材料物理性能：第四章 材料的介电性能2

1、第四章 材料的介电性能1电导率(electrical conductivity)和电阻率 1 、电阻率： 体积电阻率 V , m 表面电阻率 S , 2介电性能 （Dielectric Properties） 3多层陶瓷电容器（MLCC）及其构造应用：电子整机产品中的振荡、耦合、滤波和旁路电路4介质的极化电介质在交变电场下的行为击穿电场强度压电性铁电性介电性能的测量本章主要内容：5电介质在电场作用下，能建立极化的物质。电介质（Dielectrics ）极化：电介质在电场作用下发生正负电荷中心分离，产生束缚电荷的现象。 介质的极化 介质损耗 介电强度6介电性能的物理参数介电常数、相对介电常数真空

2、电容器电容： C0 0电介质电容器电容：C r 0真空介电常数，8.85410-12 (F/m)A面积 介电常数 r相对介电常数d电极间距离介电常数是一个综合反映电介质极化行为的主要宏观物理量。7公式：圆片试样：r 单位：pF、cm平行板试样： r 单位：pF、cm圆管式试样： r 相对重合长度(cm) 8TK= T0室温(25) 0、C0室温下的介电常数、电容、C测定温度下的介电常数、电容2. 介电常数的温度系数实验方法：93. 介质损耗损耗角正切 tan= 4. 介电强度（击穿电场强度）EBD (kV/mm) Breakdown 复介电常数虚部 复介电常数实部10 极化强度(Polariz

3、ability) P单位体积内的电偶极矩总和 ，宏观量C/m2 与面电荷密度单位相同 极化率(Polarizability) 单位电场强度下，质点电偶极矩的大小 表征材料的极化能力 ，微观量法米2 Fm2 Eloc局部电场 Cm/(V/m) 11 电介质极化系数(电极化率) kai Susceptibility PnnEloc n、一定，引出 P0E 平均电矩 E宏观平均电场 0 真空介电常数(8.85410-12 F/m) r-1极化率12极化：在外电场作用下，介质内质点(原子、分子、离 子)正负电荷中心的分离，形成偶极子(Dipole)。 电偶极矩13极化机制 电子极化 离子极化 偶极子转

4、向极化 空间电荷极化14电子位移极化15电子位移极化在电场作用下，电子位移形式偶极矩* 电子位移极化率e特点：弹性、可恢复、瞬间（10-16-10-14、不消耗能量*-ex*eEloc+Eloc+e-ex16电子极化率(Polarizability) e=4pe0R3 10-40F.m217电子松弛极化 电子松弛极化是由弱束缚电子引起的极化晶体中的晶格缺陷(热缺陷)、杂质缺陷、非化学计量比的组分缺陷等使电子能态发生变化，出现于禁带中的局部能级上，形成所谓弱束缚电子。 晶体中的色心、阴离子空位是一个正电中心，能束缚电子，相似于施主能级。阳离子空位是一个负电中心，能束缚空穴，相似于受主能级。弱束缚

5、电子在外电场作用下，作具有方向性的近(短)程迁移运动，形成一种极化状态。 近程迁移与电子电导不同; 不可逆过程，与电子位移极化不同; 消耗能量; t10-9s 特征弱束缚电子：18(a) A NaCl chain in the NaCl crystal without an applied field. Average or net dipole moment per ion is zero. (b) In the presence of an applied field the ions become slightly displaced which leads to a net avera

6、ge dipole moment per ion.离子位移极化19离子位移极化离子位移极化产生的偶极矩* 离子位移极化率i*q(- )*iEloc+Eloc-q+qa+离子间距讨论在交变电场作用下，被极化离子的运动方程： 负离子 弹性恢复力f1-k(-)，电场力f2-qE0eit正离子 弹性恢复力f1-k(-)，电场力f2qE0eit20离子松弛极化 离子松弛极化率 T缺陷区的弱联系离子在电场作用下发生短程迁移21 TT表明热运动对质点的规则运动阻碍增强。 T表明松弛过程加快，极化建立得更充分， 从而，故有一极大值(在适当温度、频率下)。 22 偶极子转向极化 10-38F.m2 消耗能量;

