第二章-电介质材料-讲稿

1、第二章第二章 电介质材料电介质材料内 容. 电介质基本物理性能（电介质基本物理性能（重点）重点）. 微波介质材料微波介质材料. 多多层电容器介质材料层电容器介质材料电介质基本物理性能（重点）电介质基本物理性能（重点） 一、简介一、简介 二、电介质分类二、电介质分类 三、极化类型三、极化类型 四、电介质的物理性质四、电介质的物理性质一、简一、简 介介电介质电介质材料定义材料定义： 什么是极化？什么是极化？ 在在电场作用下，电场作用下，电介质中束缚着的电介质中束缚着的电荷发生位移或者电荷发生位移或者极性按电场方向转极性按电场方向转动的现象动的现象在电场作用下，能建立极化的一切物质。在电场作用下，能

2、建立极化的一切物质。 二、极化二、极化的微观的微观机制机制（1）无极分子：）无极分子： 正负电荷重心重合，正负电荷重心重合，0分子u0E感应偶极矩感应偶极矩位移极化位移极化例如，例如， He、H2、N2、 CO2 、CH4等。等。 -+0分子u（2）有极分子：有极分子： 正负电荷重心不重合，正负电荷重心不重合，0分子u + - 固有偶极矩固有偶极矩-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+0E+-+-+-+-+-+-+-+-+-取向极化取向极化例如，例如，H2O、NH3、CO、SO2、H2S、CH3OH 等。等。三三、极化的类型、极化的类型 电子位移极化、离子位移极化电子位移极化、离子位

3、移极化、偶极子、偶极子转向转向极化等极化等1、电子、电子位移极化位移极化电场作用电场作用下，粒子中下，粒子中的的电子云电子云相对于原子核发生相对于原子核发生位移位移，而感生一个沿电场方向的感应偶极矩而感生一个沿电场方向的感应偶极矩。存存在于一切介质中。在于一切介质中。建立时间短；建立时间短；具有弹性；具有弹性；温度影响不大。温度影响不大。2、离子、离子位移极化位移极化 无电场作用时，离子处在正常结点位置并对外保持电中性，无电场作用时，离子处在正常结点位置并对外保持电中性， 偶极偶极矩矢量和为零；矩矢量和为零； 离子晶体离子晶体在电场作用下离子间的键合在电场作用下离子间的键合被拉长。被拉长。存在

4、于存在于具有具有 离子离子式结构的固体无机化合物式结构的固体无机化合物属弹性极化，几乎没有能量损耗；属弹性极化，几乎没有能量损耗；响应时间也较响应时间也较短短温度升高，出现极化程度增强趋势温度升高，出现极化程度增强趋势。3、偶极子、偶极子转向极化转向极化0E非弹性非弹性的、的、随随温度的升高而温度的升高而下降下降、响应时间较长响应时间较长4、松弛（弛豫）极化松弛（弛豫）极化 玻璃态玻璃态物质、机构松散的离子晶体及晶体的杂质缺陷物质、机构松散的离子晶体及晶体的杂质缺陷区域区域，存在，存在弱弱束缚束缚离子离子；晶格的热振动、晶格缺陷、杂质；晶格的热振动、晶格缺陷、杂质引入、化学成分局部改变等因素，

5、使电子能态发生改变，引入、化学成分局部改变等因素，使电子能态发生改变，出现位于禁带中的局部能级，形成出现位于禁带中的局部能级，形成弱束缚电子弱束缚电子。离子松弛极化率与离子松弛极化率与温度成温度成反比反比；热运动越剧烈对弱离子规热运动越剧烈对弱离子规则运动阻碍越大。则运动阻碍越大。建立建立的时间较慢，约为的时间较慢，约为10-2 s；是非是非可逆的可逆的过程；过程；电介质定义的解析：电介质定义的解析： 电介质电介质是在电场中没有稳定传导电流是在电场中没有稳定传导电流通过，而通过，而以以感应的方式对外场做出感应的方式对外场做出相应扰动的物质的统称相应扰动的物质的统称。电介质电介质的特征是以正、负

