材料结构与性能_第十章__材料的介电性能

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1、第十章 材料的介电性能邢光建 材料科学与工程系 2006-12-27电介质物理学电介质物理学作为物理学的分支，主要是 研究介质内部束缚电荷在电场、应力、温 度等作用下的电极化及运动过程，阐明其 电极化规律与介质结构的关系，揭示介质 宏观介电性质的微观机制，同时也研究电 介质性质的测量方法，以及各种电介质的 性能，进而发展电介质的效用。材料的介电性能内 容n 电介质基本概念n 电介质基本方程n 铁电体、反铁电体与压电体n 铁电与压电效应的热力学描述材料的介电性能一、电介质基本概念 电介质 极化 极化机理 介电驰豫 介电损耗电介质基本概念导体中含有许多可以自由移动的电子或离子。然而 也有一类物质电

2、子被束缚在自身所属的原子核周围 或夹在原子核中间，这些电子可以相互交换位置， 多少活动一些，但是不能到处移动，就是所谓的非导体或绝缘体。宏观物质对外电场作用的响应 主要有两种形式：电极化和电传导。束缚电 荷引起的电极化起主要作用时，这个宏观物 质就称为电介质（dielectric）。电介质基本概念1. 电介质无外电场电子和晶格点阵作随机电子和晶格点阵作随机 的微观热运动的微观热运动电子在电场力作用下作电子在电场力作用下作 宏观定向运动宏观定向运动加外电场电介质基本概念电介质与导体的区别电介质导体导电性不导电导电在静电场中电子和原子核在电场 力作用下在原子范围内 作微观的相对位移自由电子在电 场

3、力作用下脱离 所属原子作宏观 移动 静电平衡时内部场强 E0内部场强 E=0电介质基本概念电介质与绝缘体是按照物质的性质、用途及研究方法将它们进行分类而命名的专业名词。绝缘体都是电介质，但电介质却不一定是绝缘体。广义地说，称 1的物质称为电介质。电介质基本概念2. 极化 1) 电介质类型从电学性质看电介质的分子可分为两类：有极分子：正、负电荷中心不重合，具有固有电矩，如 HCl、H2O、CO等；无极分子：正、负电荷中心重合，没有固有电矩，如 N2、H2、O2、CH4等。电介质基本概念水 H2O甲烷 CH40=epv2）极化电介质原先不显电性，放入到电场时，由于电场的作用电介质内部物理结构发生变

4、化，结果导致电介质内部电荷分布发生变化，出现束缚电荷，整体上对外显现电性，这个过程称作极化。电介质基本概念无极分子的极化是由于分子中的正负电荷中心在外电无极分子的极化是由于分子中的正负电荷中心在外电场作用下发生场作用下发生相对位移相对位移的结果的结果-位移极化位移极化诱导电偶极矩诱导电偶极矩a a 无极分子的极化无极分子的极化电介质基本概念b b 有极分子的极化有极分子的极化有极分子的极化是由于分子偶极子在外电场的作用下有极分子的极化是由于分子偶极子在外电场的作用下发生发生转向转向的结果的结果电介质基本概念-转向极化转向极化两类电介质极化的机制不同，但极化的宏观效果都 是使电介质表面出现束缚电

5、荷。3）一些概念电介质基本概念电偶极子(dipole)：相距很近的两个极性相反量值相等的电荷，对外产生电场电偶极距：pqd，表示电偶极子的特性极化强度：单位体积内的电偶极距，P电位移：介电常数：相对介电常数是反映电介质极化程度的物理量3. 极化机理电介质基本概念电子极化离子极化取向极化空间极化总的极化率为各种极化的贡献之叠加a 电子位移极化特点： 1. 范围：一切气体、液体及固体介质中2. 能耗：具有弹性，当外电场去掉后，依靠正、负电荷间的吸引力，作用中心又马上会重合，对外不显电性。不引起能量损耗 3. 与频率关系：极化速度快，10-14-10-15秒， 在各种频率的交变电场下均能产生，与频率

