电工材料及应用J

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1、Chap 5 电介质与绝缘材料 绝缘材料是指电导率较低是指电导率较低( (一般在一般在1010-9-91010-10-10 s/m s/m之间之间), ),用来限制电流使其按一定途径流动的材料用来限制电流使其按一定途径流动的材料( (如在电机如在电机, ,变变压器压器, ,电器电器, ,电缆中的绝缘电缆中的绝缘); );另外另外, ,还有利用其还有利用其” ”介电介电” ”特性特性建立电场以贮存电能的材料建立电场以贮存电能的材料( (如电容器如电容器). ). 电介质是指能在电场中极化的材料是指能在电场中极化的材料. .而电介质多数是优而电介质多数是优良的绝缘材料良的绝缘材料, ,故两者经常通

2、用故两者经常通用. . 电介质一般是绝缘体。但广义的电介质还包括半绝缘电介质一般是绝缘体。但广义的电介质还包括半绝缘体和某些处于特殊状态下的半导体（如载流子耗尽状态下体和某些处于特殊状态下的半导体（如载流子耗尽状态下的半导体）的半导体） 材材料料的的介介电电性性能能是是电电介介质质的的主主要要特特征征，它它以以正正、负负电电荷荷重重心心不不重重合合的的电电极极化化方方式式传传递递、存存储储或或记记录录电电的的作作用用和和效效应应。电电极极化化中中的的电电荷荷主主要要指指那那些些束束缚缚在在原原子、分子、晶格、缺陷位置或局部区域内的束缚电荷。子、分子、晶格、缺陷位置或局部区域内的束缚电荷。 本章

3、介绍电介质与绝缘材料的基本概念和性能本章介绍电介质与绝缘材料的基本概念和性能,并揭示电介质材料宏观介电性能的一些微观机制。并揭示电介质材料宏观介电性能的一些微观机制。 各种束缚电荷在不同频率的交变电场作用下表各种束缚电荷在不同频率的交变电场作用下表现出不同的电极化行为，并进行决定着电介质材料现出不同的电极化行为，并进行决定着电介质材料的各种性能。的各种性能。0 0 电介质分类电介质分类电介质按其分子中正负电荷的分布状况不同可分为电介质按其分子中正负电荷的分布状况不同可分为: :中性电介质偶极电介质离子型电介质1 1 介质极化的基本概念介质极化的基本概念 电电偶偶极极矩矩的的单单位位为为C.m(

4、库库仑仑.米米).在在分分子子物物理理中中，常常用用德德拜拜(D)为为单单位位，1D等等于于10-18cgs(静静电电单单位位)，相相 当当 于于 3.3310-28C.cm。 H2O的的 电电 偶偶 极极 矩矩 为为1.85D,HCl的电偶极矩为的电偶极矩为1.08D.一、定义及有关物理量一、定义及有关物理量1、电电偶偶极极矩矩：由大小相等、符号相反、彼此相距为l的两点电荷(+q、-q)所组成的束缚系统，称为偶极子，偶极子的大小和方向常用电偶极矩来表示(方向由负电荷指向正电荷)2、极化强度：、极化强度：单位体积内的电偶极矩总和称为极化单位体积内的电偶极矩总和称为极化强度，用强度，用P P表示

5、表示 在电介质中，由电磁学理论有 3、电介质的极化率、电介质的极化率和相对介电常数和相对介电常数 (库/米2) 其中 因此，在描述物质的介电性质时，使用相对介电常数和宏观极化率在物理上等价的。二、电极化的微观机构二、电极化的微观机构 由物质的组成可以知道，物质的宏观电极化是组成物质的微观粒子在外电场作用下发生微观电极化的结果，通常，微观粒子在外电场作用下而产生的电矩与场强存在如下关系：式中称为微观极化率。粒子的微观极化率可能来自多种原因，一般情况包括电子云位移极化（其极化率用e表示）、离子位移极化（其极化率用i表示）、偶极子转向极化（其极化率用d表示）等1 1、电子云位移极化：、电子云位移极化

6、：、电子云位移极化：、电子云位移极化：没有受电场作用时，组成电介质没有受电场作用时，组成电介质的分子或原子所带正负电荷中心重合，对外呈中性。的分子或原子所带正负电荷中心重合，对外呈中性。受电场作用时，正、负电荷中心产生相对位移受电场作用时，正、负电荷中心产生相对位移( (电子云电子云发生了变化而使正、负电荷中心分离的物理过程发生了变化而使正、负电荷中心分离的物理过程) )，中，中性分子则转化为偶极子，这种过程就是电子云位移极性分子则转化为偶极子，这种过程就是电子云位移极化。化。电子云位移极化存在于一切气体、液体及固体介电子云位移极化存在于一切气体、液体及固体介质中。质中。 （1）电电子子云云位