6、电荷重心不重合的的特征是以正、负电荷重心不重合的电极电极化化方式传递、存储或记录电的作用和影响，但其中方式传递、存储或记录电的作用和影响，但其中起主要作用的是起主要作用的是束缚电荷。束缚电荷。物质对电场的响应分为：物质对电场的响应分为： 传导（自由电荷的长程移动）传导（自由电荷的长程移动） 感应（束缚电荷的短程运动）感应（束缚电荷的短程运动）电介质电介质= =绝缘体绝缘体? ?物质对电场的两种响应方式：传导和极化物质对电场的两种响应方式：传导和极化。传导传导性：绝缘体、半导体与导体；性：绝缘体、半导体与导体；极化极化特性：顺铁体、铁电体、反铁电体、压电体、特性：顺铁体、铁电体、反铁电体、压电体

7、、热释电体等电介质。热释电体等电介质。绝缘体肯定是电介质，电介质却不仅仅包括绝缘体。绝缘体肯定是电介质，电介质却不仅仅包括绝缘体。半导体甚至金属都有电介质的特性，只是对外电场半导体甚至金属都有电介质的特性，只是对外电场的响应中传导效应远远超过了极化效应。的响应中传导效应远远超过了极化效应。四、电介质的物理性质四、电介质的物理性质电介质材料电介质材料的三个的三个基本参数基本参数： 介电常数、介电损耗、介电强度介电常数、介电损耗、介电强度1. 介电常数介电常数介电介电性：性： 将将某一均匀的电介质作为电容器的介质而置于其两极之某一均匀的电介质作为电容器的介质而置于其两极之间，由于电介质的极化，可造

8、成电容器的电容量比以真空为间，由于电介质的极化，可造成电容器的电容量比以真空为介质时的电容量增加若干倍，电介质的这一性质称为介电性介质时的电容量增加若干倍，电介质的这一性质称为介电性。介电常数：用来介电常数：用来表示材料介电性的表示材料介电性的大小的参数。大小的参数。 极化极化能力的表征能力的表征 介电常数介电常数 定义电容器充以电介质时的电容量定义电容器充以电介质时的电容量C与真空时的与真空时的电容量电容量C0的比值为该的比值为该电介质的电介质的相对介电常数：相对介电常数：0CCr00EDEDr 介电常数反映了介质极化能力的大小，介电常数介电常数反映了介质极化能力的大小，介电常数值越大，极化

9、能力越强。值越大，极化能力越强。80.1水水26.4乙醇乙醇4.274.34石英石英3.80玻璃玻璃1.00059空气空气2.02.51.00000石蜡石蜡真空真空常用电介质材料的相对介电常数常用电介质材料的相对介电常数5.18.6酚醛树脂酚醛树脂2.62.93.64.14.552.112.26天然橡胶天然橡胶环氧树脂环氧树脂聚氯乙烯聚氯乙烯聚四氟乙烯聚四氟乙烯聚乙烯聚乙烯2000 110钛酸钡钛酸钡 金红石（金红石（TiO2）Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 MgSiO3 云母云母10456.1巨介电常数材料巨介电常数材料CaCu3Ti4O12：105复介电常数复介电常数复介电常数的复介电常

10、数的实部实部反映介质的储存电荷的反映介质的储存电荷的能力能力；复介电常数的复介电常数的虚部虚部是由材料内部的各种极化跟不上外是由材料内部的各种极化跟不上外高频电场变化而引起的弛豫现象，高频电场变化而引起的弛豫现象，代表着材料的损耗代表着材料的损耗项项。物理意义是单位体积介质中当单位场强变化一周。物理意义是单位体积介质中当单位场强变化一周时所消耗的能量，这些能量通常转化成热能而耗散掉。时所消耗的能量，这些能量通常转化成热能而耗散掉。恒定静电场作用下介质电流与电压相位相同，介电常恒定静电场作用下介质电流与电压相位相同，介电常数为一恒定值。数为一恒定值。多相系统电介质材料的介电常数多相系统电介质材料

