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1、材料物理性能测试技术材料物理性能测试技术材料的介电性能材料的介电性能高智勇高智勇材料物理性能测试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性本章知识结构本章知识结构n n电介质及其极化电介质及其极化 n n极化的相关物理量极化的相关物理量 n n压电性和释电性压电性和释电性 n n铁电性铁电性n n介电测量简介介电测量简介 材料物理性能测试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性电介质及其极化电介质及其极化 n n电介质的定义电介质的定义l介电材料和绝缘材料是电子和电气工程中不可介电材料和绝缘材料是电子和电气工程中不可介电材料和绝缘材料是电子和电气工程中不可介电材料和绝
2、缘材料是电子和电气工程中不可缺少的功能材料，它主要应用材料的介电性能，缺少的功能材料，它主要应用材料的介电性能，缺少的功能材料，它主要应用材料的介电性能，缺少的功能材料，它主要应用材料的介电性能，这一类材料总称为电介质。电介质通常是指这一类材料总称为电介质。电介质通常是指这一类材料总称为电介质。电介质通常是指这一类材料总称为电介质。电介质通常是指电电电电阻率大于阻率大于阻率大于阻率大于10101010cmcm的一类在电场中以感应而的一类在电场中以感应而的一类在电场中以感应而的一类在电场中以感应而非传导的方式呈现其电学性能的材料。非传导的方式呈现其电学性能的材料。非传导的方式呈现其电学性能的材料
3、。非传导的方式呈现其电学性能的材料。l导体、半导体在电场作用下都会发生电荷的自导体、半导体在电场作用下都会发生电荷的自导体、半导体在电场作用下都会发生电荷的自导体、半导体在电场作用下都会发生电荷的自由运动，而介电材料在有限电场作用下几乎没由运动，而介电材料在有限电场作用下几乎没由运动，而介电材料在有限电场作用下几乎没由运动，而介电材料在有限电场作用下几乎没有自由电荷迁移有自由电荷迁移有自由电荷迁移有自由电荷迁移 电介质：电介质：用于把带电体隔离、并能长期经受强用于把带电体隔离、并能长期经受强用于把带电体隔离、并能长期经受强用于把带电体隔离、并能长期经受强电场作用的绝缘材料电场作用的绝缘材料电场
4、作用的绝缘材料电场作用的绝缘材料材料物理性能测试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性介电材料：放在平板电容器中增加电容的材料介电材料：放在平板电容器中增加电容的材料介电材料：放在平板电容器中增加电容的材料介电材料：放在平板电容器中增加电容的材料 电介质：在电场作用下能建立极化的物质。电介质：在电场作用下能建立极化的物质。电介质：在电场作用下能建立极化的物质。电介质：在电场作用下能建立极化的物质。 在在在在真真真真空空空空平平平平板板板板电电电电容容容容器器器器中中中中，嵌嵌嵌嵌入入入入一一一一块块块块电电电电介介介介质质质质。加加加加入入入入外外外外电电电电场场场场时时时时，
5、在在在在正正正正极极极极附附附附近近近近的的的的介介介介质质质质表表表表面面面面感感感感应应应应出出出出负负负负电电电电荷荷荷荷，负负负负极极极极板板板板附附附附件件件件的的的的介介介介质质质质表表表表面面面面感感感感应应应应出出出出正正正正电电电电荷荷荷荷，这这这这些些些些电电电电荷荷荷荷称称称称为为为为感感感感应应应应电电电电荷荷荷荷，又称束缚电荷。又称束缚电荷。又称束缚电荷。又称束缚电荷。电介质及其极化电介质及其极化 材料物理性能测试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性n n电极化的定义电极化的定义l在电介质材料中起主要作用的是被束缚着的电在电介质材料中起主要作用的是被
6、束缚着的电在电介质材料中起主要作用的是被束缚着的电在电介质材料中起主要作用的是被束缚着的电荷。在电场的作用下正、负电荷尽管可以逆向荷。在电场的作用下正、负电荷尽管可以逆向荷。在电场的作用下正、负电荷尽管可以逆向荷。在电场的作用下正、负电荷尽管可以逆向移动，但它们不能挣脱彼此的束缚而形成电流，移动，但它们不能挣脱彼此的束缚而形成电流，移动，但它们不能挣脱彼此的束缚而形成电流，移动，但它们不能挣脱彼此的束缚而形成电流，只能产生微观尺度的相对位移，称为电极化只能产生微观尺度的相对位移，称为电极化只能产生微观尺度的相对位移，称为电极化只能产生微观尺度的相对位移，称为电极化 l介电系数是综合反映介质内部
