材料物理性能测试技术讲课-介电特性

1、电介质：电介质：电容的单位是法拉，简称法，符号是电容的单位是法拉，简称法，符号是F, 毫法毫法(mF)、微法、微法(F)、纳法、纳法(nF) 和皮法和皮法(pF)()()(VVCQFCdAVAdVVQC/)/(000AdVEAqAQ)/(00q为单位面积电荷；为单位面积电荷；d为平板间距（为平板间距（m）；）；A为面积（为面积（m2）；）；V为平板上电压（为平板上电压（V） dACCrr/00 r为相对介电常数；为相对介电常数； ( 0 r)为介电材料的电容率，或称介为介电材料的电容率，或称介电常数（单位为电常数（单位为C2/m2或或F/m） 平板电容器中的电容（a）真空平板电容器；（b）平板

2、电容器中的介电材料电偶极子：具有一个正极和一个负极的分子或结构电偶极子：具有一个正极和一个负极的分子或结构qlq为所含电量；为所含电量；L为正负电荷重心距离为正负电荷重心距离 p 极性分子电介质，由于极性分子电介质，由于分子的正负电荷中心不分子的正负电荷中心不重合，存在电偶极矩；重合，存在电偶极矩；p 对于非极性分子电解质，对于非极性分子电解质，由于外界作用，正负电由于外界作用，正负电荷中心瞬时分离，也产荷中心瞬时分离，也产生电偶极距生电偶极距。电介质极化的机制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、电子极化，离子极化，电偶极子取向，空间电荷极化，分

3、别对应电子、原子、分子和空间电荷情况。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。化和离子位移极化。这种极化可以在光频下进行，这种极化可以在光频下进行，1010-14-14-10-10-10-10S S 可逆可逆 与温度无关与温度无关 产生于所有材料中产生于所有材料中 电子极化率的大小与原子电子极化率的大小与原子( (离子离子) )的半径有关的半径有关极化可以在光频下进行，极化可以在光频下进行，1010-14-14-10-10-10-10S S 可逆可逆 与温度无关与温

4、度无关 产生于所有材料中产生于所有材料中 电子极化率的大小与原子电子极化率的大小与原子( (离子离子) )的半径的半径有关有关E-+d+-所有电子都发生所有电子都发生、3034Re:R原子或离子半径原子或离子半径电子轨道位移电子轨道位移原子正、负电原子正、负电中心不再重合中心不再重合+-+-+-+-E0341naa结合键被拉长结合键被拉长E热运动：无序热运动：无序电电 场：有序场：有序+无电场无电场无电场时无电场时有极分子的取向杂有极分子的取向杂乱无章，宏观上电乱无章，宏观上电介质对外不显电性介质对外不显电性E0有电场有电场有外电场时有外电场时在外电场力矩作用下，偶在外电场力矩作用下，偶极子（

5、有极分子）转向电极子（有极分子）转向电场的方向，场强越强偶极场的方向，场强越强偶极子的取向与电场越一致。子的取向与电场越一致。分子的热运动会破分子的热运动会破坏分子排列有序化坏分子排列有序化温度不太高、外电场不太强时，平温度不太高、外电场不太强时，平衡状态下有极分子的取向极化率：衡状态下有极分子的取向极化率：kT3200:0分子的固有偶极矩，分子的固有偶极矩，:kBoltzman 常数常数（3 3） 外电场的频率：某种机制都是在不同的外电场的频率：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。内才有显著的贡献。离子、取向极

6、化原子种类和键合类型空间电荷极化面缺陷光学性质电子极化离子极化电磁波谱中可见光的辐射红外波段介电性质空间电荷极化取向极化亚红外波段低频波段1015Hz1012Hz1013Hz1011Hz1012Hz10-3Hz103HzdAC 代表板间电介质的性能代表板间电介质的性能 1 1）材料因素：）材料因素： 材料在电场中被极化的能力材料在电场中被极化的能力 2 2）尺寸因素：）尺寸因素： d d 和和A A ：平板间的距离和面积：平板间的距离和面积0CCr无量纲的正数无量纲的正数 00CCrdACCrr/00dAVQC/00如果介电介质为真空如果介电介质为真空VP为电介质中所有电耦极矩的矢量和；为电介