11、的介电常数多相系统多相系统： 系统中存在两个或两个以上的相态。系统中存在两个或两个以上的相态。影响因素：影响因素： 各相的介电常数、体积浓度以及相与相之间的配置。各相的介电常数、体积浓度以及相与相之间的配置。配置情况：配置情况：并并联联 串联串联多相系统电介质材料的介电常数多相系统电介质材料的介电常数如果二相的介电常数相差不大，而且均匀分布时，如果二相的介电常数相差不大，而且均匀分布时，其混合物的介电常数为：其混合物的介电常数为：2211lnlnlnxx当介电常数为当介电常数为 的球形颗粒均匀地分散在介电常的球形颗粒均匀地分散在介电常数为数为 的基相中时，其混合物的介电常数为：的基相中时，其混

12、合物的介电常数为：dmdmdmddmdmmxxx)332()332(介电常数的温度系数介电常数的温度系数指随温度的变化，介电常数的相对变化率，即：指随温度的变化，介电常数的相对变化率，即：dTdTK1各种极化的温度系数：各种极化的温度系数：电子位移极化的温度系数电子位移极化的温度系数： 具有不大的负温度系数具有不大的负温度系数离子位移极化的温度系数离子位移极化的温度系数：具有正的温度系数具有正的温度系数松弛极化的温度系数松弛极化的温度系数：可能出现极大值：可能出现极大值当一种材料由两种介质复合而成，且这两种介质当一种材料由两种介质复合而成，且这两种介质的粒度都非常小，分布均匀时，该材料的温度系

13、数的粒度都非常小，分布均匀时，该材料的温度系数可由定义式微分得到，即：可由定义式微分得到，即：2211TKxTKxTK应用：热稳定陶瓷电容器应用：热稳定陶瓷电容器 用用一种一种TK值为很小正值的晶体作为主晶体，加入值为很小正值的晶体作为主晶体，加入另一种具有负另一种具有负TK值的晶体值的晶体。调节。调节TK到最小值。到最小值。介质极化强度和极化率介质极化强度和极化率极化强度极化强度矢量矢量 ，它等于单位体积内感生偶极矩的矢量和：它等于单位体积内感生偶极矩的矢量和：0limiVVP若介质中的电场是均匀的，则有：若介质中的电场是均匀的，则有：iVP单位为：单位为：C/m20nP若单位体积中有若单位

14、体积中有n0个极化粒子，各极化粒子偶极矩的平均值为个极化粒子，各极化粒子偶极矩的平均值为 ，则有：，则有：对于线性极化，对于线性极化， 与电场强度成正比，有：与电场强度成正比，有：eEeE：作用在极化粒子（原子、分子或离子）上的局域电场，称为有效电场；：作用在极化粒子（原子、分子或离子）上的局域电场，称为有效电场；：极化粒子的：极化粒子的极化率极化率，是表征微观粒子极化性质的微观参数。，是表征微观粒子极化性质的微观参数。0nePEU 电介质极化的宏观参数和微观参数的关系电介质极化的宏观参数和微观参数的关系 平平板型电容器的极片面积为板型电容器的极片面积为S，极片间距为，极片间距为d，均匀，均匀

15、极化时，整个电介质总的感应偶极矩：极化时，整个电介质总的感应偶极矩：QSddQ 极化强度极化强度：QdQSdSP 000000QQQ1QQQCUSCdr0SdSU1-SUC1-SQ1-0r0r0reEP0nr0-1PEEEe00rn1影响介电常数的微观因素：影响介电常数的微观因素： 提高单位体积内的极化粒子数提高单位体积内的极化粒子数n0； 选取选取极化率极化率 大大的粒子组成电介质；的粒子组成电介质； 增强作用于极化粒子上的有效电场增强作用于极化粒子上的有效电场Ee。EEe00rn1对于气体、非极性电介质及结构高度对称或完全无序对于气体、非极性电介质及结构高度对称或完全无序的介质的介质，有效

