材料物理性能测试技术讲课-介电特性.ppt

材料物理性能测试技术 材料的介电性能,高智勇,本章知识结构,电介质及其极化 极化的相关物理量 压电性和释电性 铁电性 介电测量简介,电介质及其极化,电介质的定义,介电材料和绝缘材料是电子和电气工程中不可缺少的功能材料，它主要应用材料的介电性能，这一类材料总称为电介质。电介质通常是指电阻率大于1010cm的一类在电场中以感应而非传导的方式呈现其电学性能的材料。 导体、半导体在电场作用下都会发生电荷的自由运动，而介电材料在有限电场作用下几乎没有自由电荷迁移,电介质：,用于把带电体隔离、并能长期经受强电场作用的绝缘材料,介电材料：放在平板电容器中增加电容的材料 电介质：在电场作用下能建立极化的物质。 在真空平板电容器中，嵌入一块电介质。加入外电场时，在正极附近的介质表面感应出负电荷，负极板附件的介质表面感应出正电荷，这些电荷称为感应电荷，又称束缚电荷。,电介质及其极化,电极化的定义,在电介质材料中起主要作用的是被束缚着的电荷。在电场的作用下正、负电荷尽管可以逆向移动，但它们不能挣脱彼此的束缚而形成电流，只能产生微观尺度的相对位移，称为电极化 介电系数是综合反映介质内部电极化行为的一个主要宏观物理量,电容:当两个临近导体加上电压后具有存储电荷能力的量度 电容的单位是法拉，简称法，符号是F, 毫法(mF)、微法(F)、纳法(nF) 和皮法(pF),真空电容器的电容主要由二个导体的几何尺寸决定,q为单位面积电荷； d为平板间距（m）； A为面积（m2）； V为平板上电压（V）,法拉第发现，当一种材料插入两平板之间后，平板电容器的电容增加。现在已经掌握，增大的电容应为：,r为相对介电常数；(0r)为介电材料的电容率，或称介电常数（单位为C2/m2或F/m）,放在平板电容器中增加电容的材料称为介电材料。显然，它属于电介质。所谓电介质就是指在电场作用下能建立极化的物质。,在真空平板电容器间嵌入一块电介质，当加上外电场时，则在正极板附近的介质表面上感应出负电荷，负极板附近的介质表面感应出正电荷。这种感应出的表面电荷称为感应电荷，亦称束缚电荷 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。正是这种极化的结果，使电容器增加电荷的存储能力。,平板电容器中的电容 （a）真空平板电容器；（b）平板电容器中的介电材料,极化的相关物理量,根据分子的电结构，电介质可分为两大类： 极性分子电介质， 例如H2O、CO等； 非极性分子电介质，例如CH4、He等 结构的主要差别是分子的正、负电荷统计重心是否重合，即是否有电耦极子。,电偶极子：具有一个正极和一个负极的分子或结构,q为所含电量； L为正负电荷重心距离,极性分子电介质，由于分子的正负电荷中心不重合，存在电偶极矩； 对于非极性分子电解质，由于外界作用，正负电荷中心瞬时分离，也产生电偶极距。,电介质在外电场作用下，无极性分子的正、负电荷重心将发生分离，产生电耦极矩 极化电荷：是指和外电场强度相垂直的电介质表面分别出现的正、负电荷，这些电荷不能自由移动，也不能离开，总值保持中性 描述电介质这种性质的参数 极化强度 介电常数,电介质极化的机制 电子极化，离子极化，电偶极子取向，空间电荷极化，分别对应电子、原子、分子和空间电荷情况。 位移极化，由电子或离子位移产生电偶极距而产生的极化。分为电子位移极化和离子位移极化。 