电工材料及应用

电工材料及应用第一页，共四十三页，编辑于2023年，星期日Chap5电介质与绝缘材料

绝缘材料是指电导率较低(一般在10-9~10-10s/m之间),用来限制电流使其按一定途径流动的材料(如在电机,变压器,电器,电缆中的绝缘);另外,还有利用其”介电”特性建立电场以贮存电能的材料(如电容器).

电介质是指能在电场中极化的材料.而电介质多数是优良的绝缘材料,故两者经常通用.

电介质一般是绝缘体。但广义的电介质还包括半绝缘体和某些处于特殊状态下的半导体（如载流子耗尽状态下的半导体）第二页，共四十三页，编辑于2023年，星期日

材料的介电性能是电介质的主要特征，它以正、负电荷重心不重合的电极化方式传递、存储或记录电的作用和效应。电极化中的电荷主要指那些束缚在原子、分子、晶格、缺陷位置或局部区域内的束缚电荷。本章介绍电介质与绝缘材料的基本概念和性能,并揭示电介质材料宏观介电性能的一些微观机制。

各种束缚电荷在不同频率的交变电场作用下表现出不同的电极化行为，并进行决定着电介质材料的各种性能。第三页，共四十三页，编辑于2023年，星期日§0电介质分类电介质按其分子中正负电荷的分布状况不同可分为:中性电介质偶极电介质离子型电介质第四页，共四十三页，编辑于2023年，星期日§1介质极化的基本概念

电偶极矩的单位为C.m(库仑.米).在分子物理中，常用德拜(D)为单位，1D等于10-18cgs(静电单位)，相当于3.33×10-28C.cm。H2O的电偶极矩为1.85D,HCl的电偶极矩为1.08D.一、定义及有关物理量1、电偶极矩：由大小相等、符号相反、彼此相距为l的两点电荷(+q、-q)所组成的束缚系统，称为偶极子，偶极子的大小和方向常用电偶极矩μ来表示(方向由负电荷指向正电荷)第五页，共四十三页，编辑于2023年，星期日2、极化强度：单位体积内的电偶极矩总和称为极化强度，用P表示

在电介质中，由电磁学理论有

3、电介质的极化率χ和相对介电常数ε

(库/米2)

其中因此，在描述物质的介电性质时，使用相对介电常数ε和宏观极化率χ在物理上等价的。第六页，共四十三页，编辑于2023年，星期日二、电极化的微观机构

由物质的组成可以知道，物质的宏观电极化是组成物质的微观粒子在外电场作用下发生微观电极化的结果，通常，微观粒子在外电场作用下而产生的电矩与场强存在如下关系：式中α称为微观极化率。粒子的微观极化率可能来自多种原因，一般情况包括电子云位移极化（其极化率用αe表示）、离子位移极化（其极化率用αi表示）、偶极子转向极化（其极化率用αd表示）等第七页，共四十三页，编辑于2023年，星期日1、电子云位移极化：没有受电场作用时，组成电介质的分子或原子所带正负电荷中心重合，对外呈中性。受电场作用时，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，这种过程就是电子云位移极化。电子云位移极化存在于一切气体、液体及固体介质中。

（1）电子云位移极化率：理论计算值取决于所采用的粒子模型，由点状核球状负电壳体模型或圆周轨道模型(玻尔模型)计算出的电子极化率为：

第八页，共四十三页，编辑于2023年，星期日（2）电子云位移极化的特点：a)形成极化所需时间极短(因电子质量极小)，约为10-15ｓ，在一般频率范围内，可以认为ε与频率无关；

b)具有弹性，当外电场去掉时，作用中心又马上会重合而整个呈现非极性，故电子式极化没有能量损耗。

c)温度对电子式极化影响不大。

在数量级上上述各种情况均相同，其值都在10-40F·m2，与实验结果相吻合。

由量子力学计算给出的电子极化率为

第九页，共四十三页，编辑于2023年，星期日2、离子位移极化：离子晶体中，无电场作用时，离子处在正常格点位置并对外保持电中性，但在电场作用下，正、负离子产生相对位移，破坏了原先呈电中性分布的状态，电荷重新分布，相当于从中性分子转变为偶极子产生离子位移极化.

