最新功能材料介電性能幻燈片.ppt

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1、功能材料介電性能高壓引線壓電陶瓷墊塊外殼沖擊塊V獨(dú)石電容器結(jié)構(gòu)圖陶瓷介質(zhì)中間Ni電極底層Ag電極PbAg內(nèi)電極片式結(jié)構(gòu)外層純Sn電極§1介質(zhì)的極化§1.1極化現(xiàn)象及其物理量極化:電介質(zhì)內(nèi)質(zhì)點(diǎn)正負(fù)電荷中心分離,轉(zhuǎn)變成偶極子;電偶極距:極化率:?jiǎn)挝浑妶?chǎng)強(qiáng)度下質(zhì)點(diǎn)電偶極距的大小,表征電介質(zhì)的極化能力,只與材料的性質(zhì)有關(guān),單位F.m2;極化強(qiáng)度:電介質(zhì)單位體積內(nèi)的電偶極距總和,與面電荷密度單位一樣,C/m2;電介質(zhì)極化系數(shù):將宏觀電場(chǎng)E和宏觀物理量P聯(lián)系起來(lái);§1.2克勞修斯-莫索蒂方程1、宏觀電場(chǎng)E:由外加電場(chǎng)和退極化場(chǎng)合成;退極化

2、場(chǎng):極化強(qiáng)度P造成的電場(chǎng)可認(rèn)為是由表面束縛電荷引起的;因?yàn)閾?jù)靜電學(xué)原理,均勻極化產(chǎn)生的電場(chǎng)等于分布在物體表面上的束縛電荷在真空中產(chǎn)生的電場(chǎng);此電場(chǎng)與外加電場(chǎng)方向相反,故稱之為退極化場(chǎng)。2、局部電場(chǎng)Eloc:晶體中作用于一個(gè)原子位置上的局部電場(chǎng)是外加電場(chǎng)及晶體中其它原子所產(chǎn)生的電場(chǎng)之和;其值與宏觀電場(chǎng)之間相差甚大。求局部電場(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)方法:以參考原子為球心劃出一個(gè)球,其半徑比原子間距大得多,但又比整個(gè)介質(zhì)小得多;對(duì)球心原子而言:球外電介質(zhì)為連續(xù)介質(zhì);對(duì)宏觀整體來(lái)說(shuō):球內(nèi)又是均勻的,即宏觀電場(chǎng)對(duì)球內(nèi)各點(diǎn)作用一樣;其半徑一般為原子間距的

3、幾十到幾百倍。若把球挖空,則球外介質(zhì)的作用可歸結(jié)為空球表面極化電荷作用場(chǎng)E2和整個(gè)介質(zhì)邊界表面極化電荷作用場(chǎng)E1之和;球內(nèi)則只考慮原點(diǎn)附近偶極子的影響E3。局部電場(chǎng):E2為洛倫茲電場(chǎng),;E3由晶體結(jié)構(gòu)決定,對(duì)于球體中具有立方對(duì)稱的參考位置,若所有原子都可用彼此平行的點(diǎn)型偶極子代替,則E3=0;E2的計(jì)算:洛倫茲關(guān)系:3、克勞修斯-莫索蒂方程:建立了相對(duì)介電常數(shù)(宏觀量)與極化率(微觀量)之間的關(guān)系;適用于分子間作用很弱的氣體、非極性液體和非極性固體以及一些NaCl型離子晶體和具有適當(dāng)對(duì)稱性的晶體。電介質(zhì)的總極化:電子極化、離子

4、極化、偶極子轉(zhuǎn)向極化位移極化:彈性的、瞬時(shí)完成的極化,不消耗能量;松弛極化:完成極化需要一定的時(shí)間,是非彈性的,消耗一定的能量,與熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)?!?.3電子位移極化1、電子位移極化的經(jīng)典理論:電子位移極化:在外電場(chǎng)作用下,原子外圍的電子云相對(duì)于原子核發(fā)生位移形成的極化;具有彈性束縛電荷在強(qiáng)迫振動(dòng)中表現(xiàn)出的特性。極化率與頻率的關(guān)系反映了極化的慣性;測(cè)量電子極化一般在紫光光頻下進(jìn)行,此時(shí)其它極化機(jī)構(gòu)的慣性跟不上電場(chǎng)的變化,因而此時(shí)的介電常數(shù)()幾乎完全來(lái)自電子極化率的貢獻(xiàn)。玻爾原子模型:§1.4離子位移極化離子在電場(chǎng)作用下偏離平衡位