这种极化可以在光频下进行，10-14-10-10S 可逆 与温度无关 产生于所有材料中 电子极化率的大小与原子(离子)的半径有关,电介质的极化 电子位移极化：在外电场作用下每个原子中价电子云相对于原子核位移,极化可以在光频下进行，10-14-10-10S 可逆 与温度无关 产生于所有材料中 电子极化率的大小与原子(离子)的半径有关,E,电子轨道位移：原子中的所有电子都发生、但价电子显著、内层电子不显著,原子或离子半径,电子轨道位移,原子正、负电中心不再重合,电介质的极化 原子（离子）位移极化：外电场引起的原子核之间的相对位移，相当于一感生偶极矩 极化晶体中负离子和正离子相对于它们的正常位置发生位移，形成一个感生偶极矩 也可以看做离子间的键合在电场作用下被拉长,E,离子位移极化率： 式中：a为晶格常数； n为电子层斥力指数 对于离子晶体n为7-11,可逆; 反应时间为10-13-10-12S 温度升高，极化增强 产生于离子结构电介质中,结合键被拉长,电介质的极化 取向极化 ：偶极子沿电场方向择优排列 沿外场方向的偶极子数大于和外场反向的偶极子数，因此电介质整体出现宏观偶极矩。这种极化与永久偶极子的排列取向有关，又称分子极化（或偶极子极化）,E,热运动：无序,电 场：有序,无电场,无电场时,有极分子的取向杂乱无章，宏观上电介质对外不显电性,有电场,有外电场时,在外电场力矩作用下，偶极子（有极分子）转向电场的方向，场强越强偶极子的取向与电场越一致。,分子的热运动会破坏分子排列有序化,取向极化： （1） 在包括硅酸盐在内的离子键化合物与极性聚合物中是普遍存在的； （2） 响应时间 10-210-10S （3）这种极化在去掉电场后能保存下来，因而涉及的偶极子是永久性的。 （4）随温度变化有极大值,温度不太高、外电场不太强时，平衡状态下有极分子的取向极化率：,分子的固有偶极矩，,Boltzman 常数,电介质的极化 非极性分子：在外电场作用下只产生电子极化原子（离子）极化（诱导偶极矩） 极性分子：在外电场作用下产生电子极化、原子（离子）极化和取向极化,在陶瓷类电介质中，极化机制除上述介绍的三种方式外，还有空间电荷极化机制 介质中空间电荷的移动形成的极化,6) 空间电荷极化： 可动的载流子受到电场作用移动，受到阻碍而排列于一个物理阻碍前面时产生的极化。 物理阻碍：晶界，相界，自由表面，缺陷。 反应时间很长，几秒到数十分钟； 随温度升高而减弱； 存在于结构不均匀的陶瓷电介质中；,分子极化过程是弛豫过程 电子极化：1015s 原子极化： 1013 1014 s 取向极化：109s 空间电荷极化： 102s 决定了相对介电常数与介电损耗随交变电场频率的变化而呈现不同的特征,小结： （1）总的极化强度是上述各种机制作用的总和。 （2）材料的组织结构影响极化机制。,（3） 外电场的频率：某种机制都是在不同的时间量级内发生的，只有在某个领域频率范围内才有显著的贡献。,几个重要的物理参量,介电系数 介电强度 极化强度 介电损耗,代表板间电介质的性能,介电系数：一个平板电容器的容量C与平板的面积A成正比，而与板间的距离d成正比。这里的比例常数成为静态介电常数,1）材料因素： 材料在电场中被极化的能力 2）尺寸因素： d 和A ：平板间的距离和面积,在平行板电容器间放置某些材料，会使电容器存储电荷的能力增加，CC0 真空介电常数：0 =8.8510-12 F. m-1(法拉/米) 相对介电常数：r 介电常数（电容率）： =0r(F/m) 介电常数是描述某种材料放入电容器中增加电容器存储电荷能力的物理量。