材料的介电性能教学课件ppt

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1、第二章材料的介电性能2.1电介质及其极化2.2介电强度2.3压电性和热释电性2.4铁电性2.5介电测量简介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具有极化能力和其中能够长期存在电场的性质是电介质的基本属性电介质体内一般没有自由电荷，具有良好的绝缘性能电介质又可称为绝缘材料（insulatingmaterial）或绝缘体（insulator）电介质的分类分类原则分类物质组成特性无机电介质和有机电介质物质的聚集态气体介质、液体介质及固体介质物质原子排列的有序化晶体电介质和非晶态电介质组成分子

2、的电荷的空间分布极性电介质和中性电介质介质组成成分的均匀度均匀介质和非均匀介质2.1电介质及其极化2.1.1平板电容器及其电介质平行板电容器，真空中电容C0：当板间存在电介质时：相对介电常数：真空平板电容间嵌入一块电介质，当加上外电场时，则在正电极附近的介质表面感应出负电荷，负极板附近的介电表面感应出正电荷，这种感应出的表面电荷称为感应电荷，或者束缚电荷。电介质在电场作用下产生束缚电荷的现象称为电介质的极化。根据分子的电结构，电介质有两类：非极性分子电介质：正负电荷统计重心重合。极性分子电介质：正负电荷统计重心不重

3、合，存在电偶极子。2.1.2极化相关物理量极性分子的电偶极距：电极化强度P：电介质极化程度的量度。电极化率χe：电位移D：电容器极板上自由电荷面密度。2.1.3电介质极化机制2.1.3.1电子、离子位移极化（1）电子位移极化（ElectronicPolarizability）特点：响应快，10-14~10-16s完全弹性在所有电介质中存在R：原子半径（2）离子位移极化离子位移极化率离子弹性位移极化：弹性，10-12~10-13s2.1.3.2弛豫（松弛）极化松弛质点：材料中存在着弱联系的电子、离子和偶极子。松弛极化

4、：松弛质点由于热运动使之分布混乱，电场力使之按电场规律分布，在一定温度下发生极化。松弛极化的特点：比位移极化移动较大距离，移动时需克服一定的势垒，极化建立时间长，需吸收一定的能量，是一种非可逆过程。（1）电子松弛极化材料中弱束缚电子在晶格热振动下，吸收一定能量由低级局部能级跃迁到较高能级处于激发态；处于激发态的电子连续地由一个阳离子结点，移到另一个阳离子结点；外加电场使其运动具有一定的方向性，由此引起极化，使介电材料具有异常高的介电常数。极化过程不可逆。极化建立时间约为10-2~10-9s。（2）离子松弛极化结构正

5、常区缺陷区U松U’松U导电离子热弛豫极化率特点：1、与导电不同2、随温度升高，极化率下降3、极化率较位移极化大一个数量级，介电常数较大4、离子弛豫极化时间10-2~10-5s。2.1.3.3取向极化取向极化：具有恒定偶极矩的极性分子在外加电场作用下，偶极子发生转向，趋于和外加电场方向一致，与极性分子的热运动达到统计平衡状态，整体表现为宏观偶极矩。取向极化比电子极化率高得多。E2.1.3.4空间电荷极化空间电荷极化：在不均匀介质中，如介质中存在晶界、相界、晶格畸变、杂质、气泡等缺陷区，都可成为自由电子运动的障碍；在障

6、碍处，自由电子积聚，形成空间电荷极化，一般为高压式极化。----++++----++++----++++外电场P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空间电荷极化

7、松弛极化离子极化电子极化工频声频无线电红外紫外极化率或极化率和介电常数与频率的关系2.2介电强度2.2.1介质在电场中的破坏当陶瓷或聚合物用于工程中做绝缘材料、电容器材料和封装材料时，通常都要经受一定的电压梯度的作用。如果材料发生短路，则这些材料就失效了。这种失效就是介电击穿。引起材料击穿的电压梯度(V/cm)称为材料的介电强度或介电击穿强度。2.2.2电击穿固体介质电击穿的碰撞电离理论：在强电场作用下，固体导带中可能因冷或热发射存在一些电子，这些电子被加速，获得动能；高速电子与晶格振动相互作用，把能量传递给晶格

8、；上述两个过程在一定温度和场强下平衡时，固体介质有稳定的电导；当电子从电场中获得能量大于传递给晶格振动能量时，电子动能越来越大；大到一定值，电子与晶格振动的相互作用导致电离产生新电子，使电子数目迅速增加，电导进入不稳定状态，发生击穿。热击穿处于电场中的介质，由于介质损耗而受热；当外加电压足够高时，散热和发热从平衡状态转入非平衡状态，介质的温度将越来越高，直至