电子陶瓷4.

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1、第三章电子陶瓷材料的基本性能,第一节电学性质及物理机制 第二节力学性质及检测手段 第三节热学性能 第四节光电性能 第五节耦合性能,电子陶瓷的基本性质，是指它所具有的电学、磁学、力学、热学、声学和光学等性质。 电子陶瓷的这些性质是由材料的组成、结构、制造方法和后处理工艺等决定的 这些性质，决定了电子陶瓷的应用范围。,了解电子陶瓷的基本性质、这些性质与材料组成和结构等的关系 调整原料组成和制作工艺等手段，可以达到改善电子陶瓷的性质，扩大电子陶瓷的应用范围，合理充分使用电子陶瓷的目的,塑料 金属 陶瓷 脆性,耐热性,硬度,导电性,第一节电学性质及物理机制,物质的基本电学性质: 传导电流和被电场感应

2、电导率和介电常数是描写物质电学性质的两个基本参数。 典型的物质是金属（传导电流）和绝缘体（被电场感应）,具体的规律可以用下列式子表示。 金属中的传导电流 J=E J电流密度；E电场强度电导率 绝缘体被电场感应 D=E D电位移；介电常数,一、电导率 二、介质极化 三、介电物理性能常数 四、绝缘强度,一、电导率,1、电学参数 电阻、电阻率及电导率等指标。 电阻R，是表征材料阻挡电流通过能力的指标，它与导体的长度成正比，与导体的横截面积成反比。 RL/A 其中为电阻率，是材料的固有参数，单位（m）,电阻率的倒数称为电导率，又称比电导或导电系数，单位（1 m1)。 电导率可以理解为面积S为1m2，厚

3、h为1m的试样所具有的电导G。 =Gh/S 为电导率（比电导或导电系数）， G电导（表征材料导电能力大小的特征参数）,陶瓷材料中存在能传递电荷的质点，这些质点称为载流子。 普通金属导体中的载流子是电子 在陶瓷材料中，可以存在三种载流子，电子、离子和空穴 陶瓷材料的导电可以是单独一种或两种甚至三种载流子的参与。,离子电导：离子作为载流子的电导称离子电导； 电子电导：电子作为载流子的电导称为电子电导； 空穴电导：空穴作为载流子的电导称空穴电导。 一般情况下电介质瓷主要是离子电导，半导体瓷 和导电陶瓷主要是电子或空穴电导。,离子电导和电子（空穴）电导的本质差别是由他们的导电机制决定的。 离子电导，离

4、子运动时伴随着明显的质量变化，离子在电极附近有电子的得失，发生电化学反应，产生新的物质。 绝缘体主要呈离子电导。,陶瓷中的离子电导，一部分由晶相提供，电导率较小，一部分由玻璃相提供，电导率较大。 在玻璃相含量较高的陶瓷中，电导主要取决于玻璃相 ，电导率比较大 。 玻璃相含量极少的陶瓷，其电导主要取决于晶相，具有晶体的电导规律，它的电导率比较小。,电子（空穴）电导没有新物质产生。 电子（空穴）电导具有霍尔效应。 霍尔效应：在垂直于电流I的方向上加上一磁场H，则在垂直于I-H平面的方向产生一电场EH，此现象称霍尔效应。它是运动的带电粒子（或空穴）在磁场作用下发生偏转的结果。,带电粒子在磁场中的运动

5、,通有电流 I 的金属或半导体板置于磁感强度为 B 的均匀磁场中，磁场的方向和 电流方向垂直如图，在金属板的第三对表面间就显示出横向电势差U H的现象称为霍耳效应（Hall effect）,对于电子（空穴）电导，会发生霍尔效应，利用这一效应，可以判断是电子电导还是空穴电导 对于离子电导，由于离子的质量较大，磁场力的作用相对较小，离子导电时不会发生明显的偏移，因此不会发生霍尔效应。,2、导电机制,陶瓷中的离子电导，一部分由晶相提供，一部分由玻璃相提供，通常玻璃相的电导率高于晶相的电导率。 玻璃的离子电导规律可以用玻璃网状结构理论来描述,晶体可以分为离子晶体、原子晶体和分子晶体。 存在杂质、缺陷、

