材料物理性能5上课讲义.ppt

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1、材料物理性能5例：设计一方案，满足3KV下存储10-4C的要求，设电介质材料厚0.02mm的BaTiO3，求电介质的厚度及面积。（注:BaTiO3的介电强度为120KV/cm）。3.3.1介电强度Al2O3(0.03mm)7.0BaTiO3(0.02cm，单晶）0.04Al2O3(0.6mm)1.5BaTiO3(0.02cm，多晶）0.12Al2O3(0.63cm)0.18环氧树脂160-200云母(0.002cm)10.1聚苯乙烯160云母(0.006cm)9.7硅橡胶220一些电介质的介电强度单位：106V/cm1.介质的不均匀性无机材料

2、常常为不均匀介质，有晶相、玻璃相和气孔存在，这使无机材料的击穿性质与均匀材料不同。不均匀介质最简单的情况是双层介质。设双层介质具有各不相同的电性质，ε1，σ1，d1和ε2，σ2，d2分别代表第一层、第二层的介电常数、电导率、厚度。若在此系统上加直流电压U，则各层内的电场强度E1，E2，为：3.3.2影响无机材料击穿强度的各种因素上式表明：电导率小的介质承受场强高，电导率大的介质承受场强低。在交流电压下也有类似的关系。如果σ1和σ2相差甚大，则必然其中一层的电场强度将大于平均场强E，这一层可能首先达到击穿强度而被击穿。一层击穿以后，增加了另一层

3、的电压，且电场因此大大畸变，结果另一层也随之击穿。由此可见，材料的不均匀性可能引起击穿场强的降低。陶瓷中的晶相和玻璃相的分布可看成多层介质的申联和并联，上述的分析方法同样适用。3.3.2影响无机材料击穿强度的各种因素2.材料中气泡的影响：材料中含有气泡时，气泡的ε及σ很小，因此加上电压后气泡上的电场较高。而气泡本身的抗电强度比固体介质要低得多(一般空气的Eb≈33kv/cm，而陶瓷的Eb≈80kv/cm)，所以首先气泡击穿，引起气体放电(电离)，产生大量的热，容易引起整个介质击穿。由于在产生热量的同时，形成相当高的内应力，材料也易丧失机械强度

4、而被破坏，这种击穿称为电—机械—热击穿。3.3.2影响无机材料击穿强度的各种因素3.3.2影响无机材料击穿强度的各种因素3.材料表面状态及边缘电场：（1）固体介质的表面放电固体介质的表面放电属于气体放电。固体介质常处于周围气体媒质中，击穿时，常发现介质本身并未击穿，但有火花掠过它的表面，这就是表面放电。a:固体介质材料不同，表面放电电压也不同。陶瓷介质由于介电常数大、表面吸湿等原因，引起空间电荷极化，使表面电场畸变，降低表面击穿电压。b:固体介质与电极接触不好，则表面击穿电压降低。c:电场的频率不同，表面击穿电压也不同。频率升高，击穿电压降低

5、。3.材料表面状态及边缘电场：（2）边缘电场：电极边缘常常发生电场畸变，使边缘局部电场强度升高，导致击穿电压的下降。影响因素：a:电极周围媒质b:电场的分布(电极的形状、相互位置)c:材料的介电系数、电导率3.3.2影响无机材料击穿强度的各种因素1.压电性概念1）正压电效应：晶体受到机械作用力时，在一定方向的表面上会出现数量相等、符号相反的束缚电荷；作用力反向时，表面荷电性质亦反号，而且在一定范围内电荷密度与作用力成正比。这种由机械能转化为电能的过程，为正压电效应。逆压电效应：当晶体在外加电场作用下，晶体的某些方向上产生形变，其形变与电场强度

6、成正比。称为逆压电效应。正压电效应与逆压电效应统称为压电效应。具有压电效应的物体称为压电体。3.4压电性和热释电性3.4.1压电性a:在X方向上的二个晶体面上接电极，测定电荷密度。X方向上受正应力T1(N/m2)时，测得X方向电极面上产生的束缚电荷Q，其表面电荷密度σ（C/m2）与作用力成正比。1=d11T1其中T1为沿法线方向正应力，d11为压电应变常量，其下标第一个1代表电学量，第二个1代表力学量。α–石英晶体在Y方向上受正应力T2时，X方向上测电荷密度：1=d12T2在Z方向上受正应力T3时，测电流为01=d13T3=0因为T3不

7、等于0，则d13=0。切应力：T4（yz或zy应力平面的切应力），T5（xz或zx平面），T6（xy或yx平面）在切应力作用下，X方向上测电荷密度：1=d14T4而d15=d16=0X方向总电位移：1=d11T1+d12T2+d14T4x方向总电位移：1=d11T1+d12T2+d14T4同样，在晶体y方向的平面上被电极，测y方向的电位移D2：2=d25T5+d26T6同样，在晶体z方向的平面上被电极，测z方向的电位移D3：3=0对于α–石英晶体，无论在哪个方向上施加应力，在z方向的电极面上无压电效应。3.4.1压电性以上正压电效应

8、可以写成一般代数式的求和方式：即m=1,2,3m为电学量，j为力学量采用矩阵方式可表示为：d为压电应变常量，是有方向的，而且具有张量性质。另外一种表示方法为：m=