PPT(热学、电学)

1、n 晶格振动n 热容（Heat capacity）n 热膨胀（Thermal expansion）n 导热性（Thermal conductivity）n 热稳定性（Thermal shock resistance）前提：仅考虑相邻近原子间的相互作用力（简谐近似）.1. .一维单原子链的振动一维单原子链的振动色散关系nn+1n+2n-2n-1axnxn+1xn-1(a+xn+1 xn)(a+xn xn-1)N个原子, 原子质量m)21(sin422aqmm2l 在N个原子组成的一维单原子 链中共有N个独立的格波.l 某个原子在t时刻的总位移为 所有（N个）格波的叠加.2. .一维双原子链的振动

2、一维双原子链的振动2n2n+12n+22n-2a2n-1a 质量：M 质量：m0q02mMMm 22BA BMmA2/ 122sin411aqMmmMmMMm222长波近似绘出q- 图qa2a2+-光频支声频支相邻原子振动方向相同相邻原子振动方向相反l 声频支振动频率低，类似弹性体中的应变波l 光频支振动频率高，通常在红外光区一一. .概念概念 物体温度升高1K所需要增加的能量.热容温度为T时，物体的热容为 （J/K）TtTQCl 摩尔热容Cm，比热容（比热）cl 恒压热容Cp，恒容热容CvCpCv对于室温下的凝聚态物质CpCv 3.2 无机材料的热容无机材料的热容二二. .晶态固体热容的经验

3、定律和经典理论晶态固体热容的经验定律和经典理论1、杜隆-珀替（Dulong-Petit）定律 元素热容定律l 前提：将单质晶体视为由N个原子组成的大 “分子”，将理想气体分子热容理论用于固体.l 内容：恒压下元素的原子热容为25 J/(Kmol).)/(253molKJRTECmml 高温下与实际情况较吻合l Au、Ag、Cu、Al等金属较符合该定律l 轻元素原子热容与杜隆-珀替定律不符l 各元素热容随温度降低而减小，0K时C=0低温下自由度“冻结”CmT3l 仅适用于较高温度，且主要适用于简单的离子晶体.2、柯普（Kopp）定律 化合物热容定律杜-珀定律及柯普定律可详见秦允豪热学（第3版）p

4、90101l 内容：化合物分子热容等于构成该 化合物的各元素原子热容之和.n：化合物分子中的原子数)/(253molKJnRnCm 根据量子理论，固体晶格振动的能量是量子化的（声子），其能量为 （n=0, 1, 2, ）.n三三. .晶态固体热容的量子理论晶态固体热容的量子理论 1mol固体的平均能量为AiAiNikTiNieEE31311则固体的摩尔热容为量子理论热容表达式2312,) 1()()(kTkTNiiVmViiAeekTkTEC谐振子频谱i无法精确测定，须采用简化模型处理.热容的量子理论模型爱因斯坦模型德拜模型假设：l 每个原子都是独立振子， 原子间无相互作用l 都以相同的角频率

5、振动假设：l 原子间有相互作用l 仅考虑声频支振动l 将晶体视为连续介质，晶格 振动频率从0到max连续分布)(3,TRfCEemV22) 1()()(kTkTEeeekTTf称为爱因斯坦热容函数)(kE为爱因斯坦温度1、爱因斯坦热容模型l 假设：每个原子都是独立振子，原子间 彼此无关，都以相同的角频率振动.l 内容：l 当T很高，即 时， ，与杜-珀定律一致； 当T很低，即 时， ，热容下降过快.ETRCmV3,ETkTAmVekTkNC2,)(3实验测得值模型计算值低温下，实验测得的热容与T3成正比. l 原因：对晶格振动过于简化，原子间并不是彼此独立地以 同样的频率振动，原子振动间有耦合

