4-陶瓷材料的介常数的测定 - 副本.doc

实验三 陶瓷材料的介电温度特性的测定 高介电材料具有十分广阔的市场，因其在电气电子、IT、电力等领域的重要应用一直是各国科学材料研究与开发的热点。对于材料的介电的测试与评价，是一项重要的实验和科研技能。 一、实验目的 （1）了解介电测试系统的基本原理，掌握材料介电常数的基本知识。 （2）学会陶瓷材料电极的制备方法。 （3）掌握测量材料的介电温谱的方法。 （4）掌握高介电材料的介电性质和温度及频率之间的关系。 二、实验原理 1．介电常数的测量原理 ABESd+σ-σ图3.1 平行板电容器简易图如图3.1所示，一面积为S、间距为d的平行板电容器，极板间为真空，其电容为 A B E S d +σ -σ 图3.1 平行板电容器简易图 极板上的电荷为： （3.1） 撤去电源，维持极板上Q不变；并在两极板间充满均匀的各向同性的电介质。则实验测得 （3.2） 充满电介质的平行板电容器的电容为： [ ] （3.3） -- 电介质的相对电容率； -- 真空电容率； -- 电介质的电容率。 由于，，则 （3.4） 充满电介质后，平行板电容器的电场强度为原来的1/εr倍。电容器的电容不仅依赖于电容器的形状，还与极板间电介质的电容率有关。 因此，介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，原外加电场（真空中）与最终介质中电场比值即为介电常数（permittivity），又称电容率.。如果有高介电常数的材料放在电场中，场的强度会在电介质内有可观的下降。 极板间的电压越大，电场强度越大。当电场强度增大到某一最大值Eb时，电介质分子发生电离，从而使电介质失去绝缘性，这时电介质被击穿。电介质能承受的最大电场强度Eb，称为电介质的击穿场度。 （3.5） 在外加电压下，电介质中一部分电能转换为热能的现象，称为介质损耗。一般来说，电介质都有微弱的导电性，因产生漏电流而引起的能量损耗是较小的。主要的介质损耗是高频交变电压作用下，高频外电场使电介质反复极化的过程中发生的。频率越高，发热越显著。如果剧烈发热，将使电介质丧失绝缘性能并引起破坏。 在交流电场下，介电常数表示成虚数形式： （3.6） 我们把介电常数虚数部分和实数部分的比值定义为介电损耗因子（dissipation loss factor）。 （3.7） 大多数陶瓷材料具有较低的介电损耗因子，这是由于它的高绝缘性能阻止电能转化为热能的损耗。 2．钛酸钡陶瓷的结构和介电性质 BaTiO3陶瓷是具有最高室温介电常数的简单化合物，在室温具有四方结构（tetragonal），属于ABO3型钙钛矿（perovskite）结构。图3.2为理想的立方钙钛矿结构。图3.2（a）为一个BaTiO3晶胞，B位的Ti4+离子由6个O2-离子包围，组成TiO6正八面体；图3.2（b）显示出TiO6八面体的重复排列构成钙钛矿结构的骨架。可以认为A位的Ba2+离子位于骨架的间隙位置。 (b) (b) (a) A B O Ba Ti O 图3.2 理想的立方钙钛矿结构。 BaTiO3陶瓷随温度的变化经过三种相变：一般在125 ℃以上是立方相（cubic），可由图3.2表示；125 ℃至-7 ℃之间为四方相（tetragonal）；-7 ℃至-90 ℃之间为正交相（orthorhombic）；-90 ℃以下为菱方相（rhombohedral）。在加热或降温的过程中有轻微几度的差别（相变的迟滞效应）。对于室温的四方BaTiO3陶瓷 图3.3 BaTiO3陶瓷的相对介电常数和介电损耗因子随温度的变化规律。式中TC为距离温度，T0为居里-外斯温度。εr-100cubic 图3.3 BaTiO3陶瓷的相对介电常数和介电损耗因子随温度的变化规律。式中TC为距离温度，T0为居里-外斯温度。 εr -100 cubic tetragonal rhombohedral orthorhombic T (℃) -50 0 50 100 150 1000 2000 30