5、置的移動(dòng)相當(dāng)于形成一個(gè)感生偶極矩;其極化率與電子位移極化率的表達(dá)式相似,具有彈性偶極子的極化性質(zhì),可由晶格振動(dòng)紅外吸收頻率測(cè)量得出,其建立時(shí)間約為10-12-10-13秒。§1.5松弛極化松弛極化:1)包括離子松弛極化、電子松弛極化和偶極子松弛極化;2)多發(fā)生在晶體缺陷區(qū)或玻璃體內(nèi)以及極性分子物質(zhì)中;3)熱運(yùn)動(dòng)使松弛質(zhì)點(diǎn)分布混亂,而電場(chǎng)則力圖使其按電場(chǎng)規(guī)律分布,在一定溫度下發(fā)生極化;4)具有熱統(tǒng)計(jì)性質(zhì),質(zhì)點(diǎn)需克服一定的勢(shì)壘才能移動(dòng),遷移距離比較大,極化建立的時(shí)間較長(zhǎng)(10-2-10-9秒),且要吸收一定的能量,非可逆過(guò)程。1、

6、離子松弛極化A)強(qiáng)聯(lián)系離子:在完整的離子晶體中處于正常結(jié)點(diǎn)(平衡位置)的離子,其能量最低,最穩(wěn)定;其在電場(chǎng)作用下只能產(chǎn)生彈性位移極化,極化質(zhì)點(diǎn)仍束縛在原平衡位置附近。B)弱聯(lián)系離子:在玻璃態(tài)物質(zhì)、結(jié)構(gòu)松散的離子晶體中以及晶體的雜質(zhì)和缺陷區(qū),離子本身能量較高,易被活化遷移;極化時(shí)可從一個(gè)平衡位置遷移到另一個(gè)平衡位置,遷移行程可與晶格常數(shù)相比,大于彈性位移距離;去掉外電場(chǎng)后,離子不能回到原平衡位置。C)與離子電導(dǎo)的區(qū)別:a)遷移距離:離子電導(dǎo)是離子作遠(yuǎn)程遷移,而離子松弛極化質(zhì)點(diǎn)僅作有限距離的遷移,它只能在結(jié)構(gòu)松散區(qū)或缺陷區(qū)附近移動(dòng)

7、;b)勢(shì)壘高度:離子松弛極化所需克服的勢(shì)壘低于離子電導(dǎo)勢(shì)壘,離子參加極化的幾率遠(yuǎn)大于參加電導(dǎo)的幾率。D)離子熱松弛極化率:比電子及離子的位移極化率大一個(gè)數(shù)量級(jí),導(dǎo)致材料較大的介電常數(shù);極化強(qiáng)度P與溫度的關(guān)系中往往出現(xiàn)最大值(溫度升高,松弛過(guò)程加快,但極化率下降)。討論:P3032、電子松弛極化:A)由弱束縛電子引起,與弱聯(lián)系離子的遷移類似,也是不可逆的熱松弛過(guò)程,消耗一定能量,比電子位移極化強(qiáng)烈得多;B)晶格的熱振動(dòng)、晶格缺陷、雜質(zhì)的引入、化學(xué)組成的局部改變等因素都能使電子能態(tài)發(fā)生改變,出現(xiàn)位于禁帶中的局部能級(jí),形成弱束縛電子

8、。C)電子松弛極化與電子電導(dǎo)不同:弱束縛電子不能遠(yuǎn)程遷移,弱束縛電子只有獲得更高能量才能躍遷到導(dǎo)帶成為自由電子,形成電導(dǎo);具有電子松弛極化得介質(zhì)往往具有電子電導(dǎo)的特性;D)電子松弛極化主要是折射率大、結(jié)構(gòu)緊密、內(nèi)電場(chǎng)大和電子電導(dǎo)大的電介質(zhì)的特性?!?.6轉(zhuǎn)向極化主要發(fā)生在極性

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