电介质物理l邓 宏l电子科技大学 微电子与固体电子学院电介质材料的研究与发展成为一个工业领域和学科 领域 ,是在 2 0世纪随着电气工业的发展而形成的 “工程电介质”是随着 20世纪电气化时代的到来而发 展形成的一门学科和生产领域 ,它在 21世纪到来之际 ,将随着信息和生物等新兴技术领域的发展会有更广阔 的前景 •前言一、2 0世纪电介质学科的发展和贡献 1.电介质学科的起源和对电气工业发展的贡献 2.电介质学科的建立和发展 二、工程电介质发展的热点问题展望 1.传统绝缘电介质的发展 2.功能电介质 3.生物电介质 4.其它工业应用新发展20世纪初叶的电气设备电压低、电流不很大 ,电机 、电线、电缆、开关等设备的绝缘都采用了天然材料 , 如云母、沥青、绝缘纸、矿物油、天然橡胶、大理石板 等 ,它们的电气性能如绝缘电阻、耐压等都较低随着 电气设备电压的上升 ,特别是大容量电机及高压输电设 备的发展 ,急需提供新型绝缘介质在2 0世纪中叶 , 化学合成技术飞速发展 ,出现了新型合成高分子材料 , 由于它们一般绝缘性能良好、易加工 ,为新型绝缘介质 的发展和应用带来了极好的条件经过近代的研究和发 展 ,聚合物介质已成为各种新绝缘介质的主体 ,如电机 中采用的环氧云母和合成纤维纸板作介质并浸渍硅有机 漆作主绝缘 ,电线电缆绝缘则由油纸绝缘发展为塑料绝 缘。
国外塑料电缆产品已达 500 k V，国内达 220 k V,合成的十二烷基苯二芳基烷烃等液体介质和聚丙烯薄 膜已作为电力电容器的主绝缘 这些高分子合成材料不仅绝缘强度高、加工性能好 ,而且 经过组成、结构的改变 ,还能提高其耐热、阻燃、耐油等 特性 ,这大大促进了电气工业产品性能的提高和发展 ,如 电机绝缘由Y(0 )级、A级 [耐热 90℃- 105℃ ,天然棉丝 纸绝缘 ],发展到 C级 [耐热 200℃ ,聚酰亚胺绝缘 ],聚 乙烯塑料电缆通过采用化学交联或辐照交联 ,耐温也由 75℃提高到 90℃我国制造电机的容量亦由 50年代的 6 千千瓦发展到自制 6 0万千瓦 ,电能原是少数大城市使用 的稀缺能源 ,目前已成为城、乡村、工、农业、人民生活 不可缺少的能源应该说绝缘介质的发展为世界各国电气 化事业作出了重要的贡献back国际上电介质学科是在 20世纪 20年代至 30年代形成的 ,具有标志性的事件是 :电气及电子工程师学会 (IEEE)在 1920年开始召开国际绝缘介质会议 ,以后又建立了相应的 分会 (IEEE Dielectric andElectrical Insulation Society)。
美国 MIT建立了以 Hippel教授为首的绝缘研究室苏联 列宁格勒工学院建立了电气绝缘与电缆技术专业 ,莫斯科 工学院建立了电介质与半导体专业特别是德国德拜教授 在 2 0世纪 3 0年代由于研究了电介质的极化和损耗特性 与其分子结构关系获得了诺贝尔奖 ,奠定了电介质物理学 科的基础随着电气和电子工程的发展，形成了研究电介 质极化、损耗、电导、击穿为中心内容的电介质物理学科 back我国电介质领域的发展是在 1952年第一个五年计划制定 和实行以来 ,电力工业和相应的电工制造业得到迅速发展 , 这些校、院、所首先在我国开展了有关电介质特性的研 究和人才的培养 ,并开出了“电介质物理”、“电介质化 学”等关键专业课程 ,西安交大与上海交大、哈尔滨工大 等院校一道为我国培养了数千名绝缘电介质专业人才 ,促 进了我国工程电介质的发展 80年代初中国电工技术学 会又建立了工程电介质专业委员会back由于通讯、雷达、电视及计算机工业的发展 ,用电的频 率由工频提高到无线电频率 (兆赫 )到光频 这对介质中 的极化损耗的降低提出尖锐的要求随着计算机的广泛使用 ,对计算机控制 ,要求必须研究 具有多种功能的执行元件。