6、解离、复合和填隙离子等。 晶体中的离子电导可以用晶格振动理论来描述。,二、介质极化,1、介质的功能和极化 2、极化的基本形式 3、极化强度,1）、介质的功能 电介质有使空间比起实际尺寸变得更大或更小的属性。例如，当一个电介质材料放在两个电荷之间，它会减少作用在它们之间的力就像它们被移远了一样。 当电磁波穿过电介质，波的速度被减小，有更短的波长。 绝缘材料主要用来固定可导电的元件，并使之相互隔离。,1、介质的功能和极化,2）、介质极化,在没有外电场存在时，陶瓷材料晶体中的离子（或原子）的正负电荷中心是重合的。 有外电场时，离子（或原子）的正负电荷中心不再重合。这种电荷中心分离的现象称极化。,在一

7、定的温度和电场条件下，正负电荷偏离原来的平衡位置，位移到一定距离后，达到新的平衡状态。此时质点的正负电荷的中心不再重合，因而整个介质呈现电极性，这叫做介质的极化。 极化的微观本质就是在电场作用下，在介质内部带电质点产生位移的结果。 绝缘材料在电场中，受电场的影响，会发生极化现象，表征极化的参数通常是介电常数。,2、极化的基本形式,A、位移式极化 B、松弛极化 C、界面极化 D、谐振式极化,A、位移式极化,陶瓷中参加极化的质点只有电子和离子 这两种质点以多种形式参加极化。 又可分为电子位移式极化和离子位移式极化两种,a、 电子位移式极化 在电场作用下，介质中的正负离子的正负电荷中心不再重合的极化

8、，称电子位移式极化 是在离子（或原子）内部发生的可逆变化，不以热的形式损耗能量，不导致介质损耗。 引起陶瓷材料介电常数的增加。 电子位移式极化建立的时间为10141015S。,E 电子位移式极化,b、 离子位移式极化 在电场作用下，介质中的正负离子在其平衡位置附近发生不可逆型位移，形成离子位移极化。 它与离子半径、晶体结构有关。 离子位移式极化建立的时间为1012 1013S。,a a a+a 离子位移式极化,B、松弛极化,主要有离子松弛极化和电子松弛极化。 极化造成的介电常数的变化都与温度有关系,a、 离子松弛极化,陶瓷晶体中一些和晶相联接较弱的离子（通常是缺陷或缺陷附近的离子），在外电场的

9、作用下，向一个方向迁移的几率增大，使介质呈现极化，此种极化称离子松弛极化。 离子松弛极化建立的时间约为 102 109S。,b、电子松弛极化,晶体中的一些缺陷使某些电子能态发生改变，出现位于禁带中的局部能级，形成弱束缚的电子或空穴。在外电场作用下，弱束缚电子或空穴的运动具有方向性而呈现极化，这种极化称电子松弛极化。 建立的时间约为102109S。,离子松弛极化的介电常数与温度有关系（不规则的热运动阻力） 。 电子松弛极化的介电常数随频率的升高而减小，随温度的变化有极大值。,C、界面极化,陶瓷中各界面处相邻相的电性质（电导率、介电常数等）不同，在界面处会积聚电荷。陶瓷中化学组成、夹杂物、气孔等不

10、均匀相，在界面上也有电荷积聚。这些界面上电荷积聚的结果，产生内电场，形成介质极化，称为界面极化。,界面极化是和陶瓷体内电荷分布状况有关的极化。 这种极化建立的时间很长，约为几秒至几小时 界面极化只对直流和低频下的介电性质有影响。,D、谐振式极化,陶瓷中的质点，都处于周期性的振动中，其固有频率为10121015Hz（光频段）。当外加电场的频率接近此频率时，将发生谐振，质点（电子、离子）吸收电场能，使振幅加大呈现极化现象。 这些质点（电子、离子）振幅增大后会与周围质点相互作用，振动能转变为热量或发生辐射，形成能量损耗（光频段）。,3、极化强度,单位体积介质中的偶极矩数，称为介质的极化强度。 P=m

11、n=nE0 n为介质中极化的质点数，m偶极矩。,在电场E0的作用下，介质中带正负电荷q的质点，相互移开的距离为l后，形成偶极子。 偶极子的大小用偶极矩表示： m = q（a+ a）= ql 偶极矩又称电矩。,单位电场强度下偶极矩的大小称为质点的极化率，它表征质点极化的能力。 m/E0,极化强度的决定因素： a.单位体积介质中极化的质点数n； b.质点本身在电场作用下的极化能力即极化率的大小； c.作用在极化质点上的有效电场E0（也称真实电场强度）。,三、介电物理性能常数,1、介电常数 2、介电常数的温度系数和变化率 3、介质损耗,1、介电常数,绝缘材料在电场中，受电场的影响，会发生极化现象，表