,相对介电系数：带有电介质的电容C与不带有电介质（真空）的电容C0之比,无量纲的正数,如果介电介质为真空,介电击穿：各种电介质都有一定的介电强度，不允许外电场无限加大。当电场足够高时，通过电介质的电流是如此之大，致使电介质实际上变为导体，有时还能造成材料的局部熔化、烧焦和挥发 介电强度：是指电介质不发生电击穿条件下可以存在的最大电位梯度，单位为Vmm-1 通常在两导电极板之间放置电介质，是为了使极板间可承受的电位差能比空气介质承受的更高,极化强度 极化强度P是电介质极化程度的量度，定义式为：,为电介质中所有电耦极矩的矢量和；,电耦极矩所在空间的体积；P的单位为C/m2,V为,P的单位为C/m2,可以证明，电极化强度就等于分子表面电荷密度 假设每个分子电荷的表面积为A，则电荷占有的体积为lA，且单位体积内有Nm个分子，则单位体积有电量Nmq，那么，在lA的体积中的电量为NmqlA，则表面电荷密度,电极化强度不仅与外加电场有关，而且还和极化电荷所产生的电场有关，即电极化强度和电介质所处的实际有效电场成正比。在国际单位制中，对于各向同性电介质，这种关系可以表示为：,E为电场强度，0为真空介电常数， e为电极化率。,介电损耗 理想电容器：在充电时储存电能，放电时又将储存的电能全部释放出来，它在交变电场作用下没有能量的损耗。 介质电容器：受交变电场作用时，偶极子取向需要克服分子间的摩擦力等原因，在每一周期中获得的电场能量必定有一部分以热的形式损耗掉 tan 介电损耗：介电损耗的大小不仅与介电材料相关，而且与电场频率有关,电介质的极化是在电极的作用下，介质内部正、负电荷重心不重合被感应而传递和记录电的影响，静态介电系数大体上反应了这一过程的性质 当外加电场的频率增高时，电极化过程内部存在着不同的微观机制，它们对高频电场有不同的响应速度，极化过程却显示出很不相同的特征，这时的静态介电系数已不能作为表征内部过程的参数 电介质的极化强度、介电常数必定是电场频率的函数,静电场中，三种极化机制都能充分实现，介电常数最大 交变电场： f108Hz时，由于三种极化都能跟上电场的变化，介电常数与静电场中的介电常数相等，而且基本不随频率变化而变化,交变电场： 电场频率增加到108Hz以上时，首先是取向极化逐渐跟不上电场的变化，因而介电常数随频率的提高而发生明显的跌落 频率增加到1010Hz以上时，取向极化已根本不可能实现，这时的介电常数仅仅是电子极化和原子极化的贡献,介电常数跌落的频率范围称为反常色散区,电介质的介电常数不仅与电场频率有关，而且与温度有关 取向极化与温度有关,在静电场作用下取向极化率随温度提高而降低，所以电介质的静电介电常数必然随温度的提高而减小,交变电场， 介电常数温度的关系,温度较低时，介电常数随温度的提高而增大 温度较高时，介电常数又随温度的提高而减小 因为热对取向极化有两方面的作用：一方面热有利于分子运动，缩短取向极化的弛豫时间，有利于取向极化跟上电场的变化，使介电常数增大；另一方面，热有对抗外电场的作用，破坏分子沿电场方向取向的趋势，使介电常数减小。在温度较低时，前者起主导作用；而温度较高时，后者起主导作用。,压电性和释电性,压电性 1880年，Piere Curie 和Jacques Curie兄弟发现，对石英单晶体（以下称晶体）在一些特定方向上加力，则在力的垂直方向的平面上出现正、负束缚电荷，后来称这种现象为压电效应 当晶体受到机械力作用时，一定方向的表面产生束缚电荷，其电荷密度大小与所加应力的大小成线性关系，这种由机械能转换成电能的过程，称为正压电效应。 