第4章电介质材料-3-26

1,第4章 电介质材料 刘丽英,第4章 电介质材料-4.1 电介质理论基础,就导电特性而言，与半导体、导体相比，通常人们将电阻率大于1010cm的一类材料称为“绝缘体”。 简单认为电介质就是绝缘体不确切。 严格地说，绝缘体是指能够承受较强电场的电介质材料，而电介质除了绝缘特性而外，主要是指在较弱电场下具有极化能力，并能在其中长期存在电场的一种物质。,2,第4章 电介质材料-4.1 电介质理论基础,与金属不同，材料内部没有电子的共有化，从而不存在自由电子，只存在束缚电荷，即通过极化过程来传递和记录电子信息。与此同时伴随着各种特征的能量损耗过程。因此，电介质能够以感应而并非传导的方式来传递电磁场信息。,3,第4章 电介质材料-4.1 电介质理论基础,近年来，由于信息技术的迅速发展，电介质材料又在压电、铁电、热释电特性等研究领域取得了十分可喜的研究成果，使其在广电、电声、电磁、湿度、温度、气体、压力等传感技术方面的应用得到了很快发展，从而使其成为一种重要的信息功能材料。,4,第4章 电介质材料-4.1 电介质理论基础,电介质是指以感应方式而不是以传导的方式来传递电信号的物质。 电介质的含义比绝缘体要广泛得多，不仅作为绝缘材料使用，还可用于制作电容器、压电器件及介质天线等电子元器件。 在外电场作用下，电介质会发生极化、电导、介质损耗和击穿等物理过程。,5,第4章 电介质材料-4.1 电介质理论基础,电介质的极化,电介质在电场作用下产生感应电荷，也称束缚电荷的现象称为电介质的极化，是电介质在电场作用下的基本电学行为之一。,6,第4章 电介质材料-4.1 电介质理论基础,电介质的极化,在介质中，原子、分子或离子中的正负电荷以共价键或离子键的形式被相互强烈地束缚着，在电场作用下，这些正负电荷只能在微观尺度上作相对位移，而不能作定向运动。,7,第4章 电介质材料-4.1 电介质理论基础,电介质的极化,由于原子、分子或离子中正负电荷的相对位移方向相反，在相距一定距离后，就产生了感应偶极矩。 偶极矩：正负电荷中心间的距离和电荷中心所带电量q的乘积，叫做偶极矩。,8,第4章 电介质材料-4.1 电介质理论基础,电介质的极化,=rq，是一个矢量，方向规定为从正电中心指向负电中心。 这时就电介质整体来看，形成了感应宏观偶极矩。,9,第4章 电介质材料-4.1 电介质理论基础,电容量,众所周知，传统的静电电容器的基本结构由两个平行的导电极板和充于其间的电介质组成。当在电容器的极板上施加电场后，由于电介质的极化过程，使束缚电荷在两极板上积累而储存电能，因此称为电容器。 （链接：/i?ct=503316480&z=0&tn=baiduimagedetail&ipn=d&word=电容器&step_word=&pn=5&spn=0&di=183988986610&pi=&rn=1&is=&istyp）e）,10,第4章 电介质材料-4.1 电介质理论基础,电容量,这样，电容器就无法通过直流电从而具有隔直功能；而交流电则能以充放电的形式通过电容器，因此，电容器在电子电路中具有滤波、耦合及电源的功能。,11,第4章 电介质材料-4.1 电介质理论基础,电容量,电容器的电容量与电极极板面积和电介质介电常数成正比，与极板间距（或电介质的厚度）成反比： C=S/kd S-极板面积，d-电极间距离， -介电常数，k-比例常数。 电容器的种类繁多，特性各异，其中主要是电介质材料起关键作用。,12,第4章 电介质材料-4.1 电介质理论基础,电介质的介电常数,由于极化作用，在电介质的表面形成了符号相反的感应电荷。此感应的束缚电荷在介质内将形成一个与外电场方向相反的电场，使外电场受到削弱。 介质的极化能力越强，其形成的反向电场愈大。 电介质的介电常数是电容器的电容量C介与相同面积、相同间距的极板在真空中的电容量C真空的比值，即 =C介/C真空,13,第4章 电介质材料-4.1 电介质理论基础,电介质的介电常数,是一个无量纲的物理量，又称相对介电常数。 反映了电介质极化的能力。 除真空外，任何介质的相对介电常数均大于1。 无损耗时介电常数为实数，有损耗时为复数，即 i ,14,第4章 电介质材料-4.1 电介质理论基础,介质损耗,电介质的极化速度有限，当电介质上加交变电场时，电位虽也以同样的角频率振动，但其相位落后于所加电场的相位，导致出现相位差角（称为电介质损耗角），即存在一定的弛豫时间。 