材料物理性能第3章材料的介电性能.pptVIP

第三章 材料的介电性能; 在人类对电认识和应用的开始阶段，电介质材料就问世了。然而，当时的电介质仅作为分隔电流的绝缘材料来应用。为了改进电绝缘材料的性能，以适应日益发展的电气工程和无线电工程的需要，围绕不同的电介质在不同频率、不同场强的电场作用下所出现的现象进行科学研究，并总是以绝缘体的介电常数、损耗、电导和击穿等所谓四大参数为其主要内容。 随着电子技术、激光、红外、声学以及其它新技术的出现和发展，电介质已远不是仅作绝缘材料来应用了。特别是极性电介质的出现和被广泛应用、使得人们对电介质的理解及其范畴和过去大不相同。; 以绝缘体的四大参数为主要内容也逐步演变为以研究物质内部电极化过程。 固态电介质分布很广，而且往往具有许多可供利用的性质。例如电致伸缩、压电性、热释电性、铁电性等，从而引起了广泛的研究。实际上，这些性质是与晶体的内在结构、其中的束缚原子(或离子)以及束缚电子的运动等都有密切的关系。现在，固态电介质物理与固体物理、晶体光学有着许多交迭的领域。特别是在激光出现以后，研究晶态电介质与激光的相互作用又构成为固态激光光谱学、固态非线性光学。;3.1 电介质及其极化;; 平板电容器中的电介质，在外电场作用下，在正极板附近的介质表面感应出负电荷，负极板附近的介质表面感应出正电荷。这些感应电荷称为束缚电荷。 极化——在电场作用下产生束缚电荷的现象称为电介质的极化。 常用的电介质有，陶瓷、玻璃和聚合物等。工作电场的频率对一些电介质的介电常数有影响，特别是陶瓷类电介质。 极化相关物理量 电偶极矩： 极化电荷： 电极化强度P——电介质极化程度的量度；;《材料物理性能》——材料的介电性能;电介质极化机制 电介质在外加电场作用下产生宏观的电极化强度，实际上是电介质微观上各种极化机制贡献的结果。包括电子的极化、离子的极化、电偶极子取向极化和空间电荷极化等。电子极化和离子极化又都可分为位移极化和弛豫极化。 位移极化 电子位移极化——外电场作用下，原子???围的电子轨道相对于原子核发生位移而引起的极化。 由于电子很轻，对电场的反应很快，可以光频跟随外场变化。 采用玻尔原子模型来分析电子位移极化率。模型假设一点电荷(-q)沿绕核电荷(+q)的一个圆周轨道运行。在电场作用下，电子轨道反电场方向移动一段小距离d，因此形成一感应偶圾矩：;当电场力与恢复力平衡时， 所以，; ; ;离子位移极化 在离子晶体中，除存在电子位移极化以外，在电场作用下，还会发生正、负离子沿相反方向位移形成离子位移极化。 ; 根据经典弹性振动理论可以估计出离子位移极化率为： ;弛豫极化 弛豫极化释由外加电场造成的，但与带电质点的热运动状态密切相关。 材料中存在弱联系的电子、离子和偶极子等弛豫质点时，外加电场使其有序化分布，而热运动使其混乱分布，最后达到平衡极化状态。弛豫极化建立平衡极化时间约为10-2~10-3s，并且要克服一定的位垒，因此，弛豫极化是一种非可逆过程。 电子弛豫极化 晶格的热振动、晶格缺陷、杂质引入、化学成分局部改变等因素，使电子能态发生改变，出现位于禁带中的局部能级形成所谓的弱束缚电子。 具有电子弛豫极化的介质往往具有电子导电特性。极化是一种不可逆过程，建立时间约为10-2~10-3s，电场频率高于109Hz时，这种极化就不存在。;离子弛豫极化 在玻璃态物质、结构松散的离子晶体或晶体中的杂质或缺陷区域，离子自身能量较高，易于活化迁移，这些离子为弱联系离子。 弱联系离子弛豫极化时，其迁移的距离可达晶格常数数量级。 根据弱联系离子在有效电场作用下的运动，以及对弱离子运动位垒计算，可得到离子弛豫极化率的大小：;取向极化;空间电荷极化 ;宏观极化强度与微观极化率关系 退极化电场和局部电场 外加电场 退极化电场 局部电场 宏观电场 Clausius-Mosotti 方程 （推导过程见课本）;3.2 交变电场下的电介质; ; ; ;《材料物理性能》——材料的介电性能; ;电介质弛豫和频率响应 ; ;3.3 电介质在电场中的破坏;3.4 压电性和热释电性; 压电效应产生; ;;;;;;; 正压电效应及其表示式;; 逆压电效应及其表示式; 晶体的对称性与压电系数矩阵;;;; 压电晶体的热力学关系式（参考有关专著）; 压电材料主要的表征参数; ; 热释电性;;材料热释电性的表征：;;3.5 铁电性;铁电性——电滞回线;;铁电性的形成机制;;;; ;;;;;3.6 介电性能测量; 电容率(介电常数)、介电损耗、介电强度的测定;