6、作用，在低温下这一 效应尤其显著.34,)(512DmVTRC2、德拜（Debye）热容模型l 假设：原子间有相互作用；仅考虑声频支振 动；将晶体视为连续介质，其晶格振动频率 从0到max连续分布.l 内容：)(3,TRfCDDmV称为德拜热容函数dxexeTTfTxxDDDD0243) 1()(3)(为德拜特征温度kDmaxkTxl 高温时， ， ，与杜-珀定律一致.DT在低温下， ， ，即 Cv,mT3DTRCmV3,德拜三次方定律l 局限性：在低温下还不能完全符合实验结果，对于复杂分子 结构的化合物偏差较大. 解释不了超导现象.l 原因：对于高频振动部分，晶体不能视为连续介质. 并且德拜

7、 温度与温度无关也并不合理.Fundamentals of Materials Science and Engineering (5 Edition) ), Chapter 17. John Wiley & Sons, Inc. 2001 晶体热容理论小结晶体热容理论小结四四. .无机材料的热容无机材料的热容金属与无机非金属材料的重要差别内部有大量自由电子1、金属的热容 考虑到自由电子对热容的贡献，金属热容可写成BTATCCCemVAmVmv3,., 自由电子对热容的贡献在高温和低温条件下尤其显著.原子振动热容电子热容CV,m3RT/KIIIIIIIV0D5I区：05K，CV,mT，热

8、容主要由电子激发所决定；II区：温度区间大，CV,mT3，符合德拜三次方定律；III区：D附近，CV,m趋近于一常数3R，符合杜-珀定律；IV区：T比D高很多，CV,m3R平缓上升，电子热容贡献增量部分.Cu的热容-温度曲线（放大后）例：金属Al在30K下的Cv,m=0.81J/Kmol，其D为428K. 试估算Al在50K及500K时的热容Cv,m.德拜温度德拜温度D的计算的计算kDmax定义式中的max可由经验公式计算3212max2108 . 2aMMVT林德曼（Lindemann）定律M-相对原子量，Va-原子体积，TM-熔点（K）32137aMDMVT代入定义式中，得部分物质的D（K

9、） 陶瓷材料中的自由电子极少，C-T关系比金属更符合德拜模型.一些陶瓷材料的热容-温度曲线2、陶瓷的热容l 陶瓷材料的D取决于键强、材料的弹性模量、熔点等，通常约 为熔点的0.20.5倍. Ceramic Materials Science and Engineering, Chapter 34. Springer, Inc. 2007 l 陶瓷材料的热容与固体材料结构的关系不大.摩尔比1:1的不同形式CaO+SiO2的热容l 材料发生相变时，在相变温度附 近，热容会发生突变.l 材料中含有气体时，其单位体积的热容与气孔率有关.l 在较高温度下(300) ，化合 物的Cm约为组成该化合物的各

10、元素原子热容之和：iimCnCni-化合物中元素i的原子数Ci-元素i的摩尔热容l 复合材料的比热iicgcgi-成份i的wt%，ci-成份i的比热Ceramic Materials Science and Engineering, Chapter 34. Springer, Inc. 2007 温度升高1K时，物体体积的相对增量.体膨胀系数一一. .热膨胀系数热膨胀系数 温度升高1K时，物体的相对伸长.热膨胀系数Tlll0l - 平均线膨胀系数，T -温度变化区间 l0 - 起始长度，l - T内的长度变化TVVV0物体在温度 T 时的长度lT为： )1 (00TlllllTcbaV各向同性

11、材料：3V物体在温度 T 时的体积VT为： )1 (00TVVVVVT热膨胀测量仪器热膨胀测量仪器 热膨胀仪热膨胀仪试样热电偶刚玉杆http:/ .固体材料热膨胀机理固体材料热膨胀机理1、从作用力角度解释斥力引力r0合力Fr 在平衡位置r0两侧，合力曲线的斜率并不相等.l rr0时（质点远离），斜率较小， 即引力随位移而增大的幅度小.FF质点振动的平均位置不在r0处，而要向右移.温度升高振幅增大r0两侧受力不对称越发显著质点振动平均位置右移增大相邻质点间平均距离增加晶胞参数增大晶体膨胀物体热膨胀本质： 晶体点阵结构中的质点间平均距离随温度升高而增大.2、从点阵能角度解释若采用简谐近似：2220