7、电极化行为的一介电系数是综合反映介质内部电极化行为的一介电系数是综合反映介质内部电极化行为的一介电系数是综合反映介质内部电极化行为的一个主要宏观物理量个主要宏观物理量个主要宏观物理量个主要宏观物理量 材料物理性能测试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性电电容容:当当两两个个临临近近导导体体加加上上电电压压后后具具有有存存储储电电荷能力的量度荷能力的量度电容的单位是法拉，简称法，符号是电容的单位是法拉，简称法，符号是F, 毫法毫法(mF)、微法、微法(F)、纳法、纳法(nF) 和皮法和皮法(pF)n n真空电容器的电容主要由二个导体的几何尺真空电容器的电容主要由二个导体的几何尺
8、寸决定寸决定 q为单位面积电荷；为单位面积电荷；d为平板间距（为平板间距（m）；）；A为面积（为面积（m2）；）；V为平板上电压（为平板上电压（V） 材料物理性能测试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性n n法拉第发现，当一种材料插入两平板之间后，法拉第发现，当一种材料插入两平板之间后，平板电容器的电容增加。现在已经掌握，增平板电容器的电容增加。现在已经掌握，增大的电容应为：大的电容应为： r为相对介电常数；为相对介电常数； ( 0 r)为介电材料的电容率，或称介电为介电材料的电容率，或称介电常数（单位为常数（单位为C2/m2或或F/m） n n放在平板电容器中增加电容的材料
9、称为介电放在平板电容器中增加电容的材料称为介电材料。显然，它属于电介质。所谓电介质就材料。显然，它属于电介质。所谓电介质就是指在电场作用下能建立极化的物质。是指在电场作用下能建立极化的物质。材料物理性能测试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性n n在真空平板电容器间嵌入一块电介质，当加上外电在真空平板电容器间嵌入一块电介质，当加上外电在真空平板电容器间嵌入一块电介质，当加上外电在真空平板电容器间嵌入一块电介质，当加上外电场时，则在正极板附近的介质表面上感应出负电荷，场时，则在正极板附近的介质表面上感应出负电荷，场时，则在正极板附近的介质表面上感应出负电荷，场时，则在正极板附近
10、的介质表面上感应出负电荷，负极板附近的介质表面感应出正电荷。这种感应出负极板附近的介质表面感应出正电荷。这种感应出负极板附近的介质表面感应出正电荷。这种感应出负极板附近的介质表面感应出正电荷。这种感应出的表面电荷称为感应电荷，亦称束缚电荷的表面电荷称为感应电荷，亦称束缚电荷的表面电荷称为感应电荷，亦称束缚电荷的表面电荷称为感应电荷，亦称束缚电荷 n n电介质在电场作用下产生束缚电荷的现象称为电介电介质在电场作用下产生束缚电荷的现象称为电介电介质在电场作用下产生束缚电荷的现象称为电介电介质在电场作用下产生束缚电荷的现象称为电介质的极化。正是这种极化的结果，使电容器增加电质的极化。正是这种极化的结
11、果，使电容器增加电质的极化。正是这种极化的结果，使电容器增加电质的极化。正是这种极化的结果，使电容器增加电荷的存储能力。荷的存储能力。荷的存储能力。荷的存储能力。 平板电容器中的电容（a）真空平板电容器；（b）平板电容器中的介电材料材料物理性能测试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性极化的相关物理量极化的相关物理量 n n根据分子的电结构，电介质可分为两大类：根据分子的电结构，电介质可分为两大类： 极性分子电介质，极性分子电介质， 例如例如H2O、CO等；等； 非极性分子电介质，例如非极性分子电介质，例如CH4、He等等 n n结构的主要差别是分子的正、负电荷统计重结构的主要
12、差别是分子的正、负电荷统计重心是否重合，即是否有电耦极子。心是否重合，即是否有电耦极子。电偶极子：具有一个正极和一个负极的分子或结构电偶极子：具有一个正极和一个负极的分子或结构材料物理性能测试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性q为所含电量；为所含电量；L为正负电荷重心距离为正负电荷重心距离 p极极性性分分子子电电介介质质，由由于于分分子子的的正正负负电电荷荷中中心心不不重重合合，存在电偶极矩；存在电偶极矩；p对对于于非非极极性性分分子子电电解解质质，由由于于外外界界作作用用，正正负负电电荷荷中中心心瞬瞬时时分分离离，也也产产生生电电偶极距偶极距。材料物理性能测试技术讲课材料
