南开大学奇妙的材料世界 第六讲 介电材料.ppt

第五章 介电材料 会说话、会唱歌的陶瓷、会侦察、 会指挥、能诊断、能生电的陶瓷 第一节 材料的电学性能 材料的电学性能：是指材料在外电场等物理作用下的行为及其所表现出来的各种物理现象。 按对外电场的响应方式，材料的电学性能可分为导电性能和介电性能。 导电性能：是指以电荷长程迁移，即传导的方式对外电场作出的响应； 介电性能：是指以感应方式对外电场等物理作用作出的响应，即产生电偶极短或电偶极矩的改变；主要包括：电介质的极化性质、铁电性、热释电性、压电性等。 一、 导电性能 材料导电性的量度为电阻率或电导率。电阻R与导体的长度l成正比，与导体的截面积S成反比，即： 根据电阻率的大小，可将材料分成超导体、导体、半导体和绝缘体四类。 超导体： σ=∞； 导体： σ=105~108Ω·m；一般金属材料 半导体：σ=10-7~105Ω·m； 部分陶瓷材料和少数高分子材料 绝缘体：σ=10-7~10-20Ω.m。 普通陶瓷材料与大部分高分子材料。 介电材料：-绝缘体 1、压电陶瓷 将一块陶瓷接上导线和电流表，用手在上面一摁，竟然产生了电流。 压电陶瓷应用随处可见： 电视机、录像机、随身听中调频音乐； 自动点火煤气灶、雾化加湿器； B超、心超检查身体仪器 超声美容、降脂、理疗 超声波马达是压电陶瓷应用中一个引人注目的新领域。它是利用压电陶瓷的逆压电效应，直接把电能转换成机械能输出而无需电磁线圈的新型电机，与普通电磁马达相比，它具有结构简单、启动快、体积小、功耗低等特点，不产生磁干扰也不怕磁干扰。它还可以低速运行而不用减速机构。这种微型电机在航空、航天、精密机械、仪器仪表、自动控制、机器人、扫描电镜微动台、照相机自动聚焦、磁头移动、机动车辆刮水器和电动开关车窗等许多技术领域有广阔的应用前景。 2、热释电陶瓷，在红外线作用下产生电信号，再接收放大进行处理。 3、铁电存储器-FRAM： FRAM的特点： (1) 读写次数多：10亿次以上，为一般100万倍以上； (2) 读写速度快：总线频率最高可达1MHz，可跟随总线速度写入，无须等待时间； (3)读写能耗低：低1000倍以上。 如IC卡中的应用， 即集成电路卡。集成电路芯片的关键是存储器。最常用的存储器是EEPROM（电可擦可编程序存储器）和FLASH（快闪存储器）。 采用FRAM（铁电随机存取存储器）新型存储器就可能更有前景。 凡是用存储器的地方都可以使用。 第三节 介电性质 介电性能：是指以感应方式对外电场等物理作用作出的响应，即产生电偶极矩或电偶极矩的改变； 电介质材料在电场作用下产生感应电荷的现象，称为电极化；这种感应电荷不能自由移动，即为束缚电荷。 电介质的基本特征是电导率很低，并能在外电场作用下，沿电场方向产生电偶极矩或电偶极矩的变化，或以正、负电荷中心不重合的电极化方式来传递并记录电的作用和影响。 一、材料的介电性能的主要参数： 介电常数 介电强度 介电损耗 (1) 介电常数 真空平板电容器的电容： 介电常数：电介质引起电容值增加的比例，称为介电常数ε，也叫电容率。它表征材料极化和储存电荷的能力。 相对电容率，即相对介电常数?r是材料电容率与真空电容率?0之比： 介电常数的影响因素： A. 电场频率增加，介电常数下降。 B. 温度增加，介电常数增加。 （2）介电强度 电容器极板间间隔过小、电压过高，会引起电容器击穿和放电。击穿时的电场强度，即介电强度。 介电强度：板极之间可以维持的最大电场强度。 （3）介电损耗 电介质在电场作用下，引起介质发热，单位体积材料在单位时间内消耗的能量，称介电损耗。 大小等于单位体积电介质在单位电场强度作用下的能量耗散。 但是这种能量耗散非常小，而且也不易直接测得。 损耗角δ ： 在电介质上加角频率为ω的交变电场E时，电位移也以相同的角频率振动。但是，极化强度P、电位移D的相位落后于所加电场的相位。电位移与电场强度E的相位差δ，称为介质损耗角。 介电损耗与损耗角正切tanδ成正比。 tanδ大则能量损耗大。所以，常用它恒量介电材料的介电损耗。 产生介电损耗的主要原因是： ①任何实用的电介质均具有一定电导，在外电场作用下必然引起漏导电流，使电介质发热，损耗能量。 ②电介质缓慢极化（偶极子转向松弛极化）过程中要克服分子间的摩擦与引力，产生能量损耗，这种损耗称为极化损耗。 ③在强电场作用下，产生气体游离而引起的损耗。 此外，工程上所用的绝缘体含有各种杂质（水、氧化物、碳等）亦会引起显著的附加损耗。 二、压电效应 电介质在机械力的作用而发生极化，导致介质两端表面出现符号相反的束缚电荷，其