材料的介电性能课件

第五章材料的介电性能第五章材料的介电性能第五章材料的介电性能课件电介质是在电场作用下具有极化能力并在其中长期存在电场的一种物质。电介质对电场的响应特性不同于金属导体。金属的特点是电子的共有化，体内有自由载流子，这样就决定了金属具有良好的导电性，它们以传导的方式来传递电的作用和影响。然而，在电介质体内，一般情况下，只具有被束缚的电荷，在电场的作用下将不能以传导的方式而只是以感应的方式，即以其中正、负电荷受电场驱使形成正、负电荷中心不相重合的电极化方式来传递和记录电的影响。电介质是在电场作用下具有极化能力并在其中长期存在电场的一种物介电材料和绝缘材料是电子和电气工程中不可缺少的功能材料，在工程应用中，常在需要将电路中具有不同电位的导体彼此隔开的地方使用，就是利用介质的绝缘特性，也就是应用材料的介电性能。这一类材料总称为电介质。比较常见的介电材料是电容器介质材料、压电材料等。绝缘材料和介电材料都是高电阻率材料，但两者是有区别的，好的介电材料一定是好的绝缘材料，但好的绝缘材料就不一定是好的介电材料了。介电材料和绝缘材料是电子和电气工程中不可缺少电介质的分类（1）按物质组成特性：无机电介质（如云母、玻璃、陶瓷等）有机电介质（如矿物油、纸、有机高分子聚合物等）（2）按物质的聚集态：气体介质（空气）液体介质（电容器油）固体介质（涤纶薄膜）电介质的分类（3）按物质原子排列的有序化：晶体电介质（石英晶体）－长程有序非晶态电介质（玻璃塑料）－短程有序（4）工程应用：极性电介质（纤维素、聚氯乙烯薄膜）中性电介质（变压器油、聚四氟乙烯薄膜）（5）按均匀度：均匀电介质（聚苯乙烯）非均匀电介质（电容器纸－聚苯乙烯薄膜复合介质）（3）按物质原子排列的有序化：分类研究电介质，有利于将电介质性能的研究，统一在某一种物质共同属性的基础之上，以便总结出宏观介电性能与微观材料结构、组成之间相互关联的规律。分类研究电介质，有利于将电介质性能的研究，统一电介质物理主要研究：电介质的极化、电导、损耗、击穿特性。（1）介电常数（电极化）—指以电极化方式传递、存储或记录电的作用。

（2）电导—指电介质在电场作用下存在泄漏电流。

（3）介电损耗—指电介质在电场作用下存在电能的损耗。

（4）击穿—指在强电场下可能导致电介质的破坏。电介质物理主要研究：电介质的极化、电导、损耗、击穿特性。（1四个基本特性各有其基本理论。电介质理论包括：

（1）电极化响应理论（2）电介质中电荷转移、电导和电击穿理论（3）唯象理论：（用电介质的特征函数描述）从物理学的角度论述与介电有关的各种效应，建立统一的唯象理论—热力学唯象理论（建立各种宏观物理量之间的关系）

（4）微观理论：主要介绍晶格振动和声子统计方面的知识。

（5）铁电理论：在下一章中讲。四个基本特性各有其基本理论。电介质理论包括：电极化响应理论包括：

（a）恒定电场中电介质的电极化，电极化的微观机制；

（b）洛伦兹的有效场；

（c）变动电场中电介质的行为（即介电损耗）；

（d）介电驰豫；

（e）谐振吸收和色散；

（f）电极化的非线性效应等。电极化响应理论包括：电介质的极化有3种主要基本过程：（极化的机制）

（1）材料中原子核外电子云畸变产生电子极化（电子位移极化）；（2）分子中正、负离子相对位移造成离子极化（离子位移极化）；

（3）分子固有电矩在外电场作用下转动导致的转向极化。电介质的极化有3种主要基本过程：（极化的机制）1、电子位移极化

在外电场作用下，原子外围的电子轨道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。这种极化称为电子位移极化。1、电子位移极化在没有外电场作用的时候，组成电介质的分子或原子所带正负电荷中心重合，即电矩等于零，对外呈中性。在电场作用下，正、负电荷中心产生相对位移（电子云发生了变化而使正、负电荷中心分离的物理过程），中性分子则转化为偶极子，从而产生了电子位移极化或电子形变极化，如图5.1所示。图5.1电子云位移极化示意图(a)E=0(b)E≠0在没有外电场作用的时候，组成电介质的分子或原子所带正负电荷中电子位移极化存在于一切气体、液体及固体介质中，具有如下特点：（1）形成极化所需时间极短（因电子质量极小），约10-15s，故其不随频率变化；（2）具有弹性，撤去外场正负电荷中心重合，没有能量损耗；（3）温度对其影响不大，温度升高，略为下降，具有不大的负温度系数。电子位移极化存在于一切气体、液体及固体介质中，具有如下特点：2、离子位移极化在离子晶体和玻璃等无机电介质中，正、负离子处于平衡状态，其偶极矩的矢量和为零。但这些离子，在电场作用下，除了离子内部产生电子位移极化外，离子本身将发生可逆的弹性位移。正离子沿电场方向移动负离子沿反电场方向移动，正、负离子发生相对位移，形成感应偶极矩。这就是离子位移的极化。也可以理解为离子晶体在电场作用下离子间的键合被拉长，例如碱卤化物晶体就是如此。图5.2所示是位移极化的简化模型。2、离子位移极化图5.2离子极化示意图

