无机材料化学(第9讲)

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1、3.2.3 介电性质,介电性是一种电场诱导的物理效应，除去电场，材料内 部的电极化随之消失。 介电性是指在电场作用下, 材料表现出的对静电能的储 蓄和损耗的性质。 与介电性有关的性能包括：压电性、热释电性和铁电性。,电介质（电绝缘体）在外电场作用下，虽不发生电荷迁移而导电，但会发生极化（正、负电荷中心发生分离产生电偶极矩），这种现象称为介电性。,1. 电介质的极化,与导体和半导体不同, 电介质中的电子都紧紧地束缚在它们相应的原子或离子的核周围，不能自由移动。 由于原子核带正电荷，电子带负电荷，所以电介质中正、负电荷是彼此强烈地束缚着。 当外加电场时，虽然不能使正负电荷挣脱彼此的束缚而形成电流，

2、但正、负电荷会发生微观尺度的相对位移，使正、负电荷中心分离，这一过程叫做电介质的极化。,极化后正、负电荷中心分离形成偶极子，其偶极矩 pq。偶极矩为一矢量，方向为的方向，即由负电荷到正电荷。,（1）电子极化,所有电介质材料均由原子或离子组成，而它们又是由原子核及核外电子云组成，所以电子极化存在于所有的固体中。 在某些固体中，如金刚石，由于没有离子、偶极及空间电荷极化，电子极化是唯一的形式。,对多数电介质来说，电子极化产生的极化强度比其它极化方式要小的多。,电介质在外电场中极化的微观机制(极化方式):,在外电场作用下原子中带负电荷的电子云相对于带正电的 核发生微小位移，使正、负电荷中心分离，产生

3、电偶极矩。,离子晶体中正、负离子在外电场作用下发生相对位移， 使离子间的键合被拉长，电偶极矩增加。,不加电场时，正、负离子间隔均等。加外电场时，正、负离子相对距离发生变化。晶体内部变化相互抵消，表面处正、负离子间距变化导致偶极矩变化。,钙钛矿型化合物中，中心钛离子在外电场作用下可偏离中心位置，使正负电荷中心不重合（分离）产生极化。,（2）离子极化,离子极化是大多数离子晶体的主要极化机制。,（3）偶极极化,电介质中的固有偶极矩在外电场作用下沿外电场方向有序化排列，使电偶极矩增加。,由极性分子构成的电介质，极性分子具有固有偶极矩，未加电场时，分子热运动使固有偶极矩排列杂乱无章，宏观上不呈极性。 在

4、外电场中，它们转向外电场方向，表现出宏观极化现象，其矢量和不再为零。,偶极极化也叫转向极化，它是极性电介质的一种主要极化方式。,（4）空间电荷极化,在实际的电介质材料中，由于制造工艺和纯度的原因，不可避免地有局部的不均匀性。在外电场作用下，介质中的少量载流子(自由电荷)会发生漂移，它们可能被势阱（如空位、位错、晶界等缺陷）捕获，也可能在介质不均匀的夹层处堆积起来形成空间电荷的积累，这种介质中由于空间电荷的移动形成的电荷分布（从而产生电偶极矩）即是空间电荷极化。常发生在不均匀介质中。,空间电荷极化可概括表述为：存在于电介质中的少量自由电荷(间隙离子、空位或电子等)受电场作用集聚于晶界、相界、异种

5、物质边界及晶格畸变等缺陷处而产生的电极化。,电解质极化不是瞬间完成的，极化完成所需时间称为松弛时间。 按电子极化、离子极化、偶极极化、空间电荷极化的顺序，松弛时间逐渐增大。,以上四种极化机制，某些材料可能全部具有，有些材料可能仅有其中的部分极化形式，这取决于电介质材料的性质和制备工艺。,2.极化强度和极化电荷,为了表征电介质的极化情况，通常引入极化强度的概念，定义为：电介质单位体积内电偶极矩的矢量和。 P = i /V,对于由极性分子构成的电介质，虽然单个分子偶极矩不等于零，但在通常情况下，由于热运动使各个偶极矩取向完全杂乱，单位体积内偶极矩矢量和为零，对外不显示出宏观电荷。,置于外电场中极化