由上述原因所造成的能量损耗叫介电损耗（亦称介质色散）。,15,第4章 电介质材料-4.1 电介质理论基础,介质损耗,复介电常数与相位差角之间存在关系 tan = / tan -损耗角正切，是表征电介质材料交流特性的参数。 电容器的交流损耗与电容器各部分串联等效电阻、电容量及交流电频率的关系为： tan =2fRC f-交流电频率(Hz)，R-等效串联电阻()，C-电容量(F),16,第4章 电介质材料-4.1 电介质理论基础,品质因数,品质因素为损耗角正切的倒数，即 Q=1/tan 是电容器的重要特性参数之一。 品质因数越大，介电损耗越小。,17,第4章 电介质材料-4.1 电介质理论基础,电介质极化的基本类型,电介质的极化现象，归根结底是电介质中的微观荷电粒子在电场作用下，电荷分布发生变化而导致的一种宏观统计平均效应。 按微观机制，归纳为以下几种基本形式，即 电子位移极化、离子位移极化、偶极子取向极化、空间电荷极化及自发极化等。,18,第4章 电介质材料-4.1 电介质理论基础,电介质极化的基本类型,不同结构的电介质，可能存在完全不同的极化形式。 有些电介质可能只具有一种极化形式，也有的可能具有其中的两种或两种以上的极化形式，甚至还有可能上述几种极化同时存在于一种电介质中。,19,第4章 电介质材料-4.1 电介质理论基础,电介质极化的基本类型,电介质中原子、分子和离子等任何粒子，在电场作用下都能感生一个沿电场方向的感应偶极矩。这是由于在电场的作用下，粒子中的电子云相对于原子核发生位移而引起的。 该极化存在于一切介质中。 电子位移极化建立的时间很短，约在10-1410-16s范围。表明，若所加电场为交变电场，其频率即使高达光频(100-1000THz)，电子位移极化也来得及响应。,1.电子位移极化,20,第4章 电介质材料-4.1 电介质理论基础,电介质极化的基本类型,1.电子位移极化,21,第4章 电介质材料-4.1 电介质理论基础,电介质极化的基本类型,在离子晶体和玻璃等无机介质中，正负离子处于平衡状态，其偶极矩的矢量和为零，但在电场作用下，这些离子除产生电子位移外，离子本身还将发生可逆的弹性位移。,2. 离子位移极化,22,第4章 电介质材料-4.1 电介质理论基础,电介质极化的基本类型,正离子沿电场方向移动，负离子沿反电场方向移动，形成感应偶极矩，这就是离子位移极化。 离子位移极化对外电场的响应时间也较短，比电子位移极化慢2-3个数量级，与离子在平衡位置的固有振动频率相当。,2. 离子位移极化,23,第4章 电介质材料-4.1 电介质理论基础,电介质极化的基本类型,非晶态极性有机电介质的分子或分子链节具有一定的固有偶极矩，可把它们看成是偶极子。 在电场作用下，偶极分子或链节受到电场转矩的作用，驱使它们沿电场方向取向。但热运动却使分子作混乱排布，起解除取向作用。分子间相互作用也阻碍极性分子在电场方向的取向。一定温度和电场作用下，达到一个新的统计平衡状态。在新平衡状态下，偶极子在空间各方向的几率不再相同，沿电场方向取向的大于其他方向，在电场方向形成宏观偶极矩。,3. 偶极子转向极化,24,第4章 电介质材料-4.1 电介质理论基础,电介质极化的基本类型,若组成介质的分子是极性的，其本身就存在固有偶极矩。虽在无外电场作用时，热运动使偶极分子混乱取向，介质在各个方向上的分子偶极矩矢量和为零，但在外电场作用下，偶极分子将沿电场方向偏转定向，这时电介质内部分子偶极矩的矢量和就不再是零，整个电介质对外感生出宏观偶极矩。,3. 偶极子转向极化,25,第4章 电介质材料-4.1 电介质理论基础,电介质极化的基本类型,3. 偶极子转向极化,26,第4章 电介质材料-4.1 电介质理论基础,电介质极化的基本类型,离子型结构电介质中存在一些弱束缚离子，如外来掺杂离子或处于晶格缺陷位置上的离子。位能稍高，不稳定，易受热而激活。 在外电场作用下，除了部分构成电导外，另一部分可能不足以越过所有阻隔它们运动的势垒，只能在一个不大区域内越过一些较低的势垒，从一个平衡位置迁移到另一个平衡位置。,4. 热离子位移极化,27,第4章 电介质材料-4.1 电介质理论基础,电介质极化的基本类型,热离子位移极化建立的时间较慢，约为10-2S。 当外加电场频率较高时，极化的改变就滞后于电场的改变。