材料科学与技术第四部分

1、（二）电介质（二）电介质电介质极化机制电介质极化机制：（1）、分子的极化；、分子的极化；（3)、 空间电荷极化。空间电荷极化。（2）、弛豫极化（电子、离子弛豫极化）；）、弛豫极化（电子、离子弛豫极化）；1、电介质极化、电介质极化（2）、弛豫极化（电子、离子弛豫极化）；）、弛豫极化（电子、离子弛豫极化）；(2)、（电子、离子）弛豫极化、（电子、离子）弛豫极化弛豫极化弛豫极化 松弛极化松弛极化弛豫弛豫 松弛：需要时间的过程松弛：需要时间的过程所有极化都需要时间、都是弛豫的。所有极化都需要时间、都是弛豫的。电子、离子的弛豫极化：电子、离子的弛豫极化：极化建立时间较长、不同于极化建立时间较长、不同于电

2、子、电子、离子位移极化离子位移极化的一种极化的一种极化材料中材料中弱联系（受束缚较弱）弱联系（受束缚较弱）的电子、离子在电的电子、离子在电场和热运动的共同作用下建立的一种极化状态场和热运动的共同作用下建立的一种极化状态弱联系的电子、离子运动距离可与分子尺寸相比、甚至更大弱联系的电子、离子运动距离可与分子尺寸相比、甚至更大电子、离子弛豫极化的建立需克服一定的势垒电子、离子弛豫极化的建立需克服一定的势垒极化建立时间比位移极化大得多。极化建立时间比位移极化大得多。弛豫极化往往是不可逆的弛豫极化往往是不可逆的弱束缚电子弱束缚电子A、电子弛豫极化、电子弛豫极化晶格缺陷处的原子、杂质原子中的弱束缚电子晶格

3、缺陷处的原子、杂质原子中的弱束缚电子晶格缺陷处的原子或杂质原子在禁带中晶格缺陷处的原子或杂质原子在禁带中引入的局域能级或杂质能级上的电子引入的局域能级或杂质能级上的电子吸收较小的能量可由较低的局域或杂质能级吸收较小的能量可由较低的局域或杂质能级激发到较高的局域或杂质能级激发到较高的局域或杂质能级 、甚至导带、甚至导带 沿电场的方向可做短距离运动、过程不可逆沿电场的方向可做短距离运动、过程不可逆具有电子弛豫极化的材料通常具有一定的电子电导具有电子弛豫极化的材料通常具有一定的电子电导常出现于铌、铋、钛氧化物陶瓷中常出现于铌、铋、钛氧化物陶瓷中电子弛豫极化建立时间：电子弛豫极化建立时间：s92101

4、0交变电场的频率高于交变电场的频率高于 时，这种极化不存在时，这种极化不存在Hz910弛豫极化电子：弛豫极化电子：B、离子弛豫极化、离子弛豫极化缺陷区弱联缺陷区弱联系离子势能系离子势能强联系离子强联系离子: 完整离子晶体中处于正常节点、能量最低、最稳定完整离子晶体中处于正常节点、能量最低、最稳定极化时只能在平衡位置附近产生弹性位移极化时只能在平衡位置附近产生弹性位移弱联系离子弱联系离子:离子自身能量较高，易于活化、迁移离子自身能量较高，易于活化、迁移晶体中的杂质、缺陷区晶体中的杂质、缺陷区域的离子或玻璃态物质域的离子或玻璃态物质中结构松散的离子中结构松散的离子极化时可从一个平衡位置移到另一个平

5、衡位置极化时可从一个平衡位置移到另一个平衡位置平衡位置平衡位置正常区强联正常区强联系离子势能系离子势能电场撤去后离子电场撤去后离子不能回到原位置不能回到原位置过程非可逆性过程非可逆性迁移距离可达离子晶格的数量级迁移距离可达离子晶格的数量级离子离子运动运动势垒势垒位移极化位移极化离子弛豫极化率：离子弛豫极化率：kTqT1222:q:T离子电荷离子电荷离子在电场作用下的位移离子在电场作用下的位移热力学温度热力学温度,T离子运动阻力大离子运动阻力大离子弛豫极化建立时间：离子弛豫极化建立时间：s521010交变电场的频率高于交变电场的频率高于 时，这种极化时，这种极化不存在不存在Hz610跟不上电跟不