6、无关 4. 与温度关系：无关5. 与场强关系：极化强度与电矩的大小成正比极化机理：当物质原子里的电子 轨道受到外电场E 的 作用时，其负电荷作 用中心相对于原子核 产生位移，形成电矩 ，称电子的位移极化 。电介质基本概念电介质基本概念在外电场作用下，正、负离子发生偏移，使 整个分子呈现极性，正负离子的中心之间产 生电矩，称离子的位移极化。b. 离子位移极化 极化机理：电介质基本概念特点： 1. 范围：由离子键构成的电介质中2. 能耗：具有弹性，当外电场去掉后，依靠正、负电荷间的吸引力，作用中心又马上会重合，对外不显电性。有微量能量损耗 3. 与频率关系：极化完成时间约为l0-12-10-13s

7、，当交变电场的频率低于红外线光频率，离子位移极化与频率无关 4. 与温度关系：温度对离子式极化的影响，存在着相反的两种因素；即离子间结合力随温度升高而降低，使极化程度增加；但离子的密度随温度升高而减小，则使极化程度降低。通常前一种因素影响较大 5. 与场强关系：极化程度与电场强度成正比b. 离子位移极化电介质基本概念c. 取向极化极化机理：在外电场作用下，原来杂乱分布的极性分子（ 电偶极子）顺电场方向定向排列，对外显示出 极性，称极性分子的取向极化。电介质基本概念c. 取向极化特点： 1. 范围：极性分子构成的电介质 2. 能耗：分子转向存在摩擦，有明显能量损耗 3. 与频率关系：极化完成时间

8、约为l0-6-10-2s，甚至更长，有可能跟不上交变电场的变化，使极化率减小 4. 与温度关系：与温度有关，对于极性气体介质：温度高时，分子热运动加剧，妨碍极性分子沿电场方向取向，使极化减弱 。对于液体、固体介质：则温度过低时，由于分子间联系紧( 例如粘度很大)，分子难以转向极化较弱。所以极性液体、固体介质在低温下先随温度的升高极化加强，以后当热运动变 得较强烈时，极化又随温度上升而减小 5. 与场强关系：与外加电场有关，外电场越强，极性分子的转向排列就越整齐，取向极化就越强d. 空间电荷极化电介质基本概念极化机理：可动电荷的不均匀分布适用范围：含离子和杂质离子的介质极化程度影响因素：电场强度

9、（有关）电源频率（低频下存在：极化建立时间很长）温度（有关）消耗能量：非弹性；有能耗电介质基本概念4. 介电驰豫弛豫这个概念是从宏观的热力学唯象理论抽象出来的。它的定义是：一个宏观系统由于周围环境的变化或它经受了一个外界的作用而变成非热平衡状态，这个系统经过一定时间由非热平衡态过渡到新的热平衡状态的整个 过程就称为弛豫(relaxation)。弛豫过程实质上就是系统中微观粒子由于相互作用而交换能量，最后达到稳定分布的过程。电介质基本概念介电驰豫介电常数随测试频率增高而单调减小，这一现象称为介电驰豫。德拜驰豫方程 总的介电响应宏观效果可用相对介电常数来描述。在 频率为的正弦波交变电场作用下，电介

10、质的极化弛 豫现象一般地可用如下的与普遍关系的形式来描述 ：它描述了突然除去外电场后，介质极化衰减的规律 以及迅速加上恒定外电场时介质极化趋向于平衡态 的规律。电介质基本概念电介质基本概念5. 介电损耗电介质在电场作用下，单位时间内消耗的能量，亦就是引起电介质发热的能量，称为电介质的损耗。这种能量的损耗和热量的放出是电场对电介质作用的第二个结果(第一个结果是引起电介质的极化)，这效应和极化一样地决定于电荷的重新分布。极化不能跟上外电场频率变化而出现介电驰豫，即会产生介电损耗。起源于极化与外电场的位相差，反映了电荷短程位移过 程中消耗的电能。二、电介质基本方程 Clausius-Mosotti方

11、程 Debye方程 Cole-Cole分布电介质基本方程三、铁电体、反铁电体与压电体 铁电体 铁电相变 反铁电体 压电体铁电体、反铁电体与压电体核心问题问题 自发发极化 spontaneous polarization自发发极化是怎样产样产 生的？自发发极化与晶体结结构和电电子结结构有什么关系？在各种外界条件作用下极化状态态怎样变样变 化？特殊的物理性质质和应应用铁电铁电 体物理学铁电体、反铁电体与压电体铁电体、反铁电体与压电体铁电体、反铁电体与压电体1. 铁电体在没有外电场作用时，铁电晶体或铁电陶瓷中存在着由于电偶极子的有序排列而产生 的极化，称为自发极化。 自发极化主要是由晶体中某些离子偏