这种现象称为“极化驰豫”。,4. 热离子位移极化,28,第4章 电介质材料-4.1 电介质理论基础,电介质极化的基本类型,现假设弱束缚离子间的势垒高度为U，而平衡位置A和B之间的距离为。当离子热运动能大于U时，离子便能在位置A和B之间来回跃迁，当外加电场E=0时，由于离子热运动的无序性，离子从A跃迁到B的几率与从B跃迁到A的几率相同，不会造成电荷分布不均，所以单位体积的电矩为零。,4. 热离子位移极化,29,第4章 电介质材料-4.1 电介质理论基础,电介质极化的基本类型,当外加电场时（E 0），离子的位能随x轴的距离作线性变化。若没弱束缚离子为正离子，则该离子从位置A跃迁到位置B需要客服的势垒高度为（U-U），而从位置B跃迁到位置A需要克服的势垒高度为（U+U），U实际上是电场在/2距离上引起的位能变化，即电场所作的功。显然，离子沿电场方向跃迁容易些，即离子从A向B迁移几率大于从B向A迁移几率。这种沿电场方向产生过剩跃迁的离子就使介质形成了电偶极矩。,4. 热离子位移极化,30,第4章 电介质材料-4.1 电介质理论基础,电介质极化的基本类型,当介质中存在少量自由电荷载流子（正负离子和电子）时，在外电场作用下，载流子将迁移而使介质有微小的漏导电流。实际介质往往结构不均匀，各相间的介电性能也不完全相同，因而载流子可能被阻止在这些相界面上，形成空间电荷的局部积累，使介质中电荷分布不均匀，产生电矩，发生极化。,5. 空间电荷极化,31,第4章 电介质材料-4.1 电介质理论基础,电介质极化的基本类型,建立的时间很长，从几分之一秒到几个小时，一般在直流和低频下出现，极化时将消耗能量。,5. 空间电荷极化,32,第4章 电介质材料-4.1 电介质理论基础,电介质极化的基本类型,某些晶体具有特殊的结构，其晶胞本身的正负电荷中心不相重合，即晶胞具有极性。 由于晶体构造的周期性和重复性，当某一晶胞在某一方向出现偶极矩时，将逐渐影响到与之相邻的其他晶胞，使之也在同一方向出现偶极矩。 这种极化状态是在外电场为零时自发建立起来的，因而称为自发极化。,6. 自发式极化,33,第4章 电介质材料-4.1 电介质理论基础,电介质极化的基本类型,具有相同极化方向的自发极化区域称为电畴。 每个电畴都有一定的固有电矩（电偶极矩的简称，是电荷系统的极性的一种衡量），在一般情况下，各个电畴的电矩方向是各不相同的，各电畴的电矩相互抵消，介质对外不显极性。当外加电场后，各电畴将沿电场方向转向，从而显示出强烈的极化效应。 由自发极化产生的介电常数非常高，电畴随电场转向的时间也很长，且消耗电场能量。,6. 自发式极化,34,第4章 电介质材料-4.1 电介质理论基础,电介质极化的基本类型,极化工序,35,6. 自发式极化,第4章 电介质材料-4.1 电介质理论基础,电介质的电导,与理想介质不同，实际电介质中总是或多或少地存在着一定量的能够自由迁移的带电粒子，在无外电场时，它们作紊乱的热运动，因此不形成电流。当加上不高的外电场后，这些载流子受到电场力的作用，便在不规则的热运动上叠加了沿电场力方向的定向迁移，从而形成电流，不过这种电流很小，故称为漏导电流或漏导。,36,第4章 电介质材料-4.1 电介质理论基础,电介质的电导,电阻率或电导率是定量地描述电介质电导的物理量，是电介质性能的基本宏观参数之一，其大小介质表征介质绝缘性能的优劣，对理想绝缘体来说，= 。 实际电介质的约在107-108m数量级范围，视各种不同的介质材料而异。,37,第4章 电介质材料-4.1 电介质理论基础,电介质的击穿,当电场强度超过某一临界时，介质由介电状态变为导电状态。这种现象称为介电强度的破坏，或叫介质的击穿。 相应的临界电场强度称介电强度（击穿电场强度）。是电介质的又一基本电参数，定量地表征了电介质承受电场作用能力的高低。 对于凝聚态绝缘体，通常所观测到的击穿电场范围约为（1105-5106)Vcm-1。但比原子中的电子所受库仑场（5108Vcm-1)小得多。,38,第4章 电介质材料-4.1 电介质理论基础,电介质的击穿,主要击穿类型：热击穿、电击穿。,实验表明，当电场强度相当高时，电介质的电导就不再服从欧姆定律了。这时电导率就不再是常数，而与电场强度有关。通常电导率随电场强度上升而迅速增加，这时若电场再继续升高，则介质中的电导将突然急剧增加，电介质固有绝缘性能遭到破坏，几乎变成导体。