7、t：10-10-10-2s 23 空间电荷极化24 不可逆极化， 消耗能量; 极化时间长，t10-4s 特征25位移式极化极化形式松弛极化电子松弛极化离子位移极化离子松弛极化电子位移极化极化的基本形式自发极化 电子极化离子极化偶极子取向极化空间电荷极化松弛极化极化机理26各种极化的频率范围 及其对 、的贡献 =e+ i + 0 + s27克劳修斯莫索蒂关系式 ClausiusMossotti 宏观电场E、退极化场E1、外加电场E外 E外 P E1 EE外+E1 (矢量和) 28 局部电场Eloc、洛伦兹场E2、 质点附近偶极子影响E3 Lorentz P E1E3 E2 E外以参考原子为球心划

8、出，球半径r 原子间距a，但比整个介质小得多 有效电场 对一个参考原子，局部电场： Eloc= E外+ E1+ E2+ E3 E 宏观电场 洛伦兹场E2： 空腔表面上的极化电荷所产生的电场立方对称晶体 E3 = 0 29 克劳修斯莫索蒂关系式 +Free ChargeBound ChargeDipole + + + 电位移D、极化强度P、宏观场强E的关系： PD0E(0)E0(r-1)E=naEloc 高n大a强的Eloc30（两种或两种以上极化质点）重要意义 建立了宏观量r与微观量之间的关系 提供了计算介电性能参数的方法 分子间作用很弱的气体、非极性液体和非极性固体 一些NaCl型离子晶体和

9、具有适当对称的晶体 适用范围 由31具体应用 仅有电子位移极化e = e10-1410-15秒完成Maxwell电磁理论 n光折射率；光频介电常数；m磁导率，非铁磁性物质，m1 （Lorentz-Lorenze Equation） 32 用直接测量值来表示 将克莫方程两边乘以M/ (M：分子量；：电介质密度) N0= 6.021023阿佛伽德罗常数 Pm摩尔极化强度 33聚四氟乙烯(C2F4)n是一种非极性固体介质，它的光折射率n为1.43，分子量M为100，密度为2.22.3g/cm3。试求聚四氟乙烯的电子极化率。 例34复介电常数(Complex Dielectric Constant)

10、平行板真空电容器加上交流电压UU0eit，则极板上电荷QC0 U在外电路上的电流： 电流与电压的相位差90 35介质弛豫与德拜方程 Relaxation and Debye Equations t介质弛豫过程PP0PP1P1(t)介质弛豫：介质的极化过程不是瞬时完成的，在外电 场作用下系统逐渐达到平衡状态的过程。P0 瞬时极化强度P 最终极化强度P1(t) 弛豫极化强度函数P1最终弛豫极化强度值P(t) 极化强度函数36P(t)P0+P1(t) 0(r-1)E 而 Debye方程 S：静态相对介电常数 ：高频相对介电常数 S=1+0+ 1 =1+037与频率的关系(恒定电场)(光频)在0之间：

11、lg38不同温度下的 、 和 频率特性曲线39从Debye方程中削去半圆方程：圆心：半径：频谱分析技术40介质损耗 Dielectric Loss 介质加电场通过的电流： 电容电流几何电容充电电流，不损耗能量。IC 介质极化过程的建立，即松弛极化所造成的电流， 引起损耗为极化损耗。 IP 介质电导(漏导)造成的电流引起损耗，为电导损 耗。 IR41实部虚部损耗角正切损耗引子Loss factor用tan值来研究电介质损耗的优点： tan、同时直接测量得到。如：电桥法、谐振法 tan与试样大小、形状无关， 为电介质自身属性，远比敏感。42（ 容抗）交流电压下IUICIRRC等效电路 ，自由电荷的