其中大量的是具有电-机械、光 电转换的介质器件 ,因而电介质研究领域就从绝缘领域扩展 到电子功能器件领域 ,如新型大屏幕彩电就应用了气体介质 放电、电致发光、电致液晶等技术新型电力电子器件及电气设备中要用到许多新型功能介 质材料 ,如 ZnO压敏电阻避雷器、电力电子器件中开拓应用 的导热绝缘材料、变压器中绝缘油老化含水检测的传感器件 等至此工程电介质不仅包括绝缘电介质 ,而且包括各种电 子功能电介质传统绝缘电介质的发展 在电气绝缘领域中目前研究最多的仍是塑料电缆 随着电气设备在航天、航海、核能、矿井、电 气机车、高层建筑等领域的广泛应用 ,对于绝缘电 介质在耐高低温、抗辐射、耐油、阻燃等方面都 有更高的特殊要求 ,因此需要研究各种阻燃非燃电 缆材料、ε梯度分布均电场介质、自恢复绝缘介质 、超低温超导绝缘介质、耐核辐射绝缘介质等 这些材料多采用有机与无机介质的复合来达到其 综合性能要求 back•功能电介质 1 )纳米材料 纳米材料是几何尺寸介于原子、分子与块状物体之间的金 属以及各种化合物的粒子或粒子的集合体随着粒子的粒 径的减小 ,表面原子对材料的性能的影响加剧 ,即出现表 面效应 ;粒子的体积的减小引起体积效应 ,表现了粒子的 量子尺寸效应 ,因而纳米粒子在热、光、磁等物理性能上 表现出种种异常 ,具有特殊的电学、光学特性。
当前纳米 材料的研究的特点是从单相转向复相纳米材料纳米材料 的应用涉及到人类生活的各个领域 ,如特异性导电材料、 电磁波共振器、超低温远红外材料、高活性催化剂等 ,有 的已进入实用阶段 ,有的具有诱人的研究前景预计用纳 米超微粉改性绝缘电介质将会在绝缘技术领域形成新的突 破口back•功能陶瓷介质 近年来 ,随着电子技术、空间技术、激光技术、计算机技 术等新技术的兴起以及基础理论和测试技术的发展 ,人们 创造各种性能的功能陶瓷介质主要有 : (1 )电子功能陶瓷 如高温高压绝缘陶瓷、高导热绝缘陶瓷 、低热膨胀陶瓷、半导体陶瓷、超导陶瓷、导电陶瓷等 ; (2 )化学功能陶瓷 如各种传感器 ,化学泵等 ; (3 )电光陶瓷和光学陶瓷 如铁电、压电 ;热电陶瓷、透光 陶瓷、光色陶瓷、玻璃光纤等back功能高分子材料 新型高分子材料的开发、特别是无机材料与 高分子材料的复合产生了许多功能材料 ,如导电高 分子材料、光电转换高分子材料、导热绝缘高分 子材料、PTC高分子材料、吸波高分子材料以及 低损耗塑料光导纤维等这些都为工程电介质的 研究开辟了新的领域 back生物电介质 研究表明 ,生物大分子的生物活性和电性能之间存在明 显的相关性。
对各种动物肌肉的研究发现 ,它们的低频介 电谱随细胞的生物活性的变化而变化 ,利用这种效应可以 对人体的癌变细胞进行诊断 ,也可对肉食产品和水果的新 鲜度进行检测 生物体在一定条件下 (高频或低温 )具有介质特性 ,即 有极化损耗等特性 ,利用这些特性就可以造福于人类 ,如微 波治癌、电磁育种、电磁脉冲消毒、控制生物体的再生等 ，但也要注意电磁场的负面作用，防止电磁污染 (脉冲及 高频电磁场损伤 ) back其它工业应用新发展 物质的介电性能与其结构有密切的关系，且在物 理化学过程中其介电性能的变化幅度大、规律性好， 可用介电分析研究这些物理化学过程另外微波化学 合成、微波采油技术都有很好应用前景 back•电介质的特征一、电介质的性能 1.从电场特性来看 （a）导体中：内部电场为零（平衡状态），电场终止于 导体表面并与表面垂直 （b）在介质中：内部存在电场 如平板电容器：2.能带结构上的区别电介质：能级的基态被占满，基态与第一激发态间的 禁带很宽，以至电子从正常态激发到导带所 需的能量，足以使电介质受到破坏a）电介质（b）半导体（c）导体E价带导带 Eg禁带Eg: 3.5~8eVEg: 0.7~3.5eV3.电阻率V的范围： •导体：1.5D极化形式：电子位移极化、偶极子转向极化，并 已偶极子转向极化为主。