当晶体在外电场激励下，晶体的某些方向上产生形变（或谐振）现象，而且应变的大小与所加电场在一定范围内有线性关系。这种由电能转变为机械能的过程称为逆压电效应。,逆压电效应与电致伸缩效应 实际上，任何电介质在外电场作用下，都会发生尺寸变化，即产生应变。这种现象称为电致伸缩，其应变大小与所加电压的平方成正比。,逆压电效应与电致伸缩,压电效应机理 图（a）表示晶体中的质点在某方向上的投影，此时晶体不受外力作用，正电荷的重心与负电荷的重心相重合，整个晶体的总电矩为零，晶体表面的电荷亦为零。 当沿着某一方向上施加机械力时，晶体就会由于形变导致正负电荷重心分离，亦即晶体的总电矩发生变化，同时引起表面荷电现象,正压电效应本质：,外力改变了晶体中的离子原来的相对位置、在特定的方向上产生束缚电荷、出现净电偶极矩,中心对称的晶体受力时不会改变其中心对称性、无压电效应,压电晶体：结构上必须是无对称中心；组成上必须是离子、或离子性原子、或含离子基团的分子,分子晶体,压电材料的主要表征参数 描述电介质的一般参量如电容率、介质损耗角正切（电学品质因素Qc）、介质击穿强度、压电常量外 描述压电材料弹性谐振时力学性能的机械品质因素Qm以及描述谐振时机械能与电能相互转换的机电耦合系数K,压电系数（d）,式中，P为压电晶体在应力作用下产生的极化强度；d为材料压电效应的大小； d为张量 材料的压电性能一般是各向异性的。,介质损耗（tan） ：在交变电场下，压电材料所积累的电荷有两种分量，一种是有功部分，由电导过程引起；一种为无功部分，由介质的驰豫过程引起，两者的比值用tan表示。 tan与压电材料的能量损失成正比，所以也叫损耗因子。,机械品质因数 压电振子谐振时，仍存在内耗，造成机械损耗，使材料发热、降低性能。反映这种损耗程度的参数称为机械品质因数Qm 通常测压电参量用的样品，或工程中应用的压电器件，如谐振换能器和标准频率振子，主要是利用压电晶片的谐振效应，即当向一个具有一定取向和形状制成的有电极的压电晶片（或极化了的压电陶瓷片）输入电场，其频率与晶片的机械谐振频率fr一致时，就会使晶片因逆压电效应而产生机械谐振。这种晶片称为压电振子。,机械品质因数Qm定义式为,Wm为振动一周单位体积存储的机械能Wm为振动一周内单位体积内消耗的机械能,不同压电材料的机械品质因素Qm的大小不同，而且还与振动模式有关,机电耦合系数 综合反映了压电材料的性能 由于晶体结构具有的对称性，加之机电耦合系数与其他电性常量、弹性常量之间存在简单的关系，因此，通过测量机电耦合系数可以确定弹性、介电、压电等参量，而且即使是介电常数和弹性常数有很大差异的压电材料，它们的机电耦合系数也可以直接比较。,机电耦合系数常数K表示,机电耦合系数常数K是压电材料机械能和电能相互转化能力的量度。它本身可为正，也可为负。但它并不代表转换效率 ？,热释电性,热释电性 ：由于温度作用而使其电极化强度变化，这就是热释电性，亦称热电性。 取一块电气石，其化学组成为(Na,Ca)(Mg,Fe)3B3Al6Si6(O,OH,F)31。在均匀加热它的同时，让一束硫磺粉和铅丹粉经过筛孔喷向这个晶体。结果会发现，晶体的一端出现黄色，另一端变为红色,坤特法显示电气石的热释电性,如果电气石不是在加热过程中，喷粉实验不会出现二种颜色 电气石是三方晶系3m点群，结构上只有唯一的三次旋转轴，具有自发极化。没有加热时，它们的自发极化电耦极矩完全被吸附的空气中的电荷屏蔽掉了。但在加热时，由于温度的变化，使自发极化改变，这屏蔽电荷失去平衡。