材料的介电性能.ppt

第六章其它功能特性 第一节介电性能 在人类对电认识和应用的开始阶段 电介质材料就问世了 然而 当时的电介质仅作为分隔电流的绝缘材料来应用 为了改进电绝缘材料的性能 以适应日益发展的电气工程和无线电工程的需要 围绕不同的电介质在不同频率 不同场强的电场作用下所出现的现象进行科学研究 并总是以绝缘体的介电常数 损耗 电导和击穿等所谓四大参数为其主要内容 随着电子技术 激光 红外 声学以及其它新技术的出现和发展 电介质已远不是仅作绝缘材料来应用了 特别是极性电介质的出现和被广泛应用 使得人们对电介质的理解及其范畴和过去大不相同 引言 以绝缘体的四大参数为主要内容也逐步演变为以研究物质内部电极化过程 固态电介质分布很广 而且往往具有许多可供利用的性质 例如电致伸缩 压电性 热释电性 铁电性等 从而引起了广泛的研究 实际上 这些性质是与晶体的内在结构 其中的束缚原子 或离子 以及束缚电子的运动等都有密切的关系 现在 固态电介质物理与固体物理 晶体光学有着许多交迭的领域 特别是在激光出现以后 研究晶态电介质与激光的相互作用又构成为固态激光光谱学 固态非线性光学 6 1介质的极化与损耗 6 1 1介质极化相关物理量电容 两个临近导体加上电压后存储电荷能力的量度 是表征电容器容纳电荷的本领的物理量电容的单位是法拉 简称法 符号是F 毫法 mF 微法 F 纳法 nF 和皮法 pF 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平行板电容器在真空 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 C C0真空介电常数 0 8 85 10 12F m 1 法拉 米 相对介电常数 r介电常数 电容率 0 r 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 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 感应电荷 束缚电荷 在真空平板电容器中嵌入一块电解质加入外电场时 在整机附近的介质表面感应出的负电荷 负极板附件的介质表面感应出的正电荷 极化 电介质在电场作用下产生束缚电荷的现象 极化电荷 电介质在外电场的作用下 在和外电场相垂直的电介质表面分别出现正 负电荷 这些电荷不能自由移动 也不能离开 总保持中性 电解质的分类 极性分子电解质和非极性分子电解质 分子的正负电荷统计重心是否重合 是否有点偶极子 Q 所含电量 l 正负电荷重心距离 电介质在外电场作用下 无极性分子的正负电荷重心重合将产生分离 产生电偶极矩 据分子的电结构 电介质可分为 极性分子电介质 H2O CO 有 非极性分子电介质 CH4 He电极化强度 P 电解质极化程度的量度 C m2 P V 电介质中所有电偶极矩的矢量和 V 所有电偶极矩所在空间的体积 6 1 2极化类型电子位移极化 离子位移极化 转向极化 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矩而产生的极化 分为电子位移极化和离子位移极化 1 电子位移极化材料在外电场的作用下 分子或原子中的正负电荷产生相对位移 中性分就变成偶极子 这种极化可以在光频下进行 10 15s 弹性 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 2 离子位移极化 外电场作用下 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 反应时间为10 13S 可逆 温度升高 极化增强 产生于离子结构电介质中离子位移极化率 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 3 驰豫极化外加电场作用于弱束缚荷电粒子造成 与带电质点的热运动密切相关 热运动使这些质点分布混乱 而电场使它们有序分布 平衡时建立了极化状态 为非可逆过程 电子驰豫极化由于晶格的热运动 晶格缺陷 杂质引入 化学成分局部改变等因素 使电子能态发生改变 导致位于禁带中的局部能级中出现弱束缚电子 在热运动和电场作用下建立相应的极化状态 不可逆 反应时间为10 9 10 2S 产生于Nb Bi Ti为基的氧化物陶瓷中 随温度升高变化有极大值 离子驰豫极化 弱联系离子 在玻璃状态的物质 结构松散的离子晶体 晶体中的杂质或缺陷区域 