13、物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性n n电介质在外电场作用下，无极性分子的正、负电介质在外电场作用下，无极性分子的正、负电荷重心将发生分离，产生电耦极矩电荷重心将发生分离，产生电耦极矩 n n极化电荷极化电荷：是指和外电场强度相垂直的电介质：是指和外电场强度相垂直的电介质表面分别出现的正、负电荷，这些电荷不能自表面分别出现的正、负电荷，这些电荷不能自由移动，也不能离开，总值保持中性由移动，也不能离开，总值保持中性n n描述电介质这种性质的参数描述电介质这种性质的参数 极化强度极化强度 介电常数介电常数材料物理性能测试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性电介质极化的机制
14、电介质极化的机制电子极化，离子极化，电偶极子取向，空间电荷极化，分别对应电子、原子、电子极化，离子极化，电偶极子取向，空间电荷极化，分别对应电子、原子、分子和空间电荷情况。分子和空间电荷情况。位移极化，由电子或离子位移产生电偶极距而产生的极化。分为电子位移极位移极化，由电子或离子位移产生电偶极距而产生的极化。分为电子位移极化和离子位移极化。化和离子位移极化。这种极化可以在光频下进行，这种极化可以在光频下进行，1010-14-14-10-10-10-10S S 可逆可逆 与温度无关与温度无关 产生于所有材料中产生于所有材料中 电子极化率的大小与原子电子极化率的大小与原子( (离子离子) )的半径
15、有关的半径有关材料物理性能测试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性n n电介质的极化电介质的极化电子位移极化电子位移极化电子位移极化电子位移极化：在外电：在外电：在外电：在外电场作用下每个原子中价场作用下每个原子中价场作用下每个原子中价场作用下每个原子中价电子云相对于原子核位电子云相对于原子核位电子云相对于原子核位电子云相对于原子核位移移移移 极化可以在光频下进行，极化可以在光频下进行，1010-14-14-10-10-10-10S S 可逆可逆 与温度无关与温度无关 产生于所有材料中产生于所有材料中 电子极化率的大小与原子电子极化率的大小与原子( (离子离子) )的半径的半
16、径有关有关E-+d+-电子轨道位移：原子中电子轨道位移：原子中电子轨道位移：原子中电子轨道位移：原子中的的的的所有电子都发生所有电子都发生、但但但但价电子显著、内层电子价电子显著、内层电子价电子显著、内层电子价电子显著、内层电子不显著不显著不显著不显著原子或离子半径原子或离子半径电子轨道位移电子轨道位移原子正、负电原子正、负电中心不再重合中心不再重合材料物理性能测试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性n n电介质的极化电介质的极化原子（离子）位移极化原子（离子）位移极化原子（离子）位移极化原子（离子）位移极化：外：外：外：外电场引起的原子核之间的相电场引起的原子核之间的相电场
17、引起的原子核之间的相电场引起的原子核之间的相对位移，相当于一感生偶极对位移，相当于一感生偶极对位移，相当于一感生偶极对位移，相当于一感生偶极矩矩矩矩极极极极化化化化晶晶晶晶体体体体中中中中负负负负离离离离子子子子和和和和正正正正离离离离子子子子相相相相对对对对于于于于它它它它们们们们的的的的正正正正常位置发生位移，形成一个感生偶极矩常位置发生位移，形成一个感生偶极矩常位置发生位移，形成一个感生偶极矩常位置发生位移，形成一个感生偶极矩也也也也可可可可以以以以看看看看做做做做离离离离子子子子间间间间的的的的键键键键合合合合在在在在电电电电场场场场作作作作用用用用下下下下被被被被拉拉拉拉长长长长+-
18、+-+-+-E离子位移极化率：离子位移极化率：离子位移极化率：离子位移极化率：式中：式中：式中：式中：a a a a为晶格常数；为晶格常数；为晶格常数；为晶格常数； n n n n为电子层斥力指数为电子层斥力指数为电子层斥力指数为电子层斥力指数 对于离子晶体对于离子晶体对于离子晶体对于离子晶体n n n n为为为为7-117-117-117-11 可逆可逆可逆可逆; ; ; ; 反应时间为反应时间为反应时间为反应时间为10101010-13-13-13-13-10-10-10-10-12-12-12-12S S S S 温度升高，极化增强温度升高，极化增强温度升高，极化增强温度升高，极化增强