这种由于电场的直接作用而导致的电介质破坏，称为电击穿，常称介质击穿。,39,第4章 电介质材料-4.1 电介质理论基础,电介质的击穿,电击穿不是由电场对原子或分子的直接作用导致的。 电击穿是一种集体现象，能量通过其它粒子（如已经从电场中获得了足够能量的电子和离子）传送到被击穿的组分中的原子或分子上。,40,第4章 电介质材料-4.1 电介质理论基础,电介质的击穿,电击穿的本质 在强电场下，固体导带中可能因冷发射或热发射存在一些电子。这些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，把电场能量传递给晶格。 当这两个过程在一定的温度和场强下平衡时，固体介质有稳定的电导；当电子从电场中得到的能量大于传递给晶格振动的能量时，电子的动能就越来越大，至电子能量大到一定值时，电子与晶格振动的相互作用导致电离产生新电子，使自由电子数迅速增加，电导进入不稳定阶段，击穿发生。,41,第4章 电介质材料-4.1 电介质理论基础,电介质的击穿,电击穿的本质 对固体介质电击穿现象可采用类似气体放电的碰撞电离理论来解释：固体介质中的少量导电电子，一方面在外电场的作用下获得动能，另一方面又要与振动着的晶格发生相互作用而损耗能量。若外加电场足够高，使电子从电场中获得的能量超过其失去的能量时，电子就可在碰撞过程中积累起能量，当其能量达到可使电子与晶格发生碰撞电离时，将产生出新的电子，构成雪崩效应，最终导致介质击穿。,42,第4章 电介质材料-4.1 电介质理论基础,电介质的击穿,热击穿的本质 处于电场中的介质，由于其中的介质损耗而受热，当外加电压足够高时，可能从散热与发热的热平衡状态转入不平衡状态，若发出的热量比散去的多，介质温度将愈来愈高，直至出现永久性损坏，这就是热击穿。,43,第4章 电介质材料-4.1 电介质理论基础,电介质的击穿,热击穿的本质 显然，热击穿除了与所加电压的大小、类型、频率和介质的电导、损耗有关外，还与材料的热传导、热辐射以及介质试样的形状、散热情况、周围媒质温度等一系列因素有关。 对于介质损耗较高的固体材料，在高频下的击穿形式主要是热击穿。,44,第4章 电介质材料-4.1 电介质理论基础,电介质的击穿,电击穿的本质 固体介质中导电电子的来源可能有三种： （1）本征激发：在常温下，因热起伏使介质中满带的电子激发到导带上，参与导电，由于电介质的禁带宽度较大，故这种电子的数量较少。 （2）杂质电离：处于杂质能级激发态上的电子被激发进入导带，成为导电电子；此杂质能级上的电子一般由外来杂质引入或基质材料的化学计量比发生偏离而提供，它的数量比本征激发多。,45,第4章 电介质材料-4.1 电介质理论基础,电介质的击穿,电击穿的本质 固体介质中导电电子的来源可能有三种： （3）注入电子：在强电场作用下，直接从阴极发射出的自由电子注入电介质中，故在强电场下，它是一个不容忽视的因素。,46,第4章 电介质材料-4.2 电容器介质材料,电容器,传统的静电电容器的基本结构由两个平行的导电极板和充于其间的电介质组成。 当在电容的极板上施加电场以后，由于电介质的极化过程，使束缚电荷在两级板上累积而储存电能，因此称为电容器。 具有隔直功能，而交流电则能以充放电的形式通过电容器，在电子电路中具有滤波、耦合及电源的功能。,47,第4章 电介质材料-4.2 电容器介质材料,电容器,电介质材料主要分两类。 绝缘材料：如纸、玻璃、陶瓷、云母、有机薄膜等。 介电氧化膜：由铝、钽、铌等阀金属表面生成。,48,第4章 电介质材料-4.2 电容器介质材料,要求,一、为达到高比容量目的，应采用值尽可能高的材料。 二、为保证电容器具有纯容抗，即避免因极化过程造成能 量损耗，产生热量，要求具有尽可能低的损耗角正切（tan）值，特别在高工作频率或脉冲条件使用时，tan值低。,49,第4章 电介质材料-4.2 电容器介质材料,要求,三、具有高的绝缘电阻值，并保证电阻值在不同频率与温度条件下尽可能稳定，避免因为杂质的分解和材料的老化引起绝缘电阻值下降。 四、要求具有高的击穿电场强度。,50,第4章 电介质材料-4.2 电容器介质材料,纸电介质,纸电容器是电容器的主要类型之一，使用较早，用量很大。电容量值及工作电压范围较宽，通常为470pF-30F，63V-1500V，甚至高压纸电容器耐压值高达30-40kV。 