12、电导 与频率无关束缚电荷的电导 是频率的函数 (极化的建立) =P+G损耗率：43介电损耗的形式1电导（或漏导）损耗 漏电流引起的损耗2极化损耗 消耗能量的极化形式引起的损耗。（松弛极化）。3电离损耗 含有气体的固体介质，在极化时，气体被电离吸收能量造成损耗。影响因素内因 结构 外因 温度T和频率44介质损耗和频率、温度的影响 频率的影响 (1) 低时， 四种极化都出现，最大 无极化损耗,介损由漏导引起 0时，tan最大，tan pE2 (与频率无关) 45 频率的影响 (2) ，缓慢极化跟不上电场的变化 1，tan，p变化不大 （ ） tan46 温度的影响 (1) 纯电导损耗 tan、p，

13、与T成指数关系 47 温度的影响 (2) 温度对松弛极化的影响 低温时，较大，221，由Debye方程 可得 中温时，较小，221 p主要决定于极化过程，p在Tm下，p、tan有一极大值48 高温时，松弛极化 T T 电导 tan 49504.3击穿电场强度（抗电强度）一电介质击穿现象：材料从介电状态导电状态。原因：强电场下工作 V V穿 击穿场强结果：固体材料被击穿、永久破坏，气、液可在外电场去掉时恢复性能。影响因素：材料本身性质（内因），电极形状，温度，压力（外因）等击穿形式：电击穿、热击穿、化学击穿。51抗电强度二击穿形式1电击穿部分自由电子次级电子三级电子击穿撞击离子吸收电场能量撞击离

14、子瞬时完成雪 崩52抗电强度2热击穿3化学击穿 材料内部电解、腐蚀、氧化、还原、气孔中气体电离。 介电损耗升温增加损耗热能温度热击穿热能53抗电强度三影响抗电强度的因素 抗电强度（耐电强度）击穿场强。1温度 对电击穿影响不大，温度 热击穿 温度 促进化学击穿过程的进行。2对热击穿影响很大 越容易热击穿54Time to breakdown and the field at breakdown, Ebr, are interrelated and depend on the mechanism that causes the insulation breakdown. External disc

15、harges have been excluded (based on L.A. Dissado and J.C. Fothergill, Electrical Degradation and Breakdown in Polymers, Peter Peregrinus Ltd. for IEE, UK, 1992, p. 63)55抗电强度四抗电强度的测量与应用 （P188）56575859606162Comparison of dielectrics for capacitor applicationsCapacitor namePolypropylenePolyesterMicaAlu

16、minum, electrolyticTantalum, electrolytic, solidHigh-K ceramicDielectricPolymer filmPolymer filmMicaAnodized Al2O3filmAnodized Ta2O5filmX7R BaTiO3 baseer2.2 2.33.2 3.36.98.5272000tand4 10-44 10-32 10-40.05 - 0.10.010.01Ebr (kV mm-1) DC100 - 350100 - 30050 - 300400 - 1000300 - 60010d (typical minimum

17、)3 - 4 m1 m2 - 3 m0.1 m0.1 mm10 mCvol (F cm-3)230 157,500a24,000a180Rp = 1/Gp; C = 1 mF; 1000 Hz400 kW40 kW800 kW1.5 - 3 kW16 kW16 kWEvol (mJ cm-3)b1015810001200 100PolarizationElectronicElectronic and DipolarIonicIonicIonicLarge ionic displacementNOTES: Typical values. h = 3 assumed. The table is f

18、or comparison purposes only. Breakdown fields are typical DC values, and can vary substantially, by at least an order of magnitude; Ebr depends on the thickness, material quality and the duration of the applied voltage. a Proper volumetric calculations must also consider the volumes of electrodes and the electrolyte necessary for these dielectrics to work; hence the number would have to be