12级介电性能解析

第4章材料的介电性能1234电导率(electricalconductivity)和电阻率1、电阻率：

体积电阻率

V,Ω·m

表面电阻率

S,Ω5介电性能（DielectricProperties）

6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7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：8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别，产生束缚电荷的现象。介质的极化介质损耗介电强度当在一个真空平行板电极间嵌入电介质时，电极间施加电场，那么在电介质表面上感应出电荷。正极旁边感应负电荷，负极旁边感应正电荷。9介电性能的物理参数介电常数、相对介电常数真空电容器电容：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。10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)

11TK=＝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试验方法：12作业已知一材料为各向同性，推导其介电常数的温度系数与电容温度系数的关系（其热膨胀系数为a).133.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5.绝缘电阻1415极化强度(Polarizability)

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

表征材料的极化实力，微观量[法米2][Fm2]

Eloc—局部电场

[Cm/(V/m)]16电介质极化系数(电极化率)

[kai]SusceptibilityP＝n＝nEloc

n、确定，引出P＝0E—平均电矩

E—宏观平均电场

0

—真空介电常数(8.85410-12F/m)

＝r-1极化率17极化：在外电场作用下，介质内质点(原子、分子、离子)正负电荷中心的分别，形成偶极子(Dipole)。电偶极矩18某些材料的介电常数ε（T=25℃f=106Hz）

塑料和有机物玻璃无机晶态材料聚四氟乙烯（Tefton）2.1 石英玻璃 3.8 氧化钡 3.4聚异丁烯 2.23 耐热玻璃 3．8-3．9 云母 3.6聚乙烯 2.35 派勒克斯玻璃 4.0-6.0 氯化钾 4.75聚苯乙烯 2.55 碱-石灰-硅石玻璃 6.9 溴化钾 4．9丁基橡胶 2．56 高铅玻璃 19.0 堇青石陶瓷 4．5-5.4有机玻璃 2.63 （2MgO·2Al2O33SiO42为基）聚氯乙烯 3.3 金刚石 5.5聚酰胺66 3.33镁橄榄石 6.22 (Mg2SiO4）聚酯 3．1-4.0 多铝红柱石3Al2O36.62SiO2

酚甲醛 4.75 氟化镍 9.0氯丁橡胶 6.26 氧化镁 9.65金红石（TiO2）~100钛酸钡（BaTiO3)~1700纸 7019极化机制电子极化离子极化偶极子转向极化空间电荷极化20电子位移极化21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、可复原、瞬间（10-16-10-14、不消耗能量*＝-ex*＝eEloc+—Eloc+e-ex22电子极化率(Polarizability)

e=4pe0R310-40F.m223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更，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，相像于施主能级。阳离子空位是一个负电中心，能束缚空穴，相像于受主能级。弱束缚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;不行逆过程，与电子位移极化不同;消耗能量;t>10-9s特征弱束缚电子：24(a)ANaClchainintheNaClcrystalwithoutanappliedfield.Averageornetdipolemomentperioniszero.(b)Inthepresenceofanappliedfieldtheionsbecomeslightlydisplacedwhichleadstoanetaveragedipolemomentperion.离子位移极化25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+—＋－离子间距探讨在交变电场作用下，被极化离子的运动方程：负离子弹性复原力f1＝-k(－-＋)，电场力f2＝-qE0eit正离子弹性复原力f1＝-k(＋-－)，电场力f2＝qE0eit26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27TT表明热运动对质点的规则运动阻碍增加。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)。28偶极子转向极化

10-38F.m2

消耗能量;t：10-10-10-2s

2930空间电荷极化31不行逆极化，消耗能量;极化时间长，t>10-4s特征32位移式极化极化形式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偶极子取向极化空间电荷极化33各种极化的频率范围

及其对、的贡献=e+i+0+s34克劳修斯－莫索蒂关系式

Clausius－Mossotti

宏观电场E、退极化场E1、外加电场E外

＋－E外＋－＋＋＋＋＋＋－－－－－－

P

E1

E＝E外+E1(矢量和)35局部电场Eloc、洛伦兹场E2、质点旁边偶极子影响E3Lorentz＋－＋＋＋＋＋＋－－－－－－

P

E1E3－－＋＋－－－－－＋＋＋＋＋

E2

E外以参考原子为球心划出，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

36

克劳修斯－莫索蒂关系式

+FreeChargeBoundChargeDipole

++＋

+

+

电位移D、极化强度P、宏观场强E的关系：

P＝D0E＝(－0)E＝0(r-1)E=naEloc

高n大a强的Eloc37（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供应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型离子晶体和具有适当对称的晶体