7、位移移极极化化率率：理论计算值取决于所采用的粒子模型，由点状核球状负电壳体模型或圆周轨道模型(玻尔模型)计算出的电子极化率为： （2）电子云位移极化的特点：）电子云位移极化的特点：a)形成极化所需时间极短(因电子质量极小)，约为10-15，在一般频率范围内，可以认为与频率无关； b)具有弹性，当外电场去掉时，作用中心又马上会重合而整个呈现非极性，故电子式极化没有能量损耗。 c)温度对电子式极化影响不大。 在数量级上上述各种情况均相同，其值都在10-40Fm2，与实验结果相吻合。 由量子力学计算给出的电子极化率为 2、离子位移极化：、离子位移极化：离子晶体中，无电场作用时，离子处在正常格点位置并

8、对外保持电中性，但在电场作用下，正、负离子产生相对位移，破坏了原先呈电中性分布的状态，电荷重新分布，相当于从中性分子转变为偶极子产生离子位移极化. 离子位移极化主要存在于离子化合物材料中，如云母、陶瓷材料等。 （1）离子位移极化率：）离子位移极化率： 以NaCl为例，在外电场E作用下，正、负离子相对自己原来位置发生r大小位移，在r不大时，离子达到平衡的条件是电场作用力与离子的恢复力相等，即 （2）离子位移极化的特点：）离子位移极化的特点： a)形成极化所需时间很短，约为10-13。在频率不太高时，可以认为与频率无关；b) 属弹性极化，能量损耗很小。c) 离子位移极化受两个相反因素的影响：温度升

9、高时离子间的结合力降低，使极化程度增加；但离子的密度随温度升高而减小，使极化程度降低。通常，前一种因素影响较大，故一般具有正的温度系数，即随温度升高，出现极化程度增强趋势的特征。3、偶极子转向极化：、偶极子转向极化：极性电介质中，存在具有固有偶极矩0的偶极子。无外电场时，偶极子排列混乱，使i=0；加外电场时，偶极转向，成定向排列，从而使电介质极化. （1）偶极子极化率：）偶极子极化率：具有固有电偶极矩0的偶极子的转向极化率为 （2）偶极子极化的特点：）偶极子极化的特点：a) 极化是非弹性的，消耗的电场能在复原时不可能收回。b) 形成极化所需时间较长，约为10-1010-2，故其与电源频率有较大

10、的关系，频率很高时，偶极子来不及转动，因而其减小。 c) 温度对极性介质的有很大的影响。 4、空间电荷极化：、空间电荷极化：空间电荷极化常常发生在不均匀介质空间电荷极化常常发生在不均匀介质中。中。在电场作用下，不均匀介质内部的正负间隙离子分别向在电场作用下，不均匀介质内部的正负间隙离子分别向负、正极移动，引起电介质内各点离子密度的变化，出现了负、正极移动，引起电介质内各点离子密度的变化，出现了电偶极距。这种极化叫作空间电荷极化。电偶极距。这种极化叫作空间电荷极化。在电极附近积聚的在电极附近积聚的离子电荷就是空间电荷。离子电荷就是空间电荷。实际上晶界，相界，晶格畸变，杂质等缺陷区都可成为自由电荷

11、运动的障碍，在这些障碍处，自由电荷积聚，也形成空间电荷极化 空间电荷极化的特点：空间电荷极化的特点：空间电荷极化随温度升高而下降。因为温度升高，离子运动加剧，离子扩散容易，因而空间电荷减少。空间电荷的建立需要较长的时间，大约几秒到数十分钟，甚至数十小时，因此空间电荷极化只对直流和低频下的介电性质有影响。5、松弛极化、松弛极化当材料中存在着弱联系电子、离子和偶极子等松弛质点当材料中存在着弱联系电子、离子和偶极子等松弛质点时，热运动使这些松弛质点分布混乱，而电场力图使这些质时，热运动使这些松弛质点分布混乱，而电场力图使这些质点按电场规律分布，最后在一定温度下，电场的作用占主导，点按电场规律分布，最

