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1、无机材料的介电性质,6.3介电强度,介质的特性，指在一定的电场强度范围内的材料的特性。当电场强度超过某一临界值时，介质由介电状态变为导电状态。这种现象称介电强度的破坏，或叫介质的击穿。相应的临界电场强度称为介电强度，或称为击穿电场强度。 击穿类型分为三种：热击穿、点击穿、局部放电击穿,2 固体电介质的击穿 1）热击穿,处于电场中的介质，由于其中的介质损耗而受热，当外加电压足够高时，可能从散热与发热的热平衡状态转入不平衡状态，若发出的热量比散去的多，介质温度将愈来愈高，直至出现永久性损坏，这就是热击穿。 （1）电压长期作用，介质内温度变化极慢稳态热击穿； （2）电压作用时间很短，散热来不及进行脉
2、冲热击穿。,设有厚度为d，面积无限大的平板电容器，外施直流电压U0。设介质导热系数为，只考虑x方向热流，得包含温升、散热、发热在内的热平衡方程,当处于热稳定状态时,如果采用电流密度 J=E，则上式可化为,解此方程，可求出热击穿电压U0（临界电压）,O,x,d/2,d/2,U0,U0/2,-U0/2,U=0,T=Tm,1 温度不均匀的厚膜介质,T=T0,T=T0,因为,O,x,d/2,d/2,U0,U0/2,-U0/2,U=0,T=Tm,T=T0,T=T0,设临界电压Uoc=U0,电导率,一般T0不太大时，,由上面的公式可以得到：,1）热击穿电压随着环境温度升高而降低,2）热击穿电压与介质厚度无
3、关，当介质厚度增大时，热击穿场强降低,2 温度均匀的薄膜介质,两点假设：,1）试样内始终是等温的,2）试样温度T向周围介质温度T0热量传输时，形式简化为,试样温度温度，满足下面的条件不会发生击穿,利用 近似代替 其中,临界击穿温度Toc满足下列条件：,解这个方程组：,击穿电压和试样厚度的关系可以作为热击穿的判据,2）电击穿,在强电场下，固体导带中可能因冷发射或热发射存在一些电子。这些电子一方面在外电场作用下被加速，获得动能；另一方面与晶格振动相互作用，把电场能量传递给晶格。当这两个过程在一定温度和场强下平衡时，固体介质有稳定的电导；当电子从电场中得到的能量大于传递给晶格振动的能量时，电子的动能
4、就越来越大，至电子能量大到一定值时，电子与晶格振动相互作用导致电离产生新电子，使自由电子数迅速增加，电导进入不稳定阶段，击穿发生。,3. 无机材料的击穿,a) 不均匀介质中的电压分配 设双层介质具有各不相同的电性质，,和,第一层、第二层的介电常数、电导率、厚度。,分别代表,若在此系统上加直流电压U，则各层内的电场强度1，2,b) 内电离,材料中气泡的 及 很小，加上电压后气泡上的电场较高，首先气泡击穿， 引起气体放电（电离）产生大量的热，容易引起整个介质击穿.由于在产生 热量的同时，形成相当高的内应力，材料也易丧失机械强度而被破坏，这 种击穿称为电-机械-热击穿,c) 表面放电和边缘击穿,固体
5、介质的表面放电属于气体放电。固体介质常处于周围气体媒质中，有时介质本身并未击穿，但有火花掠过它的表面，这就是表面放电,（）固体介质材料不同，表面放电电压也不同。陶瓷介质由于介电常数大、表面吸湿等原因，引起离子式高压极化,使表面电场畸变，表面击穿电压降低。 （）固体介质与电极接触不好，使表面击穿电压降低 （）电场的频率不同，表面击穿电压也不同。随频率升高，击穿电压降低。,6.4铁电体,铁电体的极化强度与外电场呈非线性关系,铁电体的电滞回线,Ps：饱和极化强度 Pr：剩余极化强度 Es：矫顽电场(强度),铁电体存在居里点，居里点以下显铁电性,位移型铁电晶体，如BaTiO3、KNbO3、LiNbO3