12、离了平衡位置，使单位晶胞中出现了偶极矩， 偶极矩之间的相互作用使偏离平衡位置的 离子在新的位置上稳定下来，同时晶体结 构发生了畸变。 自发极化的出现在晶体中造成了一个特殊方向。 每个晶胞中原子的构型使正负电荷重心沿该方向 发生相对位移，形成电偶极矩。整个晶体在该方 向上呈现极性，一端为正，一端为负。因此，这 个方向与晶体的其他任何方向都不是对称等效的 ，称为特殊极性方向。换言之，特殊极性方向是 在晶体所属点群的任何对称操作下都保持不动的 方向。显然，这对晶体的点群对称性施加了限制 。在32个晶体学点群中,只有10个具有特殊极性方 向,它们是 1(C1),2(C2),m(Cs),mm2(C2v)

13、,4(C4),4mm(C4v),3(C3),3m(C3v),6(C6),6mm(C6v) 。只是属于这些点群的晶体，才可能具有自发极化。这10个点群称为 极性点群。铁电体、反铁电体与压电体没有外电场作用时也存在自发极化的晶体称为极性晶体，而其中自发极化方向能随电场改变的晶体称为铁电体。铁电体在性能上表现为强烈的电场、温度与频率敏感性。 铁电体的极化强度与电场强度之间存在着强烈的非线性关系（即电滞回线）。铁电体、反铁电体与压电体铁电体的极化随电场的变化 而变化。但电场较强时， 极化与电场之间呈非线性 关系。在电场很弱时，极 化线性地依赖于电场。当 电场达到相应于B点的值时 ，极化趋于饱和。电场进

14、 一步增强时，由于感应极 化的增加，总极化仍然有 所增大(BC段)。如果趋于 饱和后电场减小，极化将 循CBD曲线减小，以致当 电场达到零时，晶体仍保 留在宏观极化状态。 铁电体、反铁电体与压电体线段OD表示的极化称为剩余 极化P(remanen，polarization) 。将线段CB外推到与极化轴 相交于E，则线段OE等于自发 极化P。如果电场反向，极化 将随之降低并改变方向。直到 电场等于某一值时，极化又将 趋于饱和。这一过程如曲线 DFG所示。OF所代表的电场 是使极化等于零的电场，称为 矫顽场Ec(coercive field)。电 场在正负饱和值之间循环一周 时，极化与电场的关系如

15、曲线 CBDFGHC所示，此曲线称为( 饱和)电滞回线。铁电体、反铁电体与压电体铁电体介电常数随温度升高将在某一温 度点急剧上升，然后迅速减小。这个温 度称为Curie温度或Curie点。铁电体、反铁电体与压电体铁电体与弛豫铁电体的介电常数与温度的关系 晶体的铁电性通常只存在一定的温度范围内，当 温度超过某一值时，自发极化消失，铁电体变成 顺电体（paraelectric）。铁电相与顺电相之间 的转变通常称为铁电相变，该温度称为居里温度 或居里点Tc。铁电体对应于一类典型的相变，即从高温相（顺 电相）转变成有自发极化的低温相（铁电相）， 这一相变温度即位Curie温度。这里，高温相为 高对称性

16、的非极性相，而低温相为非中心对称的 极性相。铁电体、反铁电体与压电体 2. 铁电相变左图描述了BaTiO3 铁电体相变时离子位 移的情况。立方晶的 BaTiO3(点群m3m) 在某一特定温度 (130)以下，由于 正离子Ti4+与Ba2+将 相对于负离子O2-发 生相对位移，从而产 生自发极化，晶体结 构转变成正方晶(点 群4mm) 。 铁电体、反铁电体与压电体铁电体、反铁电体与压电体3. 反铁电体对于某些晶体，自发极化 反向排列较之平行排列时 极化子的相互作用更低,因 而趋于反向排列。这类晶 体成为反铁电体 (antiferroelectric)。其P- E关系为双电滞回线。材 料在电场达到某一临界值 之前表现为线性P-E关系, 而超过临界电场后则出现 电滞回线。这一现象相应 于电场诱导的铁电-反铁电 相变。铁电体、反铁电体与压电体4. 压电体某些晶体(无对称中心)在应力场X作用下，会产生 极化P(或电场E)。相反，这类晶体在电场作用下 则会产生位移x。上述现象分别称为压电效应