图5.2离子极化示意图离子位移极化主要存在于具有离子晶体中，如云母、陶瓷材料等，它具有如下特点：（1）形成极化所需的时间极短，约10-13s，故一般可以认为与频率无关；（2）属弹性极化，几乎没有能量损耗；（3）温度升高时离子间的结合力降低，使极化程度增加，但离子的密度随温度升高而减小，使极化程度降低，通常前一种因素影响较大，故一般具有正的温度系数。即温度升高，极化程度有增强的趋势。离子位移极化主要存在于具有离子晶体中，如云母、陶瓷材料等，它3、固有电矩的转向极化

电介质中的电偶极子的产生有两种机制：一是产生于“感应电矩”，二是产生于“固有电矩”。前者是在电场的作用下，才会产生，如电子位移极化和离子位移极化；后者存在于极性电介质中，本身分子中存在不对称性，具有非零的恒定偶极矩，没有外电场作用时，在固体中杂乱无章地排列，宏观上显示不出它的带电特征；如果将该系统放入外电场中，固有电矩将沿电场方向取向的过程被称为取向极化或转向极化。3、固有电矩的转向极化固有电矩的取向极化具有如下特点：（1）极化是非弹性的；（2）形成极化需要的时间较长，为10-10～10-2s，故其与频率有较大关系，频率很高时，偶极子来不及转动，因而其减小；（3）温度对极性介质的有很大影响，温度高时，分子热运动剧烈，妨碍它们沿电场方向取向，使极化减弱，故极性气体介质常具有负的温度系数，但对极性液体、固体的在低温下先随温度的升高而增加，当热运动变得较强烈时，又随温度的上升而减小。固有电矩的取向极化具有如下特点：取向极化的机理可以应用于离子晶体介质中，带有正、负电荷的成对的晶格缺陷所组成的离子晶体中“偶极子”，在外电场作用下也可发生取向极化。在气体、液体和理想的完整晶体中，经常存在的微观极化机制是电子位移极化、离子位移极化和固有电矩的取向极化。在非晶态固体、聚合物高分子、陶瓷以及不完整的晶体中，还会存在其他更为复杂的微观极化机制。例如：空间电荷极化、松弛极化和自发极化等。取向极化的机理可以应用于离子晶体介质中，带有正、空间电荷极化：

在电场作用下，不均匀介质内部的正负间隙离子分别向负、正极移动，引起空间电荷的正负电荷质点极化，这种极化叫作空间电荷极化。在电极附近积聚的离子电荷就是空间电荷。实际上晶界，相界，晶格畸变，杂质等缺陷区都可成为自由电荷运动的障碍，在这些障碍处，自由电荷积聚，也形成空间电荷极化

空间电荷极化的特点：①时间较长；②属非弹性极化，有能量损耗；③随温度的升高而下降；④主要存在于直流和低频下，高频时因空间电荷来不及移动，没有或很少有这种极化现象。空间电荷极化：实际上晶界，相界，晶格畸变，杂质等缺陷区都可成松弛极化

弱联系电子、离子和偶极子等松弛质点时，热运动使其分布混乱，而电场力图使这些质点按电场规律分布，在电场作用占主导时则发生极化，叫作热松驰极化。

松驰极化的特点：松驰极化的带电质点在热运动时移动的距离可以有分子大小，甚至更大。松驰极化中质点需要克服一定的势垒才能移动，因此这种极化建立的时间较长（可达10-2－10-9秒）,并且需要吸收一定的能量，所以这种极化是一种不可逆的过程。松驰极化多发生在晶体缺陷处或玻璃体内。松弛极化

弱联系电子、离子和偶极子等松弛质点时，热运自发极化晶体中每一个晶胞都存在固有的偶极矩，极化不需要电场，且极化方向可随外电场方向不同而反转——铁电体自发极化各种极化形式的比较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位移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极化形式极第五章材料的介电性能课件影响介电常数的因素：介电类型温度系数介电常数与温度呈强的非线性关系，用温度系数描述温度特征难度大介电常数与温度呈线性关系，可以用温度系数描述介电常数与温度的关系影响介电常数的因素：材料的介电性—电介质的物理参数介电弛豫当电介质开始受静电场作用时，要经过一段时间后，极化强度才能达到相应的数值，这个现象称为极化弛豫，所经过的这段时间称为弛豫时间。电子位移极化和离子位移极化的弛豫时间很短，取向极化的弛豫时间较长，所以极化弛豫主要是取向极化造成的。材料的介电性—电介质的物理参数介电弛豫当电介质开始受静电场作极化强度的建立位移极化强度P0

是瞬时建立的，与时间无关。松弛极化Pr强度与时间的关系比较复杂。极化强度的建立位移极化强度P0是瞬时建立的，与时间无材料的介电性——电介质的物理参数介电损耗电介质在电场作用下的往往会发生电能转变为其它形式的能（如热能）的情况，即发生电能的损耗。常将电介质在电场作用下，单位时间消耗的电能叫介质损耗。