12、后在一定温度下，电场的作用占主导，发生极化。这种极化具有统计性质，叫作热松驰极化。发生极化。这种极化具有统计性质，叫作热松驰极化。 松驰极化的特点：松驰极化的特点：松驰极化的带电质点在热运动时移动的距离可以有分子大小，甚至更大。松驰极化中质点需要克服一定的势垒才能移动，因此这种极化建立的时间较长（可达10-210-9秒）,并且需要吸收一定的能量，所以这种极化是一种不可逆的过程。松驰极化多发生在晶体缺陷处或玻璃体内。2 2 材料的介电性材料的介电性1、介电常数与相对介电常数、介电常数与相对介电常数 为了将极化强度P和宏观实际有效电场E相联系, 人们定义 一、介电常数：一、介电常数： 式中 为真空

13、介电常数，其值为8.8510-12F/m, 为电介质的极化系数，是个无量纲的数。 式中 为电介质的绝对介电常数； 为电介质的相对介电常数, 是一个无量纲的数。电介质在电场中的极化将使电感应强度D变化， 绝对介电常数、相对介电常数都表征电介质极化并储存电荷的能力的宏观物理量。 2、相对介电常数与分子极化率、相对介电常数与分子极化率的关系的关系 对弥散态物质，1880年，H.A.Lorentz和 L.Lorenz各自独立得到下列公式 式中N单位体积中的分子数。 此式称为LorentzLorenz公式，它将表征极化特性的宏观参数（介电常数）与微观参数（分子极化率）联系起来，同时提供了计算介电性能参数

14、的方法。Clausius-Mosotti 方程相对分子质量相对分子质量密度密度阿佛迦德罗常数阿佛迦德罗常数电子极化率电子极化率 由上式可知，介电常数是随着电子极化率的增大由上式可知，介电常数是随着电子极化率的增大而增大。密度增大，介电常数也将提高。而增大。密度增大，介电常数也将提高。二、介电驰豫二、介电驰豫 1、驰驰豫豫过过程程：一个宏观系统由于周围环境的变化或受到外界的作用而变为非热平衡状态，这个系统再从非平衡状态过渡到新的热平衡态的整个过程就称为驰豫过程。 驰豫过程实质上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。驰豫过程的宏观规律决定于系统中微观粒子相互作用的性质。因

15、此，研究驰豫现象是获得这些相互作用的信息的最有效途径之一。 2、介电驰豫与驰豫时间：、介电驰豫与驰豫时间： 发生在电介质中的与极化相关的驰豫过程就是介电驰豫。 式中称为驰豫时间，它是P减小到e-1倍时所需要的时间。 由初始条件可知此微分方程的解为 设在t0时，介质受外电场作用产生极化，其强度为P0, 在t=0时突然除去电场，然后系统就会经历驰豫过程，其极化强度将随时间逐渐减小，最后达到热平衡态的零值。一般可设极化强度P的减小速率与P成正比，即德拜在描述电介质极化现象的驰豫过程中采用介如下电常数对交变电场的频率的关系 3、德拜驰豫方程：、德拜驰豫方程：其中， 是电场频率趋于无穷大时介质的介电常数

16、。（t）被称为衰减因子。 若在t0时，介质的极化强度为0, 在t=0时突然加一恒定电场，则系统也会经历驰豫过程，其极化强度将随时间逐渐增大，最后达到新的热平衡态的P0值。这一驰豫过程的极化强度变化为 上面两个式子常称为德拜方程。上面两个式子常称为德拜方程。 在一定情况下，可设 令 ， 于是由上述积分可得 从上面还可得到从上面还可得到 这是一个以这是一个以 为坐标的圆方程。如果分别以为坐标的圆方程。如果分别以 为为横横、纵纵坐坐标标做做图图，则则方方程程描描绘绘的的是是一一条条半半圆周曲线。这种曲线常称为圆周曲线。这种曲线常称为Cole-Cole图。图。 4、Cole-Cole图图从德拜方程中消

17、去，可得到 Cole-Cole图在处理实验数据时很有用。只要在实验图在处理实验数据时很有用。只要在实验上测出不同频率下材料的复介电常数的实部和虚部，上测出不同频率下材料的复介电常数的实部和虚部，并将实验数据在复平面上做并将实验数据在复平面上做Cole-Cole图，就可以从图，就可以从图上材料的介电驰豫是否属于德拜驰豫，还可以求图上材料的介电驰豫是否属于德拜驰豫，还可以求得驰豫时间。得驰豫时间。 显然，半圆与横坐标的两个交点的值是 。将半圆顶点的坐标代入德拜方程，可以得到顶点处的圆频率与驰豫时间的关系为=1。 三、介质损耗：三、介质损耗： 电介质在电场作用下，单位时间消耗的电能叫介质损耗。 1、

