材料科学与技术第四部分

（二）电介质电介质极化机制：（1）、分子的极化；（3)、空间电荷极化。（2）、弛豫极化（电子、离子弛豫极化）；1、电介质极化（2）、弛豫极化（电子、离子弛豫极化）；(2)、（电子、离子）弛豫极化弛豫极化—松弛极化弛豫—松弛：需要时间的过程所有极化都需要时间、都是弛豫的。电子、离子的弛豫极化：极化建立时间较长、不同于电子、离子位移极化的一种极化材料中弱联系（受束缚较弱）的电子、离子在电场和热运动的共同作用下建立的一种极化状态弱联系的电子、离子运动距离可与分子尺寸相比、甚至更大电子、离子弛豫极化的建立需克服一定的势垒极化建立时间比位移极化大得多。弛豫极化往往是不可逆的弱束缚电子A、电子弛豫极化晶格缺陷处的原子、杂质原子中的弱束缚电子晶格缺陷处的原子或杂质原子在禁带中引入的局域能级或杂质能级上的电子吸收较小的能量可由较低的局域或杂质能级激发到较高的局域或杂质能级、甚至导带沿电场的方向可做短距离运动、过程不可逆具有电子弛豫极化的材料通常具有一定的电子电导常出现于铌、铋、钛氧化物陶瓷中电子弛豫极化建立时间：s9210~10交变电场的频率高于时，这种极化不存在Hz910弛豫极化电子：B、离子弛豫极化缺陷区弱联系离子势能强联系离子:完整离子晶体中处于正常节点、能量最低、最稳定极化时只能在平衡位置附近产生弹性位移弱联系离子:离子自身能量较高，易于活化、迁移晶体中的杂质、缺陷区域的离子或玻璃态物质中结构松散的离子极化时可从一个平衡位置移到另一个平衡位置平衡位置正常区强联系离子势能电场撤去后离子不能回到原位置过程非可逆性迁移距离可达离子晶格的数量级离子运动势垒位移极化离子弛豫极化率：kTqT1222:q::T离子电荷离子在电场作用下的位移热力学温度,T离子运动阻力大离子弛豫极化建立时间：s5210~10交变电场的频率高于时，这种极化不存在Hz610跟不上电场的变化离子弛豫极化率比位移极化率大一个数量级(3)、空间电荷极化材料中不仅包含完整晶体部分、缺陷部分，还可能有从外部注入的空间电荷混乱分布的空间电荷在外电场作用下趋于有序化：正、负空间电荷分别顺、逆电场的方向运动积聚在材料中的晶界、晶格缺陷等处形成与外场方向相反的很强的电场空间电荷极化,T空间电荷热运动、扩散加剧，极化减弱空间电荷极化建立时间：很长、几秒至几十分或更长空间电荷极化仅在直流电场或低频电场下存在2、介电常数（电容率）真空0Q0QV真空平行板电容器电容的定义：VQC00与几何尺寸的关系：VQdAC000:A:d极板面积；极板间距容电本领VQdAC000dVAQ00dV极板间的场强：qSdD00D电位移矢量大小：AQ00极板电荷面密度：dVAQ00ED00'0QQV'0QQ'Q'Q介质平行板电容器,T:'Q介质极化在表面产生的束缚电荷:'0QQ极板上的电荷（极板间的电压不变）电容：dAVQQC'0:电介质的介电系数EdVAQQD'0PEAQQED0'0PEED0:P介质的极化强度介质的极化强度：介质单位体积内电偶极矩的矢量和AQAddQP''EEEPrr)1(0001re极化率:相对介电系数是介质极化的宏观量度；越大、介质极化程度越高r介质极化是弛豫的、需要时间的r是弛豫的、是电场频率的函数r频率，Hz41081012101610取向极化离子位移极化电子位移极化未考虑电子离子的弛豫极化r频率，Hz41081012101610取向极化离子位移极化电子位移极化未考虑电子离子的弛豫极化交变电场频率：Hzf810时：电子、离子的位移极化，有极分子的偶极取向极化都能跟上电场的变化介电系数与直流电场时相同Hzf810~时：偶极取向极化逐渐跟不上电场的变化，rHzf1010~时：偶极取向极化不能实现r电子位移极化离子位移极化反常色散区：介电系数跌落的频率范围取向极化：Hz10810~10离子位移极化：Hz141210~10电子位移极化：Hz1510倒数为松弛时间rT交变电场作用下介电系数随温度的变化：极性分子取向极化率：kT3200成立前提：分子在介质中能转动温度低时：分子不能转动、r小:T分子转动可能;r温度过高时：破坏分子沿电场的取向r降低极化介质时合适的温度至关重要极性分子电介质：分子的取向极化是主要极化机制电场中的取向不能实现五、绝缘体（二）电介质1、电介质极化2、介电常数（电容率）3、介电损耗3、介电损耗~tUUcos0CUCI真空电容器介质电容器dAC00加交变电压：)cos(00tUeUUtiUCQ0极板电荷：电路中的电流：CI200iCUeCUCidtdQI电流的相位超前电压090理想电介质：绝对的绝缘、不存在电传导，且极化与0CCr电容电流CrII电流的相位仍超前电压090r电场的强度和频率无关，即极化（）不变平行板：真实电介质：极化时存在的漏电－传导电流，且极化与电场的强度和频率有关总电流：ICdcacCTIIIIII)(理想电介质电容充放电电流；介质极化建立电流；CIacI电介质漏电电流dcIUdAIIIdcacI与电压同位相UCITIUdAiCUiIrC0II:电介质电导率（等效）dUAiUdAdAiIrrT)()(00dUAiUdAdAiIrrT)()(00EiJr)(0复数电导率：ri0*EJ*复数介电常数：*0*'ri'*rrri复电容：0*CCrUCCUQr0*用描述总电流：*rUCidtdUCdtdQIrT0*UCiUCUCiiUCiIrrrrrT0'00'0*)(UCiUCUCiiUCiIrrrrrT0'00'0*)(UCIrI0UCiIrC0'与电压同位相、能量损失与电压的位相差为90度、无能量损失UCITIII'rrCIIItg介质损耗因子：:损耗角电工学参数——电介质品质因数：tgQ1希望值高QCITIII讨论：（1）介电损耗的根源a、介质漏电（介质电导）；b、介质极化的驰豫（2）影响介电损耗的因素除与材料有关外，还与电场频率和强度及温度有关a、电场频率的影响频率在色散区外：各种极化机制或能够、或完全不能够跟上电场的变化、极化能量损耗小频率在色散区：r频率，Hz41081012101610介电损耗处于色散区的极化机制不能完全跟上电场的变化，减小、该极化机制的极化阻力大、极化能量损耗大rb、温度的影响Ttg0温度较低：有极分子被冻结、取向不能实现、能量损耗小有极分子逐步被解冻、损耗增加随温度升高：mT温度高：有极分子易动、损耗减小温度极高：介质电导急剧增加、损耗剧增4、介电击穿强度——电介质能承受的最大电场强度介电击穿强度：介质材料在击穿强度以下是绝缘的，场强超过该值时介质瞬间导通、电流剧增，甚至融化、烧焦（以有极分子的取向极化为例）介电击穿强度临界场强：介质抵抗绝缘性破坏的能力电子元件、电气设备安全使用的重要指标规律：弱电场时：T一定，电阻率一定、与无关E较强电场时：场至激发可使杂质能级上的电子进入导带、使杂质离子（弱联系离子）受激参与导电,E电场足够强：受激发的电子和离子数剧增、运动速度增大，并通过碰撞使更多价带电子进入到导带雪崩式连锁导电、介质击穿影响规律：介质击穿强度受许多因素影响、变化很大应用：影响因素：内因：材料成份、缺陷、杂质、加工工艺、厚度、表面状态；外因：电场频率和波形、环境条件及测试条件等介电击穿强度不是材料的本征物理量，测量值对同种材料仅具有参考意义所有电介质材料：希望小、击穿强度高tg减小能耗、避免发热、提高元件的使用寿命电容器介质：要大r雷达天线透波材料、电缆绝缘材料：r要小（减小空间电荷效应）泡沫或蜂窝状的非极性聚合物是好的选材高频注塑技术:要求极性高分子的介电损耗大极性高分子可在高频电场作用下在极短的时间内加热到流动温度如电磁感应炉、热是从材料内部均匀产生第一节材料的电性质六、材料的其它电性质六、材料的其它电性质（一）超导性1、概述处于正常态的材料具有电阻超导态：材料失去电阻的状态超导性：在某一温度下材料突然失去电阻的性质临界温度CT1908：荷兰的Onnes获得液氦（1K）；1911：Onnes发现水银在4.2K附近电阻突然降到无法检测的程度~1960：铌钛、铌锡、铌锗等20多种金属、合金、,,,TiSnPb化合物也具有超导性它们的超导临界温度：太低、难以实际应用K23~4TCTo电阻率超导材料普通金属材料温度，K超导理论的发展：1957：J.Bardecen,L.N.CooperandJ.R.Schriefler提出BSC理论具有相同能量、但自旋方向相反的电子组成的电子对，不受原子点阵、缺陷和热扰动的影响库伯电子对理论：预言金属和金属间化合物的超导临界温度不超过30K1960~：在氧化物中寻找高温超导材料1979：超导体KTC13,325.075.0OBiBaPb1986：J.G.BedorzandK.A.Miller发现Ba-La-Cu多元KTC35氧化物超导体，1987：赵忠贤发现了临界温度在液氮以上的超导体：,732OCuYBa:材料中具有氧空位首次实现了液氮温度（77K)以上的超导转变1987~:::/:OCuBaHgOCuBaCaTiOCuSrCaAlBaKTC114K120K140钇