材料的介电性——电介质的物理参数介电损耗电介质在电场作用下的介电损耗损耗的能量与通过其内部的电流有关。加上电场后通过介质的全部电流包括：①由样品几何电容的充电所造成的位移电流或电容电流，这部分电流不损耗能量；②由各种介质极化的建立引起的电流，此电流与松弛极化或惯性极化、共振等有关，引起的损耗称为极化损耗；由介质的电导（漏导）造成的电流，这一电流与自由电荷有关，引起的损耗称为电导损耗。介电损耗损耗的能量与通过其内部的电流有关。加上电场后通过介质介电损耗—电导（或漏导）损耗缺陷的存在，产生带束缚较弱的带电质点。带电质点在外电场的作用下沿着与电场平行的方向做贯穿电极之间的运动。实质相当于交流、直流电流流过电阻做功，一切实用工程介质材料不论是在直流或在交流电场作用下，都会发生漏导损耗。介电损耗—电导（或漏导）损耗缺陷的存在，产生带束缚较弱的带电由于各种电介质极化的建立所造成的电流引起的损耗称为极化损耗，这里的极化一般是指弛豫型的。结论：①当外电场频率很低，即ω→0时，各种极化都能跟上电场的变化，即所有极化都能完全建立，介电常数达到最大，而不造成损耗；②当外电场频率逐渐升高时，松弛极化从某一频率开始跟不上外电场变化，此时松弛极化对介电常数的贡献减小，使ω随频率升高而显著下降，同时产生介质损耗，当ω→∞时，损耗达到最大；③当外电场频率达到很高时，松弛极化来不及建立，对介电常数无贡献，介电常数仅由位移极化决定，ω→0时，tanδ→∞，此时无极化损耗。（说明：损耗角，大小可以作为绝缘材料的判据σ=ωεtanδ）介电损耗—极化损耗由于各种电介质极化的建立所造成的电流引起的损耗称为极化损耗，对于离子晶体，晶格振动的光频波代表原胞内离子的相对运动，若外电场的频率等于晶格振动光频波的频率，则发生共振吸收。介电损耗—共振吸收损耗对于离子晶体，晶格振动的光频波代表原胞内离子的相对运动，若外介电损耗的表示方法交流电压作用下的介电损耗较为复杂，不做要求介电损耗的表示方法交流电压作用下的介电损耗较为复杂，不做要求材料的介电损耗结构不均匀的多相—固体无机材料，这些材料损耗的主要形式是电导损耗和松弛极化损耗，但还有两种损耗形式：电离损耗和结构损耗。材料的介电损耗结构不均匀的多相—固体无机材料，这些材料损耗的1）电离损耗又称游离损耗，主要发生在含有气相的材料中。它们在外电场强度超过了气孔内气体电离所需要的电场强度时，由于气体电离而吸收能量，造成损耗，即电离损耗。

当固态绝缘物中含有气孔时，由于在正常条件下气体的耐受电压能力一般比固态绝缘物的低，而且电容率也比固态小，必须尽量减小介质中的气孔。

材料的介电损耗1）电离损耗材料的介电损耗2）结构损耗在高频、低温下，与介质内部结构的紧密程度密切相关的介质损耗。实验表明，结构紧密的晶体或玻璃体的结构损耗都是很小的。一般材料，在高温、低频下，主要为电导损耗；在常温、高频下，主要为松弛极化损耗；在高频、低温下主要为结构损耗。材料的介电损耗2）结构损耗材料的介电损耗固体电介质的电导与击穿固体电介质的电导理想的电介质，在外电场作用下应该是没有传导电流的。实际的电介质，或多或少地具有一定数量的弱联系的带电质点。无外电场，热运动。有外电场，定向漂移。正电荷顺电场方向移动，负电荷逆电场方向移动，形成贯穿介质的传导电流。固体电介质的电导与击穿固体电介质的电导如图所示，实际电容器的电流I超前于电压的相角恒小于Л