16、，有效电场与电场与外电场外电场的关系为的关系为：在离子晶体中，在离子晶体中，Ee与离子种类、晶体与离子种类、晶体结构结构等有关。等有关。EEe32r影响介电常数的宏观因素：影响介电常数的宏观因素：宏观量：宏观量：温度温度 T 频率频率 f微观量：微观量：单位体积内的极化粒子数单位体积内的极化粒子数n0 极化率极化率 有效电场有效电场Ee确认宏观因素与微观参数的关系：温度、频率分别确认宏观因素与微观参数的关系：温度、频率分别与与n0和和的关系。的关系。EEe00rn1 Ee：气体、非极性介质、高度对称和完全无序介：气体、非极性介质、高度对称和完全无序介质质与外电场有关与外电场有关；在离子晶体中，

17、与离子种类、；在离子晶体中，与离子种类、晶晶体结构等有关体结构等有关。介电常数介电常数与频率的关系与频率的关系f电子位移极化电子位移极化离子位移极化离子位移极化松弛极化松弛极化空间电荷极化空间电荷极化频率频率f f 极化率极化率 介电常数与温度的关系介电常数与温度的关系考察考察 介电常数随介电常数随温度的变化关系，温度的变化关系，只需只需研究研究n0、极、极化率、化率、和和 Ee 随温度的变化关系随温度的变化关系。l n0：il 极化率：极化率： 电子位移极化率：与温度无关；电子位移极化率：与温度无关； 离子位移极化：离子位移极化：T 升高，离子升高，离子间距膨胀间距膨胀，极化率增加；，极化率

18、增加； 自发极化：与相变和晶体结构等因素有关。自发极化：与相变和晶体结构等因素有关。 偶极子取向极化、离子松弛极化：温度升高，抗取向偶极子取向极化、离子松弛极化：温度升高，抗取向性增强，极化率下降；性增强，极化率下降；温度升高，由于热膨胀，单位体积内的粒子数减少；温度升高，由于热膨胀，单位体积内的粒子数减少；二、电介质的分类二、电介质的分类按材料：按材料： 无机电介质（云母、玻璃、陶瓷等无机材料）无机电介质（云母、玻璃、陶瓷等无机材料） 有机电介质（矿物油、纸、高分子聚合物等有有机电介质（矿物油、纸、高分子聚合物等有机材料）机材料）按物质的聚集态：按物质的聚集态： 气体电介质（空气）气体电介质

19、（空气） 液体电介质（电容器油）液体电介质（电容器油） 固体电介质固体电介质按组成物质原子排列的有序化程度按组成物质原子排列的有序化程度: 晶体电介质晶体电介质 (石英晶体、陶瓷晶体石英晶体、陶瓷晶体) 非晶体电介质（玻璃、塑料、一些非晶体陶瓷）非晶体电介质（玻璃、塑料、一些非晶体陶瓷）二、电介质的分类二、电介质的分类按分子电极性：按分子电极性： 非极性电介质（聚四氟乙烯薄膜、变压器油非极性电介质（聚四氟乙烯薄膜、变压器油 ） 极性电介质（纤维素极性电介质（纤维素 聚氯乙烯薄膜）聚氯乙烯薄膜）介质成分均匀度：介质成分均匀度： 均匀电介质均匀电介质 （聚苯乙烯）（聚苯乙烯） 非均匀电介质（电容器

20、非均匀电介质（电容器-聚苯乙烯薄膜复合介质）聚苯乙烯薄膜复合介质）其他：其他： 块状介质块状介质 膜状介质膜状介质定义：定义： 电介质材料在电场作用下，由于介质电导和介质电介质材料在电场作用下，由于介质电导和介质极化的滞后效应，在其内部引起极化的滞后效应，在其内部引起的能量损耗，内部会的能量损耗，内部会有发热有发热现象。现象。 介质损耗角介质损耗角 tg是所有应用于交变电场中电介质的重要品质指是所有应用于交变电场中电介质的重要品质指标之一。介质损耗越小越好。标之一。介质损耗越小越好。2.介质损耗介质损耗电容项损耗项tanl 电子位移极化和离子位移极化建立的时间极电子位移极化和离子位移极化建立的