电容器纸以硫酸盐木质纤维素为主要原料，要求质地密实，厚薄均匀。 电容器纸由无纺植物纤维素和空气隙交替分布构成。,51,第4章 电介质材料-4.2 电容器介质材料,纸电介质,电容器纸为纤维素与气隙交错分布组成。 电容器纸与温度和频率的关系都取决于纤维素的作用。即值随温度升高而增大。纤维素在电场作用下，发生电子式极化及极性基（OH）的偶极式极化，后者因频率增高而减弱，使电容器纸的值在高频段随频率增高而有微弱的降低。 （由于空气的随温度变化极小，与频率几乎无关） 空气的tan值极小，电容器纸的tan亦主要由纤维素决定，随着纤维素密度增大而增加。,52,第4章 电介质材料-4.2 电容器介质材料,纸电介质,电容器纸的电阻率与其所含导体、半导体及杂质有关。当外加电压低于纸的电离电压时，电阻率与电压无关。当超过电离电压后，纸电导率突然徒增，电离电压大致范围1.5-20kV。 电容器纸的抗电强度与其密度相关。密度增大后，抗电强度增加。由于电容器纸的结构十分不均匀，且受含杂质影响较大，故实际抗电强度较理论值低。 实用中，为避免这种偶发因素，常在电介质总厚度不变的条件下，采用多层叠合达到更佳效果。,53,第4章 电介质材料-4.2 电容器介质材料,纸电介质,电容器纸中的大量空气隙由于具有较低值，并成为极性基（OH）吸附水分的储存场所，故通常采用真空浸渍方法（将空气排除而将有机浸渍材料填隙其中）以达到改性的目的。,54,第4章 电介质材料-4.2 电容器介质材料,电解电容器介质,电解电容器结构、工艺及电特性跟其他类型电容器明显不同，其用量已占整个电容器的30-40。 随着陶瓷电容器的发展，电解电容器不像以往那么关键，但仍占有很重要的地位。,55,第4章 电介质材料-4.2 电容器介质材料,电解电容器介质,、特点 （）单向导电性 电解电容器材料为铝、钽、铌、钛等阀金属材料。电介质是直接在金属表面上用阳极氧化法生成的氧化膜，这种膜在一个电场方向上是绝缘的，但在反向上是导电的，即具有单向导通性，阀金属材料因此得名。正因如此，电解电容器有正负极之分。,56,第4章 电介质材料-4.2 电容器介质材料,电解电容器介质,（）大电容量 作为电介质的氧化膜厚度在数百纳米的范围，比任何其他电容器介电层膜薄，由C正比于1/d，可知会很大。,57,第4章 电介质材料-4.2 电容器介质材料,电解电容器介质,2. 电解电容器材料的种类 电解电容器材料有Al, Ta和Nb，使用状态有所不同，但有一点相同，即用它们制成的电容器中起介电作用的材料都是对应的氧化物薄膜，即分别为Al2O3, Ta2O5和Nb2O5。,58,第4章 电介质材料-4.2 电容器介质材料,陶瓷电容器介质,陶瓷电容器的用量约占整个电容器的40左右，相当于铝电解和钽电解电容器的总和。 作为陶瓷电容器的介质称为“介电陶瓷”，有四个特点： （1）介电常数值高且变化范围大。 如刚玉瓷（Al2O3)10，而含Pb的复合钙钛矿型铁电陶瓷Pb(Mg1/2,Nb1/2)O3(PMN)在居里点值可达12600，Ba(Ti0.9,Sn0.1)O3 值为50000-80000。,59,第4章 电介质材料-4.2 电容器介质材料,陶瓷电容器介质,（）串联电感小，介质损耗低，在相当高的频段仍具有优越的电容特性。当前电子技术向高频、微波方向发展，通信卫星工作频率在10GHz以上，只有陶瓷电容器才能在1GHz以上的频率有效工作。在微波通信中采用陶瓷电容器可使设备微小型化。,60,第4章 电介质材料-4.2 电容器介质材料,陶瓷电容器介质,（）陶瓷电介质及高稳定导电电极Ag, Pt, Pd等均经过高温烧结，具有高强度结构和高可靠性，耐高工作温度。本身不仅作为电介质，同时作为基体和支承结构。 （）具有高电阻率，高耐电强度。,61,第4章 电介质材料-4.3 铁电材料,铁电效应,1672年，法国药剂师薛格涅特首先在酒石酸钾钠晶体中发现铁电现象，因性能极不稳定而不具有实用价值。 铁电材料，在外加电场不存在时具有自发极化，且自发极化的方向可以被外加电场所改变。材料的极化强度P和电场E之间存在像铁磁体那样的B-H磁滞回线，称为“电滞回线”。 介电常数特别高，也称为“强介材料”或“强介体”。,62,第4章 电介质材料-4.3 铁电材料,自发式极化,自发式极化的必要条件是晶体不具有对称中心。但并非所有不存在对称中心的晶体都具有自发式极化。 