/2，故可将电流I分为两个分量，I1恰好超前电压Л/2（这部分电流不损耗功率，称为无功电流）。而I2则与电压同相（这部分电流消耗功率，称为有功电流）可写成：I2=gV式中g称为介质的电导。图5.4电容器中介质损耗对电流与电压位相关系的影响如图所示，实际电容器的电流I超前于电这个电导并不一定代表由于载流子迁移而产生的直流电导，而是代表介质中存在有损耗机制，使电容器上的能量部分地消耗为热的物理过程。这个电导并不一定代表由于载流子迁移而产生的直流电导，而是代表尽管电介质从其本意来看应该是完全不导电的，或者说，其电阻率应该是无限大的。然而实际上所有电介质在直流电压作用下总会有微弱的电流流过（漏电电流）同体电介质的漏导电流I包含了两个组成部分，流过电介质体内的电流Iv和沿着电介质表面流动的电流Is，并有I=Iv+Is，如图5.8所示。尽管电介质从其本意来看应该是完全不导电的，或者说，其电阻率应表面电阻（电导）与体电阻（电导）固体电介质电导电子电导离子电导表面电阻（电导）与体电阻（电导）42固体电介质的电子电导电子电导的载流子：电子和空穴理想晶体—电子电导非常微弱实际晶体，杂质的存在—电子电导较大隧道效应固体电介质的电子电导电子电导的载流子：电子和空穴隧道效应大部分固体电介质的电子电导率的温度关系遵循指数规律因为导电的电子（或空穴）也是从各种不同的电离中心经过热激发而产生的，并且，对于过渡元素金属氧化物，通常它的活化能都比较小，载流子数又多，所以，在低温和室温下，电子电导常起主要作用。大部分固体电介质的电子电导率的温度关系遵循指数规律因为导电的固体电介质的离子电导载流子：正、负离子或离子空位固体电介质按其结构可分为：晶体非晶体无机电介质和高分子非晶材料的高聚物固体电介质的离子电导载流子：正、负离子或离子空位无机电介质和固体电介质的离子电导1）无机晶体材料电介质的离子电导导电离子来源本征离子弱联系离子热缺陷在离子晶体中，考虑到它的本征电导和弱联系电导时，σ随温度变化的关系式可以写成离子活化固体电介质的离子电导1）无机晶体材料电介质的离子电导热缺陷在固体电介质的离子电导2）无机玻璃态电介质的离子电导玻璃与晶体的比较，玻璃具有：结构疏松组成中有碱金属离子势垒不是单一的数值，有高有低。导电的粒子：离子电子固体电介质的离子电导2）无机玻璃态电介质的离子电导玻璃离子电导率与碱金属浓度的关系：在碱金属氧化物含量不大时，碱金属离子填充在玻璃结构的松散处，电导率与碱金属离子浓度有直线关系；到一定限度，即空隙被填满后，开始破坏原来结构紧密的部位，使整个玻璃体结构进一步松散，导电率指数上升。减小玻璃电导率的方法有双碱效应、压碱效应。双碱效应：当玻璃中碱金属离子总浓度较大时（占玻璃组成25—30%），总浓度不变，含两种碱金属离子比一种碱金属离子的玻璃电导率小，当比例适当时，电导率可降低很低。玻璃离子电导率与碱金属浓度的关系：在碱金属氧化物含量不大时，以K2O、Li2O为例说明双碱效应的原因：RK+>RLi+，在外电场的作用下，碱金属离子移动时，Li+离子留下的空位比K+留下的空位小，K+只能通过本身的空位；Li+进入大体积空位，产生应力，不稳定，只能进入同种离子空位较为稳定；大离子不能进入小空位，使通路堵塞，妨碍小离子的运动；相互干扰的结果使电导率大大下降。以K2O、Li2O为例说明双碱效应的原因：半导体玻璃：电子电导性的玻璃。含有变价过渡金属离子的某些氧化物玻璃具有电子导电性。例如：金属氧化物玻璃、硫族与金属的化合物玻璃、Si、Se等元素非晶态。压碱效应：含碱金属玻璃中加入二价金属离子，特别是重金属氧化物，使玻璃的电导率降低。相应的阳离子半径越大，这种效应越强。原因：二价离子与玻璃中氧离子结合比较牢固，能嵌入玻璃网络结构，堵塞迁移通道，使碱金属离子移动困难，电导率降低。半导体玻璃：电子电导性的玻璃。含有变价过渡金属离子的某些氧化高分子材料内的载流子很少。已知大分子结构中，原子的最外层电子以共价键方式与相邻原子键接，不存在自由电子或其它形式载流子（具有特定结构的聚合物例外）。理论计算表明，结构完整的纯聚合物，电导率仅为10－25。但实际聚合物的电导率往往比它大几个数量级，表明聚合物绝缘体中载流子主要来自材料外部，即由杂质引起的。2）无机玻璃态电介质的离子电导高分子材料内的载流子很少。已知大分子结构中，原子这些杂质来自于聚合物合成和加工过程中，包括：少量没有反应的单体、残留的引发剂和其他各种助剂以及聚合物吸附的微量水分等。例如，在电场作用下电离的水，就为聚合物提供了离子型载流子。水对聚合物的绝缘性影响最甚，尤其当聚合物材料是多孔状或有极性时，吸水量较多，影响更大。例如以橡胶填充的聚苯乙烯材料在水中浸渍前后电导率相差两个数量级，而用木屑填充的聚苯乙烯材料在同样情况下电导率猛增八个数量级。这些杂质来自于聚合物合成和加工过程中，包括：少量载流子迁移率大小决定于载流子从外加电场获得的能量和热运动碰撞时损失的能量。研究表明，离子型载流子的迁移与聚合物内部自由体积的大小有关，自由体积越大，迁移率越高。电子和空穴型载流子的迁移则与大分子堆砌程度相关，堆砌程度高，有利于电子跃迁，若堆砌能产生π电子云的交叠，形成电子直接通道，导电性会突增。载流子迁移率大小决定于载流子从外加电场获得的能量对离子型导电材料，温度升高，载流子浓度和载流子迁移率均按指数率增加，因此材料电导率随温度按以下规律变化：（9-15）式中是材料常数，称电导活化能。当聚合物发生玻璃化转变时，电导率或电阻率曲线将发生突然转折，利用这一原理可测定聚合物的玻璃化温度。对离子型导电材料，温度升高，载流子浓度和载流子迁结晶、取向，以及交联均使聚合物绝缘体电导率下降。例如，聚三氟氯乙烯结晶度从10%增加至50%时，电导率下降10～1000倍。因为通常聚合物中，主要是离子型导电，结晶、取向和交联会使分子紧密堆砌，降低链段活动性，减少自由体积，使离子迁移率下降。结晶、取向，以及交联均使聚合物绝缘体电导率下降。固体电介质的表面电导其它影响因素1）空气湿度对表面电导的影响2）电介质表面的分子结构固体电介质的表面电导2）电介质表面的分子结构3）电介质表面的状况3）电介质表面的状况材料的介电性—电介质的击穿击穿场强——电介质所能承受的不被击穿的最大场强。击穿电压——电介质（或电容器）击穿时两极板的电压。电介质的击穿一般外电场不太强时，电介质只被极化，不影响其绝缘性能。当其处在很强的外电场中时，电介质分子的正负电荷中心被拉开，甚至脱离约束而成为自由电荷，电介质变为导电材料。当施加在电介质上的电压增大到一定值时，使电介质失去绝缘性的现象称为击穿(breakdown)。材料的介电性—电介质的击穿击穿场强——电介质所能承受的不被击固体电介质的击穿一概述与气体、液体介质相比，固体介质的击穿有何不同：固体介质的击穿场强较高击穿后在材料中留下有不能恢复的痕迹，如烧焦或溶化的通道、裂缝等