12、00)(! 21)()()(rrrUrUUrUr33322200000)(! 31)(! 21)()()()(rrrrUrUrUUUrUrr 在双原子模型中，如左原子视为不动，则右原子所具有的点阵能U(r0)为最小值. 如有伸长量时，点阵能变为U(r0+) = U(r) . 以泰勒级数展开：22200)(21)(rrUUr点阵能原子间距 温度升高，振幅增大，但振动平均位置不变，晶体无膨胀.Fundamentals of Materials Science and Engineering (5 Edition) ), Chapter 17. John Wiley & Sons, Inc.

13、 2001 r0 温度越高，振动平均位置移动得越远，晶体膨胀.333222000)(! 31)(! 21)()(rrrUrUUrUr非简谐振动，保留高次方项：r1r2r3T1T2T3900K）时，ph变化不大（gh段）；对透明非晶体， rT3，总为gh段；对不透明非晶体，无明显gh段.n r0时（低温较高温）， 非晶体 晶体.n 在较高温下，二者较接近， 因为 l lmin，Cph常数.n 非晶体无峰值点，说明其lph 基本为常数.晶体与非晶体导热系数曲线对于组成相同的晶体与非晶体：对于晶体与非晶体共存的材料：n 晶相非晶相，低温较高温，略；在高温下，基本不变.n 非晶相晶相，T时.n 晶相与

14、非晶相比例适当时，可在相当大的温度范围内为常数.l 一般质点的原子量愈小，密度愈小，杨氏模量愈大，D愈 高，则愈大.l 晶体中的缺陷和杂质会导致声子的散射，降低 lph，使变小.l 固溶体的较低，取代元素与基质元素差异愈大，对影响 愈大.MgO-NiO固溶体的热导率3、化学组成的影响Ceramic Materials Science and Engineering, Chapter 34. Springer, Inc. 2007 l 分散相的影响121112121dcdcddcdcdcVV 对于分散相均匀分布于连续相中的复相陶瓷材料，其热导率为c-连续相热导率d-分散相热导率Vd-分散相体积分

15、数对于层状态复合材料，其热导率为2211/VV平行于热流方向的界面221121VV垂直于热流方向的界面4、复相陶瓷的热导率气孔陶瓷体晶粒玻璃相时，dcddcVV11时，dcddcVV121pVVQVQQQVQQVsdcddcddc11211212121112121l 气孔的影响 温度T不很高，气孔率p不大，气孔尺寸较小且分布均匀时，可将气孔视为一种分散相（p0）.Q=c/dn 在一定范围内，p；n 封闭小气孔隔热效果好，大气孔易发生对流传热；n 粉状及纤维状材料低，因其内气孔连通，固体接触少， 材料的导热取决于气孔相的导热.一一. .热稳定性的表示方法热稳定性的表示方法国内标准国内标准l 直形

16、砖：直形砖： 受热端面伸入到预热至受热端面伸入到预热至1100的炉内的炉内50mm，保持，保持20min，接着，接着在室温水中淬冷在室温水中淬冷3min，然后干燥，然后干燥. 用受热端面破损一半的热循环用受热端面破损一半的热循环次数表征其抗热震性次数表征其抗热震性. l 长条试样：长条试样： 以一个面为受热面，在均热板上自室温以规定的速率加热至以一个面为受热面，在均热板上自室温以规定的速率加热至1000，保持，保持30min，然后置于空气中淬冷，然后置于空气中淬冷. 以热震前、后抗折以热震前、后抗折强度变化百分率评价其损伤程度强度变化百分率评价其损伤程度.美国的镶板试验法（美国的镶板试验法（A