铁电体的自发式极化只在某一温度范围内方才存在（Ps0），当温度超过某一极限值后，自发式极化即行消失（Ps0），这一物理过程的临界温度Tc被称为“居里温度（点）”。 存在自发式极化的晶体结构称为“铁电相”，自发式极化消失的结构称为“顺电相”。,63,第4章 电介质材料-4.3 铁电材料,自发式极化,如果晶体出现不止一次相变，存在不止一种铁电相，则将温度最高、介电常数的跃变最剧的温度称为“居里点”，其他相变则称为“转变点”。 由于升温和降温过程中晶胞参数的变化不相重合，导致=f(T)曲线在相变温度附近亦不重合，被称为“热滞现象”。 铁电体的高值是自发极化所导致的。,64,第4章 电介质材料-4.3 铁电材料,自发式极化,最具代表性的铁电材料是BaTiO3和以其为基的材料。,BaTiO3介电常数的温度关系,65,在居里点Tc（约120）处， 值与测量方向无关，具有最大值， max=104-105。当TTc后， 将随温度上升按一定规律下降。,第4章 电介质材料-4.3 铁电材料,自发式极化,最具代表性的铁电材料是BaTiO3和以其为基的材料。,钙钛矿晶型结构,66,ABO3： A：1,2,3 Na，K，Ba2+，La3+ B：5,4,3 Nb5+,Ti4+，Fe3+,第4章 电介质材料-4.3 铁电材料,自发式极化,最具代表性的铁电材料是BaTiO3和以其为基的材料。,67,68,第4章 电介质材料-4.3 铁电材料,电畴结构和电滞回线,电畴：自发极化方向一致的若干小区域。 畴壁：不同极化方向的相邻电畴交界处。 为保持整个结构的低能稳定状态，四方BaTiO3晶体中只可能存在90畴壁和180 畴壁两种形式。,四方BaTiO3中的90(a) 畴壁和180 (b)畴壁,69,第4章 电介质材料-4.3 铁电材料,电畴结构和电滞回线,在无外电场作用时，由于电畴排列无序而对外不表现极化特征。 在外电场作用下，电畴发生反转运动，首先在边缘或缺陷处出现新畴，即所谓成核过程，然后由随着畴的尖劈发育生长。 在实际铁电体中，90和180 畴壁运动总是同时发生，彼此影响、相互牵制的。,70,第4章 电介质材料-4.3 铁电材料,电畴结构和电滞回线,铁电体虽存在自发式极化和电畴结构，但各电畴的极化方向是随机的，特别对于多晶体而言，晶粒本身的取向都是任意的。从而无外电场时，晶体呈现的总电矩为零。 与感应式极化不同，自发式极化强度与电场强度的关系不呈线性，而是一个回线。,71,第4章 电介质材料-4.3 铁电材料,电畴结构和电滞回线,感应式极化P(E)线性关系(a)与自发式极化的电滞回线(b),72,第4章 电介质材料-4.3 铁电材料,电畴结构和电滞回线,当施加外电场E后（一般称为“预极化”过程），极化强度与外电场强度方向一致的电畴逐渐增大，并随着E的增加，晶体的极化强度P迅速沿图OAB曲线增大，直至几乎全部与E方向一致，P值逐渐饱和，而出现与一般电介质的P(E)线性关系（BC线段）。 B点所对应的Es称为饱和电场强度，P(E)线段外推可得饱和极化强度Ps，该值应为晶体原来所具有电畴极化强度的总和。,73,第4章 电介质材料-4.3 铁电材料,电畴结构和电滞回线,当E值下降至E=0时，P(E)值并不消除而为Pr， Ps称为剩余极化强度，只有当电场反向达到Ec时，剩余极化强度方才消除，Ec称为矫顽电场强度。 当反向电场强度继续增加时，反向极化强度则迅速增加，直到D点达到饱和状态。 而当电场强度从-Es再度变化至+Es时，P值由DHB曲线变化至C点，从而形成一个回线，被称为“电滞回线”。,74,第4章 电介质材料-4.3 铁电材料,电畴结构和电滞回线,顺电介质则不存在回线，只是一条闭合斜线(a)。 电滞回线面积与铁电介质的损耗成正比，该能量损耗用来克服自发极化改变方向和克服杂质、气孔、晶界等缺陷对畴壁运动所产生的“摩擦阻力”。因此，对于结构完整的单晶，因介质损耗小而使电滞回线较窄； 对于存在缺陷和应力复杂的多晶陶瓷体，则电滞回线较宽。,75,第4章 电介质材料-4.3 铁电材料,BaTiO3的介电特性及掺杂改性,BaTiO3的, tan的频率特性,由于电畴壁的运动，即新畴的成核和成长需要一定时间，所以铁电体值随f增高而显著降低。 由于自发极化方向反转时，产生晶体集合形变而克服晶胞相互作用的内应力及摩擦力，从而使介质损耗角顺电相材料为高（介质损耗可有电滞回线的面积表征）。 