离子位移极化主要存在于离子化合物材料中，如云母、陶瓷材料等。（1）离子位移极化率：

以NaCl为例，在外电场E作用下，正、负离子相对自己原来位置发生△r大小位移，在△r不大时，离子达到平衡的条件是电场作用力与离子的恢复力相等，即第十页，共四十三页，编辑于2023年，星期日（2）离子位移极化的特点：

a)形成极化所需时间很短，约为10-13ｓ。在频率不太高时，可以认为ε与频率无关；b)属弹性极化，能量损耗很小。c)离子位移极化受两个相反因素的影响：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ε一般具有正的温度系数，即随温度升高，出现极化程度增强趋势的特征。第十一页，共四十三页，编辑于2023年，星期日3、偶极子转向极化：极性电介质中，存在具有固有偶极矩μ0的偶极子。无外电场时，偶极子排列混乱，使∑μi=0；加外电场时，偶极转向，成定向排列，从而使电介质极化.（1）偶极子极化率：具有固有电偶极矩μ0的偶极子的转向极化率为

（2）偶极子极化的特点：a)极化是非弹性的，消耗的电场能在复原时不可能收回。b)形成极化所需时间较长，约为10-10～10-2ｓ，故其ε与电源频率有较大的关系，频率很高时，偶极子来不及转动，因而其ε减小。

c)温度对极性介质的ε有很大的影响。

第十二页，共四十三页，编辑于2023年，星期日4、空间电荷极化：空间电荷极化常常发生在不均匀介质中。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，引起电介质内各点离子密度的变化，出现了电偶极距。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：空间电荷极化随温度升高而下降。因为温度升高，离子运动加剧，离子扩散容易，因而空间电荷减少。空间电荷的建立需要较长的时间，大约几秒到数十分钟，甚至数十小时，因此空间电荷极化只对直流和低频下的介电性质有影响。第十三页，共四十三页，编辑于2023年，星期日5、松弛极化

当材料中存在着弱联系电子、离子和偶极子等松弛质点时，热运动使这些松弛质点分布混乱，而电场力图使这些质点按电场规律分布，最后在一定温度下，电场的作用占主导，发生极化。这种极化具有统计性质，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。第十四页，共四十三页，编辑于2023年，星期日§2材料的介电性1、介电常数与相对介电常数

为了将极化强度P和宏观实际有效电场E相联系,人们定义

一、介电常数：

式中

为真空介电常数，其值为8.85×10-12F/m,

为电介质的极化系数，是个无量纲的数。

第十五页，共四十三页，编辑于2023年，星期日式中

为电介质的绝对介电常数；

为电介质的相对介电常数,是一个无量纲的数。电介质在电场中的极化将使电感应强度D变化，

绝对介电常数、相对介电常数都表征电介质极化并储存电荷的能力的宏观物理量。

第十六页，共四十三页，编辑于2023年，星期日2、相对介电常数与分子极化率α的关系

对弥散态物质，1880年，H.A.Lorentz和

L.Lorenz各自独立得到下列公式

式中N单位体积中的分子数。此式称为Lorentz－Lorenz公式，它将表征极化特性的宏观参数（介电常数）与微观参数（分子极化率α）联系起来，同时提供了计算介电性能参数的方法。第十七页，共四十三页，编辑于2023年，星期日Clausius-Mosotti方程——相对分子质量——密度——阿佛迦德罗常数——电子极化率由上式可知，介电常数是随着电子极化率的增大而增大。密度增大，介电常数也将提高。第十八页，共四十三页，编辑于2023年，星期日二、介电驰豫

1、驰豫过程：一个宏观系统由于周围环境的变化或受到外界的作用而变为非热平衡状态，这个系统再从非平衡状态过渡到新的热平衡态的整个过程就称为驰豫过程。

驰豫过程实质上是系统中微观粒子由于相互作用而交换能量，最后达到稳定分布的过程。驰豫过程的宏观规律决定于系统中微观粒子相互作用的性质。因此，研究驰豫现象是获得这些相互作用的信息的最有效途径之一。