17、STMC38） 试验砖盛砌成的边长不小于试验砖盛砌成的边长不小于460mm的正方形镶板，预热的正方形镶板，预热24h，冷却，然后按要求的次数在炉子和喷水雾的鼓风机之间经受热循冷却，然后按要求的次数在炉子和喷水雾的鼓风机之间经受热循环，以质量损失与外观检查环，以质量损失与外观检查评价其热震损伤程度评价其热震损伤程度.Yixing Morgan Thermal Ceramics Co., Ltd二二. .热应力热应力热应力热应力 (p280) 由于材料热膨胀或收缩引起的内应力由于材料热膨胀或收缩引起的内应力.热应力的来源热应力的来源l 热胀冷缩受到限制热胀冷缩受到限制 l 热膨胀系数差异热膨胀系数

18、差异l0+l= 0l0 0l 温度梯度温度梯度l0T0TfTf小小大大T0张张压压低温区低温区高温区高温区)(0TTEEfl由虎克定律由虎克定律温度分布温度分布应力分布应力分布压压压压张张热应力的计算热应力的计算zxyxxzzy= 0根据广义虎克定律根据广义虎克定律TEEETEEETEEEzxyyyxzzzyxx)()( )(=0=0(y= 0 )TEzx1E-弹性模量，弹性模量，-泊松比，泊松比，-热膨胀系数热膨胀系数瞬间冷却瞬间冷却平面薄板平面薄板t=0时，时，x=z=max；若；若max=f（抗（抗拉极限），则发生破坏拉极限），则发生破坏ETf)1 (max此时此时对于非平面薄板状物体对

19、于非平面薄板状物体ESTf)1 (max形状因子形状因子表面单元表面单元表面温度与表面温度与平均温度之差平均温度之差三三. .抗热冲击断裂性能抗热冲击断裂性能 以强度以强度-应力为判据，材料中的热应力达到抗张强度极限后，应力为判据，材料中的热应力达到抗张强度极限后，材料就产生开裂，一旦裂纹成核就导致材料的完全破坏材料就产生开裂，一旦裂纹成核就导致材料的完全破坏.理论基础：热弹性力学理论基础：热弹性力学http:/www.satra.co.uk/spotlight/article_view.php?id=356http:/ (max2、第二热应力断裂抵抗因子、第二热应力断裂抵抗因子R热冲击断裂的

20、其它影响因素热冲击断裂的其它影响因素R仅与仅与Tmax相关，未考虑其它因素的影响相关，未考虑其它因素的影响. 材料的热导率：材料的热导率：大有利于热稳定性大有利于热稳定性 传热途径：物体薄（尺寸小）有利于热稳定性传热途径：物体薄（尺寸小）有利于热稳定性 材料表面散热速率：材料表面散热速率： 如果材料表面温度比周围环境温度高如果材料表面温度比周围环境温度高1K，在单位面积上，单位时间带走的热量，在单位面积上，单位时间带走的热量.材料表面散热率材料表面散热率hh大对热稳定性不利大对热稳定性不利将以上因素纳入考虑将以上因素纳入考虑 毕奥模数毕奥模数毕奥模数毕奥模数mhr定义定义 h - 表面散热率表

21、面散热率 rm - 物体的半厚物体的半厚- 热导率热导率第一因子第一因子R的假设条件：理想骤冷，即瞬间产生最大热应力的假设条件：理想骤冷，即瞬间产生最大热应力max.实际情况：因为散热等因素，实际情况：因为散热等因素，max滞后达到，且低于理想值滞后达到，且低于理想值.max*实测应力值实测应力值瞬间冷却的瞬间冷却的最大热应力最大热应力无因次表面应力无因次表面应力* 随时间随时间变化规律变化规律 越小，最大应力折减越大，最大越小，最大应力折减越大，最大应力的滞后越严重应力的滞后越严重.一般条件下一般条件下hrm31. 031. 0max*考虑了热导率考虑了热导率、物体尺寸、物体尺寸rm 以及材