6、上电场的变化场的变化离子弛豫极化率比位移极化率大一个数量级离子弛豫极化率比位移极化率大一个数量级(3)、空间电荷极化、空间电荷极化材料中不仅包含完整晶体部分、缺陷部分，材料中不仅包含完整晶体部分、缺陷部分，还可能有从外部注入的空间电荷还可能有从外部注入的空间电荷混乱分布的空间电荷在外混乱分布的空间电荷在外电场作用下趋于有序化：电场作用下趋于有序化：正、负空间电荷分别顺、正、负空间电荷分别顺、逆电场的方向运动逆电场的方向运动积聚在材料中的晶界、积聚在材料中的晶界、晶格缺陷等处晶格缺陷等处形成与外场方向相形成与外场方向相反的很强的电场反的很强的电场空间电空间电荷极化荷极化,T空间电荷热运动、扩空间

7、电荷热运动、扩散加剧，散加剧，极化减弱极化减弱空间电荷极化建立时间：空间电荷极化建立时间：很长、几秒至几十分或更长很长、几秒至几十分或更长空间电荷极化仅在直流电场或低频电场下存在空间电荷极化仅在直流电场或低频电场下存在2、介电常数（电容率）、介电常数（电容率） 真空真空0Q0QV真空平行板电容器真空平行板电容器电容的定义：电容的定义：VQC00与几何尺寸的关系：与几何尺寸的关系：VQdAC000:A:d极板面积；极板面积；极板间距极板间距容电本领容电本领VQdAC000dVAQ00dV极板间的场强：极板间的场强：qSdD00D电位移矢量大小电位移矢量大小：AQ00极板电荷面密度：极板电荷面密度

8、：dVAQ00ED00 0QQ V0QQ QQ介质平行板电容器介质平行板电容器,T:Q介质极化在表面介质极化在表面产生的束缚电荷产生的束缚电荷:0QQ 极板上的电荷极板上的电荷（极板间的电压不变）（极板间的电压不变）电容：电容：dAVQQC0:电介质的介电系数电介质的介电系数EdVAQQD0PEAQQED00PEED0:P介质的极化强度介质的极化强度介质的极化强度：介质的极化强度： 介质单位体积内电偶极矩的矢量和介质单位体积内电偶极矩的矢量和AQAddQPEEEPrr) 1(0001re极化率极化率:相对介电系数是介质极相对介电系数是介质极化的宏观量度；化的宏观量度； 越越大、介质极化程度越高

9、大、介质极化程度越高r介质极化是介质极化是弛豫的、需弛豫的、需要时间的要时间的r 是弛豫是弛豫的、是电场的、是电场频率的函数频率的函数r频率，频率， Hz41081012101610取向极化取向极化离子位移极化离子位移极化电子位移极化电子位移极化未考虑电子离未考虑电子离子的弛豫极化子的弛豫极化r频率，频率， Hz41081012101610取向极化取向极化离子位移极化离子位移极化电子位移极化电子位移极化未考虑电子离未考虑电子离子的弛豫极化子的弛豫极化交变电场频率：交变电场频率：Hzf810时：时：电子、离子的位移极化，电子、离子的位移极化，有极分子的偶极取向极化有极分子的偶极取向极化都能跟上电

10、场的变化都能跟上电场的变化介电系数与直流电场时相同介电系数与直流电场时相同Hzf810时：时： 偶极取向极化逐渐跟不上电场的变化，偶极取向极化逐渐跟不上电场的变化，rHzf1010时：时： 偶极取向极化不能实现偶极取向极化不能实现r电子位移极化电子位移极化离子位移极化离子位移极化反常色散区：反常色散区：介电系数跌落的频率范围介电系数跌落的频率范围取向极化：取向极化：Hz1081010离子位移极化：离子位移极化：Hz14121010电子位移极化：电子位移极化：Hz1510倒数为松弛时间倒数为松弛时间rT交变电场作用下介电交变电场作用下介电系数随温度的变化：系数随温度的变化：极性分子取向极化率：极