，去掉外施电压，不能自行恢复绝缘性能

击穿形式热击穿电击穿电化学击穿（不均匀介质局部放电引起击穿）固体电介质击穿场强与电压作用时间的关系固体电介质的击穿一概述与气体、液体介质相比，固体介质的击穿（一）热击穿由于电介质内部热的不稳定过程所造成的。

影响因素与材料的性能有关绝缘结构（电极的配置与散热条件）及电压种类、环境温度等有关

因此热击穿强度不能看作是电介质材料的本征特性参数

（二）电击穿在较低温度下，采用了消除边缘效应的电极装置等严格控制的条件下，进行击穿试验时所观察到的一种击穿现象。（一）热击穿由于电介质内部热的不稳定过程所造成的。影响因素主要特性：

击穿场强高（大致在5～15MV/cm范围），实用绝缘系统是不可能达到的在一定温度范围内，击穿场强随温度升高而增大，或变化不大

意义反映了固体介质耐受电场作用能力的最大限度仅与材料的化学组成及性质有关，材料的特性参数之一，又称为耐电强度或电气强度（三）不均匀电介质的击穿包括固体、液体或气体组合构成的绝缘结构中的一种击穿形式。击穿往往是从耐电强度低的气体中开始，表现为局部放电，然后或快或慢地随时间发展至固体介质劣化损伤逐步扩大，致使介质击穿。

主要特性：击穿场强高（大致在5～15MV/cm范围），实用第五章材料的介电性能第五章材料的介电性能第五章材料的介电性能课件电介质是在电场作用下具有极化能力并在其中长期存在电场的一种物质。电介质对电场的响应特性不同于金属导体。金属的特点是电子的共有化，体内有自由载流子，这样就决定了金属具有良好的导电性，它们以传导的方式来传递电的作用和影响。然而，在电介质体内，一般情况下，只具有被束缚的电荷，在电场的作用下将不能以传导的方式而只是以感应的方式，即以其中正、负电荷受电场驱使形成正、负电荷中心不相重合的电极化方式来传递和记录电的影响。电介质是在电场作用下具有极化能力并在其中长期存在电场的一种物介电材料和绝缘材料是电子和电气工程中不可缺少的功能材料，在工程应用中，常在需要将电路中具有不同电位的导体彼此隔开的地方使用，就是利用介质的绝缘特性，也就是应用材料的介电性能。这一类材料总称为电介质。比较常见的介电材料是电容器介质材料、压电材料等。绝缘材料和介电材料都是高电阻率材料，但两者是有区别的，好的介电材料一定是好的绝缘材料，但好的绝缘材料就不一定是好的介电材料了。介电材料和绝缘材料是电子和电气工程中不可缺少电介质的分类（1）按物质组成特性：无机电介质（如云母、玻璃、陶瓷等）有机电介质（如矿物油、纸、有机高分子聚合物等）（2）按物质的聚集态：气体介质（空气）液体介质（电容器油）固体介质（涤纶薄膜）电介质的分类（3）按物质原子排列的有序化：晶体电介质（石英晶体）－长程有序非晶态电介质（玻璃塑料）－短程有序（4）工程应用：极性电介质（纤维素、聚氯乙烯薄膜）中性电介质（变压器油、聚四氟乙烯薄膜）（5）按均匀度：均匀电介质（聚苯乙烯）非均匀电介质（电容器纸－聚苯乙烯薄膜复合介质）（3）按物质原子排列的有序化：分类研究电介质，有利于将电介质性能的研究，统一在某一种物质共同属性的基础之上，以便总结出宏观介电性能与微观材料结构、组成之间相互关联的规律。分类研究电介质，有利于将电介质性能的研究，统一电介质物理主要研究：电介质的极化、电导、损耗、击穿特性。（1）介电常数（电极化）—指以电极化方式传递、存储或记录电的作用。

（2）电导—指电介质在电场作用下存在泄漏电流。

（3）介电损耗—指电介质在电场作用下存在电能的损耗。

（4）击穿—指在强电场下可能导致电介质的破坏。电介质物理主要研究：电介质的极化、电导、损耗、击穿特性。（1四个基本特性各有其基本理论。电介质理论包括：

（1）电极化响应理论（2）电介质中电荷转移、电导和电击穿理论（3）唯象理论：（用电介质的特征函数描述）从物理学的角度论述与介电有关的各种效应，建立统一的唯象理论—热力学唯象理论（建立各种宏观物理量之间的关系）