2、介电驰豫与驰豫时间：

发生在电介质中的与极化相关的驰豫过程就是介电驰豫。

第十九页，共四十三页，编辑于2023年，星期日式中τ称为驰豫时间，它是P减小到e-1倍时所需要的时间。

由初始条件可知此微分方程的解为

设在t<0时，介质受外电场作用产生极化，其强度为P0,在t=0时突然除去电场，然后系统就会经历驰豫过程，其极化强度将随时间逐渐减小，最后达到热平衡态的零值。一般可设极化强度P的减小速率与P成正比，即第二十页，共四十三页，编辑于2023年，星期日德拜在描述电介质极化现象的驰豫过程中采用介如下电常数ε对交变电场的频率ω的关系3、德拜驰豫方程：其中，

是电场频率趋于无穷大时介质的介电常数。α（t）被称为衰减因子。

若在t<0时，介质的极化强度为0,在t=0时突然加一恒定电场，则系统也会经历驰豫过程，其极化强度将随时间逐渐增大，最后达到新的热平衡态的P0值。这一驰豫过程的极化强度变化为

第二十一页，共四十三页，编辑于2023年，星期日上面两个式子常称为德拜方程。

在一定情况下，可设

令，于是由上述积分可得

第二十二页，共四十三页，编辑于2023年，星期日从上面还可得到

这是一个以为坐标的圆方程。如果分别以为横、纵坐标做图，则方程描绘的是一条半圆周曲线。这种曲线常称为Cole-Cole图。

4、Cole-Cole图从德拜方程中消去ωτ，可得到

第二十三页，共四十三页，编辑于2023年，星期日Cole-Cole图在处理实验数据时很有用。只要在实验上测出不同频率下材料的复介电常数的实部和虚部，并将实验数据在复平面上做Cole-Cole图，就可以从图上材料的介电驰豫是否属于德拜驰豫，还可以求得驰豫时间。

显然，半圆与横坐标的两个交点的值是。将半圆顶点的坐标代入德拜方程，可以得到顶点处的圆频率与驰豫时间的关系为ωτ=1。

第二十四页，共四十三页，编辑于2023年，星期日三、介质损耗：

电介质在电场作用下，单位时间消耗的电能叫介质损耗。

1、损耗的形式①电导损耗：在电场作用下，介质中由泄漏电流引起的损耗就是电导损耗。绝缘好的液、固电介质在工作电压下时一般电导损耗很小，但随温度的增加而急剧增加的。②极化损耗：由各种极化机构在电场作用下发生的能量损耗称为极化损耗。极化损耗主要是由那些较缓慢的极化过程造成的，如偶极子的极化损耗。极化损耗与温度有关，也与交变电场的频率有关，在某种温度或某种频率下，损耗会呈现最大值。③游离损耗：气体间隙中的电晕损耗和液、固绝缘体中局部放电引起的功率损耗称为游离损耗。

第二十五页，共四十三页，编辑于2023年，星期日2、介质损耗的表示

在大多实际电介质中，介电常数是复数常用损耗角的大小表示介质损耗，损耗角定义为

第二十六页，共四十三页，编辑于2023年，星期日四、介电常数与介质损耗的影响因素

材料电介常数与频率的一般关系如下:

1、频率的影响电子极化→离子（原子）极化→偶极极化→界面极化→电频率光频率ε第二十七页，共四十三页，编辑于2023年，星期日第二十八页，共四十三页，编辑于2023年，星期日εr，tgδ，p与ω的关系

1）外加电场频率很低（ω→0）时，介质的各种极化都能跟上外加电场的变化，介电常数有最大值，不存在极化损耗。介质损耗主要由漏导引起。2）随外加电场频率升高，松弛极化在某一频率开始跟不上外电场的变化，它对介电常数的贡献减小，因而εr随ω升高而减少。在这一频率范围内，由于ωτ＜＜1，故tgδ随ω升高而增大，同时P也增大。(3)当ω很高时，εr→ε∞，介电常数仅由位移极化决定，εr趋于最小值。此时由于ωτ＞＞1，此时tgδ随ω升高而减小。ω→∞时，tgδ→0。第二十九页，共四十三页，编辑于2023年，星期日2、温度的影响温度对松弛极化产生影响，因而P，ε和tgδ与温度关系很大。松弛极化随温度升高而增加，此时，离子间易发生移动，松弛时间常数τ减小。（1）当温度很低时，随温度上升，εr、tgδ和P上升。