18、损耗的形式、损耗的形式电电导导损损耗耗：在电场作用下，介质中由泄漏电流引起的损耗就是电导损耗。绝缘好的液、固电介质在工作电压下时一般电导损耗很小，但随温度的增加而急剧增加的。 极化损耗：极化损耗：由各种极化机构在电场作用下发生的能量损耗称为极化损耗。极化损耗主要是由那些较缓慢的极化过程造成的，如偶极子的极化损耗。极化损耗与温度有关，也与交变电场的频率有关，在某种温度或某种频率下，损耗会呈现最大值。 游离损耗：游离损耗：气体间隙中的电晕损耗和液、固绝缘体中局部放电引起的功率损耗称为游离损耗。 2、介质损耗的表示、介质损耗的表示 在大多实际电介质中，介电常数是复数 常用损耗角的大小表示介质损耗，损

19、耗角定义为 四、介电常数与介质损耗的影响因素四、介电常数与介质损耗的影响因素 材料电介常数与频率的一般关系如下材料电介常数与频率的一般关系如下: 1、频率的影响、频率的影响电子极化离子（原子）极化偶极极化界面极化电频率光频率r，tg，p与与的关系的关系 1）外加电场频率很低（0）时，介质的各种极化都能跟上外加电场的变化，介电常数有最大值，不存在极化损耗。介质损耗主要由漏导引起。2）随外加电场频率升高，松弛极化在某一频率开始跟不上外电场的变化，它对介电常数的贡献减小，因而r随升高而减少。在这一频率范围内，由于1，故tg随升高而增大，同时P也增大。 (3)当很高时，r，介电常数仅由位移极化决定，r

20、趋于最小值。此时由于1，此时tg随升高而减小。时，tg0。2、温度的影响、温度的影响温度对松弛极化产生影响，因而P，和tg与温度关系很大。松弛极化随温度升高而增加，此时，离子间易发生移动，松弛时间常数减小。（1）当温度很低时，随温度上升，r、tg和P上升。 （3）当温度升到很大值时，离子热运动能量很大，离子在电场作用下的定向迁移受到热运动的阻碍，因而极化减弱，r下降。此时电导损耗剧烈上升，tg也随温度上升急剧上升。（2）在中间温度范围的某一温度Tm下，P和tg有极大值， 1：结构损耗；2：松弛损耗，3：电导损耗；4：总 损 耗 玻璃中各种介质损耗与温度的关系玻璃中各种介质损耗与温度的关系 五、

21、电介质的电导五、电介质的电导 电介质并非理想绝缘体电介质并非理想绝缘体, ,在电场作用下均有一定的电流通在电场作用下均有一定的电流通过过, ,此为电介质的电导。电介质的电导大小，一般用电阻此为电介质的电导。电介质的电导大小，一般用电阻率率或电导率或电导率表示。表示。这两个都是表征材料导电性能的这两个都是表征材料导电性能的宏观参数，与材料的几何尺寸无关。宏观参数，与材料的几何尺寸无关。 在含有在含有m m种载流子参与导电的情况下，电导率可表示为：种载流子参与导电的情况下，电导率可表示为：按导电载流子种类，电介质的电导可分为：按导电载流子种类，电介质的电导可分为：（1 1）电子电导（包括空穴导电）

22、：载流子是带负电）电子电导（包括空穴导电）：载流子是带负电荷的电子（或带正电荷的空穴）荷的电子（或带正电荷的空穴）（2 2）离子电导：载流子是理解了的原子或原子团）离子电导：载流子是理解了的原子或原子团（离子），它们可以带正电荷，也可以带负电荷。（离子），它们可以带正电荷，也可以带负电荷。离子导电时，伴随有电解现象发生。离子导电时，伴随有电解现象发生。 固态导体、半导体及强电场下的绝缘体中主要是固态导体、半导体及强电场下的绝缘体中主要是电子电导，液态导体、半导体及弱电场下的绝缘电子电导，液态导体、半导体及弱电场下的绝缘体中主要是离子电导。体中主要是离子电导。气体电介质的电导 常温、常压下的气体