6、后，电介质内部单位体积内的净电荷及极化强度为零，但在电介质表面出现宏观电荷 (对于电子极化和离子极化，情况完全相似)，这些电荷称为极化电荷。,电子极化,离子极化,极化电荷是束缚在分子、原子或离子内的，不能远离其所属的分子、原子或离子，所以又称束缚电荷，而一般导体所带的电荷，可以在导体内自由运动，所以称自由电荷。,电介质极化后内部极化电荷为零，所以，极化强度直接与表面极化电荷有关，极化强度等于极化电荷的面密度。,极化电荷：电介质在外电场中极化后，在垂直于外电场 的表面上出现的电荷。,对平板真空电容器，极板面积为A，极板间距为d,当接上电源充电至极板间电压为V，极板上产生的电荷为Q0,Q0与V成正

7、比， Q0=C0V，C0为比例系数，称真空电容。,当在真空电容中插入电介质后，由于电介质材料发生极化，在相同的电压V下，电容器极板上储存的电荷量增加了Q1,总量为 Q0+Q1， 则： Q0+ Q1=CV， C为置入电介质后平板电容器的电容。,Q0+Q1,极化电荷激发电场使极板间电场改变，极板上的电荷发生变化。,r= ， C=rC0 上式表明，电介质的介电常数r 越大，相应的电容就越大。 真空中r=1，电介质的r则都大于1。 大多数离子型固体的r在 5 10。 真空电容器中插入电介质后，极板上电荷增量Q1，应与电介质极化的束缚电荷数相当。 极化强度 P =,式中，Q1 为电介质表面的束缚电荷，d

8、 为正、负束缚电荷间距；Q1d 可看成总电偶极矩，V 为体积。上式表明： 束缚电荷面密度即极化强度。,C与C0的比值称为相对介电常数，r ，即：,电介质材料主要用于制造电容器，对其要求是：介电常数r 尽可能大，而介质损耗尽量小。介质损耗：指电介质在电场作用下，单位时间内因发热而消耗的能量。介质损耗包括：漏导损耗漏导电流使介质发热而消耗的能量。极化损耗电介质极化所消耗的能量。 介质损耗与材料的内部结构密切相关：结构紧密、化学键强的材料，介质损耗小；结构不紧密 、有缺陷的材料介质损耗大。,3.2.4压电性（效应）,在石英晶体X、Y轴方向上施加机械应力（拉力或压力）时，在力方向的垂直平面上会出现数量

9、相等、符号相反的束缚电荷，且在一定范围内电荷面密度与作用力成正比，作用力反向时，表面荷电性质也反号。这种现象称之为压电效应。,石英晶体是各向异性材料，不同晶向具有各异的物理特性。,压电效应是一种机械能与电能互换的现象,正压电效应：当晶体受到机械力作用时，一定方向的表面会产生束缚电荷，其电荷密度大小与所加应力的大小成线性关系。这种由机械力作用而产生电的效应称为正压电效应。,若将外力去掉，带电状态消失,逆压电效应：晶体在外电场作用下，某些方向上会产生形变（伸长、缩短）现象，且形变与电场强度成线性关系。这种由电作用而产生机械运动的效应称为逆压电效应。,正、逆压电效应统称为压电效应。 具有压电效应的晶

10、体称为压电晶体。如：石英、钛酸钡、锆钛酸铅等。,压电晶体产生压电效应的原因,正压电效应的表现是晶体受力后在特定表面上产生束缚电荷。,石英晶体产生压电效应的机理,晶体不受外力作用时，正、负电荷重心重合，整个晶体的总电偶极矩为零，晶体表面的电荷亦为零。当沿某一方向上施以机械力时, 晶体就会由于形变改变离子的相对位置，导致正、负电荷重心分离（产生极化），产生净电偶极矩， 同时引起表面荷电。 受压缩力与拉伸力时所引起晶体表面带电的符号正好相反。,石英晶体产生压电效应示意图,正压电效应：机械力质点位置变化正负电重心分离产生净电偶极矩表面荷电逆压电效应：电场作用引起极化正负电重心分离质点位置变化产生形变,

