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第6章材料的介电性能 2009 05 1 热击穿电击穿局部放电击穿 6 3电介质在电场的破坏 2 当固体电介质在电场作用下 由电导和介质损耗产生的热量超过试样通过传导 对流和辐射所能散发的热量时 试样中的热平衡就被破坏 试样温度不断上升 最终造成介质永久性的热破坏 这就是热击穿 6 3 1热击穿机制 对面积为A 厚度为d的试样施加直流电压V 且介质只有漏导电流产生的热量 3 4 使试样本身温度升高通过热传导和热对流向周围散发热量 5 不是瞬时完成的 要有热量聚集的过程 非本征的 不仅与介质物性有关 还与器件几何形状 绝缘结构 散热条件 电压种类和媒质温度等因素有关 特征 6 固体电介质的热击穿判据 当发热曲线W1与散热直线W2相切时 切点C应满足以下条件 7 当电子从电场中得到的能量大于传导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 从理论上可分为 本征电击穿理论 雪崩 电击穿理论 6 3 2电击穿机制 8 1 本征电击穿理论 电子加速运动 动能 与晶格振动的相互作用 把能量传递给晶格 当其处于平衡时 介质中有稳定的电导 若电子能量大到一定值而破坏平衡 电导由稳定态变为非稳定态 A表示单位时间内从电场获得的能量 E 电场强度 松弛时间 与电子能量U有关 B表示电子与晶格振动相互作用时单位时间内能量的损失 晶格振动与温度有关 平衡时 A E U B T0 U 当E上升到使平衡破坏时 碰撞电离过程便立即发生 晶格温度 引起非稳态的起始强度定义为电击穿强度 电子平均自由行程时间 9 特征 发生在室温或室温以下发生的时间间隔很短 在微秒或微秒以下与样品或电极几何形状无关 或者与所加电场的波形无关仅与材料有关与介质中的自由电子有关 来源为杂质或缺陷能级 价带 10 本征击穿理论可归结为基本上处理电子与晶格间能量的传递 并且考虑材料中电子能量的分布变化 11 参与能量传递作用的因素 偶极场中的晶格振动与偶极场晶格振动共有的电子壳层变形非偶极场短程电子轨道畸变 12 本征击穿理论所相关的电子能量分布变化的因素 电场对电子的加速作用传导电子间的碰撞传导电子与晶格的相互碰撞电子的电离 再复合和捕获电场梯度形成的扩散 13 本征击穿机制模型 单电子近似模型仅适用于材料本征击穿低温区集合电子近似模型 14 2 雪崩式电击穿机制 把本征电击穿机制和热击穿机制结合起来电荷是逐渐或者相继积聚 而不是电导率的突然改变 尽管电荷集聚在很短时间内发生最初机制是场发射或离子碰撞 15 以碰撞电离后自由电子数倍增到一定值作为电击穿判据 四十代理论 当介质很薄时 碰撞电离不足以发展到40代 电子雪崩系列已进入阳极复合 此时介质不能击穿 因此便定性解释了薄层介质具有较高击穿电场的原因 通过估算 由阴极出发的初始电子 在其向阳极运动的过程中 1cm内的电离次数达到40次 介质便击穿 16 雪崩电击穿和本征电击穿一般难于区分在理论上它们的关系十分明显本征电击穿理论中增加传导电子是继稳态破坏后突然发生而雪崩击穿是考虑高场强时 传导电子倍增过程逐渐达到难以忍受的程度 导致介质晶格破坏 17 局部放电就是在电常作用下 在电介质区域中所发生放电现象 没有电极之间形成贯穿的通道 整个试样并没有击穿局部放电是脉冲性的 其过程与电晕放电相同 局部放电将导致介质的击穿与老化 6 3 3局部放电击穿 18 击穿的随机性 传统的击穿模型属于纯确定论 是建立在超过某一临界电场时 因一连串因果效应使系统不再能维持能量平衡从而发生击穿的基础之上的 由于高聚物的能带理论 电荷注入 电子激发及输运过程的深入研究与发展 以及非线性科学中分形及混沌的广泛应用 促使电击穿从确定论迈向破坏过程的随机论的根本性变化 击穿也包括最终导致击穿的老化过程 老化本身是一种空间分布的 随时间不断发展且累积的损伤过程 19 1920年法国人Valasek发现罗息盐具有特异的介电性 其极化强度随外加电场的变化为以下形状 称为电滞回线 把具有这种性质的晶体称为铁电体 6 4铁电性 6 4 1铁电体与电畴 1 电滞回线和铁电体 20 电滞回线 铁电体典型的极化曲线 极化强度与电场强度的变化关系 重要标志 OAB表示对未极化样品施加电场E 随E 极化强度不断增加 达到B点 极化强度饱和 再继续增加E 极化强度随外电场线性增加 BC线外推至电场为0 则与纵坐标轴相交于PS点 PS 自发极化强度 达到饱和后再减小电场 极化强度并不是沿原始的极化曲线下降 而是沿图中CBD变化 在D点电场为0 但极化强度并没有消失 Pr 剩余极化强度 RemnantPolarization 只有当电场沿相反方向增加到 Ec时 极化才变为0 Ec被称之为矫顽场 CoerciveField 继续增加反向电场可使极化强度达到反向饱和 再增加到正向饱和 极化强度将完成图示的回线 称之为电滞回线 