材料的介電性能教學(xué)課件ppt

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1、第二章材料的介電性能2.1電介質(zhì)及其極化2.2介電強(qiáng)度2.3壓電性和熱釋電性2.4鐵電性2.5介電測(cè)量簡(jiǎn)介電介質(zhì)是在電場(chǎng)作用下具有極化能力并在其中長(zhǎng)期存在電場(chǎng)的一種物質(zhì)電介質(zhì)具有極化能力和其中能夠長(zhǎng)期存在電場(chǎng)的性質(zhì)是電介質(zhì)的基本屬性電介質(zhì)體內(nèi)一般沒(méi)有自由電荷,具有良好的絕緣性能電介質(zhì)又可稱為絕緣材料(insulatingmaterial)或絕緣體(insulator)電介質(zhì)的分類分類原則分類物質(zhì)組成特性無(wú)機(jī)電介質(zhì)和有機(jī)電介質(zhì)物質(zhì)的聚集態(tài)氣體介質(zhì)、液體介質(zhì)及固體介質(zhì)物質(zhì)原子排列的有序化晶體電介質(zhì)和非晶態(tài)電介質(zhì)組成分子

2、的電荷的空間分布極性電介質(zhì)和中性電介質(zhì)介質(zhì)組成成分的均勻度均勻介質(zhì)和非均勻介質(zhì)2.1電介質(zhì)及其極化2.1.1平板電容器及其電介質(zhì)平行板電容器,真空中電容C0:當(dāng)板間存在電介質(zhì)時(shí):相對(duì)介電常數(shù):真空平板電容間嵌入一塊電介質(zhì),當(dāng)加上外電場(chǎng)時(shí),則在正電極附近的介質(zhì)表面感應(yīng)出負(fù)電荷,負(fù)極板附近的介電表面感應(yīng)出正電荷,這種感應(yīng)出的表面電荷稱為感應(yīng)電荷,或者束縛電荷。電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生束縛電荷的現(xiàn)象稱為電介質(zhì)的極化。根據(jù)分子的電結(jié)構(gòu),電介質(zhì)有兩類:非極性分子電介質(zhì):正負(fù)電荷統(tǒng)計(jì)重心重合。極性分子電介質(zhì):正負(fù)電荷統(tǒng)計(jì)重心不重

3、合,存在電偶極子。2.1.2極化相關(guān)物理量極性分子的電偶極距:電極化強(qiáng)度P:電介質(zhì)極化程度的量度。電極化率χe:電位移D:電容器極板上自由電荷面密度。2.1.3電介質(zhì)極化機(jī)制2.1.3.1電子、離子位移極化(1)電子位移極化(ElectronicPolarizability)特點(diǎn):響應(yīng)快,10-14~10-16s完全彈性在所有電介質(zhì)中存在R:原子半徑(2)離子位移極化離子位移極化率離子彈性位移極化:彈性,10-12~10-13s2.1.3.2弛豫(松弛)極化松弛質(zhì)點(diǎn):材料中存在著弱聯(lián)系的電子、離子和偶極子。松弛極化

4、:松弛質(zhì)點(diǎn)由于熱運(yùn)動(dòng)使之分布混亂,電場(chǎng)力使之按電場(chǎng)規(guī)律分布,在一定溫度下發(fā)生極化。松弛極化的特點(diǎn):比位移極化移動(dòng)較大距離,移動(dòng)時(shí)需克服一定的勢(shì)壘,極化建立時(shí)間長(zhǎng),需吸收一定的能量,是一種非可逆過(guò)程。(1)電子松弛極化材料中弱束縛電子在晶格熱振動(dòng)下,吸收一定能量由低級(jí)局部能級(jí)躍遷到較高能級(jí)處于激發(fā)態(tài);處于激發(fā)態(tài)的電子連續(xù)地由一個(gè)陽(yáng)離子結(jié)點(diǎn),移到另一個(gè)陽(yáng)離子結(jié)點(diǎn);外加電場(chǎng)使其運(yùn)動(dòng)具有一定的方向性,由此引起極化,使介電材料具有異常高的介電常數(shù)。極化過(guò)程不可逆。極化建立時(shí)間約為10-2~10-9s。(2)離子松弛極化結(jié)構(gòu)正