22、料表面散热率以及材料表面散热率hhrTSEmf31. 0)1 (maxmaxmax*hrESTmf31. 01)1 (max则则)1 (REf第二热应力因子第二热应力因子hrSRTm31. 01max RR条件：非骤冷骤热，温度较缓慢变化条件：非骤冷骤热，温度较缓慢变化.考虑到制品形状差异考虑到制品形状差异不同传热条件下，材料淬冷断裂的最大温差不同传热条件下，材料淬冷断裂的最大温差物体平均温度物体平均温度400某些实际应用中更关心材料所能承受的最大冷却某些实际应用中更关心材料所能承受的最大冷却/加热速率加热速率 .dtdT 对于厚度为对于厚度为2rm的无限平板，的无限平板，在降温过程中，其内外

23、温度分在降温过程中，其内外温度分布呈抛物线形：布呈抛物线形：2kxTTckxdxdT2温度变化率为温度变化率为kdxTd22202TkrTTmsc在平板表面在平板表面20222mrTdxTd则则3、第三热应力断裂抵抗因子、第三热应力断裂抵抗因子R”22xTctTp非稳态传热过程中，截面上各点的温度变化速率非稳态传热过程中，截面上各点的温度变化速率202mprTcadtdTrcrdtdTTmpm2205 . 0/21则则热扩散率（导温系数）热扩散率（导温系数）032)(32TTTTTscsav由图知由图知ETTTfsav)1 (max临界温差时临界温差时2max3)1 ()(mfprEcdtdT

24、aRcRcERppf)1 ( 第三热应力因子第三热应力因子2max3 )(mrRdtdT材料所能允许的最大冷却速率为材料所能允许的最大冷却速率为小小 结结ERf)1 ( ERf)1 (pfcER)1 ( aRcRRp RRRTmaxhrRTm31. 01max2max3 )(mrRdtdT三个因子间关系：三个因子间关系： 以应变能以应变能-断裂能为判据，不仅考虑材料中裂纹的产生，还考虑断裂能为判据，不仅考虑材料中裂纹的产生，还考虑裂纹在应力作用下的扩展裂纹在应力作用下的扩展. 即使有裂纹产生，如能控制在较小范即使有裂纹产生，如能控制在较小范围内，则材料不致完全破坏围内，则材料不致完全破坏.四四

25、. .抗热冲击损伤性能抗热冲击损伤性能理论基础：断裂力学理论基础：断裂力学Yixing Morgan Thermal Ceramics Co., Ltd 当材料中的弹性应变能较小，则裂纹扩展的可能性小；裂纹蔓当材料中的弹性应变能较小，则裂纹扩展的可能性小；裂纹蔓延时需要的断裂表面能大，则裂纹蔓延困难，材料热稳定性就好延时需要的断裂表面能大，则裂纹蔓延困难，材料热稳定性就好. 抗热应力损伤正比于断裂表面能，反比于应变释放能抗热应力损伤正比于断裂表面能，反比于应变释放能.)1 (/ 2 ER)1 (/2 2effER第四热应力因子第四热应力因子第五热应力因子第五热应力因子断裂表面能（形成两个断裂表

26、面）断裂表面能（形成两个断裂表面）用来比较具有相同断裂表面能的材料用来比较具有相同断裂表面能的材料用来比较具有不同断裂表面能的材料用来比较具有不同断裂表面能的材料 R R 根据根据 和和 ，热稳定性好的材料具有低的，热稳定性好的材料具有低的和高的和高的E，这，这与与 和和 的情况正好相反的情况正好相反. R RRR 或或 值高的材料抗热应力损伤性好值高的材料抗热应力损伤性好 R R五五. .提高热稳定性的措施提高热稳定性的措施提高抗热冲击提高抗热冲击断裂断裂性能性能l ，El l l hl 制品厚度（尺寸）制品厚度（尺寸）提高抗热冲击提高抗热冲击损伤损伤性能性能l ，El l l hl 制品厚