离子自身能量较高 易于活化迁移 这些离子称为弱联系离子 由弱联系离子在电场和热作用下建立的极化为离子弛豫极化 不可逆 反应时间为10 5 10 2S 随温度变化有极大值 Ta极化率 q为离子荷电量 为弱离子电场作用下的迁移 4 转向极化存在固有偶极矩 无外电场时 混乱排列 使总极矩 0 有外电场作用时 偶极转向 成定向排列 从而产生介质极化 为无外电场时的均方偶极矩 特点 非弹性的 不可逆 形成极化时间较长 温度对介电常数有很大影响 5 空间电荷极化非均匀介质中 正负离子分别向负 正极移动 产生电偶极矩 即空间电荷极化 在电极附近积聚的就是空间电荷 在物理阻碍 晶界 相界 自由表面 缺陷等处 自由电荷积聚就可形成空间电荷极化 在夹层 气泡处形成的称为界面极化 特点 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 非弹性极化 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 各种极化形式的比较 6 1 3宏观极化强度和微观极化率的关系 1 有效电场 2 克劳修斯 莫索堤方程 极化强度P可以写为单位体积电介质在实际电场作用下所有电偶极矩的总和 上式表明 研制高介电常数的方向 应选择大的极化率的离子 同时选择单位体积内极化质点多的电介质 损耗的形式介质损耗的表示方法介质损耗和频率 温度的关系 6 1 4介质损耗 1 损耗的形式 电导损耗 在电场作用下 介质中会有泄漏电流流过 引起电导损耗 极化损耗 只有缓慢极化过程才会引起能量损耗 如偶极子的极化损耗 游离损耗 气体间隙中的电晕损耗和液 固绝缘体中局部放电引起的功率损耗称为游离损耗 2 介质损耗的表示 当容量为C0 0A d的平板电容器上加一交变电压U U0eiwt 则 电容器极板间为真空介质时 电容上的电流为 电容器极板间为非极性绝缘材料时 电容上的电流为 损耗角正切的倒数Q就表示电介质的品质因数 希望它的值高 3 频率的影响 r tg p与 的关系 在下 损耗角正切值达最大值 即可得 2 温度的影响 r tg P与T的关系 介质吸潮后 介电常数会增加 但比电导的增加要慢 由于电导损耗增大以及松驰极化损耗增加 而使tg 增大 对于极性电介质或多孔材料来说 这种影响特别突出 如 纸内水分含量从4 增加到10 时 其tg 可增加100倍 3 湿度的影响 6 1 5材料的介质损耗 1 无机材料的损耗形式主要有 电离损耗结构损耗 电离损耗 电离损耗主要发生在含有气相的材料中 含有气孔的固体介质在外电场强度超过了气孔内气体电离所需要的电场强度时 由于气体电离而吸收能量 造成损耗 即电离损耗 其损耗功率可以用下式近似计算 U为外施加电压 U0为气体的电离电压 结构损耗 结构损耗是在高频 低温下 与介质内部结构的紧密程度密切相关的介质损耗 结构损耗与温度的关系很小 损耗功率随频率升高而增大 但tg 则和频率无关 一般材料 在高温 低频下 主要为电导损耗 在常温 高频下 主要为松弛极化损耗 在低温 高频下主要为结构损耗 2 离子晶体的损耗 离子晶体可以分为结构紧密的晶体和结构不紧密的离子晶体 结构紧密的晶体离子都堆积得十分紧密 排列很有规则 离子键强度比较大 无极化损耗 结构不紧密的离子晶体的内部有较大的空隙或晶格畸变 含有缺陷或较多的杂质 离子的活动范围扩大 损耗较大 3 玻璃的损耗 复杂玻璃中的介质损耗主要包括三个部分 电导损耗 松弛损耗和结构损耗 哪一种损耗占优势 决定于外界因素 温度和外加电压的频率 玻璃的tg 与温度的关系1 结构损耗 2 松弛损耗3 电导损耗 4 总损耗 Na2O K2O B2O3玻璃的tg 与组成的关系 4 陶瓷材料的损耗 主要是电导损耗 松弛质点的极化损耗及结构损耗 表面气孔吸附水分 油污及灰尘等造成表面电导也会引起较大的损耗 大多数电工陶瓷的离子松弛极化损耗较大 主要原因是 主晶相结构松散 生成了缺陷固溶体 多晶形转变等 6 1 6降低材料的介质损耗的方法 选择合适的主晶相 改善主晶相性能时 尽量避免产生缺位固溶体或填隙固溶体 最好形成连续固溶体 尽量减少玻璃相 防止产生多晶转变 注意焙烧气氛 控制好最终烧结温度 讨论介质损耗的意义 绝缘结构设计时必须注意到绝缘材料的tg 用于冲击测量的连接电缆 其绝缘的tg 必须很小在绝缘预防性试验中 tg 是一项基本测试项目 当绝缘受潮或劣化时 tg 急剧上升 介质损耗引起的发热有时也可以利用 6 2介电强度 概述 