1、中国矿业大学 材料科学与工程学院,第二章 材料的电学性能,本章内容,金属的导电性 合金的导电性 半导体的导电性 材料的介电性 材料的超导电性,介电材料的应用领域,绝缘材料：介电材料，又称电介质。,第四节 材料的介电性,电介质的定义与特征电介质的极化电介质的基本常数 电介质的应用,1. 电介质的定义与基本特征,在电场作用下，能产生极化与偶极子，并存在有内电场 的物质。,物质,电介质,半导体,导体,是一类特殊的绝缘体。,电介质,导体,高电场作用,电介质的类型,气体 液体 陶瓷 玻璃 离子晶体 NaCl等,H2，空气，六氟化硫等,水，石油等,云母，瓷，橡胶，聚苯乙烯等,钛酸钡、铁酸铋、钛酸铅等,电介
2、质的特征,从电场特性来看 （a）导体中：内部电场为零（平衡状态），电场终止于导体表面并与表面垂直。 （b）在电介质中：内部存在电场，表面会产生束缚电荷。 载流子：导体的载流子为电子；半导体的载流子为电子和空穴； 电介质的载流子主要为离子。在传导上，导体为自由电 子，而电介质则以电极化。故对极化的研究是介质物理的 主要任务。,介电常数：是指以电极化的方式传递、存贮或记录电的作用。,电导：是指电介质在电场作用下存在泄露电流。,介电损耗：是电介质在电场作用下存在电能的损耗。,介电强度：是指在强电场下可能导致电介质的破坏。,电介质的四大基本常数,好的电介质要求较容易极化，具有较高的介电常数和介电 强度
3、，较低的电导和介电损耗。,第四节 材料的介电性,电介质的定义与特征电介质的极化电介质的基本常数 电介质的应用,-,-,-,-,-,插入电介质,束缚电荷,在电场作用下产生束缚电荷的现象称为电介质的极化。,2. 电介质的极化,与极化相关的物理量,电偶极矩极化电荷（束缚电荷）电极化强度 P 电介质极化程度的量度,由极化而引起的宏观电荷,电介质的极化机制,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。包括电子式极化、离子式极化、电偶极子转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。,极化,电子式极化,离子式极化,电偶极子极化,空间电
4、荷极化,位移极化,弛豫极化,位移极化,弛豫极化,电介质,极性材料,非极性材料,只有位移极化的电介质,有转向极化的电介质,根据极化类型对电介质进行分类,微观上，根据参加极化的微观粒子的种类，电介质的分子极化可分为三类：电子位移极化；离子位移极化；电偶极子转向极化。, 电子位移极化与电子位移极化率,在外电场作用下，电子云相对原子核的位移是弹性联系，其振动频率在光频范围，所以电子极化又称光极化，极化建立和消除的时间极 短，约10-1510-16s。,感应偶极矩：,平衡建立后,以电子云中心为参考点，核沿电场方向移动x，使核移动的电场力为,核移动后，受到电子云的库仑力为,与温度无关,电偶极矩,电子极化率
5、：由电子产生的偶极矩与作用于该分子的电场强度之比。,电子位移极化结论同族元素：由上到下增大； 同周期元素：不定；电子位移极化率与温度无关；极化率为快极化：10-15 10-16s，该极化无损耗。在光频下，只有电子极化，介质的光折射率为：, 离子位移极化和极化率,离子晶体的介电常数值比n2值大的多，如,因此，必然存在电子极化外的其他极化机制。,离子位移极化：离子晶体中正、负离子发生相对 位移而形成的极化，称为离子（位移）极化(Ionic polarization)。,-q,+q,E,K = ?,当位移不是很大时 可将正负离子间的恢复力看成为准弹性力,根据正、负离子对的固有谐振频率用实验方法求解k
6、值。,正负离子位移形成的偶极距,离子极化率,根据离子晶体的势能E(x)，可以得到k值。,离子位移极化率与电子位移极化率几乎有相同的数量级； 离子位移极化只可能在离子晶体中存在，液体或气体介质中不存在离子极化； 离子位移极化只与离子晶体结构参数有关，与温度无关； 离子位移极化建立或消除时间与离子晶格振动周期有相同数量级，10-1210-13秒。,离子位移极化模型（一维）,离子极化结论：, 偶极子转向极化和极化率,当极性分子受外电场作用时，偶极子就会产生转矩，由于偶极子与电场方向相同时具有最小位能，于是就电介质整体来看，偶极矩不再等于零，而出现沿电场方向的宏观偶极矩，这种极化现象称为偶极子转向极化