6、等含有氧八面体结构的氧化物晶体，通过单胞内正负离子的相对位移产生电偶极矩 无序一有序型铁电晶体，如KDP、TGS等含有O-H-O键或N-H-O（或N-H）键的化合物晶体，则通过无序的键取向到有序键取向的转变产生电偶极矩，,铁电体的分类,BaTiO3晶体自发极化的微观机理,钛酸钡的居里温度为120度，在居里温度以上，是立方晶系。,钛酸钡晶体的自发极化是由晶胞中钛离子的位移引起的。在钛酸钡晶体中，钛离子处于“氧的八面体”中央。钛氧离子间距离较钛氧离子半径稍大，钛离子能在氧八面体内移动，在居里温度（120）以上，虽然氧八面体空隙较大，允许钛离子向六个氧离子中的任何一个位移，然而，由于热运动能量很高，
7、不会在偏离中心的任何位置固定下来，钛离子向周围六个氧离子靠近的几率是相等的，不会形成自发极化,0045,但在居里温度以下，热运动能量减小，由于钛氧离子之间形成的电场的作用，钛离子就有可能向某个氧原子靠近，并在这个位置固定下来，产生自发位移，结果晶胞发生畸变，晶胞沿钛离子位移的方向（即c轴方向）伸长，其它两个方向（即原立方a轴与b轴方向）上则缩短，从而变成了四方晶系，晶胞中出现电矩，产生自发极化。,BaTiO3晶体自发极化,120以上， BaTiO3为顺电态，不存在自发极化,1205 ， BaTiO3为四方晶系，自发极化沿c轴001方向,5-80 ， BaTiO3为斜方晶系，自发极化沿011方向
8、,-80 以下 ， BaTiO3为菱形结构，自发极化沿111方向,铁电畴 在铁电体中，我们将自发极化方向相同的区域称作铁电畴，而不同极化方向的铁电畴之间的界面称作铁电畴界。,各种因素对电滞回线的影响,（）温度对电滞回线的影响,极化温度的高低影响到电畴运动和转向的难易。矫顽场强和饱和场强随温度升高而降低。极化温度较高，可以在较低的极化电压下达到同样的效果，其电滞回线形状比较瘦长。 环境温度对材料的晶体结构也有影响，可使内部自发极化发生改变，尤其是在相界处（晶型转变温度点）更为显著。例如，BaTiO在居里温度附近，电滞回线逐渐闭合为一直线（铁电性消失）,（）极化时间和极化电压对电滞回线的影响,电畴
9、转向需要一定的时间，时间适当长一点，极化就可以充分些。实验表明，在相同的电场强度E作用下，极化时间长的，具有较高的极化强度，也具有较高的剩余极化强度。 极化电压加大，电畴转向程度高，剩余极化变大。,（）晶体结构对电滞回线的影响,同一种材料，单晶体和多晶体的电滞回线是不同的。单晶体的电滞回线很接近于矩形，Ps和Pr很接近，而且Pr较高；陶瓷的电滞回线中Ps与Pr相差较多，表明陶瓷多晶体不易定向排列。,在实际制造中需要解决调整居里点和居里点处介电常数的峰值问题，这就是所谓“移峰效应”和“压峰效应” 在铁电体中引入某种添加物生成固溶体，改变原来的晶胞参数和离子间的相互联系，使居里点向低温或高温方向移
10、动，这就是“移峰效应”。 “压峰效应”是降低居里点处的介电常数的峰值,反铁电体,相似点：反铁电体的晶体结构类似于铁电体，高介电常数，介电常数与温度的非线性关系。 不同点：反铁电体电畴内相邻离子沿反平行方向自发极化，每个电畴存在两个方向相反、大小相等的偶极子。反铁电体每个电畴总是自发极化为零。当外电场降为零时，反铁电体没有剩余极化。,铁电体的电滞回线,反铁电体的电滞回线,铁电体的性能及应用,由于它有剩余极化强度，因而铁电体可用来作信息存储、图象显示。目前已经研制出一些透明铁电陶瓷器件，如铁电存储和显示器件、光阀，全息照相器件等，就是利用外加电场使铁电畴作一定的取向，目前得到应用的是掺镧的锆钛酸铅
11、（PLZT）透明铁电陶瓷以及Bi4Ti3O12铁电薄膜。,由于铁电体的极化随E而改变。晶体的折射率也随E改变。这种由于外电场引起晶体折射率的变化称为电光效应。利用晶体的电光效应可制作光调制器、晶体光阀、电光开关等光器件。目前应用到激光技术中的晶体很多是铁电晶体，如LiNbO3LiTaO3，KTN（钽铌酸钾等）,铁电陶瓷的扩散相变化引起电致伸缩。电效应变大，回零好，热稳定，可用于电控微位移，致动器。,铁电陶瓷具有比较的介电常数，有些达20000以上。利用其高介电常数可制成大容量电容器，其介电常数与外电场呈非线性关系，可用于介质放大器。 最常用反铁电体由PbZrO3基固溶体组成。反铁电陶瓷具有储能