（4）微观理论：主要介绍晶格振动和声子统计方面的知识。

（5）铁电理论：在下一章中讲。四个基本特性各有其基本理论。电介质理论包括：电极化响应理论包括：

（a）恒定电场中电介质的电极化，电极化的微观机制；

（b）洛伦兹的有效场；

（c）变动电场中电介质的行为（即介电损耗）；

（d）介电驰豫；

（e）谐振吸收和色散；

（f）电极化的非线性效应等。电极化响应理论包括：电介质的极化有3种主要基本过程：（极化的机制）

（1）材料中原子核外电子云畸变产生电子极化（电子位移极化）；（2）分子中正、负离子相对位移造成离子极化（离子位移极化）；

（3）分子固有电矩在外电场作用下转动导致的转向极化。电介质的极化有3种主要基本过程：（极化的机制）1、电子位移极化

在外电场作用下，原子外围的电子轨道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。这种极化称为电子位移极化。1、电子位移极化在没有外电场作用的时候，组成电介质的分子或原子所带正负电荷中心重合，即电矩等于零，对外呈中性。在电场作用下，正、负电荷中心产生相对位移（电子云发生了变化而使正、负电荷中心分离的物理过程），中性分子则转化为偶极子，从而产生了电子位移极化或电子形变极化，如图5.1所示。图5.1电子云位移极化示意图(a)E=0(b)E≠0在没有外电场作用的时候，组成电介质的分子或原子所带正负电荷中电子位移极化存在于一切气体、液体及固体介质中，具有如下特点：（1）形成极化所需时间极短（因电子质量极小），约10-15s，故其不随频率变化；（2）具有弹性，撤去外场正负电荷中心重合，没有能量损耗；（3）温度对其影响不大，温度升高，略为下降，具有不大的负温度系数。电子位移极化存在于一切气体、液体及固体介质中，具有如下特点：2、离子位移极化在离子晶体和玻璃等无机电介质中，正、负离子处于平衡状态，其偶极矩的矢量和为零。但这些离子，在电场作用下，除了离子内部产生电子位移极化外，离子本身将发生可逆的弹性位移。正离子沿电场方向移动负离子沿反电场方向移动，正、负离子发生相对位移，形成感应偶极矩。这就是离子位移的极化。也可以理解为离子晶体在电场作用下离子间的键合被拉长，例如碱卤化物晶体就是如此。图5.2所示是位移极化的简化模型。2、离子位移极化图5.2离子极化示意图

图5.2离子极化示意图离子位移极化主要存在于具有离子晶体中，如云母、陶瓷材料等，它具有如下特点：（1）形成极化所需的时间极短，约10-13s，故一般可以认为与频率无关；（2）属弹性极化，几乎没有能量损耗；（3）温度升高时离子间的结合力降低，使极化程度增加，但离子的密度随温度升高而减小，使极化程度降低，通常前一种因素影响较大，故一般具有正的温度系数。即温度升高，极化程度有增强的趋势。离子位移极化主要存在于具有离子晶体中，如云母、陶瓷材料等，它3、固有电矩的转向极化

电介质中的电偶极子的产生有两种机制：一是产生于“感应电矩”，二是产生于“固有电矩”。前者是在电场的作用下，才会产生，如电子位移极化和离子位移极化；后者存在于极性电介质中，本身分子中存在不对称性，具有非零的恒定偶极矩，没有外电场作用时，在固体中杂乱无章地排列，宏观上显示不出它的带电特征；如果将该系统放入外电场中，固有电矩将沿电场方向取向的过程被称为取向极化或转向极化。3、固有电矩的转向极化固有电矩的取向极化具有如下特点：（1）极化是非弹性的；（2）形成极化需要的时间较长，为10-10～10-2s，故其与频率有较大关系，频率很高时，偶极子来不及转动，因而其减小；（3）温度对极性介质的有很大影响，温度高时，分子热运动剧烈，妨碍它们沿电场方向取向，使极化减弱，故极性气体介质常具有负的温度系数，但对极性液体、固体的在低温下先随温度的升高而增加，当热运动变得较强烈时，又随温度的上升而减小。固有电矩的取向极化具有如下特点：取向极化的机理可以应用于离子晶体介质中，带有正、负电荷的成对的晶格缺陷所组成的离子晶体中“偶极子”，在外电场作用下也可发生取向极化。在气体、液体和理想的完整晶体中，经常存在的微观极化机制是电子位移极化、离子位移极化和固有电矩的取向极化。在非晶态固体、聚合物高分子、陶瓷以及不完整的晶体中，还会存在其他更为复杂的微观极化机制。例如：空间电荷极化、松弛极化和自发极化等。取向极化的机理可以应用于离子晶体介质中，带有正、空间电荷极化：

在电场作用下，不均匀介质内部的正负间隙离子分别向负、正极移动，引起空间电荷的正负电荷质点极化，这种极化叫作空间电荷极化。在电极附近积聚的离子电荷就是空间电荷。实际上晶界，相界，晶格畸变，杂质等缺陷区都可成为自由电荷运动的障碍，在这些障碍处，自由电荷积聚，也形成空间电荷极化