19、产生于离子结构电介质中产生于离子结构电介质中产生于离子结构电介质中产生于离子结构电介质中 结合键被拉长结合键被拉长材料物理性能测试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性n n电介质的极化电介质的极化取向极化取向极化取向极化取向极化 ：偶极子沿电场方向择优排列偶极子沿电场方向择优排列偶极子沿电场方向择优排列偶极子沿电场方向择优排列沿外场方向的偶极子数大于和外场反向的偶极子沿外场方向的偶极子数大于和外场反向的偶极子沿外场方向的偶极子数大于和外场反向的偶极子沿外场方向的偶极子数大于和外场反向的偶极子数，因此电介质整体出现宏观偶极矩。这种极化数，因此电介质整体出现宏观偶极矩。这种极化数
20、，因此电介质整体出现宏观偶极矩。这种极化数，因此电介质整体出现宏观偶极矩。这种极化与永久偶极子的排列取向有关，又称分子极化与永久偶极子的排列取向有关，又称分子极化与永久偶极子的排列取向有关，又称分子极化与永久偶极子的排列取向有关，又称分子极化（或偶极子极化）（或偶极子极化）（或偶极子极化）（或偶极子极化） E热运动：无序热运动：无序电电 场：有序场：有序材料物理性能测试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性+-+ +-+-+-+ +-+ +-+-+ +-+ +-+ +-+ +-+ +-无电场无电场无电场时无电场时有极分子的取向杂有极分子的取向杂乱无章，宏观上电乱无章，宏观上电介
21、质对外不显电性介质对外不显电性+ +-+ +-+ +-+ +-+ +-+ +-+ +-+ +-+ +-+ +-+ +-+ +-E0有电场有电场有外电场时有外电场时在外电场力矩作用下，偶在外电场力矩作用下，偶极子（有极分子）转向电极子（有极分子）转向电场的方向，场强越强偶极场的方向，场强越强偶极子的取向与电场越一致。子的取向与电场越一致。分子的热运动会破分子的热运动会破坏分子排列有序化坏分子排列有序化材料物理性能测试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性取向极化：取向极化：取向极化：取向极化： （1 1 1 1） 在在在在包包包包括括括括硅硅硅硅酸酸酸酸盐盐盐盐在在在在内内内内的
22、的的的离离离离子子子子键键键键化化化化合合合合物物物物与与与与极极极极性性性性聚聚聚聚合合合合物中是普遍存在的；物中是普遍存在的；物中是普遍存在的；物中是普遍存在的； （2 2 2 2） 响应时间响应时间响应时间响应时间 10101010-2-2-2-210101010-10-10-10-10S S S S （3 3 3 3）这这这这种种种种极极极极化化化化在在在在去去去去掉掉掉掉电电电电场场场场后后后后能能能能保保保保存存存存下下下下来来来来，因因因因而而而而涉涉涉涉及及及及的偶极子是永久性的。的偶极子是永久性的。的偶极子是永久性的。的偶极子是永久性的。 （4 4 4 4）随温度变化有极大值
23、）随温度变化有极大值）随温度变化有极大值）随温度变化有极大值温度不太高、外电场不太强时，平温度不太高、外电场不太强时，平衡状态下有极分子的取向极化率：衡状态下有极分子的取向极化率：分子的固有偶极矩，分子的固有偶极矩，Boltzman 常数常数材料物理性能测试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性n n电介质的极化电介质的极化非极性分子：在外电场作用下只产生电子极化非极性分子：在外电场作用下只产生电子极化非极性分子：在外电场作用下只产生电子极化非极性分子：在外电场作用下只产生电子极化原子（离子）极化（诱导偶极矩）原子（离子）极化（诱导偶极矩）原子（离子）极化（诱导偶极矩）原子（离
24、子）极化（诱导偶极矩） 极性分子：在外电场作用下产生电子极化、原极性分子：在外电场作用下产生电子极化、原极性分子：在外电场作用下产生电子极化、原极性分子：在外电场作用下产生电子极化、原子（离子）极化和取向极化子（离子）极化和取向极化子（离子）极化和取向极化子（离子）极化和取向极化 n n在陶瓷类电介质中，极化机制除上述介绍在陶瓷类电介质中，极化机制除上述介绍的三种方式外，还有的三种方式外，还有空间电荷极化空间电荷极化机制机制 介质中空间电荷的移动形成的极化介质中空间电荷的移动形成的极化 材料物理性能测试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性6) 6) 6) 6) 空间电荷极化：
25、空间电荷极化：空间电荷极化：空间电荷极化： 可可可可动动动动的的的的载载载载流流流流子子子子受受受受到到到到电电电电场场场场作作作作用用用用移移移移动动动动，受受受受到到到到阻阻阻阻碍碍碍碍而而而而排排排排列列列列于于于于一一一一个个个个物物物物理理理理阻阻阻阻碍碍碍碍前前前前面面面面时时时时产产产产生生生生的的的的极极极极化。化。化。化。 物理阻碍：晶界，相界，自由表面，缺陷。物理阻碍：晶界，相界，自由表面，缺陷。物理阻碍：晶界，相界，自由表面，缺陷。物理阻碍：晶界，相界，自由表面，缺陷。 反应时间很长，几秒到数十分钟；反应时间很长，几秒到数十分钟；反应时间很长，几秒到数十分钟；反应时间很长