适用范围

由38具体应用仅有电子位移极化e

=

e10-14～10-16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-LorenzeEquation）

39用干脆测量值来表示将克－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

40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2.2g/cm3。试求聚四氟乙烯的电子极化率。

例41一种非极性固体介质电子极化率为5*10-40F.m2，它的分子量M为100，密度为2g/cm3。试求其光折射率。

作业42ViCUViCUGU90电容器电流与电压的关系志向电容器非志向电容器43复介电常数(ComplexDielectricConstant)

平行板真空电容器加上沟通电压U＝U0eit，则极板上电荷Q＝C0U在外电路上的电流：

电流与电压的相位差90

44嵌入志向绝缘、非极性电介质在外电路上的电流：

电流与电压的相位差仍为90

C＝rC0

嵌入弱电导或极性电介质

C＝rC0

电流与电压的相位差90，有电导重量GU(G：电导)45介质弛豫与德拜方程

RelaxationandDebyeEquations

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渐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46P(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+047与频率的关系(恒定电场)(光频)在0～之间：lg48不同温度下的、和频率特性曲线49从Debye方程中削去半圆方程：圆心：半径：频谱分析技术505152介质损耗介质损耗：电介质在电场作用下，单位时间内消耗的电能。介质损耗率：单位体积的介质损耗。直流损耗功

PW＝IU＝GU2

G—电导(S西门子)为纯自由电荷产生的电导率(S/m)

直流电压下的介质损耗率取决于材料的电导率介质损耗率53介质损耗DielectricLoss

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。IR54实部虚部损耗角正切损耗引子Lossfactor用tan值来探讨电介质损耗的优点：tan、同时干脆测量得到。如：电桥法、谐振法tan与试样大小、形态无关，为电介质自身属性，远比敏感。55（容抗）沟通电压下IUICIRRC等效电路

，自由电荷的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：56介质损耗的形式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，气体被电离吸取能量造成损耗。影响因素内因结构外因温度T和频率ω57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

p＝E2(与频率无关)58

频率的影响

(2)，缓慢极化跟不上电场的变更<<1，随tan

p＝tanE2，、tanp

当m＝1时，tan极大值

(3)，仅位移极化，(最小值)>>1，tan，p变更不大（）tan59

温度的影响

(1)纯电导损耗tan、p，与T成指数关系

60

温度的影响

(2)温度对松弛极化的影响低温时，较大，22>>1，由Debye方程可得中温时，较小，22<<1p主要确定于极化过程，p在Tm下，p、tan有一极大值61高温时，松弛极化

T

T

电导tan

62634.3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。缘由：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复原性能。影响因素：材料本身性质（内因），电极形态，温度，压力（外因）等击穿形式：电击穿、热击穿、化学击穿。64击穿电场强度二．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取电场能量撞击离子瞬时完成雪崩65击穿电场强度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66击穿电场强度三．影响抗击穿电场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．ω对热击穿影响很大ω↑越简洁热击穿67Timetobreakdownandthefieldatbreakdown,Ebr,areinterrelatedanddependonthemechanismthatcausestheinsulationbreakdown.Externaldischargeshavebeenexcluded(basedonL.A.DissadoandJ.C.Fothergill,ElectricalDegradationandBreakdowninPolymers,PeterPeregrinusLtd.forIEE,UK,©1992,p.63)68介电性能测试

（P188-192）1、绝缘电阻率2、介电常数3、介质损耗4、击穿电场强度69707172737475ComparisonofdielectricsforcapacitorapplicationsCapacitornamePolypropylenePolyesterMicaAluminum,electrolyticTantalum,electrolytic,solidHigh-KceramicDielectricPolymerfilmPolymerfilmMicaAnodizedAl2O3filmAnodizedTa2O5filmX7RBaTiO3baseer2.2–2.33.2–3.36.98.5272000tand410-4410-3210-40.05-0.10.010.01Ebr(kVmm-1)DC100-350100-30050-300400-1000300-60010d(typicalminimum)3-4µm1µm2-3µm0.1µm0.1