21、时间极短，称为瞬时极化。短，称为瞬时极化。l 在静电场下测得的介电常数称为静态介电常数（在静电场下测得的介电常数称为静态介电常数（s）。）。 瞬时极化与交变电场完全瞬时极化与交变电场完全同步同步; 其其极化强度与电场间没有相位差。极化强度与电场间没有相位差。 缓慢极化需要经过一段时间才能达到；缓慢极化需要经过一段时间才能达到； 相应相应电场下的最大极化值；电场下的最大极化值； 缓慢缓慢极化强度与电场之间存在相位差。极化强度与电场之间存在相位差。l 偶极子偶极子取向极化、离子松弛取向极化、离子松弛极化极化等等建立建立的时间较长的时间较长，称为，称为缓慢缓慢极化，也称弛豫极化极化，也称弛豫极化。介

22、质的几何电容的充电所造成的电容电流，不损耗能量；介质的几何电容的充电所造成的电容电流，不损耗能量；由各种极化的建立所造成的电流，损耗称为由各种极化的建立所造成的电流，损耗称为极化损耗；极化损耗；介质介质电导（漏导），产生电流做功产生热，称为电导（漏导），产生电流做功产生热，称为漏导损漏导损耗，也称电导损耗。耗，也称电导损耗。在在直流电场直流电场下，下，介质损耗率取决于材料的电导率介质损耗率取决于材料的电导率；在在交变电场交变电场下，下，介质损耗不仅与自由电荷的电导有关，介质损耗不仅与自由电荷的电导有关，还与缓慢极化过程、频率有关。还与缓慢极化过程、频率有关。 影响损耗的因素影响损耗的因素损耗与

23、内部电流有关，包括：损耗与内部电流有关，包括：u电子与离子位移极化为瞬时极化，与电子与离子位移极化为瞬时极化，与交变电场完全同步交变电场完全同步，其，其极极化强度与电场间化强度与电场间没有相位差没有相位差。无损耗。无损耗u在交变电场下，其他缓慢在交变电场下，其他缓慢极化需要经过一段时间才能极化需要经过一段时间才能达到相应达到相应最大最大极化值极化值；缓慢；缓慢极化强度与电场之间极化强度与电场之间存在相位差存在相位差。有损耗。有损耗l 极化过程不同极化过程不同，分，分2种种情况：情况：l 随着随着交变电场频率的不同交变电场频率的不同，分，分3种情况：种情况： 频率很低：各种极化的建立跟得上电场的

24、频率很低：各种极化的建立跟得上电场的变化，介质变化，介质的的极化极化响应同响应同静电场情形静电场情形；无损耗；无损耗 频率极高：弛豫极化完全来不及建立，不必考虑频率极高：弛豫极化完全来不及建立，不必考虑；瞬时；瞬时极化仍同静电场情形极化仍同静电场情形；无损耗；无损耗 介于中间：出现极化损耗，介电常数随电场频率变化。介于中间：出现极化损耗，介电常数随电场频率变化。3 介电强度介电强度定义：定义： 当当电场强度超过某一临界时，介质由介电状态变为电场强度超过某一临界时，介质由介电状态变为导电状态，称介电强度的破坏，或介质的击穿。相应的导电状态，称介电强度的破坏，或介质的击穿。相应的临界电场称为介电强

25、度或击穿强度。临界电场称为介电强度或击穿强度。l 介质击穿的主要形式：介质击穿的主要形式：热击穿热击穿电击穿电击穿局部放电局部放电击穿击穿l 特点特点：一种集体现象、间接作用：一种集体现象、间接作用问问 题题 1.什么叫电介质？什么是介质的极化什么叫电介质？什么是介质的极化？2.简述简述介电常数的物理意义介电常数的物理意义。3.介质的极化有哪几种常见的形式？介质的极化有哪几种常见的形式？ 微波介质材料微波介质材料定义：定义： 应用于微波频段电路中的介质材料。移动通信、应用于微波频段电路中的介质材料。移动通信、卫星通信等。卫星通信等。 微波微波介质陶瓷（介质陶瓷（MWDC）是指应用于微波频段）是