固体电介质的击穿就是在电场作用下伴随着热 化学 力等等的作用而丧失其绝缘性能的现象 击穿后在材料中留下有不能恢复的痕迹 如烧焦或溶化的通道 裂缝等 去掉外施电压 不能自行恢复绝缘性能 6 2 1介电强度的定义 击穿场强 电介质所能承受的不被击穿的最大场强 击穿电压 电介质 或电容器 击穿时两极板的电压 电介质的击穿一般外电场不太强时 电介质只被极化 不影响其绝缘性能 当其处在很强的外电场中时 电介质分子的正负电荷中心被拉开 甚至脱离约束而成为自由电荷 电介质变为导电材料 当施加在电介质上的电压增大到一定值时 使电介质失去绝缘性的现象称为击穿 breakdown 相应的临界电场强度称为介电强度 也称击穿场强 一些电介质的介电强度单位 106V cm 固体电介质击穿的类型 电击穿热击穿局部放电击穿其他击穿机制 树枝化击穿 电 机械击穿 沿面击穿等 6 2 2电介质的击穿 与气体和液体电介质相比 固体电介质击穿有以下几个特点 固体介质的击穿强度比气体和液体介质高 约比气体高两个数量级 比液体高一个数量级左右 固体通常总是在气体或液体环境媒质中 因此对固体进行击穿试验时 击穿往往发生在击穿强度比较低的气体或液体媒质中 这种现象称为边缘效应 试验时必须尽可能排除 固体电介质的击穿一般是破坏性的 击穿后在试样中留下贯穿的孔道 裂纹等不可恢复的伤痕 1 电击穿 当施加于电介质上的电场强度或电压增大到一定程度时 电介质就由介电状态变为导电状态 这个过程就是电击穿 发生击穿时的电场强度称为击穿电场强度 介电强度 用Eb表示 此时所加电压称为击穿电压 用Ub表示 即 陶瓷材料的击穿强度一般在4 60kV mm 电击穿是指电场直接作用下 介质中载流子迅速增殖造成的击穿 这个过程约在10 7s完成 击穿是突然发生的 击穿电场强度较高 约为106 107V cm 一般认为 电击穿的发生是由于晶体能带在强电场作用下发生变化 电子直接由满带跃迁到空带发生电离所致 电击穿理论 通常 当电场强度升高至接近击穿强度时 材料中流过的大电流主要是电子型的 引起导电电子倍增的方式 也即击穿的机制主要有碰撞电离理论和雪崩理论 此外有时也可能发生齐纳击穿 或称隧道击穿 碰撞电离理论 当晶体的温度高于绝对零度时 晶格的微小振动形成格波 其能量量子即声子 在碰撞电离理论中 碰撞机制一般应考虑电子和声子的碰撞 同时也应该包括杂质和缺陷对自由电子的散射 若外加电场足够高 当自由电子在电场中获得的能量超过失去的能量时 自由电子便可在每次碰撞后积累起能量 最后发生电击穿 雪崩理论 雪崩理论是在电场足够高时 自由电子从电场中获得能量在每次碰撞后都能产生一个自由电子 因此在n次碰撞后就有2n个自由电子 形成雪崩或倍增效应 当雪崩或倍增效应贯穿两电极时 则出现击穿 若电介质中的场强很大 电介质分子的正负电荷有可能被拉开而变成可自由移动的电荷 大量自由电荷的产生 使电介质的绝缘性能破坏而成为导体 规律 固体介质的击穿电场强度往往取决于材料的均匀性 大部分材料在交变电场下的击穿强度低于直流下的击穿电场强度 在高频下由于局部放电的加剧 使得击穿电场强度下降得更厉害 并且材料的介电常数越大 击穿电场强度下降得越多 无机电介质在高频下的击穿往往具有热的特征 发生纯粹电击穿的情况并不多见 在室温附近 高分子电介质的击穿电场强度往往比陶瓷等无机材料要大 并且极性大高聚物的击穿电场强度常常要比非极性的大 在软化温度附近 热塑性高聚物的击穿电场强度急剧下降 热击穿 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 热击穿有一个热量积累过程 不像电击穿那样迅速 热击穿电场强度较低 一般约为1 10kV mm 介质中所产生的热量 一方面使试样本身的温度升高 另一方面通过热传导和热对流向周围散发热量 在电场作用下 如试样的发热功率为W1 散热功率为W2 临界热平衡方程即为 1 介质的不均匀性 无机材料常常为不均匀介质 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 1 1 d1和 2 2 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 6 2 3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 1和 2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