27、度（尺寸）制品厚度（尺寸）l 适当的微裂纹适当的微裂纹02468101214020406080100 TSRICoefficient of thermal expansion (10-6/K)1000TSRIKZP石英玻璃石英玻璃堇青石瓷堇青石瓷CZPSi3N4透锂长石瓷透锂长石瓷锂质瓷锂质瓷SiCAlN莫来石瓷莫来石瓷日用瓷日用瓷90Al2O3瓷瓷99Al2O3瓷瓷MgO-MgAl2O4ZrO2-Al2O3FSZPSZPTCMgO钡铁氧体钡铁氧体0：原弯曲强度，：原弯曲强度，：热冲击后弯曲强度：热冲击后弯曲强度ThermalShockResistanceIndex李恺，硕士论文，南京工业大学

28、，2012六六. .应用实例应用实例http:/ 什么问题？为什么会出现这样的问题？德拜模型是怎样解决爱什么问题？为什么会出现这样的问题？德拜模型是怎样解决爱 因斯坦模型的问题的？因斯坦模型的问题的？2、试用双原子模型说明固体热膨胀的物理本质、试用双原子模型说明固体热膨胀的物理本质. 3、晶体与非晶体导热系数随温度变化各有何规律？试分析造成二、晶体与非晶体导热系数随温度变化各有何规律？试分析造成二 者变化差异的原因者变化差异的原因.4、无机非金属材料的抗热冲击性能分为几类？各类的理论基础和、无机非金属材料的抗热冲击性能分为几类？各类的理论基础和 破坏的判据分别是什么？要如何改善无机非金属材料的

29、抗热冲破坏的判据分别是什么？要如何改善无机非金属材料的抗热冲 击性能击性能? Electrical n 电导的物理现象电导的物理现象n 晶体中的电导晶体中的电导n 玻璃的电导玻璃的电导n 陶瓷的电导陶瓷的电导n 半导体及超导体半导体及超导体二二. .电子式电导电子式电导1、能带理论、能带理论N=12rE能带能带能带能带能隙能隙rEr0晶格常数晶格常数l 越外层的轨道对应的能带能量越高越外层的轨道对应的能带能量越高l 能量越低的能带越窄，能量越高的能带越宽能量越低的能带越窄，能量越高的能带越宽l 主量子数相同的能带相距较近，主量子数不同的能带相距较远主量子数相同的能带相距较近，主量子数不同的能带

30、相距较远l 原子距离越近，能级分裂得越宽，越外层轨道越明显原子距离越近，能级分裂得越宽，越外层轨道越明显Na：1s22s22p63s11s2s2p 3s 未满带未满带Mg：1s22s22p63s21s2s2p 3s 满带满带3p空带空带（价带）（价带）（导带）（导带）仅有未满带内的仅有未满带内的电子参与导电！电子参与导电！（价带）（价带）不同材料能带特点：不同材料能带特点：l 导体：价带未填满，或价带（满）与导带（空）部分重叠导体：价带未填满，或价带（满）与导带（空）部分重叠.l 半导体与绝缘体：价带与导带间存在禁带（能隙）半导体与绝缘体：价带与导带间存在禁带（能隙）. 半导体半导体Eg 2e

31、VEcEvEfEcEvEf导体导体价带价带导带导带禁带禁带EcEv半导体、绝缘体半导体、绝缘体EgV. 半导体与超导体半导体与超导体一一. .半导体的物理效应半导体的物理效应1、晶界效应、晶界效应l 压敏效应：对电压变化敏感的非线性电阻效应压敏效应：对电压变化敏感的非线性电阻效应.ZnO压敏陶瓷电容压敏陶瓷电容 l 热敏效应：对温度变化敏感的非线性电阻效应热敏效应：对温度变化敏感的非线性电阻效应. 包括包括PTC、NTC效应效应.PTC陶瓷片及发热组件陶瓷片及发热组件使用使用PTC加热元件产品加热元件产品2、表面效应、表面效应气敏陶瓷元件气敏陶瓷元件Chapter 4 总结总结4.1 电导的物