空间电荷极化的特点：①时间较长；②属非弹性极化，有能量损耗；③随温度的升高而下降；④主要存在于直流和低频下，高频时因空间电荷来不及移动，没有或很少有这种极化现象。空间电荷极化：实际上晶界，相界，晶格畸变，杂质等缺陷区都可成松弛极化

弱联系电子、离子和偶极子等松弛质点时，热运动使其分布混乱，而电场力图使这些质点按电场规律分布，在电场作用占主导时则发生极化，叫作热松驰极化。

松驰极化的特点：松驰极化的带电质点在热运动时移动的距离可以有分子大小，甚至更大。松驰极化中质点需要克服一定的势垒才能移动，因此这种极化建立的时间较长（可达10-2－10-9秒）,并且需要吸收一定的能量，所以这种极化是一种不可逆的过程。松驰极化多发生在晶体缺陷处或玻璃体内。松弛极化

弱联系电子、离子和偶极子等松弛质点时，热运自发极化晶体中每一个晶胞都存在固有的偶极矩，极化不需要电场，且极化方向可随外电场方向不同而反转——铁电体自发极化各种极化形式的比较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位移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极化形式极第五章材料的介电性能课件影响介电常数的因素：介电类型温度系数介电常数与温度呈强的非线性关系，用温度系数描述温度特征难度大介电常数与温度呈线性关系，可以用温度系数描述介电常数与温度的关系影响介电常数的因素：材料的介电性—电介质的物理参数介电弛豫当电介质开始受静电场作用时，要经过一段时间后，极化强度才能达到相应的数值，这个现象称为极化弛豫，所经过的这段时间称为弛豫时间。电子位移极化和离子位移极化的弛豫时间很短，取向极化的弛豫时间较长，所以极化弛豫主要是取向极化造成的。材料的介电性—电介质的物理参数介电弛豫当电介质开始受静电场作极化强度的建立位移极化强度P0

是瞬时建立的，与时间无关。松弛极化Pr强度与时间的关系比较复杂。极化强度的建立位移极化强度P0是瞬时建立的，与时间无材料的介电性——电介质的物理参数介电损耗电介质在电场作用下的往往会发生电能转变为其它形式的能（如热能）的情况，即发生电能的损耗。常将电介质在电场作用下，单位时间消耗的电能叫介质损耗。

材料的介电性——电介质的物理参数介电损耗电介质在电场作用下的介电损耗损耗的能量与通过其内部的电流有关。加上电场后通过介质的全部电流包括：①由样品几何电容的充电所造成的位移电流或电容电流，这部分电流不损耗能量；②由各种介质极化的建立引起的电流，此电流与松弛极化或惯性极化、共振等有关，引起的损耗称为极化损耗；由介质的电导（漏导）造成的电流，这一电流与自由电荷有关，引起的损耗称为电导损耗。介电损耗损耗的能量与通过其内部的电流有关。加上电场后通过介质介电损耗—电导（或漏导）损耗缺陷的存在，产生带束缚较弱的带电质点。带电质点在外电场的作用下沿着与电场平行的方向做贯穿电极之间的运动。实质相当于交流、直流电流流过电阻做功，一切实用工程介质材料不论是在直流或在交流电场作用下，都会发生漏导损耗。介电损耗—电导（或漏导）损耗缺陷的存在，产生带束缚较弱的带电由于各种电介质极化的建立所造成的电流引起的损耗称为极化损耗，这里的极化一般是指弛豫型的。结论：①当外电场频率很低，即ω→0时，各种极化都能跟上电场的变化，即所有极化都能完全建立，介电常数达到最大，而不造成损耗；②当外电场频率逐渐升高时，松弛极化从某一频率开始跟不上外电场变化，此时松弛极化对介电常数的贡献减小，使ω随频率升高而显著下降，同时产生介质损耗，当ω→∞时，损耗达到最大；③当外电场频率达到很高时，松弛极化来不及建立，对介电常数无贡献，介电常数仅由位移极化决定，ω→0时，tanδ→∞，此时无极化损耗。（说明：损耗角，大小可以作为绝缘材料的判据σ=ωεtanδ）介电损耗—极化损耗由于各种电介质极化的建立所造成的电流引起的损耗称为极化损耗，对于离子晶体，晶格振动的光频波代表原胞内离子的相对运动，若外电场的频率等于晶格振动光频波的频率，则发生共振吸收。介电损耗—共振吸收损耗对于离子晶体，晶格振动的光频波代表原胞内离子的相对运动，若外介电损耗的表示方法交流电压作用下的介电损耗较为复杂，不做要求介电损耗的表示方法交流电压作用下的介电损耗较为复杂，不做要求材料的介电损耗结构不均匀的多相—固体无机材料，这些材料损耗的主要形式是电导损耗和松弛极化损耗，但还有两种损耗形式：电离损耗和结构损耗。材料的介电损耗结构不均匀的多相—固体无机材料，这些材料损耗的1）电离损耗又称游离损耗，主要发生在含有气相的材料中。它们在外电场强度超过了气孔内气体电离所需要的电场强度时，由于气体电离而吸收能量，造成损耗，即电离损耗。

