表明，在相同的电场强度E作用下，极化时间长的，具有较高的极化强度，也具有较高的剩余极化强度。极化电压加大，电

10、畴转向程度高，剩余极化变大。 （）晶体结构对电滞回线的影响 同一种材料，单晶体和多晶体的电滞回线是不同的。单晶体的电滞回线很接近于矩形，Ps和Pr很接近，而且Pr较高；陶瓷的电滞回线中Ps与Pr相差较多，表明陶瓷多晶体不易定向排列。rT 在实际制造中需要解决调整居里点和居里点处介电常数的峰值问题，这就是所谓“移峰效应”和“压峰效应” 在铁电体中引入某种添加物生成固溶体，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，这就是“移峰效应”。 “压峰效应”是降低居里点处的介电常数的峰值 反铁电体v相似点：反铁电体的晶体结构类似于铁电体，高介电常数，介电常数与温度的非线性关系。v不

11、同点：反铁电体电畴内相邻离子沿反平行方向自发极化，每个电畴存在两个方向相反、大小相等的偶极子。反铁电体每个电畴总是自发极化为零。当外电场降为零时，反铁电体没有剩余极化。铁电体的电滞回线反铁电体的电滞回线铁电体的性能及应用 由于它有剩余极化强度，因而铁电体可用来作信息存储、图象显示。目前已经研制出一些透明铁电陶瓷器件，如铁电存储和显示器件、光阀，全息照相器件等，就是利用外加电场使铁电畴作一定的取向，目前得到应用的是掺镧的锆钛酸铅（PLZT）透明铁电陶瓷以及Bi4Ti3O12铁电薄膜。 由于铁电体的极化随E而改变。晶体的折射率也随E改变。这种由于外电场引起晶体折射率的变化称为电光效应。利用晶体的电

12、光效应可制作光调制器、晶体光阀、电光开关等光器件。目前应用到激光技术中的晶体很多是铁电晶体，如LiNbO3LiTaO3，KTN（钽铌酸钾等） 铁电陶瓷的扩散相变化引起电致伸缩。电效应变大，回零好，热稳定，可用于电控微位移，致动器。v铁电陶瓷具有比较的介电常数，有些达20000以上。利用其高介电常数可制成大容量电容器，其介电常数与外电场呈非线性关系，可用于介质放大器。v最常用反铁电体由PbZrO3基固溶体组成。反铁电陶瓷具有储能密度高，储能释放充分等优点，用作储能电容器。反铁电体发生反铁电 铁电相变时，伴随很大应变（0.1%0.5%），利用相变形变作成电换能器。反电陶瓷还可用作电压调节器和介质天

13、线。6.5 压电性v压电性 电介质晶体可以通过机械作用发生极化，导致介质两端表面出现符号相反的束缚电荷，电荷密度同外力成比例。材料的这种效应（性质）称为压电效应（性）。 正压电效应 晶体在受机械力而变形时，在晶体表明产生电荷的现象称为正压电效应。 逆压电效应 对晶体施加电压时，晶体发生变形的现象称为逆压电效应。压电效应机理A 自由状态B 压缩状态C 拉伸状态压电效应本质：机械作用（应力与应变）引起晶体的极化，导致两端表面出现 了符号相反的电荷v对于压电体，应力引起额外电荷，电荷正比于应力（正压电效应）。单位面积的电荷Q/A（介质电位D ）与应力的关系，通过压电系数d联系起来： D Q/A dT

14、 。 式中d的单位C/N。v对于逆压电效应，施加电场E，产生成比例的应变S，则： S dE 。式中d的单位m/V。 以上二式中的比例常数d和 d称为压电应变系数d。v压电电压常数g：表示压电材料在压力作用下产生的电磁场，或应变引起的电位移的关系。通过介电常数把d和g联系起来： g= d /v压电体的电行为和弹性行为之间的关系，需用压电方程来表示，这里不做介绍压电效应的表达方法 压电振子及其参数 a) 谐振频率和反谐振频率若压电振子是具有固有振动频率fr的弹性体，当施加于压电振子上的激励信号频率等于fr时，压电振子由于逆压电效应产生机械谐振，它又借助于正压电效应而输出电信号。 ofZfmfn压电