26、指应用于微波频段(主主要是要是UHF、SHF频段，频段，300MHz300GHz)电路中作电路中作为介质材料并完成一种或多种功能的陶瓷，是近年来为介质材料并完成一种或多种功能的陶瓷，是近年来国内外对微波介质材料研究领域的一个热点方向。这国内外对微波介质材料研究领域的一个热点方向。这主要是适应微波移动通讯的发展需求。主要是适应微波移动通讯的发展需求。 评价微波介电陶瓷的主要技术参数是介电常数评价微波介电陶瓷的主要技术参数是介电常数 ，品质因数品质因数Q Q和频率温度系数和频率温度系数TCFTCF。r发展历程：发展历程：1939年，首次报道年，首次报道TiO2（金红石）作为介质谐振器使用的（金红石

27、）作为介质谐振器使用的微波介质陶瓷；微波介质陶瓷；1955年研究成功年研究成功BaTi4O9；20世纪世纪60年代后期，研制出年代后期，研制出r约为约为100，Q值为值为1000， TCf约为约为40010-6/ 微波陶瓷；微波陶瓷； 20世纪世纪70年代，年代， 实用化的新型微波陶瓷材料实用化的新型微波陶瓷材料Ba2Ti9O20； Paladino首次把两种低损耗、分别具有正负频率温度系数首次把两种低损耗、分别具有正负频率温度系数的材料的材料MgTi2O5和和TiO2复合，得到了零温度系数的材料体系。复合，得到了零温度系数的材料体系。应用：应用：介质谐振器、微博集成电路基片、微波元件、介质波

28、导介质天介质谐振器、微博集成电路基片、微波元件、介质波导介质天线、衰减器、匹配终端、行波管夹持棒。线、衰减器、匹配终端、行波管夹持棒。 用于微波频段的介质一般要满足如下用于微波频段的介质一般要满足如下4 4个要求：个要求： （1 1）高的介电常数高的介电常数 （2 2）低的介质损耗低的介质损耗（高（高Q Q） （3 3）温度膨胀系数小）温度膨胀系数小 （4 4）低的频率低的频率温度系数温度系数TCfTCf 评价微波介电陶瓷的主要技术参数是评价微波介电陶瓷的主要技术参数是介电常数介电常数r ，品质因数品质因数Q Q和频率温度系数和频率温度系数TCfTCf。38 BaO-TiO BaO-TiO2

29、2系系 A(B A(B1/31/3BB2/32/3)O)O3 3 (Zr,Sn)TiO (Zr,Sn)TiO4 4系系 BaO-Ln BaO-Ln2 2O O3 3-TiO-TiO2 2系等；系等；低温烧结低温烧结BiBi基材料基材料: :低介电常数、中介电常数、高低介电常数、中介电常数、高介电常数；介电常数；高介电微波介质材料高介电微波介质材料(Ln(Ln为稀土材料为稀土材料) )： BaO-Ln BaO-Ln2 2O O3 3-TiO-TiO2 2钨青铜系钨青铜系(BLT(BLT) ) 铅铅基复合钙钛矿基复合钙钛矿系系 CaO-Li CaO-Li2 2O-LnO-Ln2 2O O3 3-TiO-TiO2 2系系微波介质材料微波介质材料系列系列: :微波介质谐振器优点：微波介质谐振器优点： (l)小型化小型化(高介电常数高介电常数) 微波微波设备实现小型化、高稳定及廉价的方式是微波电路的设备实现小型化、高稳定及廉价的方式是微波电路的集成的要求化。集成的要求化。 在在微波电路集成化的进程中微波电路集成化的进程中，微波，微波电路中各种金属电路中各种金属谐振腔体谐振腔体积积和重量太大，难以和微带电路相集成，解决这一困难的出路在和重量太大，难以和微带电路相集成，解决这一困难的出路在于使用于使用微波介质陶瓷材料制作谐振器微波介质陶瓷材料制作谐振