11、性分子取向极化率：kT3200成立前提：成立前提：分子在介质中能转动分子在介质中能转动温度低时：温度低时：分子不能转动、分子不能转动、r小小:T分子转动可能分子转动可能;r温度过高时：温度过高时：破坏分子沿电场的取向破坏分子沿电场的取向r降低降低极化介质时合适的温度至关重要极化介质时合适的温度至关重要极性分子电介质：极性分子电介质：分子的分子的取向极化是主要极化机制取向极化是主要极化机制电场中的取向不能实现电场中的取向不能实现五、绝缘体五、绝缘体（二）电介质（二）电介质1、电介质极化、电介质极化2、介电常数（电容率）、介电常数（电容率）3、介电损耗、介电损耗3、介电损耗、介电损耗tUUcos0

12、CUCI真空电容器真空电容器介质电容器介质电容器dAC00加交变电压：加交变电压：)cos(00tUeUUtiUCQ0极板电荷：极板电荷：电路中的电流：电路中的电流：CI200iCUeCUCidtdQI电流的相位超前电压电流的相位超前电压090理想电介质：理想电介质：绝对的绝缘、不存在电传导，且极化与绝对的绝缘、不存在电传导，且极化与0CCr电容电容电流电流CrII电流的相位仍超前电压电流的相位仍超前电压090r电场的强度和频率无关，即极化（电场的强度和频率无关，即极化（ ）不变）不变平行板：平行板：真实电介质：真实电介质： 极化时存在的漏电传导电流，极化时存在的漏电传导电流，且极化与电场的强

13、度和频率有关且极化与电场的强度和频率有关总电流：总电流：ICdcacCTIIIIII)(理想电介质电容充放电电流理想电介质电容充放电电流 ；介质极化建立电流；介质极化建立电流 ；CIacI电介质漏电电流电介质漏电电流 dcIUdAIIIdcacI与电压与电压同位相同位相UCITIUdAiCUiIrC0II:电介质电导率电介质电导率（等效）（等效）dUAiUdAdAiIrrT)()(00dUAiUdAdAiIrrT)()(00EiJr)(0复数电导率：复数电导率：ri0*EJ*复数介电常数：复数介电常数：*0*ri*rrri复电容：复电容：0*CCrUCCUQr0*用用 描述总电流：描述总电流：

14、*rUCidtdUCdtdQIrT0*UCiUCUCiiUCiIrrrrrT0000*)(UCiUCUCiiUCiIrrrrrT0000*)(UCIrI0UCiIrC0与电压同位相、能量损失与电压同位相、能量损失与电压的位相差为与电压的位相差为90度、无能量损失度、无能量损失UCITIIIrrCIIItg介质损耗因子：介质损耗因子：:损耗角损耗角电工学参数电工学参数 电介质品质因数：电介质品质因数：tgQ1希望希望 值高值高 QCITIII讨论：讨论：（1）介电损耗的根源）介电损耗的根源a、介质漏电（介质电导）；、介质漏电（介质电导）； b、介质极化的驰豫、介质极化的驰豫 （2）影响介电损耗的

15、因素）影响介电损耗的因素除与材料有关外，还与电场频率和强度及温度有关除与材料有关外，还与电场频率和强度及温度有关a、电场频率的影响、电场频率的影响频率在色散区外：频率在色散区外：各种极化机制或能够、或完各种极化机制或能够、或完全不能够跟上电场的变化、全不能够跟上电场的变化、极化能量损耗小极化能量损耗小频率在色散区：频率在色散区：r频率，频率， Hz41081012101610介电损耗介电损耗处于色散区的极化机制不能处于色散区的极化机制不能完全跟上电场的变化，完全跟上电场的变化， 减小、该极化机制的极化阻减小、该极化机制的极化阻力大、极化能量损耗大力大、极化能量损耗大rb、温度的影响、温度的影响