12、密度高，储能释放充分等优点，用作储能电容器。反铁电体发生反铁电 铁电相变时，伴随很大应变（0.1%0.5%），利用相变形变作成电换能器。反电陶瓷还可用作电压调节器和介质天线。,6.5 压电性,压电性 电介质晶体可以通过机械作用发生极化，导致介质两端表面出现符号相反的束缚电荷，电荷密度同外力成比例。材料的这种效应（性质）称为压电效应（性）。 正压电效应 晶体在受机械力而变形时，在晶体表明产生电荷的现象称为正压电效应。 逆压电效应 对晶体施加电压时，晶体发生变形的现象称为逆压电效应。,压电效应机理,A 自由状态,B 压缩状态,C 拉伸状态,压电效应本质：机械作用（应力与应变）引起晶体的极化，导致两
13、端表面出现 了符号相反的电荷,对于压电体，应力引起额外电荷，电荷正比于应力（正压电效应）。单位面积的电荷Q/A（介质电位D ）与应力的关系，通过压电系数d联系起来： D Q/A dT 。 式中d的单位C/N。 对于逆压电效应，施加电场E，产生成比例的应变S，则： S dE 。式中d的单位m/V。 以上二式中的比例常数d和 d称为压电应变系数d。 压电电压常数g：表示压电材料在压力作用下产生的电磁场，或应变引起的电位移的关系。通过介电常数把d和g联系起来： g= d / 压电体的电行为和弹性行为之间的关系，需用压电方程来表示，这里不做介绍,压电效应的表达方法,压电振子及其参数,a) 谐振频率和反
14、谐振频率,若压电振子是具有固有振动频率fr的弹性体，当施加于压电振子上的激励信号频率等于fr时，压电振子由于逆压电效应产生机械谐振，它又借助于正压电效应而输出电信号。,o,f,Z,fm,fn,压电振子谐振时，输出电流达最大值，此时的频率为最小阻抗频率fm。当信号频率继续增大到fn，输出电流达最小值，fn叫最大阻抗频率,压电振子在最小阻抗频率fm附近，存在一个使信号电压与电流同位相的频率，这个频率就是压电振子的谐振频率fr; 在fn附近存在另一个使信号电压与电流同位相的频率，这个频率叫压电振子的反谐振频率fa. 在机械损耗为零的条件下，fm=fr，fn=fa,b) 频率常数,压电元件的谐振频率与
15、沿振动方向的长度的乘积为一常数称为频率常数N（kHzm）,例如陶瓷薄长片沿长度方向伸缩振动的频率常数Nl：,其中fr为陶瓷薄片的谐振频率,Y杨氏模量，为材料的密度,频率常数只与材料的性质有关,表示压电材料的机械能与电能之间的耦合关系，定义为: 压电振子的机械能与振子的形状和震动模式有关。不同的模式有不同的耦合系数。,机电耦合系数K,6.6 热释电性 某些晶体当温度变化时产生极化现象，或者某些晶体原来存在的自发极化，当温度变化时其极化强度会发生变化，这些现象称为热释电现象。,热释电体的自发极化Ps 由于热膨胀随温度T而发生变化， Ps= T， 成为热释电系数。,热释电系数,电介质,铁电体,压电体
16、,热释电体,电介质、压电体、热释电体和铁电体之间的关系， 如下图所示：,晶体的对称性和压电效应 压电效应的本质是对晶体施加应力时，改变了晶体内部的电极化。具有对称中心的晶体不具有压电效应，因为这类晶体在受到压力的作用时，内部发生均匀的形变，仍然保持质点间的对称排列规律，正、负电荷重心重合，不产生电极化。只有不具有对称中心的晶体才会具有压电效应。 在32种宏观对称类型中，不具有对称中心的有21种，其中有一种的压电常数为0，其余20种具有压电效应。 热释电性和极性 热释电效应是由于晶体中存在自发极化而引起的。具有对称中心的晶体，不具有热释电性。这点同压电晶体是一样的。但是，压电晶体不一定具有热释电性。只有当晶体中存在有与其他极轴都不相同