12、征极化的参数通常是介电常数。 介电常数又叫介质常数，介电系数或电容率它是表示绝缘能力特性的一个系数，以字母表示，单位为法/米(F/m),介电常数, 用于衡量绝缘体储存电能的性能。 它是两块金属板之间以绝缘材料为介质时的电容量与同样的两块板之间以空气为介质或真空时的电容量之比。 介电常数代表了电介质的极化程度，也就是对电荷的束缚能力 介电常数越大，对电荷的束缚能力越强。 电容器两极板之间填充的介质对电容的容量有影响，而同一种介质的影响是相同的，介质不同，介电常数不同。,1）、介电常数 A、介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，原外加电场(真空中)与最终介质中电场比值即为介电常数(permit

13、tivity),又称诱电率.,B、介电常数 定义为电位移D和电场强度E之比，=D/。 电位移D，描述电介质电场的辅助物理量，又称电感应强度。 定义为 D0EP 式中E为电场强度；P 为电极化强度；0 为真空电容率。,C、介电常数 =Q/Q0 Q有外电场时，材料表面的电荷量； Q0无外电场时，材料表面的电荷量 电极间插入固体电介质后，电容量增为,被电场极化了的介质表面会出现感应电荷，这些电荷不会跑到极板上而是被束缚在介质表面，称为表面束缚电荷。 介质内部质点的束缚力很强，在电场作用下沿一定方向的相对位移是有限度的，是在平衡位置附近很小的位移。,2）、电容量C 表示材料储存电荷的能力 C=Q/U

14、U:电容两端的电压；Q:电容储存的电量 C=(s/4d) :介电常数；:静电力常数； S:电极面积；d:电极间距。,3）、各种材料室温时的介电常数,装置瓷、电阻瓷及电真空瓷：212 型电容器瓷：61500 型电容器瓷：20020000 型电容器瓷：700十几万 干燥空气：1.000585 真空：1,2、介电常数的温度系数和变化率,1）、介电常数温度系数 2）、电容温度系数 3）、介常数温度系数的变化率 4）、介电温度系数和电容温度系数的关系,1）、介电常数温度系数 介质的介电常数和几何尺寸随温度的变化而变化 温度对材料的介电常数有影响，也能影响到介电（电容）温度系数和介电（电容）温度系数的变化

15、率,介电常数随温度的变化用介电常数的温度系数表示 一定温度范围内、温度每升高1时介电常数的相对平均变化率。 温度t时的介电常数的温度系数定义为： 1/=d/dt,在一定温度范围内，当介电常数与温度的关系可以视为直线时，可以写成 1/1=/t 21，t t2-t1, 1、2 为温度t2、t1时的介电常数。,对陶瓷介质材料介电常数温度系数也常用TKE或TK表示。温度变化范围通常为-25+85或-55+125。 TKE的数值是材料重要的电参数，用它可作为许多陶瓷介质材料分类的依据，有正、负和零温度系数材料之分。 不同材料的介电常数温度系数可具有不同的用途。,2）、电容温度系数 对于装置瓷和型电容器瓷

16、，用电容温度系数衡量温度的影响。 温度t时的电容温度系数c定义为： c1/C=dC/dt,在一定温度范围内，当电容和温度的关系可以视为直线时，可以写成 c1/C1=C/t CC2C1，t t2-t1,C1 、C2 为温度t2、t1时的电容量。,3）、介常数温度系数的变化率,在一定温度范围内，当介电常数与温度的关系不能视为直线时，就提出了介常数温度系数的变化率 介电常数的温度系数会随着温度变化而变化 此变化率体现了介电常数与温度间的关联程度,4）、介电温度系数和电容温度系数的关系 材料几何尺寸的变化用线膨胀系数l表示， 当直径和厚度方向的线膨胀系数相等时，有cl 此式表明，材料的电容温度系数取决于介电常数的温度系数和线膨胀系数。由于线膨胀系数比较小，一般认为 c,3、介质损耗,陶瓷介质在电导和极化