11、逆压电效应产生的机理：若将一块压电晶体置于外电场中，由于电场的作用会引起晶体的极化，正、负电荷重心的位移将导致晶体形变。,压电效应与晶体结构对称性的关系,有对称中心的晶体受到应力作用时，只要作用力没有破坏其对称中心的结构，内部发生均匀的变形，仍然保持质点间对称排列，没有不对称的相对位移，正负电荷重心不发生分离，不产生极化，总电偶极矩仍为零，晶体表面不显示电性，无压电效应。,凡是具有对称中心的晶体,都不具有压电效应。,若晶体无对称中心，质点排列不对称，在应力作用下，由于发生不对称的相对位移，结果就产生了新的电偶极矩，呈现压电效应。,压电晶体结构中必须含有分别带正电荷和 负电荷的质点。即：压电晶体

12、必须是离子性 晶体或由离子团组成的分子晶体。,压电晶体的共同特点是都具有极轴。,晶体极轴：,两端不能借助于晶体所具有的对称要素的作用而相互重合的轴线。,压电陶瓷,单晶体压电材料制造费用昂贵，限制了其广泛应用。 当材料制成陶瓷后，因为陶瓷是一种多晶复合体，组成它的细小晶粒取向紊乱，各晶粒的压电效应会因此相互抵消，从而显不出宏观的压电性。 如果将这一类陶瓷（如BaTiO3）预先经过强直流电场预极化，使其内部各晶粒的偶极矩都尽可能沿外电场方向取向，则整个陶瓷材料就会呈现出极化效应，也就具有压电性能。 具有压电效应的陶瓷称为压电陶瓷。,压电陶瓷的极化,未极化,电极化,尽管压电陶瓷由于各晶粒的不规则分布

13、，使得有些晶粒中的极化轴并不能极化到与外电场方向完全一致，仍有一定角度的偏差，但是压电陶瓷与压电晶体相比，具有容易加工、适于大量生产、价格便宜、压电特性可以通过掺杂加以控制等特点，故仍不失其实用价值。,压电材料的应用,压电效应已被广泛地应用于近代技术中：利用正压电效应可将机械振动变为电振荡。 如：电声器件、谐振器、声纳、拾音器、 打火石（自动点火装置）等。利用逆压电效应可将交流电流变为声波。 如：超声波发生器，声波探测仪。压电材料还广泛用于压电传感元件中。 如：地震传感器，测量力及速度等的元件。,压电式传感器是以物质的压电效应为基础实现能量转换。,声呐是英文缩写“SONAR”的音译，其中文全称

14、为：声音导航与测距，Sound Navigation And Ranging”， 是一种利用声波在水下的传播特性，通过电声转换和信息处理，完成水下探测、定位和通讯的电子设备。,按工作方式可分为主动声呐和被动声呐：主动声呐：主动发射声波“照射”目标，而后接收水中目标反射的回波以测定目标的参数。它主动地发射超声波，然后收测回波进行计算，适用于探测冰山、暗礁、沉船、海深、鱼群、水雷和关闭了发动机的隐蔽的潜艇 。被动声呐：被动接收舰船等水中目标产生的辐射噪声和水声设备发射的信号，以测定目标的方位。它收听目标发出的噪声，判断出目标的位置和某些特性，特别适用于不能发声暴露自己而又要探测敌舰活动的潜艇。,3

15、.2.5 热释电性(效应),在压电晶体中有部分晶体，当温度改变或有温度作用时也可使极化发生变化，产生表面荷电现象，这就是热释电性。 具有热释电性的晶体称为热释电晶体。 热释电晶体在受热的情况下沿某方向产生表面束缚电荷的现象称为热释电效应。产生原因：晶体中存在自发极化。,在通常情况下，晶体自发极化所产生的表面束缚电荷被来自大气中附集于晶体表面上的自由电荷所屏蔽，晶体的电偶极矩并没有表现出来。当温度升高时，由于热膨胀，使得结构内原来就不相重合的正负电荷中心进一步发生相对位移，固有偶极矩也随之改变，由固有偶极产生的表面束缚电荷也发生改变，导致极化增强，当这类表面束缚电荷还未来得及吸引大气中的自由电荷使它重新被屏蔽时，就表现出在受热情况下晶体表面带有电荷的现象。,自发极化与感应极化,自发极化不是由外电场作用而产生的，而是由于物质本身结构引起的在某个方向上正、负电荷重心不重合而固有的。,感应极化是由外电场作用产生的，没有外电场极化消失。,