23、在较低电场强度下都是常温、常压下的气体在较低电场强度下都是优良的绝缘体，能够通过气体的电流极其微弱，优良的绝缘体，能够通过气体的电流极其微弱，只有采用很高灵敏度的静电计才能检测出来只有采用很高灵敏度的静电计才能检测出来（j10j10-14 -14 A/mA/m2 2）j-Ej-E曲线三区域：曲线三区域：欧姆电导区欧姆电导区饱和电流区饱和电流区电流激增区电流激增区液体电介质的电导 液体电介质在纯净的情况下，电导率一般很小，液体电介质在纯净的情况下，电导率一般很小，如经硅胶、白土精制后的矿物油，其电导率在如经硅胶、白土精制后的矿物油，其电导率在8080下仅为下仅为1010-13-13 S/m S/

24、m。工程用液体介质由于受杂。工程用液体介质由于受杂质影响，其电导率一般较大，在质影响，其电导率一般较大，在1010-13-131010-9 -9 S/mS/m的的范围内变化。极性的比非极性的高。范围内变化。极性的比非极性的高。离子电导离子电导胶粒电导胶粒电导电子电导电子电导固体电介质的电导n n离子电导n n电子电导固体电介质的表面电导亲水电介质疏水电介质六、介电强度与击穿六、介电强度与击穿 热击穿：热击穿：当外加的电压足够高时，介质可能处于发热大于散热的状态，这将导致介质温度持续升高，直至出现永久性损坏，这就是热击穿。热击穿电压随环境温度升高而降低。 电介质只能在一定的电场强度以内保持绝缘的

25、特性。当电场强度超过某一临界值时，电介质变成了导体，这种现象称为电介质的击穿，相应的临界电场强度称为介电强度或击穿电场强度。显然，在电介质的使用中，这个参数特别重要。 严格地划分击穿类型是很困难的，通常分为三种类型：热击穿、电击穿、局部放电击穿。 电击穿：电击穿：在强电场下,固体导带中的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,把能量传递给晶格。若电场给于电子的能量大于电子传递给晶格振动能量时，电子的动能就会越来越大，达到某个值后，电子与晶格相互作用还会导致电离产生新电子，使自由电子数迅速增加，电导率不断增大，击穿发生。 表面放电和边缘击穿：表面放电和边缘击穿：固体介

26、质常处于周围气体媒质中。击穿时,常发现介质本身并末击穿,但有火花掠过它的表面,这就是表面放电。表面放电与电场畸变有关。在电极边缘，常常有电场集中，因而击穿常在电极边缘发生，即边缘击穿。 表面放电与边缘击穿决定于电极周围的媒质以及电场的分布，也与电介质的介电系数、电导率有关。七、新型高性能介电材料需求分析七、新型高性能介电材料需求分析 1、集成电路基板材料：、集成电路基板材料：由于电子元件正在迅速向小型化、高速化及多功能化方向发展，其组装密度越来越高，因此选择散热特性优良的绝缘基板散热特性优良的绝缘基板已成为关键。 目前作为集成电路基板的侯选材料有氧化铝、氧化铍、碳化硅及氮化铝等，他们各自的特点

27、是：氧化铝氧化铝应用最为普通，其特点是介电损耗低，电性能与温度的关系不大，机械强度高，化学稳定性好，已被广泛应用于基板材料。氧化铍氧化铍的最大优点是介电常数较低，但由于其毒性大，价格高而限制了其应用。碳化硅碳化硅的导热性优于氧化铝，但烧结困难。氮化铝氮化铝基板的热传导率是目前普遍使用的氧化铝的10倍,而其他电性能与Al2O3相当，已引起国内外的普遍关注。2、电容器的小型化：、电容器的小型化：电子元器件的小型化要求电容器的容量大，尺寸小、薄，工作电压低。怎么解决？ 增大增大、增大增大s、减小减小d均可提高均可提高C. 如何实现？如何实现？以平行板电容器为例，由 你认为应从哪些方面努力？增增大大，

28、即采用高介电常数材料，这是材料种类选取或新材料研制问题。减小减小d，介质薄膜化。纳米薄膜。 增大增大S，（但不增大总尺寸）采用多压电容器（MLC） 一些介质的介电常数一些介质的介电常数3、卫星通讯、移动电话卫星通讯、移动电话等需微波频率元器件：等需微波频率元器件：要求高频时大，损耗小（Q大）、频率温度系数小，热膨胀低。 空气云母普通瓷纸聚乙烯二氧化碳氧化钽钛酸钡1.00053.77.55.76.83.52.310011.61031044、低介电常数材料的需求也增加。、低介电常数材料的需求也增加。 5、卫星、航天用元器件：、卫星、航天用元器件：要求介电性能在很宽的温度范围内不随温度变化，实现零温度系数。华尔屯定律 (Walden Law)