7、。,每一偶极子的势能,Boltzman统计分布,极性分子固有极距,极化建立时间：10-610-2秒，为慢极化。,各种极化形式的综合比较,第四节 材料的介电性,电介质的定义与特征电介质的极化电介质的基本常数 电介质的应用,3. 基本常数, 静态介电常数, 真空介电常数, 相对介电常数,介电常数可理解为在单位 电场强度下，单位体积中 所存储的能量。,电容, 介电常数（dielectric coefficient）, 介电强度,击穿指当施加于电介质上的电场强度或电压增大到一定 程度时，电介质由介电状态变为导电状态的现象。,介电强度,填充电介质的目的是使极板间可承受的电位差能 比空气介质承受的更高些，
8、即提高其介电强度。, 电介质的电导,电介质中的带电质点在电场作用下做定向迁移形成的。,固体电导,电子电导,离子电导,电子和空穴,可移动的正负离子和离子空位,低电场下,高电场下,体电导和表面电导,体电导率：由材料的本质所决定，与试样尺寸无关。,表面电导：表示介质抵抗沿表面漏电的性能。,电击穿,Ub 为击穿电压（击穿电场Eb = Ub/d，d 为介质厚度）,固体介质击穿的一般规律：固体介质的击穿电场大于液体和气体介质Eb（气体）=3106 V/mEb（液体）=107108 V/mEb（固体）=108109 V/m固体介质击穿是永久性的从击穿过程看： -电场的破坏变成导体电击穿； -介质本身的破坏：
9、a）热破坏热击穿；b）机械破坏机械击穿,电击穿的特点：,电击穿必须满足：电导率小、tan小、散热条件好，无气隙、无边缘放电。,b. 击穿电场范围较窄：108109V/m, 介电损耗,在外电场作用下，由电导作用和极化作用引起的 电介质内的能量损耗。,介电损耗,电导损耗,介质极化损耗,静电场中,交变电场中,电导损耗,电导损耗,电导损耗,并联等效电路,串联等效电路,引起介电损耗的微观机制,普通无机晶体介质(NaCl, SiO2等),只有位移极化，损耗来源：离子电导，与电导率成正比,无定形玻璃介质,电导损耗、松弛损耗和结构损耗（Si-O网络变形）,多晶陶瓷,离子电导，松弛损耗和夹层损耗,多相复合介质,
10、界面电荷积累“夹层极化”,有损耗电容器的等效电路和向量图,并联等效电路,串联等效电路,损耗角和损耗因素,向量图, 损耗角 tan 损耗因素,理想（真空）电容器无损耗，=0； 越大，说明介质损耗越大。,电介质基本常数之间的关系,提高电介质的介电常数有利于提高电容器的存储电荷量，然而介电损耗也将随之增加，因而寻找一种兼具有高介电常数和低介电损耗的电介质是当前科学研究者的任务。 材料的介电常数越大，其介电强度不一定高；电介质的电导越大，介电损耗也越高。,一些材料的介电性能,第四节 材料的介电性,电介质的定义与特征电介质的极化电介质的基本常数 电介质的应用,电介质的应用领域,电容器 场效应晶体管 超级
11、电容器 信息存储 声纳 超声波 红外探测器,高介电常数材料,铁电材料,压电材料,热释电材料,电介质领域专家陈湘明,陈湘明，浙江大学 教授，长江学者,主要研究方向：,长期从事铁电与介电材料的基础与应用 研究，现主要研究方向为微波介质陶瓷、 多铁性材料、铁电与驰豫铁电材料。,钨青铜结构CaCu3Ti4O12陶瓷,电介质材料应用一：超级电容器,单位重量储存的能量能达到一般蓄电池的水平。 与锂离子电池或其它蓄电池联用，作为短时驱动电源，应用于电动汽车的动力电池领域。 应用于大型石化、电子、纺织等领域的重要电力系统或大功率系统使输出电压稳定。,特点：长寿命、大容量、高充放电速率。,电介质材料应用二：铁电
12、存储器,英文名称：FRAM 原理：利用铁电晶体的铁电效应实现数据存储。 特点：长寿命、快的写入速度、非易失性。,电介质材料应用三：液晶材料,液晶是一种特殊的液态晶体或晶态液态，是液态和晶态的中间态。 由于液晶分子间的相互作用力很弱，其排列很容易受到外加电场的影响，即发生转向极化。 1888年，奥地利莱茨尼尔发现，具有两个熔点，即在较低的温度时熔化浑浊的液体，在较高的温度时才变为澄清的液体。,液晶显示器的原理是利用电场 控制液晶分子电偶极矩的转动。 使在不同的电场下形成不同的 灰阶亮度。,小结,电介质的极化电介质的基本常数介电材料及其应用,电介质 极化形式,介电常数 介电强度 介电损耗 电介质的电导,超级电容器 铁电存储器 压电材料 热释电材料,
