第2章-介电材料

第二章介电材料介电材料又叫电介质，是以电极化为特征的材料。电极化是在电场作用下分子中正负电荷中心发生相对位移而产生电偶极矩的现象。电介质的极化：电介质在电场作用下产生束缚电荷的现象。极化：介质内质点（原子、分子、离子）正负电荷重心的分离，从而转变成偶极子。也就是说，在电场作用下，构成质点的正负电荷沿电场方向在有限范围内短程移动，组成一个偶极子，如图2－1所示。设正电荷与负电荷的位移矢量为l，则定义此偶极子的电偶极距图2－1偶极子规定其方向为负电荷指向正电荷，即电偶极距的方向与外电场E的方向一致。ql2.1介电材料一、介电材料的特征值1、分子极化率α在电场作用下，介电材料的分子产生电偶极矩μ，而分子极化率一般由电子极化率αe、原子（离子）极化率αa和取向极化率α0三部分构成：E0ae电子极化率：在外电场作用下，原子外围的电子轨道相对于原子核发生位移（如图2－2所示），原子中的正负电荷重心产生相对位移，这种极化称为电子位移极化。30eR34图2－2电子轨道位移根据玻尔原子模型，经典理论可以计算出电子的平均极化率αe。离子极化率：离子在电场作用下偏移平衡位置的移动，相当于形成一个感应偶极距。也可理解为离子晶体在电场作用下离子间的键合被拉长。图2－3所示是离子位移极化的简化模型。根据经典弹性振动理论可以估计出离子位移极化率αa由于离子质量远高于电子质量，因此极化建立的时间也较电子慢，大约为10-12~10-13s。03a41na图2－3离子位移极化的简化模型取向极化率：沿外场方向取向的偶极子数大于与外场反向的偶极子数，因此电介质整体出现宏观偶极距，这种极化称为取向极化。取向极化率α0kT32002、极化强度P介电材料的极化强度是单位体积内电偶极矩的矢量和：nVP3、静态介电常数ε静态介电常数ε和极化强度p的关系为EP0从上式中可以看出，介质的极化强度P越大，ε也越大。常用相对静态介电常数εr=ε/ε0，ε称为绝对介电常数。4、动态介电常数ε*电介质分子的极化需要一定的时间，完成极化的时间叫驰豫时间τ，其倒数称驰豫频率f，电子极化的f约1015Hz，相当于紫外频率，原子（离子）极化的f约1012Hz，处于红外区，取向极化的在100~1010Hz之间，处于射频和微波区。在交变电场作用下，由于电场频率不同，极化对电场变化的反应也不同。f越大，τ越小，极化建立需要的τ：电子极化离子极化取向极化。当f100~1010Hz时，三种极化都可建立。当1010f1013Hz时，取向极化来不及建立，只有离子极化和电子极化能建立。当1013f1015Hz时，取向极化和离子极化均来不及建立，只有电子极化能建立，这叫极化的滞后。极化强度与交变电场频率的关系如图2－4所示。在交变电场中，由于极化滞后，介电常数要用复数ε*表示，又叫动态介电常数。'*ir'rri式中：ε’为实部，即电容充电放电过程中，没有能量损耗，ε’=ε0ε’r。ε”为虚部，即电流与电压同相位，对应于能量损耗部分，它由复介电常数的虚部ε”r描述，故称之为介质相对损耗因子ε”，因ε”=ε0ε”r，则ε”称为介质损耗因子。图2－4极化强度和电场频率的关系现定义'rr'tan损耗角正切tanδ表示为获得给定的存储电荷要消耗的能量的大小，可以称之为“利率”。ε”r或者ε’rtanδ有时称为总损耗因子，它是电介质作为绝缘材料使用评价的参数。为了减少绝缘材料使用的能量损耗，希望材料具有小的介电常数和更小的损耗角正切。δ为电感和电场的相位角。当δ=0时，即非交变电场时，tanδ=0，ε”=0，ε*=ε’=ε即为静介电常数，同样复介电常数ε*r=ε*/ε0，ε’r=ε’/ε0，ε”r=ε”/ε0表示。