材料的介电性课件

第二章材料的电学性能1本章内容金属的导电性合金的导电性半导体的导电性材料的介电性材料的超导电性2介电材料的应用领域绝缘材料：介电材料，又称电介质。3第四节材料的介电性

电介质的定义与特征电介质的极化电介质的基本常数电介质的应用41.电介质的定义与基本特征在电场作用下，能产生极化与偶极子，并存在有内电场的物质。物质电介质半导体导体是一类特殊的绝缘体。电介质导体高电场作用5电介质的类型气体液体陶瓷玻璃离子晶体NaCl等H2，空气，六氟化硫等水，石油等云母，瓷，橡胶，聚苯乙烯等钛酸钡、铁酸铋、钛酸铅等6电介质的特征从电场特性来看（a）导体中：内部电场为零（平衡状态），电场终止于导体表面并与表面垂直。（b）在电介质中：内部存在电场，表面会产生束缚电荷。载流子：

导体的载流子为电子；半导体的载流子为电子和空穴；电介质的载流子主要为离子。在传导上，导体为自由电子，而电介质则以电极化。故对极化的研究是介质物理的主要任务。7介电常数：是指以电极化的方式传递、存贮或记录电的作用。电导：是指电介质在电场作用下存在泄露电流。介电损耗：是电介质在电场作用下存在电能的损耗。介电强度：是指在强电场下可能导致电介质的破坏。电介质的四大基本常数好的电介质要求较容易极化，具有较高的介电常数和介电强度，较低的电导和介电损耗。8第四节材料的介电性

电介质的定义与特征

电介质的极化电介质的基本常数电介质的应用9-----++

++++

+++----+-插入电介质束缚电荷在电场作用下产生束缚电荷的现象称为电介质的极化。2.电介质的极化10与极化相关的物理量电偶极矩极化电荷（束缚电荷）电极化强度P——

电介质极化程度的量度由极化而引起的宏观电荷11电介质的极化机制

电介质在外加电场作用下产生宏观的电极化强度，实际上是电介质微观上各种极化机制贡献的结果。包括电子式极化、离子式极化、电偶极子转向极化和空间电荷极化等。电子极化和离子极化又都可分为位移极化和弛豫极化。极化电子式极化离子式极化电偶极子极化空间电荷极化位移极化弛豫极化位移极化弛豫极化12电介质极性材料非极性材料只有位移极化的电介质有转向极化的电介质根据极化类型对电介质进行分类微观上，根据参加极化的微观粒子的种类，电介质的分子极化可分为三类：电子位移极化；离子位移极化；电偶极子转向极化。13①电子位移极化与电子位移极化率

在外电场作用下，电子云相对原子核的位移是弹性联系，其振动频率在光频范围，所以电子极化又称光极化，极化建立和消除的时间极短，约10-15—10-16s。E电子位移极化在外电场作用下，构成原子外围的电子云相对于原子核发生位移感应偶极矩：14平衡建立后-QQxa以电子云中心为参考点，核沿电场方向移动x，使核移动的电场力为核移动后，受到电子云的库仑力为15与温度无关-QQxa电偶极矩电子极化率：由电子产生的偶极矩与作用于该分子的电场强度之比。16电子位移极化结论同族元素：由上到下增大；同周期元素：不定；电子位移极化率与温度无关；极化率为快极化：10-15–10-16s，该极化无损耗。在光频下，只有电子极化，介质的光折射率为：17②离子位移极化和极化率离子晶体的介电常数值比n2值大的多，如8.431.99CaF2110-1147.3TiO24.682.13KCl介电常数n2因此，必然存在电子极化外的其他极化机制。离子位移极化：离子晶体中正、负离子发生相对位移而形成的极化，称为离子（位移）极化(Ionicpolarization)。18-q+qEK=?当位移不是很大时可将正负离子间的恢复力看成为准弹性力根据正、负离子对的固有谐振频率用实验方法求解k值。E19正负离子位移形成的偶极距离子极化率根据离子晶体的势能E(x)，可以得到k值。20离子位移极化率与电子位移极化率几乎有相同的数量级；离子位移极化只可能在离子晶体中存在，液体或气体介质中不存在离子极化；离子位移极化只与离子晶体结构参数有关，与温度无关；离子位移极化建立或消除时间与离子晶格振动周期有相同数量级，10-12–10-13秒。离子位移极化模型（一维）离子极化结论：21③偶极子转向极化和极化率当极性分子受外电场作用时，偶极子就会产生转矩，由于偶极子与电场方向相同时具有最小位能，于是就电介质整体来看，偶极矩不再等于零，而出现沿电场方向的宏观偶极矩，这种极化现象称为偶极子转向极化。E22每一偶极子的势能Boltzman统计分布极性分子固有极距极化建立时间：10-6–10-2秒，为慢极化。23极化形式发生极化的电介质极化的频率范围和温度的关系能量消耗电子位移极化一切陶瓷介质中直流-光频无关没有离子位移极化离子结构介质直流-红外温度升高，极化增强很微弱离子松弛极化离子结构的玻璃、结构不紧密的晶体及陶瓷直流-超高频随温度变化有极大值有电子松弛极化钛质瓷、高价金属氧化物基陶瓷直流-超高频随温度变化有极大值有转向极化有机材料直流-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陶瓷介质直流-超高随温度升高而减弱有自发极化温度低于居里点的铁电体直流-超高频随温度变化有显著极大值很大各种极化形式的综合比较24第四节材料的介电性