当固态绝缘物中含有气孔时，由于在正常条件下气体的耐受电压能力一般比固态绝缘物的低，而且电容率也比固态小，必须尽量减小介质中的气孔。

材料的介电损耗1）电离损耗材料的介电损耗2）结构损耗在高频、低温下，与介质内部结构的紧密程度密切相关的介质损耗。实验表明，结构紧密的晶体或玻璃体的结构损耗都是很小的。一般材料，在高温、低频下，主要为电导损耗；在常温、高频下，主要为松弛极化损耗；在高频、低温下主要为结构损耗。材料的介电损耗2）结构损耗材料的介电损耗固体电介质的电导与击穿固体电介质的电导理想的电介质，在外电场作用下应该是没有传导电流的。实际的电介质，或多或少地具有一定数量的弱联系的带电质点。无外电场，热运动。有外电场，定向漂移。正电荷顺电场方向移动，负电荷逆电场方向移动，形成贯穿介质的传导电流。固体电介质的电导与击穿固体电介质的电导如图所示，实际电容器的电流I超前于电压的相角恒小于Л

/2，故可将电流I分为两个分量，I1恰好超前电压Л/2（这部分电流不损耗功率，称为无功电流）。而I2则与电压同相（这部分电流消耗功率，称为有功电流）可写成：I2=gV式中g称为介质的电导。图5.4电容器中介质损耗对电流与电压位相关系的影响如图所示，实际电容器的电流I超前于电这个电导并不一定代表由于载流子迁移而产生的直流电导，而是代表介质中存在有损耗机制，使电容器上的能量部分地消耗为热的物理过程。这个电导并不一定代表由于载流子迁移而产生的直流电导，而是代表尽管电介质从其本意来看应该是完全不导电的，或者说，其电阻率应该是无限大的。然而实际上所有电介质在直流电压作用下总会有微弱的电流流过（漏电电流）同体电介质的漏导电流I包含了两个组成部分，流过电介质体内的电流Iv和沿着电介质表面流动的电流Is，并有I=Iv+Is，如图5.8所示。尽管电介质从其本意来看应该是完全不导电的，或者说，其电阻率应表面电阻（电导）与体电阻（电导）固体电介质电导电子电导离子电导表面电阻（电导）与体电阻（电导）103固体电介质的电子电导电子电导的载流子：电子和空穴理想晶体—电子电导非常微弱实际晶体，杂质的存在—电子电导较大隧道效应固体电介质的电子电导电子电导的载流子：电子和空穴隧道效应大部分固体电介质的电子电导率的温度关系遵循指数规律因为导电的电子（或空穴）也是从各种不同的电离中心经过热激发而产生的，并且，对于过渡元素金属氧化物，通常它的活化能都比较小，载流子数又多，所以，在低温和室温下，电子电导常起主要作用。大部分固体电介质的电子电导率的温度关系遵循指数规律因为导电的固体电介质的离子电导载流子：正、负离子或离子空位固体电介质按其结构可分为：晶体非晶体无机电介质和高分子非晶材料的高聚物固体电介质的离子电导载流子：正、负离子或离子空位无机电介质和固体电介质的离子电导1）无机晶体材料电介质的离子电导导电离子来源本征离子弱联系离子热缺陷在离子晶体中，考虑到它的本征电导和弱联系电导时，σ随温度变化的关系式可以写成离子活化固体电介质的离子电导1）无机晶体材料电介质的离子电导热缺陷在固体电介质的离子电导2）无机玻璃态电介质的离子电导玻璃与晶体的比较，玻璃具有：结构疏松组成中有碱金属离子势垒不是单一的数值，有高有低。导电的粒子：离子电子固体电介质的离子电导2）无机玻璃态电介质的离子电导玻璃离子电导率与碱金属浓度的关系：在碱金属氧化物含量不大时，碱金属离子填充在玻璃结构的松散处，电导率与碱金属离子浓度有直线关系；到一定限度，即空隙被填满后，开始破坏原来结构紧密的部位，使整个玻璃体结构进一步松散，导电率指数上升。减小玻璃电导率的方法有双碱效应、压碱效应。双碱效应：当玻璃中碱金属离子总浓度较大时（占玻璃组成25—30%），总浓度不变，含两种碱金属离子比一种碱金属离子的玻璃电导率小，当比例适当时，电导率可降低很低。玻璃离子电导率与碱金属浓度的关系：在碱金属氧化物含量不大时，以K2O、Li2O为例说明双碱效应的原因：RK+>RLi+，在外电场的作用下，碱金属离子移动时，Li+离子留下的空位比K+留下的空位小，K+只能通过本身的空位；Li+进入大体积空位，产生应力，不稳定，只能进入同种离子空位较为稳定；大离子不能进入小空位，使通路堵塞，妨碍小离子的运动；相互干扰的结果使电导率大大下降。以K2O、Li2O为例说明双碱效应的原因：半导体玻璃：电子电导性的玻璃。含有变价过渡金属离子的某些氧化物玻璃具有电子导电性。例如：金属氧化物玻璃、硫族与金属的化合物玻璃、Si、Se等元素非晶态。压碱效应：含碱金属玻璃中加入二价金属离子，特别是重金属氧化物，使玻璃的电导率降低。相应的阳离子半径越大，这种效应越强。原因：二价离子与玻璃中氧离子结合比较牢固，能嵌入玻璃网络结构，堵塞迁移通道，使碱金属离子移动困难，电导率降低。半导体玻璃：电子电导性的玻璃。含有变价过渡金属离子的某些氧化高分子材料内的载流子很少。已知大分子结构中，原子的最外层电子以共价键方式与相邻原