15、振子谐振时，输出电流达最大值，此时的频率为最小阻抗频率fm。当信号频率继续增大到fn，输出电流达最小值，fn叫最大阻抗频率 压电振子在最小阻抗频率fm附近，存在一个使信号电压与电流同位相的频率，这个频率就是压电振子的谐振频率fr; 在fn附近存在另一个使信号电压与电流同位相的频率，这个频率叫压电振子的反谐振频率fa. 在机械损耗为零的条件下，fm=fr，fn=fa b) 频率常数 压电元件的谐振频率与沿振动方向的长度的乘积为一常数称为频率常数N（kHzm） 例如陶瓷薄长片沿长度方向伸缩振动的频率常数Nl： lfNr1其中fr为陶瓷薄片的谐振频率Ylfr21Y杨氏模量，为材料的密度YN211频率

16、常数只与材料的性质有关v表示压电材料的机械能与电能之间的耦合关系，定义为: v压电振子的机械能与振子的形状和震动模式有关。不同的模式有不同的耦合系数。机电耦合系数K6.6 热释电性v 某些晶体当温度变化时产生极化现象，或者某些晶体原来存在的自发极化，当温度变化时其极化强度会发生变化，这些现象称为热释电现象。 v热释电体的自发极化Ps 由于热膨胀随温度T而发生变化， Ps= T， 成为热释电系数。 热释电系数电介质铁电体压电体热释电体w电介质、压电体、热释电体和铁电体之间的关系，如下图所示：v晶体的对称性和压电效应 压电效应的本质是对晶体施加应力时，改变了晶体内部的电极化。具有对称中心的晶体不具

17、有压电效应，因为这类晶体在受到压力的作用时，内部发生均匀的形变，仍然保持质点间的对称排列规律，正、负电荷重心重合，不产生电极化。只有不具有对称中心的晶体才会具有压电效应。 在32种宏观对称类型中，不具有对称中心的有21种，其中有一种的压电常数为0，其余20种具有压电效应。v热释电性和极性 热释电效应是由于晶体中存在自发极化而引起的。具有对称中心的晶体，不具有热释电性。这点同压电晶体是一样的。但是，压电晶体不一定具有热释电性。只有当晶体中存在有与其他极轴都不相同的惟一极轴时，才有可能由热膨胀引起晶体总电矩的改变，从而表现出热释电效应。在20种压电晶体中，只有10种点群的晶体可能具有热释电性。v铁

18、电、压电陶瓷 具有压电效应的晶体有很多种，但是成为陶瓷材料后，往往不具有压电性能，这是因为陶瓷是一种多晶体，由于其中各细小的晶体的紊乱取向，将各晶粒的压电效应抵消。宏观上不表现压电效应。铁电陶瓷也是这样，宏观上一般无极性。 将铁电陶瓷预先经强直流电场作用，使各晶粒的自发极化方向都择优取向成为有规则的排列（这个过程称为人工极化），当外电场去处后，陶瓷内仍能保留相当的剩余极化强度，这时陶瓷具有了宏观极性，也就有了压电性。因此压电陶瓷一般也是铁电陶瓷，称为铁电、压电陶瓷极化电场极化电场 极化电场越高，促使电畴取向排列的作用越大，极化就越充分。极化电场通常为矫顽电场的二至三倍极化温度极化温度 在极化电场和时间一定的条件下，极化温度高，电畴取向排列较易，极化效果好。常用压电陶瓷材料的极化温度通常取320-420K 极化时间极化时间极化时间长，电畴取向排列的程度高，极化效果较好，一般极化时间从几分钟到几十分钟 第一阶段：从发现压电效应之年（188O 年）起至第一次世界大战间，压电效应并未引起人们足够重视，故压电材料实际上尚未进入实用阶段。第二阶段：第一次世界大战（