电介质的定义与特征电介质的极化

电介质的基本常数

电介质的应用253.基本常数——

静态介电常数——

真空介电常数——

相对介电常数介电常数可理解为在单位电场强度下，单位体积中所存储的能量。电容①介电常数（dielectriccoefficient）26②介电强度击穿指当施加于电介质上的电场强度或电压增大到一定程度时，电介质由介电状态变为导电状态的现象。介电强度填充电介质的目的是使极板间可承受的电位差能比空气介质承受的更高些，即提高其介电强度。27③电介质的电导电介质中的带电质点在电场作用下做定向迁移形成的。固体电导电子电导离子电导电子和空穴可移动的正负离子和离子空位低电场下高电场下28体电导和表面电导体电导率：由材料的本质所决定，与试样尺寸无关。表面电导：表示介质抵抗沿表面漏电的性能。29电击穿UIOUbUb为击穿电压（击穿电场Eb=Ub/d，d为介质厚度）30固体介质击穿的一般规律：固体介质的击穿电场大于液体和气体介质

Eb（气体）=3106V/m

Eb（液体）=107~108V/mEb（固体）=108~109V/m

固体介质击穿是永久性的从击穿过程看：-电场的破坏——变成导体——电击穿；-介质本身的破坏：a）热破坏——热击穿；b）机械破坏——机械击穿31电击穿的特点：电击穿必须满足：电导率小、tan小、散热条件好，无气隙、无边缘放电。b.击穿电场范围较窄：108~109V/m32④介电损耗在外电场作用下，由电导作用和极化作用引起的电介质内的能量损耗。介电损耗电导损耗介质极化损耗静电场中交变电场中电导损耗电导损耗电导损耗并联等效电路串联等效电路33引起介电损耗的微观机制普通无机晶体介质(NaCl,SiO2等)只有位移极化，损耗来源：离子电导，与电导率成正比无定形玻璃介质电导损耗、松弛损耗和结构损耗（Si-O网络变形）多晶陶瓷离子电导，松弛损耗和夹层损耗多相复合介质界面电荷积累——“夹层极化”34有损耗电容器的等效电路和向量图并联等效电路串联等效电路35损耗角和损耗因素向量图δ——损耗角tanδ

——损耗因素理想（真空）电容器无损耗，δ=0；δ越大，说明介质损耗越大。36电介质基本常数之间的关系提高电介质的介电常数有利于提高电容器的存储电荷量，然而介电损耗也将随之增加，因而寻找一种兼具有高介电常数和低介电损耗的电介质是当前科学研究者的任务。材料的介电常数越大，其介电强度不一定高；电介质的电导越大，介电损耗也越高。37一些材料的介电性能材料相对介电常数介电强度/(kV·cm-1)真空1∞水78—纸3.51.4红宝石云母5.416琥珀2.79.0瓷器6.50.4熔凝石英3.80.8玻璃4.51.3电木4.81.2聚乙烯2.35.0二氧化钛1000.638第四节材料的介电性

电介质的定义与特征电介质的极化电介质的基本常数

电介质的应用39电介质的应用领域电容器场效应晶体管超级电容器信息存储声纳超声波红外探测器高介电常数材料铁电材料压电材料热释电材料40电介质领域专家——陈湘明陈湘明，浙江大学教授，长江学者主要研究方向：

长期从事铁电与介电材料的基础与应用研究，现主要研究方向为微波介质陶瓷、多铁性材料、铁电与驰豫铁电材料。钨青铜结构CaCu3Ti4O12陶瓷41电介质材料应用一：超级电容器单位重量储存的能量能达到一般蓄电池的水平。与锂离子电池或其它蓄电池联用，作为短时驱动电源，应用于电动汽车的动力电池领域。应用于大型石化、电子、纺织等领域的重要电力系统或大功率系统使输出电压稳定。特点：长寿命、大容量、高充放电速率。42电介质材料应用二：铁电存储器英文名称：FRAM原理：利用铁电晶体的铁电效应实现数据存储。特点：长寿命、快的写入速度、非易失性。43电介质材料应用三：液晶材料液晶是一种特殊的液态晶体或晶态液态，是液态和晶态的中间态。由于液晶分子间的相互作用力很弱，其