32、理现象电导的物理现象一、电导的宏观参数一、电导的宏观参数 1、电导率、电阻率：、电导率、电阻率：J=E = E/（、单位）单位） 2、体电阻率、面电阻率：影响因素、体电阻率、面电阻率：影响因素二、电导的物理特性二、电导的物理特性 1、载流子：种类、两种效应、载流子：种类、两种效应 2、电导率、迁移率、迁移数：、电导率、迁移率、迁移数： = n q= n q v/E，ti= i/4.2 晶体中的电导晶体中的电导离子式电导：影响因素（离子式电导：影响因素（T、离子性质、离子性质、晶体结构晶体结构、点缺陷）、点缺陷）电子式电导：能带理论（导体、半导体、绝缘体能带差异，电子式电导：能带理论（导体、半导

33、体、绝缘体能带差异， 施主、受主能级位置及作用）施主、受主能级位置及作用）4.3 玻璃的电导玻璃的电导 2个效应个效应4.4 陶瓷的电导陶瓷的电导 根据微观结构：根据微观结构： lnT=VG lnG +VB lnB（对数混合法则）（对数混合法则） 根据导电机理：根据导电机理：T=本本+杂杂+玻玻=ion+ele 4.5 半导体与超导体半导体与超导体（了解）（了解）Dielectric propertieshttp:/n 介质的极化介质的极化n 介质损耗介质损耗n 介电强度介电强度n 压电性能压电性能三三. .极化形式及影响因素极化形式及影响因素各极化形式比较各极化形式比较建立速度（快建立速度（

34、快 慢）慢）电子位移电子位移 离子位移离子位移 电子松弛、转向电子松弛、转向 离子松弛离子松弛 空间电荷空间电荷f（Hz）空间电荷空间电荷转向、松弛转向、松弛离子位移离子位移电子位移电子位移离子谐振离子谐振电子谐振电子谐振101010410121016II. 介质损耗介质损耗一一. .基本概念基本概念 电介质在电场作用下，单位时间内因发热等电介质在电场作用下，单位时间内因发热等而消耗的能量称为电介质的损耗功率，简称介质损耗而消耗的能量称为电介质的损耗功率，简称介质损耗.介质损耗介质损耗1、介质损耗、介质损耗2、产生损耗的原因、产生损耗的原因l 电导损耗（因漏导而产生）电导损耗（因漏导而产生）l

35、 极化损耗（建立极化消耗）极化损耗（建立极化消耗）l 其它（电离损耗、结构损耗等）其它（电离损耗、结构损耗等）3、介质损耗表示方法、介质损耗表示方法l 复介电系数复介电系数l 损耗角正切损耗角正切 ii实部：与介质极化性能有关实部：与介质极化性能有关虚部：与介质电导性能有关（引起损耗）虚部：与介质电导性能有关（引起损耗）UICIRI tanIRICIV二二. .介质损耗的形式介质损耗的形式VRCVCRaCaVCRaCaRUICIRIUICIIaUICIIaIRPtanPtanPtanTtanPPtanTPtanTIII. 介电强度介电强度一一. .基本概念基本概念1、击穿、击穿 当电场强度超过

36、某一临界值时，介质由介电状态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，该现象称为介质的击穿变为导电状态，该现象称为介质的击穿.击穿击穿2、介电强度、介电强度 发生击穿时的临界电场强度称为介电强度发生击穿时的临界电场强度称为介电强度.介电强度介电强度dUE/穿穿d 试样击穿处的厚度试样击穿处的厚度二二. .击穿的类型击穿的类型1、热击穿、热击穿微观机理：微观机理： 电介质因介质损耗而发热，若发热量高于散热量，则电介质电介质因介质损耗而发热，若发热量高于散热量，则电介质温度持续升高，最终导致损坏（击穿）温度持续升高，最终导致损坏（击穿）.Ttan，QtanAE 穿A - 常数（与制品