（3）当温度升到很大值时，离子热运动能量很大，离子在电场作用下的定向迁移受到热运动的阻碍，因而极化减弱，εr下降。此时电导损耗剧烈上升，tgδ也随温度上升急剧上升。（2）在中间温度范围的某一温度Tm下，P和tgδ有极大值，第三十页，共四十三页，编辑于2023年，星期日1：结构损耗；2：松弛损耗，3：电导损耗；4：总

损

耗

玻璃中各种介质损耗与温度的关系

第三十一页，共四十三页，编辑于2023年，星期日五、电介质的电导电介质并非理想绝缘体,在电场作用下均有一定的电流通过,此为电介质的电导。电介质的电导大小，一般用电阻率ρ或电导率γ表示。这两个都是表征材料导电性能的宏观参数，与材料的几何尺寸无关。在含有m种载流子参与导电的情况下，电导率可表示为：第三十二页，共四十三页，编辑于2023年，星期日按导电载流子种类，电介质的电导可分为：（1）电子电导（包括空穴导电）：载流子是带负电荷的电子（或带正电荷的空穴）（2）离子电导：载流子是理解了的原子或原子团（离子），它们可以带正电荷，也可以带负电荷。离子导电时，伴随有电解现象发生。

固态导体、半导体及强电场下的绝缘体中主要是电子电导，液态导体、半导体及弱电场下的绝缘体中主要是离子电导。第三十三页，共四十三页，编辑于2023年，星期日气体电介质的电导

常温、常压下的气体在较低电场强度下都是优良的绝缘体，能够通过气体的电流极其微弱，只有采用很高灵敏度的静电计才能检测出来（j<10-14A/m2）j-E曲线三区域：Ⅰ——欧姆电导区Ⅱ——饱和电流区Ⅲ——电流激增区第三十四页，共四十三页，编辑于2023年，星期日液体电介质的电导液体电介质在纯净的情况下，电导率一般很小，如经硅胶、白土精制后的矿物油，其电导率在80℃下仅为10-13S/m。工程用液体介质由于受杂质影响，其电导率一般较大，在10-13~10-9S/m的范围内变化。极性的比非极性的高。离子电导胶粒电导电子电导第三十五页，共四十三页，编辑于2023年，星期日固体电介质的电导离子电导电子电导第三十六页，共四十三页，编辑于2023年，星期日固体电介质的表面电导亲水电介质疏水电介质第三十七页，共四十三页，编辑于2023年，星期日六、介电强度与击穿

热击穿：当外加的电压足够高时，介质可能处于发热大于散热的状态，这将导致介质温度持续升高，直至出现永久性损坏，这就是热击穿。热击穿电压随环境温度升高而降低。

电介质只能在一定的电场强度以内保持绝缘的特性。当电场强度超过某一临界值时，电介质变成了导体，这种现象称为电介质的击穿，相应的临界电场强度称为介电强度或击穿电场强度。显然，在电介质的使用中，这个参数特别重要。

严格地划分击穿类型是很困难的，通常分为三种类型：热击穿、电击穿、局部放电击穿。

第三十八页，共四十三页，编辑于2023年，星期日电击穿：在强电场下,固体导带中的电子一方面在外电场作用下被加速获得动能,另一方面与晶格振动相互作用,把能量传递给晶格。若电场给于电子的能量大于电子传递给晶格振动能量时，电子的动能就会越来越大，达到某个值后，电子与晶格相互作用还会导致电离产生新电子，使自由电子数迅速增加，电导率不断增大，击穿发生。

表面放电和边缘击穿：固体介质常处于周围气体媒质中。击穿时,常发现介质本身并末击穿,但有火花掠过它的表面,这就是表面放电。表面放电与电场畸变有关。

在电极边缘，常常有电场集中，因而击穿常在电极边缘发生，即边缘击穿。

表面放电与边缘击穿决定于电极周围的媒质以及电场的分布，也与电介质的介电系数、电导率有关。第三十九页，共四十三页，编辑于2023年，星期日七、新型高性能介电材料需求分析1、集成电路基