当频率增高时，由于反转运动更频繁，而使tan增大。,76,第4章 电介质材料-4.3 铁电材料,对电容器而言，电容量大无疑可适应电子设备微型化要求，铁电介质具有十分大值能够满足这一点。但其介电损耗较大，一般只适用于工作频率较低的场合。纯BaTiO3在工程上还存在一些缺陷希望改善。,BaTiO3的介电特性及掺杂改性,77,第4章 电介质材料-4.3 铁电材料,改性的主要着眼点在于： 居里温度区域拓宽 通常铁电介质Tc附近存在着一个值较大的范围，称为“居里区”，其中有不同程度的铁电相与顺电相共存。 为了扩展居里区，常采用相变扩散，引入缓冲型固溶体以及多晶粒微细化等方法，其主要作用在于，适量而合理地分散非铁电相区域，使由于自发式极化过程所产生的几何应变及机械应力得到缓冲，从而使电畴的运动在较宽的范围内比较顺利地完成。,BaTiO3的介电特性及掺杂改性,78,第4章 电介质材料-4.3 铁电材料,BaTiO3的介电特性及掺杂改性,(2) 工作区域内具有更高的值； (3) 居里点的位置根据应用的需要进行适量调节等。,第4章 电介质材料-4.4 压电材料与热释电材料,压电效应,1880年，法国科学家P.居里和J.居里兄弟首先在-石英晶体中发现。 某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷，这一现象被称为“正压电效应”。当外力去掉后，它又恢复到不带电的状态。 作用力相反时，表面电荷符号相反，电荷密度常与外加作用力大小成正比例。 压电效应动画：/i?ct=503316480&z=0&tn=baiduimagedetail&ipn=d&word=正压电效应&step_word=&pn=3&spn=0&di=181150780591&pi=&rn=1&is=&istype=2&ie=utf-8&oe=utf-8&in=18460&cl=2&lm=-1&st=-1&cs=2281152136%2C1053785125&os=1915050622%2C3581953651&adpicid=0&ln=836&fr=&fmq=1427357375795_R&ic=0&s=&se=1&sme=0&tab=&width=&height=&face=0&ist=&jit=&cg=&objurl=http%3A%2F%2F%2Fwikipedia%2Fcommons%2Fthumb%2Fc%2Fc4%2FSchemaPiezo.gif%2F220px-SchemaPiezo.gif&fromurl=ippr_z2C%24qAzdH3FAzdH3Fzi_z%26e3Bothtrj1tw_z%26e3B562AzdH3Fzi-poAzdH3F%25Ec%25An%25ln%25El%25lB%25BB%25Em%25lc%25bb%25Em%25b0%25bl,79,第4章 电介质材料-4.4 压电材料与热释电材料,压电效应,80,第4章 电介质材料-4.4 压电材料与热释电材料,压电效应,逆压电效应：当一块具有压电效应的晶体置于外电场中，由于晶体的电极化造成的正负电荷中心位移，导致晶体形变，形变量与电场强度成正比。,81,第4章 电介质材料-4.4 压电材料与热释电材料,压电效应,正压电效应：在没有对称中心的晶体上施加机械作用时，发生与机械应力成比例的介质极化，同时在晶体的两端面出现正负电荷。 逆压电效应：当在晶体上施加电场时，则产生与电场强度成比例的变形或机械应力。 ,82,正、逆压电效应统称为压电效应。 具有压电效应的材料称为压电材料。 压电材料能实现机电能量的相互转换。,压电效应的可逆性,第4章 电介质材料-4.4 压电材料与热释电材料,压电效应,第4章 电介质材料-4.4 压电材料与热释电材料,压电效应,晶体是否具有压电性，由晶体结构对称性这个内因制约，具有对称中心的晶体永远不可能具有压电性。 压电晶体必是离子晶体或由离子团组成的分子晶体。,84,第4章 电介质材料-4.4 压电材料与热释电材料,压电效应,在自然界中大多数晶体都具有压电效应，但压电效应十分微弱。随着对材料的深入研究，发现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。 对于陶瓷等多晶材料，晶粒无序排列而呈各向同性状态。只有当压电陶瓷体在较高电压的直流电场中进行“预极化”处理后，才呈现压电效应。 ,85,石英晶体压电模型 (a) 不受力时； (b) x轴方向受力； (c) y轴方向受力,第4章 电介质材料-4.4 压电材料与热释电材料,当外力F=0时，压电陶瓷表面存在一层表面电荷，其大小与压电陶瓷的束缚电荷相等，符号与束缚电荷相反，因而晶体对外不显示电性。,在外力F的作用下，压电陶瓷产生形变，晶体的极化强度发生变化，因而表面束缚电荷变化，晶体对外显示电性压电效应。,第4章 电介质材料-4.4 压电材料与热释电材料,88,在压电陶瓷上加上电场，设电场方向与极化方向相同，则晶体的极化加强，晶体沿极化方向伸长，产生了形变逆压电效应。若加上反向场强，则晶体沿极化方向缩短；若加上交变电场，则晶体产生振动。,第4章 电介质材料-4.4 压电材料与热释电材料,第4章 电介质材料-4.4 压电材料与热释电材料,压电效应,表征压电材料特性的参数除、tan外，还有压电系数，机电耦合系数，机械品质因数，频率系数。 压电系数是压电材料把机械能（或电能）转换为电能（或机械能）的比例常数。它反映了应力（或应变）和电场（或电位移）间的关系。,89,第4章 电介质材料-4.4 压电材料与热释电材料,压电效应,压电应变系数dij=(s/ E)T，或dij=(D/ T)E 式中，s为压电片产生的应变，E为电场强度；D为电位移，T为压电体的承受应力；i=1, 2, 3, 表示电场或电位移方向；j=1, 2, 3, 4, 5, 表示应力或应变方向。 压电系数的完整矩阵包含18个独立参量，对于四方钙钛矿结构只有三个独立分量，即d31, d33, d15。,90,晶体具有压电性的必要条件是晶体不具有对称中心。 所有铁电单晶都具有压电效应。 对于铁电陶瓷来说，虽然各晶粒都有较强的压电效应，但由于晶粒和电畴分布无一定规则，各方向几率相同，使P =0，因而不显示压电效应，故必须经过人工预极化处理，使P 0，才能对外显示压电效应。 陶瓷的压电效应来源于材料本身的铁电性，所有压电陶瓷也应是铁电陶瓷。,第4章 电介质材料-4.4 压电材料与热释电材料,第4章 电介质材料-4.4 压电材料与热释电材料,BaTiO3系与PbTiO3系压电陶瓷 自从19421943年之间美、日、苏联学者各自独立发现BaTiO3 中存在异常的介电现象，1947年又发现预极化后的BaTiO3陶瓷的压电性能，并制成压电元件用于拾音器、换能器； 二战期间， BaTiO3成功用于水声及电声换能器、通讯滤波器上，在很长的一段时间内，BaTiO3陶瓷是主要的压电陶瓷材料，但目前其作用范围在不断缩小。,第4章 电介质材料-4.4 压电材料与热释电材料,第4章 电介质材料-4.4 压电材料与热释电材料,比较可知，BaTiO3压电性好，工艺性好，但致命弱点是工作温区窄（0120），且在工作温区内各压电性能随温度变化很大。因此相比之下，PbTiO3的工作温度区宽，性能更稳定。,第4章 电介质材料-4.4 压电材料与热释电材料,第4章 电介质材料-4.4 压电材料与热释电材料,典型压电材料及应用,压电材料的工程应用开始于20世纪40年代。 多达数千种，但并不全具应用价值。 PbTiO3 -100+490为铁电四方相，居里点Tc490，TTc时为立方顺电相。 高温下易出现Pb蒸发，成分失配和产生不均匀，影响环保。 出现粉化现象。 引入添加物Li2O, NiO, MnO2等以后，可形成缓冲晶界，增强晶粒的结合强度。,96,第4章 电介质材料-4.4 压电材料与热释电材料,典型压电材料及应用,PbTiO3PbZrO3 PZT陶瓷:人们在1953年起开始试制成功PbZrO3-PbTiO3二元系固溶体压电陶瓷，其各项压电性能和温度稳定性等均大大优于BaTiO3、PbTiO3压电陶瓷，因此得到了广泛的应用。如水声、电声和通讯滤波器件中。,97,第4章 电介质材料-4.4 压电材料与热释电材料,典型压电材料及应用,PbTiO3PbZrO3 两化合物晶型结构相同，Ti4+, Zr4+离子半径相近，可生成无限熔体。 压电系数比BaTiO3大得多，可调节Zr/Ti比对特性进行调节。,98,PbTiO3PbZrO3 PZT瓷的掺杂改性: 为了满足不同的使用目的，我们需要具有各种性能的PZT压电陶瓷，为此我们可以添加不同的离子来取代A位的Pb2+离子或B位的Zr4+, Ti4+离子，从而改进材料的性能。,