37、形状、大小和常数（与制品形状、大小和 散热条件有关）散热条件有关）2、电击穿、电击穿微观机理：微观机理：l 在强电场下，固体导带中存在少量电子，其在外电场作用在强电场下，固体导带中存在少量电子，其在外电场作用 下获得动能，同时通过与晶格振动的相互作用，把能量传下获得动能，同时通过与晶格振动的相互作用，把能量传 递给晶格；递给晶格；l 这两个过程在一定温度和场强下达到平衡时，固体介质有这两个过程在一定温度和场强下达到平衡时，固体介质有 稳定的电导；稳定的电导；l 当电子得到的能量大于传递给晶格的能量时，电子动能就当电子得到的能量大于传递给晶格的能量时，电子动能就 越来越大，大到一定值时，电子与晶

38、格振动的相互作用导越来越大，大到一定值时，电子与晶格振动的相互作用导 致电离，产生新电子，使自由电子数增加，电导进入不稳致电离，产生新电子，使自由电子数增加，电导进入不稳 定状态，发生击穿定状态，发生击穿.定性结论：定性结论：l 电击穿过程只需电击穿过程只需10-710-8s；l 电极面积小，电极面积小，E穿穿大；大； （点（点-面电极：面电极：E穿穿大；面大；面-面电极：面电极：E穿穿小）小）l 直流电场下的直流电场下的E穿穿 交流电场下的交流电场下的E穿穿；l 有气孔时，有气孔时，E穿穿降低（可能产生电降低（可能产生电-机械机械-热击穿）；热击穿）；l 和和T对对E穿穿影响不大影响不大.有

39、机玻璃板被击穿形成的李庭博（有机玻璃板被击穿形成的李庭博（Lichtenberg）图形）图形http:/ 在直流或低频交变电压下，由于离子式电导引起电解在直流或低频交变电压下，由于离子式电导引起电解 过程，使电导损耗急剧增大，最后因强烈发热而导致过程，使电导损耗急剧增大，最后因强烈发热而导致 热热-化学击穿；化学击穿；l 当材料中存在封闭气孔时，由于气体的电离放热，使当材料中存在封闭气孔时，由于气体的电离放热，使 器件温度迅速上升，变价金属离子发生还原，产生电器件温度迅速上升，变价金属离子发生还原，产生电 子，导致电子式电导增大，使温度进一步升高，最终子，导致电子式电导增大，使温度进一步升高，

40、最终 发生击穿发生击穿.IV. 压电性能压电性能一一. .压电效应压电效应 1880年，居里年，居里兄弟在兄弟在-石英晶石英晶体中首次观察到体中首次观察到压电现象压电现象.+ + +- - - 对石英晶体机械应力时，对石英晶体机械应力时，在垂直于应力作用的两端面在垂直于应力作用的两端面上会出现等量、异号的束缚上会出现等量、异号的束缚电荷电荷. 作用力反向时，电荷也作用力反向时，电荷也反号，且电荷密度与作用力反号，且电荷密度与作用力成正比成正比.1、现象、现象+- 将石英晶体置于一定方向的电场中时，晶体将石英晶体置于一定方向的电场中时，晶体会产生外形尺寸的变化会产生外形尺寸的变化. 形变量与电场强度形变量与电场强度成正比成正比.机械应力机械应力束缚电荷：正压电效应束缚电荷：正压电效应外加电场外加电场尺寸变化：逆压电效应尺寸变化：逆压电效应压电效应压电效应+2、机理、机理+-+- 对于没有对称中心的晶体，当受到外力作用时，正负对于没有对称中心的晶体，当受到外力作用时，正负离子产生不对称的相对位移，从而产生偶极矩离子产生不对称的相对位移，从而产生偶极矩. 有对称中心的晶体受外力作用时，正负离子相对位移对称，有对称中心的晶体受外力作用时，正负离子相对位移对称，正负电荷重心依然重合，不产生偶极矩，没有压电效应正负电荷重心依然重合，不产生偶极矩，没有压电效应.-利用压电石英晶