材料介电性能案例实例.ppt

材料的介电性能;高压引线;独石电容器结构图;带引线结构;;材料可按其对外电场的响应方式区分为两类： 一类以电荷长程迁移即传导的方式对外电场作出响应，称为导电材料； 另一类以感应的方式对外电场作出响应，即沿电场方向产生电偶极矩或电偶极矩的改变，此类材料称为介电材料（电介质）； 介电性：是指在电场作用下,表现出对静电能的储蓄和损耗的性质（dielectric） 电介质： 在电场作用下，能建立极化的物质； 电介质的极化：电介质在外电场作用下产生电偶极矩或电偶极矩改变的现象； 真空介电常数与相对介电常数：;§1 介质的极化;§1.2 克劳修斯-莫索蒂方程;局部电场： E2为洛伦兹电场， ； E3由晶体结构决定，对于球体中具有立方 对称的参考位置，若所有原子都可用彼此 平行的点型偶极子代替，则E3=0； E2的计算：;洛伦兹关系： 3、克劳修斯-莫索蒂方程： 建立了相对介电常数(宏观量)与极化率(微观量)之间的关系； 适用于分子间作用很弱的气体、非极性液体和非极性固体以 及一些NaCl型离子晶体和具有适当对称性的晶体。 ;电介质的总极化：电子极化、离子极化、偶极子转向极化 位移极化：弹性的、瞬时完成的极化，不消耗能量； 松弛极化：完成极化需要一定的时间，是非弹性的，消耗一定 的能量，与热运动有关。;;玻尔原子模型： ;§1.4 离子位移极化;§1.5 松弛极化;C）与离子电导的区别： a)迁移距离：离子电导是离子 作远程迁移，而离子松弛极化 质点仅作有限距离的迁移，它 只能在结构松散区或缺陷区附近移动； b)势垒高度：离子松弛极化所需克服的势垒低于离子电导势垒，离子参加极化的几率远大于参加电导的几率。 D）离子热松弛极化率： 比电子及离子的位移极化率大一个数量级，导致材料较大的介电常数；极化强度P与温度的关系中往往出现最大值(温度升高,松弛过程加快，但极化率下降)。;;讨论：P303;2、电子松弛极化： A）由弱束缚电子引起，与弱联系离子的迁移类似，也是不可逆的热松弛过程，消耗一定能量，比电子位移极化强烈得多； B）晶格的热振动、晶格缺陷、杂质的引入、化学组成??局部改变等因素都能使电子能态发生改变，出现位于禁带中的局部能级，形成弱束缚电子。 C）电子松弛极化与电子电导不同：弱束缚电子不能远程迁移，弱束缚电子只有获得更高能量才能跃迁到导带成为自由电子，形成电导；具有电子松弛极化得介质往往具有电子电导的特性； D）电子松弛极化主要是折射率大、结构紧密、内电场大和电子电导大的电介质的特性。;§1.6 转向极化 主要发生在极性分子介质中；无外加电场时，极性分子的取向在各方向相同， 整体偶极矩为零；偶极子在外电场作用下发生转向，趋于和外电场方向一致， 体系建立起新的统计平衡，介质整体出现宏观偶极矩；需要时间较长(10-2- 10-10秒)；也可应用于带有正负电荷缺陷对的离子晶体中(又称离子跃迁极化)。 转向极化率： §1.7 空间电荷极化 不均匀介质内部的正负间隙离子在外电场作用下 分别向负正极移动，引起瓷体内各点离子密度变 化，出现电偶极矩；其建立需要较长时间，随温 度升高而下降；只对直流和低频下的介电性能有影响。 §1.8 自发极化 并非外电场引起，由晶体的内部结构造成，每个晶胞内存在固有电偶极矩。 在§4中详细介绍。;各种极化形式的比较 ;;§1.7 多晶多相材料的极化;2、陶瓷介质的极化： 多晶多相材料，其极化机构通常不止一种；一般都含有电子位移极化和离子位移极化；如有缺陷存在，还存在松弛极化。 3、介电常数的温度系数： 电子陶瓷分为两类： 一类是介电常数与温度成非线性关系，包括铁电陶瓷和松弛极化明显的材料；另一类是与温度成线性关系的材料，可用介电常数的温度系数描述。 介电常数的温度系数：介电常数随温度变化的相对变化率。;§2 介质损耗 ;2、复介电常数 ;§3 铁电性;BaTiO3的结构和铁电性： ①120oC以上：立方结构，无铁电性， 处于顺电态，介电常数随温度的变化服从居里-外斯定律： ②120oC ～5oC： 晶体结构稍微畸变，为四方结构， Ba2+和Ti4+相对于O2-发生一个位移， 由此产生自发极化，沿[001]方向； 该转变温度成为居里点；铁电相 的晶体结构对称性低于顺电相； ③ 5oC～-80oC： 斜方晶系，自发极化沿[011]方向； ④ -80oC以下： 菱形结构，自发极化沿[111]方向。;§3.2 钛酸钡自发极化的微观机理;A）钛酸钡为钙钛矿结构(等轴晶系a=4.01?) ，钛离子位于氧八面体中心；氧八面体的空腔(1.37?)尺寸大于Ti4+(1.28?)的尺寸， Ti4+在氧八面体内有位