材料的介电性能详解.ppt

第6章 材料的介电性能 2009.05 使试样本身温度升高 通过热传导和热对流向周围散发热量 固体电介质的热击穿判据 当发热曲线W1与散热直线W2相切时，切点C应满足以下条件 特征 发生在室温或室温以下 发生的时间间隔很短，在微秒或微秒以下 与样品或电极几何形状无关，或者与所加电场的波形无关 仅与材料有关 与介质中的自由电子有关（来源为杂质或缺陷能级、价带） 本征击穿理论可归结为基本上处理电子与晶格间能量的传递，并且考虑材料中电子能量的分布变化。 参与能量传递作用的因素 偶极场中的晶格振动 与偶极场晶格振动共有的电子壳层变形 非偶极场短程电子轨道畸变 本征击穿理论所相关的电子能量分布变化的因素 电场对电子的加速作用 传导电子间的碰撞 传导电子与晶格的相互碰撞 电子的电离、再复合和捕获 电场梯度形成的扩散 本征击穿机制模型 单电子近似模型 仅适用于材料本征击穿低温区 集合电子近似模型 2.雪崩式电击穿机制 把本征电击穿机制和热击穿机制结合起来 电荷是逐渐或者相继积聚，而不是电导率的突然改变，尽管电荷集聚在很短时间内发生 最初机制是场发射或离子碰撞 雪崩电击穿和本征电击穿一般难于区分 在理论上它们的关系十分明显 本征电击穿理论中增加传导电子是继稳态破坏后突然发生 而雪崩击穿是考虑高场强时，传导电子倍增过程逐渐达到难以忍受的程度，导致介质晶格破坏。 局部放电就是在电常作用下，在电介质区域中所发生放电现象，没有电极之间形成贯穿的通道，整个试样并没有击穿 局部放电是脉冲性的，其过程与电晕放电相同。 局部放电将导致介质的击穿与老化。 铁电体整体上呈现自发极化，其结果是晶体正、负端分别有一层正、负束缚电荷。 束缚电荷产生的电场-退极化场与极化方向反向，是静电能升高。 在受机械束缚时，伴随着自发极化的应变还将使应变能增加 所以整体均匀极化的状态不稳定，晶体趋向于分成多个小区域。 每个区域内部电偶极子沿同一个方向，但不同小区域的电偶极子不同，这每个小区域称为电畴。 180°畴壁（较薄）90°畴壁（较厚） 铁电畤在外电场作用下，总是趋向与外电场方向一致，称之为畤转向。电畤运动是通过新畤出现，发展和畤壁移动来实现的。 电滞回线是铁电体的铁电畤在外电场作用下运动的宏观描述。 铁电体居里温度是由材料成分决定，不同元素在同一铁电体中对的TC影响不同的。 晶粒的大小也影响铁电体的行为。一般情况下晶粒越大，其起压电性值就越高。 反铁电晶体含有反平行排列的偶极子。 反铁电相的偶极子结构很接近铁电相的结构，能量上的差别很小，因此，只要在成分上稍有改变，或者加强的外电场或者是压力则反铁相就转变为铁相结构。 ②机械品质因数 ③频率常数 ④机电耦合系数 6.4.3铁电体的临界性质 1.环境因素对铁电体性质的影响 （1） 外部条件（电场，应力。温度，压力）的变化，可以引起铁电体极化强度PS的变化 （2）铁电体相变按自由能变化来分，可分为两类。即：一级相变二级相变 一级相变 二级相变 在相变点上，PS突变到零；铁电相与非铁电相共存；相变伴随着潜热和热滞现象。 如BT等。 在相变点上，PS连续地下降至零；相变没有潜热和热滞现象。 如KDP等。 T TC PS T TC PS 2. 成分，晶粒大小，尺寸因素的影响 3. 反铁电-铁电相变 某些晶体材料按所施加的机械力成比例地产生电荷的特性。 6.5 压电性和热释电性 6.5.1 压电性 压电性 1.正压电效应，逆压电效应和压电常数 当晶体受到机械力作用时，一定方向的表面产生束缚电荷，其电荷密度大小与所加的应力的大小成线性关系。这种由机械能转换成电能的过程，称为正压电效应。 当晶体在外电场激励下，晶体的某些方向上产生形变，而且应变大小与所加电场在一定范围内有线性关系，这种由电能转变为机械能的过程称为逆压电效应。 在正压电效应中，电荷与应力成比列，即 在逆压电效应中，应变S与电场强度E成正比，即 d ── 压电常数(C/N) D ── 电位移(C/m2) T ── 应力(N/m2) d ── (V/m) S ── 应变(m/m) E ── 电场强度(V/m) 比例常数d数值相同 2.压电性产生原因 晶体压电效应的本质是因为机械作用引起晶体介质的极化从而导致介质两端表面内出现符号相反的束缚电荷。 3. 压电振子及其参数 压电振子 最基本元件，是被覆激励电极的压电体 压电振子参数 ①谐振频率与反谐振频率 * * 热击穿 电击穿 局部放电击穿 6.3 电介质在电场的破坏 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