由于ε随P而变，ε也随f而变。5、介电损耗W在交变电场中，在每秒内，每立方米电介质消耗的能量称介电损耗WtanfE2fE2W'20206、电导率σ一般电介质或多或少有些电导率，其来源为漏电电导率和位移电导率。7、击穿电压电介质承受的电压超过一定值后，就丧失了电介质的绝缘性，这个电压叫做击穿电压。二、介电材料的种类气体、液体和固体。2.2铁电材料一、铁电体的定义铁电体指在某温度范围内具有自发极化且极化强度可以因外电场而反向的晶体。铁电体的一个特点是具有电滞回线（见图2－5）。图2－5铁电体的电滞回线铁电体另一个特点是具有许多电畴（见图2－6）。电畴是指在一个电畴范围内永久偶极矩的取向都一致，也就是每个区域内部的电偶极子沿同一方向，但不同小区域的电偶极子方向不同，这每个小区域称为电畴。畴之间边界地区称之为畴壁。凡具有电畴和电滞回线的介电材料就称为铁电体。图2－6BaTiO3晶体电畴结构示意图当电介质的极化强度随外加电场呈线性变化时，称为线性介质。对一般电介质，其极化强度P与外加电场的关系为P=NαE，α为常数。当电介质的极化强度随外加电场呈非线性变化时，称为非线性介质。铁电体的极化强度随外加电场呈非线性变化，形成如图2-5所示的形状，称为电滞回线。电滞回线与铁磁体的磁滞回线相似。这和一般电介质不同。二、铁电体的特性（1）铁电体有许多电畴，不同的电畴之间永久偶极矩的取向不一致。无外电场时，电畴无规则，所以净极化强度为0。当施加外电场时，与电场方向一致的电畴长大，而其他电畴变小，因此，极化强度随电场强度变大而变大。（2）P与E形成电滞回线。对铁电体，当外加电场E增加时，极化强度P按OABC增加，增至C时，电畴变成单一取向电畴（和E取向一致），此时P达到饱和。到E下降时，P按CBD曲线下降，到E=0时，P=Pr，Pr称剩余极化。而P=0时，E=-Ec，Ec称为矫顽电场强度。而D达到饱和。再增加E，P按DC线增加而形成CBD回线，即P和E有滞后效应。C点处的切线和P轴的交点Ps称为饱和极化强度，是相当于E=0时单畴的自发极化强度，PsBC相当于P与E呈线性关系的P－E曲线。（3）居里温度Tc是铁电相与顺电相的相转变温度，当铁电体温度TTc时，铁电现象即消失。当TTc时，铁电体处于铁电相。当TTc时，处于顺电相。当T=Tc时发生相变。铁电相是极化有序状态，顺电相则是极化无序状态。其间Tc称为居里点。（4）介电常数ε与非铁电体不同。由于极化的非线性，铁电体的介电常数不是常数，而是依赖于外加电场。三、铁电体的种类按照铁电体极化轴的多少，可将铁电体分为两类。一类是只能沿一个晶轴方向极化的铁电体，即无序－有序型铁电体（软铁电体）。另一类是可以沿几个晶轴极化的铁电体，这些晶轴在非铁电相中都是等价的，称为位移型铁电体（硬铁电体）。图2－7反铁电体的位移和结构示意图（a）二维反铁电体晶格结构；（b）离子沿对角线反平行位移四、反铁电体反铁电体是一些离子晶体，它的相邻行或列上的离子沿反平行的方向自发极化，最简单的如图2－7(a)所示。图2－7(b)则表示离子沿对角线反平行位移的一般情形。最初发现具有反铁电性的晶体为三氧化钨，当温度高于1010K时，它处于反铁电相。X射线衍射实验表明，钨离子沿反平行方向位移。后来发现锆酸铅也具有反铁电相。对锆酸铅反铁电体的研究较多。锆酸铅室温下的介电常数ε约为100，可是在230℃时，介电常数出现尖锐峰值；当温度高于230℃时，遵从居里—外斯定律。铁电材料的研究目前主要是改进原有品种和开发新品种。利用离子位移和铁电性的关系，根据极性空间群的各种晶体参数，可预测新的铁电体。铁电材料主要用于压电、电光等材料。