5、常區(qū)缺陷區(qū)U松U’松U導(dǎo)電離子熱弛豫極化率特點(diǎn):1、與導(dǎo)電不同2、隨溫度升高,極化率下降3、極化率較位移極化大一個(gè)數(shù)量級(jí),介電常數(shù)較大4、離子弛豫極化時(shí)間10-2~10-5s。2.1.3.3取向極化取向極化:具有恒定偶極矩的極性分子在外加電場(chǎng)作用下,偶極子發(fā)生轉(zhuǎn)向,趨于和外加電場(chǎng)方向一致,與極性分子的熱運(yùn)動(dòng)達(dá)到統(tǒng)計(jì)平衡狀態(tài),整體表現(xiàn)為宏觀偶極矩。取向極化比電子極化率高得多。E2.1.3.4空間電荷極化空間電荷極化:在不均勻介質(zhì)中,如介質(zhì)中存在晶界、相界、晶格畸變、雜質(zhì)、氣泡等缺陷區(qū),都可成為自由電子運(yùn)動(dòng)的障礙;在障

6、礙處,自由電子積聚,形成空間電荷極化,一般為高壓式極化。----++++----++++----++++外電場(chǎng)P各種極化形式的比較極化形式極化的電介質(zhì)種類極化的頻率范圍與溫度的關(guān)系能量消耗電子位移極化一切陶瓷直流——光頻無(wú)關(guān)無(wú)離子位移極化離子結(jié)構(gòu)直流——紅外溫度升高極化增強(qiáng)很弱離子松弛極化離子不緊密的材料直流——超高頻隨溫度變化有極大值有電子位移松弛極化高價(jià)金屬氧化物直流——超高頻隨溫度變化有極大值有轉(zhuǎn)向極化有機(jī)直流——超高頻隨溫度變化有極大值有空間電荷極化結(jié)構(gòu)不均勻的材料直流——高頻隨溫度升高而減小有空間電荷極化

7、松弛極化離子極化電子極化工頻聲頻無(wú)線電紅外紫外極化率或?極化率和介電常數(shù)與頻率的關(guān)系2.2介電強(qiáng)度2.2.1介質(zhì)在電場(chǎng)中的破壞當(dāng)陶瓷或聚合物用于工程中做絕緣材料、電容器材料和封裝材料時(shí),通常都要經(jīng)受一定的電壓梯度的作用。如果材料發(fā)生短路,則這些材料就失效了。這種失效就是介電擊穿。引起材料擊穿的電壓梯度(V/cm)稱為材料的介電強(qiáng)度或介電擊穿強(qiáng)度。2.2.2電擊穿固體介質(zhì)電擊穿的碰撞電離理論:在強(qiáng)電場(chǎng)作用下,固體導(dǎo)帶中可能因冷或熱發(fā)射存在一些電子,這些電子被加速,獲得動(dòng)能;高速電子與晶格振動(dòng)相互作用,把能量傳遞給晶格

8、;上述兩個(gè)過(guò)程在一定溫度和場(chǎng)強(qiáng)下平衡時(shí),固體介質(zhì)有穩(wěn)定的電導(dǎo);當(dāng)電子從電場(chǎng)中獲得能量大于傳遞給晶格振動(dòng)能量時(shí),電子動(dòng)能越來(lái)越大;大到一定值,電子與晶格振動(dòng)的相互作用導(dǎo)致電離產(chǎn)生新電子,使電子數(shù)目迅速增加,電導(dǎo)進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài),發(fā)生擊穿。熱擊穿處于電場(chǎng)中的介質(zhì),由于介質(zhì)損耗而受熱;當(dāng)外加電壓足夠高時(shí),散熱和發(fā)熱從平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)入非平衡狀態(tài),介質(zhì)的溫度將越來(lái)越高,直至

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