因此，晶体的一端的正电荷吸引硫磺粉成黄色，另一端吸引铅丹粉呈红色。,热释电性是由于晶体中存在着自发极化所引起的 自发极化：不是由外电场作用所引起的，而是由于物质本身的结构在某个方向项正负电荷重心不重合而固有的 自发极化矢量方向由负电荷重心指向正电荷重心，当温度变化时，引起晶体结构上正负电荷重心发生相对位移，从而使晶体的自发极化改变。 一般情况下，晶体自发极化所产生的表面束缚电荷被来自于大气中而附着在晶体外表面上的自由电荷所屏蔽，晶体的电偶极矩显现不出来。只有当温度变化时，所引起的电矩改变不能被补偿的情况下，晶体两端就表现出荷电现象。,热释电效应产生的条件： 一定使具有自发极化（固有极化）的晶体，在结构上应具有极轴晶体唯一的轴，在该轴的两端往往具有不同性质，且采用对称操作不能与其他晶向重合的方向 具有压电性的晶体不一定有热释电性 当压电效应产生时，机械应力引起正、负电荷的重心产生相对位移，而且一般说不同方向上位移大小是不相等的，因而出现净电偶极矩。而当温度变化时，晶体受热膨胀却在各个方向同时发生，并且在对称方向上必定有相等的膨胀系数。也就是说，在这些方向上所引起的正、负电荷重心的相对位移是相等的，也就是正、负电荷重心重合的现状并没有因为温度变化而改变，所以没有热释电现象,材料热释电性的主要参量是热释电常量P 当电场强度为E的电场沿晶体的极轴方向加到晶体上，总电位移为,Ps为自发极化强度，P诱为电场诱发的,令E为常数，对T进行微分，则,Pg为综合热释电系数,p为热释电常量,电极化强度和电介质所处的实际有效电场成正比线性电介质 有些电介质的极化强度随外加电场呈现非线性变化 非线性电介质,铁电性,1920年，法国人Valasek发现罗息盐（酒石酸钾钠NaKC4H4O64H2O）具有特异的介电性。其极化强度随外加电场的变化有如右图所示的形状，称为电滞回线，把具有这种性质的晶体成为铁电体 由于电滞回线与铁磁体的磁滞回线相似，故称之为铁电体。,电滞回线示意图,铁电体的 关系与铁磁体的 类似,铁电体产生的宏观条件 电场极化； 无对称中心； 自发极化； 极轴； 电滞回线,自发极化：并无外电场作用、但体内有较强的电极化强度。,具有自发极化、且自发极化的方向可被外电场改变的晶体,铁电体：,铁电性的起源：,如同铁磁性的起源：铁电体中存在电畴,电畴：,含有永久电偶极矩的小区，小区中各晶胞的电偶极矩方向相同,电畴具有强电偶极矩,实际铁电体的各电畴的电偶极矩方向一般不同；铁电晶体通常宏观上对外不显电性,有许多晶粒组成的铁电陶瓷更是如此,铁电体的极化：,适当的高温下、强直流电场的作用，使各电畴的电矩沿外电场的方向取向，维持外场下缓慢冷却材料到室温,适当的高温：电畴的取向可实现、又不会显著破坏已取向的电畴,维持外场、冷却到室温：,冻结已取向的偶极子,铁电体居里温度：,铁电体在某一温度以上、失去铁电性,居里温度：临界温度,典型的铁电材料：,侧视图,立体图,立方相：正负离子中心重合，晶胞无电偶极矩、无铁电性,四方相： 离子和周围 离子略向相反方向移动、产生方向向上的永久电偶极矩。,一般电介质、具有压电性的电介质（压电体）、具有热释电性的电介质（热释电体或热电体）、具有铁电性的电介质（铁电体）。他们存在的宏观条件对比,一般电介质、压电体、具有热释电性的电介质（热释电体或热电体）、铁电体的关系,介电测量简介,根据电介质使用的目的不同，其主要测量的参数是不一样的 电介质：重要测量其介电常数、介电损耗、介电强度 绝缘应用：介质强度 铁电性、压电性：电滞回线和压电