7、质中所有电耦极矩的矢量和；电耦极矩所在空间的体积；电耦极矩所在空间的体积；P的单位为的单位为C/m2 V为为P的单位为的单位为C/m2 PNAqlANmmEPe0E为电场强度，为电场强度， 0为真空介电常数，为真空介电常数， e为电极化率。为电极化率。 介电常数跌落的频率范围称为反常色散区介电常数跌落的频率范围称为反常色散区 kT3200在静电场作用下取向极化率随温度提高而降低，所以电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介质的静电介电常数必然随温度的提高而减小 温度较低时，介电常数随温度的提高而增大温度较低时，介电常数随温度的提高而增大温度较

8、高时，介电常数又随温度的提高而减小温度较高时，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。者起主导作用

9、。 逆压电效应与电致伸缩逆压电效应与电致伸缩 SiO正压电效应本质：正压电效应本质：外力改变了晶体中的离子原来的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相对位置、在特定的方向上产生束缚电荷、出现净电偶极矩束缚电荷、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：压电晶体：结构上结构上必须是无对称中心；必须是无对称中心；组成上组成上必必须是离子、或离子性原子、或须是离子、或离子性原子、或含离子基团的分子含离子基团的分子分子晶体分子晶体dP 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

10、的大小；d为张量材料的压电性能一般是各向异性的。 mmmWWQ2输入的电能机械能通过逆压电效应转换的2K输入的机械能电能通过正压电效应转换的2K坤特法显示电气石的热释电性 )(00诱PPEPEDsPs为自发极化强度，为自发极化强度，P诱为电场诱发的诱为电场诱发的ExPe0诱EPExPEDses00令令E为常数，对为常数，对T进行微分，则进行微分，则 TEpPgPg为综合热释电系数为综合热释电系数 p为热释电常量为热释电常量 EPe0电滞回线示意图电滞回线示意图 铁电体的铁电体的 关系与关系与铁磁体的铁磁体的 类似类似 EP HM 自发极化：自发极化：并无外电场作用、但体内有较强的电极化强度。并

11、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：铁电体：铁电性的起源：铁电性的起源： 如同铁磁性的起源：铁电体中存在如同铁磁性的起源：铁电体中存在电畴电畴电畴：电畴：含有永久电偶极矩的小区，小区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中各晶胞的电偶极矩方向相同电畴具有强电畴具有强电偶极矩电偶极矩实际铁电体的各电畴的电偶极矩方向一般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有许多晶粒组成

12、的铁电陶瓷更是如此铁电体的极化：铁电体的极化：适当的高温适当的高温下、强直流电场的作用，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，使各电畴的电矩沿外电场的方向取向，维持外场下维持外场下缓慢冷却材料到室温缓慢冷却材料到室温适当的高温：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：维持外场、冷却到室温：冻结已取向的偶极子冻结已取向的偶极子铁电体居里温度：铁电体居里温度： 铁电体在铁电体在某一温度某一温度以上、失去铁电性以上、失去铁电性居里温度：居里温度：临界温度临界温度CT典型的铁电材料：典型的铁电材料：3B

13、aTiOCToC1204Ti2O2Banm398. 0nm403. 0nm398. 0侧视图侧视图立体图立体图CTToC120立方相：立方相：正负离子中心重合，正负离子中心重合，晶胞无电偶极矩、无铁电性晶胞无电偶极矩、无铁电性CTToC120四方相：四方相： 离子和周围离子和周围 离离子略向相反方向移动、产生方子略向相反方向移动、产生方向向上的永久电偶极矩。向向上的永久电偶极矩。4Ti2O一般电介质一般电介质压电体压电体热释电体热释电体铁电体铁电体电场极化电场极化电场极化电场极化电场极化电场极化电场极化电场极化无对称中心无对称中心无对称中心无对称中心无对称中心无对称中心自发极化自发极化自发极化自发极化极轴极轴极轴极轴电滞回线电滞回线 bfffaKtraP21a和和b为样品振动模式相关的系数。对于圆片径向振动，为样品振动模式相关的系数。对于圆片径向振动，a=0.395,b=0.574 （1）用排水法测出样品的体积密度）用排水法测出样品的体积密度 ；（2）用传输线路法测出样品的谐振频率）用传输线路法测出样品的谐振频率fr和反谐振频率和反谐振频率fa；（3）算出样品在恒电场下（短路）的弹性柔顺系数）算出样品在恒电场下（短路）的弹性柔顺系数 ES