21 铁电体具有自发极化的特性 而且这种自发极化的电偶极矩在外电场作用下可以改变其取向 甚至反转 在同一外电场作用下 极化强度可以有双值 表现为电场E的双值函数 这正是铁电体的重要物理特性铁电体有电滞回线的原因 电畴 居里温度TC或称居里点TC 22 铁电体整体上呈现自发极化 其结果是晶体正 负端分别有一层正 负束缚电荷 束缚电荷产生的电场 退极化场与极化方向反向 是静电能升高 在受机械束缚时 伴随着自发极化的应变还将使应变能增加所以整体均匀极化的状态不稳定 晶体趋向于分成多个小区域 每个区域内部电偶极子沿同一个方向 但不同小区域的电偶极子不同 这每个小区域称为电畴 180 畴壁 较薄 90 畴壁 较厚 2 电畤转向 23 24 2019 12 29 25 铁电畤在外电场作用下 总是趋向与外电场方向一致 称之为畤转向 电畤运动是通过新畤出现 发展和畤壁移动来实现的 电滞回线是铁电体的铁电畤在外电场作用下运动的宏观描述 26 6 4 2钛酸钡自发极化的微观机理及电畴的形成 1 钛酸钡自发极化的微观机理 从非铁电相到铁电相的过渡总是伴随着晶格结构的改变 晶体从立方晶系转变为四方晶系 晶体的对称性降低 提出离子位移理论 认为自发极化主要是由晶体中某些离子偏离了平衡位置造成 由于离子偏离了平衡位置 使得单位晶胞中出现了电矩 电矩之间的相互作用使偏离平衡位置的离子在新的位置稳定下来 与此同时晶体结构发生了畸变 27 28 软模理论 在一定情况下 晶体结构的铁电相变是布里渊区中心的横向光学晶格振动的 柔软化 结果 柔软化 声子横光学振动频率接近于零 29 Ti4 在氧八面体中心有位移的余地 在较高温度时 120 由于离子热振动能比较大 Ti4 不可能在偏离中心的某一位置固定下来 它接近周围6个氧离子的机率是相等的 所以晶体结构仍保持较高的对称性 晶胞内不产生电矩 即自发极化为0 当温度降低 120 时 Ti4 平均热振动能降低 Ti4 不足以克服Ti4 和O2 间的电场作用 就有可能向某一个O2 靠近 在此新的平衡位置上固定下来 发生自发位移 并使此O2 出现很强的电子位移极化 结果使晶体顺此方向延长 晶胞发生轻微畸变 从立方 四方结构 Ti4 氧八面体中心 120 立方结构a 4 01 O2 O2 间隙 30 2 电畤形成 电畤的形成及其运动的微观机理是复杂的 31 6 4 3铁电体的临界性质 1 环境因素对铁电体性质的影响 1 外部条件 电场 应力 温度 压力 的变化 可以引起铁电体极化强度PS的变化 32 2 铁电体相变按自由能变化来分 可分为两类 即 一级相变二级相变 33 一级相变 二级相变 在相变点上 PS突变到零 铁电相与非铁电相共存 相变伴随着潜热和热滞现象 如BT等 在相变点上 PS连续地下降至零 相变没有潜热和热滞现象 如KDP等 34 35 铁电体居里温度是由材料成分决定 不同元素在同一铁电体中对的TC影响不同的 晶粒的大小也影响铁电体的行为 一般情况下晶粒越大 其起压电性值就越高 2 成分 晶粒大小 尺寸因素的影响 36 3 反铁电 铁电相变 反铁电晶体含有反平行排列的偶极子 反铁电相的偶极子结构很接近铁电相的结构 能量上的差别很小 因此 只要在成分上稍有改变 或者加强的外电场或者是压力则反铁相就转变为铁相结构 37 某些晶体材料按所施加的机械力成比例地产生电荷的特性 6 5压电性和热释电性 6 5 1压电性 压电性 1 正压电效应 逆压电效应和压电常数 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的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 而且应变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 38 在正压电效应中 电荷与应力成比列 即 在逆压电效应中 应变S与电场强度E成正比 即 d 压电常数 C N D 电位移 C m2 T 应力 N m2 d V m S 应变 m m E 电场强度 V m 比例常数d数值相同 39 2 压电性产生原因 晶体压电效应的本质是因为机械作用引起晶体介质的极化从而导致介质两端表面内出现符号相反的束缚电荷 40 41 3 压电振子及其参数 压电振子 最基本元件 是被覆激励电极的压电体 压电振子参数 谐振频率与反谐振频率 42 机械品质因数 频率常数 机电耦合系数 43 4 压电陶瓷的预极化 极化条件 极化 在压电陶瓷上加一个强直流电场 使陶瓷中的电畤沿电场方向取向排列 极化电场 极化温度 极化时间 44 6 5 2热释电性 1 热释电性现象 在电化石热释电实验中 由于加热 温度变化 使自发极改变 屏蔽电荷失去平衡 因此 晶体一端的正电荷吸引硫磺粉显黄色 另一端吸引铅丹粉显红色 由于温度变化而使极化改变的现象称为热释电效应 其本质称为热释电性 2 热释电效应产生的条件 具有热释电效应的晶体一定具