因极性液体分子的间距相对液体来说小得多，其 分子间的相互作用很强烈，E20，不适用克-莫方 程对极性液体介质对极性液体介质 ，当固有偶极子，当固有偶极子 0 0足够大时，介电足够大时，介电 常数出现负数或常数出现负数或 ，因此不能用克，因此不能用克- - 莫方程翁萨格（翁萨格（OnsagerOnsager））有效电场模型有效电场模型习题：习题：一无限均匀的电介质，其一无限均匀的电介质，其 介电常数为介电常数为 ，周围为均匀电场，周围为均匀电场 E E，，在此介质中挖出一半径为在此介质中挖出一半径为a a 的小球，其介电常数为的小球，其介电常数为 0 0，求，求 球内、外的电场球内、外的电场OnsagerOnsager理论的优点：理论的优点：• •介电常数介电常数 不会出现负数或不会出现负数或 ；； • •理论结果与实验测试结果较吻合；理论结果与实验测试结果较吻合； • •考虑了极性液体分子间距小、相互作用强的特点考虑了极性液体分子间距小、相互作用强的特点缺点：缺点：• •把每个极性分子的周围均视为连续的介质，实际上把每个极性分子的周围均视为连续的介质，实际上 是只考虑分子间的远程相互作用，因此，是只考虑分子间的远程相互作用，因此，OnsagerOnsager理理 论只适用于极性分子远程力较大、而近程力较小的论只适用于极性分子远程力较大、而近程力较小的 液体介质。
如水、酒精等就不适用该理论液体介质如水、酒精等就不适用该理论高介离子晶体的有效电场高介离子晶体的有效电场介电常数在10以上的离子晶体，具有电子位移极 化和离子位移极化 由于晶体的结构——Ei很大 如：TiO2，金红石，=7.3，=173SnO，金红石结构， =4.7，=24PbO2，金红石结构， =6.75，=26xyzE Ti4+O2-金红石晶体结构点阵图金红石晶体结构点阵图一、内电场的计算（斯卡娜维法 ） 有洛仑兹假设： Ei=E+P/30+E´´r1r2r‘xyzO二、介电常数高的原因计算值：170；实测值：173高介电常数的原因高介电常数的原因铁电体与自发极化铁电体与自发极化自发极化（自发极化（Spontaneous electric polarization)Spontaneous electric polarization): 在没 有外电场的作用时，晶体内部某些区域的正、负电 荷中心不重合而呈现电偶极矩，这种现象称为自发 极化铁电体：具有自发极化的电介质称为铁电体铁电体铁电体的特征： •具有高的介电常数，几百~几万； •介电常数与电场强度大小有关； •P~E的关系为电滞回线（Hysteresis curve)oEP矫顽电场Ec自发极化Ps常见的铁电体有：常见的铁电体有： • •酒石酸钾钠酒石酸钾钠 （（NaKCNaKC4 4HH4 4OO6 6·4H·4H2 2OO）） • •磷酸二氢钾（磷酸二氢钾（KHKH2 2POPO4 4）） • •钛酸钡（钛酸钡（BaTiOBaTiO3 3））一、铁电体一、铁电体 的电畴结构和特性的电畴结构和特性具有宏观偶极矩的区域称为“电畴”。
在初始状态，就铁电体整体而言，对外界将不 呈现电荷和极化状态（相当与回线的O点）铁电材料的应用l电子技术l红外探测技术l超声（和微波声学）技术l固态记忆二、铁电体的微观结构与介电性能二、铁电体的微观结构与介电性能按微观结构，铁电体可分为偶极矩有序型和离子位 移型两类 • •偶极矩有序型偶极矩有序型：晶体内含有能够旋转或反转的固有 偶极矩，在居里温度以下，由于强烈的内电场作用 ，这些偶极子形成长程有序，因而出现自发极化“电 畴”如KH2PO4 • •离子位移型离子位移型：晶体内部的离子，在居里温度以下的 温度内，由于强烈的离子位移引起晶体的对称性降 低，而形成自发极化的电介质，如BaTiO3居里温度与铁电体的的热力学关系居里温度与铁电体的的热力学关系1。