16、Ttg0温度较低：温度较低：有极分子被冻结、取向有极分子被冻结、取向不能实现、能量损耗小不能实现、能量损耗小有极分子逐步被解冻、损耗增加有极分子逐步被解冻、损耗增加随温度升高：随温度升高：mT温度高：温度高： 有极分子易动、损耗减小有极分子易动、损耗减小温度极高：温度极高：介质电导急剧增加、损耗剧增介质电导急剧增加、损耗剧增4、介电击穿强度、介电击穿强度 电介质能承受的最大电场强度电介质能承受的最大电场强度介电击穿强度：介电击穿强度：介质材料在击穿强度以下是绝缘的，介质材料在击穿强度以下是绝缘的，场强超过该值时介质瞬间导通、电场强超过该值时介质瞬间导通、电流剧增，甚至融化、烧焦流剧增，甚至融化

17、、烧焦（以有极分子的（以有极分子的取向极化为例）取向极化为例）介电击穿强度介电击穿强度临界场强：临界场强： 介质抵抗绝缘性破坏的能力介质抵抗绝缘性破坏的能力电子元件、电气设备安全使用的重要指标电子元件、电气设备安全使用的重要指标规律：规律：弱电场时：弱电场时：T一定，电阻率一定，电阻率一定、与一定、与 无关无关E较强电场时：较强电场时： 场至激发可使杂质能级上的电场至激发可使杂质能级上的电子进入导带、使杂质离子（弱子进入导带、使杂质离子（弱联系离子）受激参与导电联系离子）受激参与导电,E电场足够强：电场足够强：受激发的电子和离子数剧增、受激发的电子和离子数剧增、运动速度增大，并通过碰撞使运动速

18、度增大，并通过碰撞使更多价带电子进入到导带更多价带电子进入到导带雪崩式连锁导雪崩式连锁导电、介质击穿电、介质击穿影响规律：影响规律：介质击穿强度受许多因素影响、变化很大介质击穿强度受许多因素影响、变化很大应用：应用：影响因素：影响因素：内因：内因：材料成份、缺陷、杂质、加工材料成份、缺陷、杂质、加工工艺、工艺、厚度厚度、表面状态；、表面状态；外因：外因：电场电场频率和波形、环境条件及测试条件等频率和波形、环境条件及测试条件等介电击穿强度不是材料的本征物理量，介电击穿强度不是材料的本征物理量，测量值对同种材料仅具有参考意义测量值对同种材料仅具有参考意义所有电介质材料：所有电介质材料： 希望希望

19、小、击穿强度高小、击穿强度高tg减小能耗、避免发热、减小能耗、避免发热、提高元件的使用寿命提高元件的使用寿命电容器介质：电容器介质： 要大要大r雷达天线透波材料、电缆绝缘材料：雷达天线透波材料、电缆绝缘材料：r要小（减小空间电荷效应）要小（减小空间电荷效应）泡沫或蜂窝状的非极泡沫或蜂窝状的非极性聚合物是好的选材性聚合物是好的选材高频注塑技术高频注塑技术:要求极性高分子的介电损耗大要求极性高分子的介电损耗大极性高分子可在高频电场作用下极性高分子可在高频电场作用下在极短的时间内加热到流动温度在极短的时间内加热到流动温度如电磁感应炉、如电磁感应炉、热是从材料内部均匀产生热是从材料内部均匀产生第一节第一节 材料的电性质材料的电性质六、材料的其它电性质六、材料的其它电性质六、材料的其它电性质六、材料的其它电性质（一）超导性（一）超导性1、概述、概述处于正常态的材料具有电阻处于正常态的材料具有电阻超导态：超导态：材料失去电阻的状态材料失去电阻的状态超导性：超导性：在在某一温度某一温度下材料突然失去电阻的性质下材料突然失去电阻的性质临界温度临界温度CT1908：荷兰的荷兰的 Onnes 获得液氦（获得液氦（1K）；）；1911：Onnes发现水银在发现水银在 4.2K 附近电阻突然降到无法检测的程度附近电阻突然降到无法检测的程度 1960： 铌钛、铌锡、铌