26、，几秒到数十分钟；随温度升高而减弱；随温度升高而减弱；随温度升高而减弱；随温度升高而减弱；存在于结构不均匀的陶瓷电介质中；存在于结构不均匀的陶瓷电介质中；存在于结构不均匀的陶瓷电介质中；存在于结构不均匀的陶瓷电介质中；材料物理性能测试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性n n分子极化过程是弛豫过程分子极化过程是弛豫过程 电子极化电子极化电子极化电子极化： 10101515s s 原子极化：原子极化： 10101313 10101414 s s取向极化取向极化：10109 9s s 空间电荷极化：空间电荷极化： 10102 2s sn n决定了相对介电常数与介电损耗随交变电决定
27、了相对介电常数与介电损耗随交变电场频率的变化而呈现不同的特征场频率的变化而呈现不同的特征 材料物理性能测试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性小结：小结：（1 1）总的极化强度是上述各种机制作用的总和。）总的极化强度是上述各种机制作用的总和。（2 2）材料的组织结构影响极化机制。）材料的组织结构影响极化机制。（3 3） 外电场的频率：某种机制都是在不同的外电场的频率：某种机制都是在不同的时间量级内发生的，只有在某个领域频率范围时间量级内发生的，只有在某个领域频率范围内才有显著的贡献。内才有显著的贡献。离子、取向极化原子种类和键合类型空间电荷极化面缺陷材料物理性能测试技术讲课材
28、料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性光学性质电子极化离子极化电磁波谱中可见光的辐射红外波段介电性质空间电荷极化取向极化亚红外波段低频波段1015Hz1012Hz1013Hz1011Hz1012Hz10-3Hz103Hz材料物理性能测试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性几个重要的物理参量几个重要的物理参量n n介电系数介电系数n n介电强度介电强度n n极化强度极化强度n n介电损耗介电损耗材料物理性能测试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性 代表板间电介质的性能代表板间电介质的性能 n n介电系数：介电系数：一个平板电容器的容量一个平板电容器的容量
29、一个平板电容器的容量一个平板电容器的容量C C与平板的面积与平板的面积与平板的面积与平板的面积AA成正比，而与板间的距离成正比，而与板间的距离成正比，而与板间的距离成正比，而与板间的距离d d成正比。这里的比例常数成正比。这里的比例常数成正比。这里的比例常数成正比。这里的比例常数 成为静态介电常数成为静态介电常数成为静态介电常数成为静态介电常数 1 1）材料因素：）材料因素： 材料在电场中被极化的能力材料在电场中被极化的能力 2 2）尺寸因素：）尺寸因素： d d 和和A A ：平板间的距离和面积：平板间的距离和面积材料物理性能测试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性在平行板
30、电容器间放置某些材料，会使电容器存储电荷的能力增加，在平行板电容器间放置某些材料，会使电容器存储电荷的能力增加，在平行板电容器间放置某些材料，会使电容器存储电荷的能力增加，在平行板电容器间放置某些材料，会使电容器存储电荷的能力增加，CCCCCCCC0 0 0 0真空介电常数：真空介电常数：真空介电常数：真空介电常数：0 0 0 0 =8.8510 =8.8510 =8.8510 =8.8510-12-12-12-12 F. m F. m F. m F. m-1-1-1-1( ( ( (法拉法拉法拉法拉/ / / /米米米米) ) ) ) 相对介电常数：相对介电常数：相对介电常数：相对介电常数：
31、r r r r介电常数（电容率）：介电常数（电容率）：介电常数（电容率）：介电常数（电容率）： = = = = 0 0 0 0 r r r r( ( ( (F/m)F/m)F/m)F/m)介电常数是描述某种材料放入电容器中增加电容器存储电荷能力的物理量。介电常数是描述某种材料放入电容器中增加电容器存储电荷能力的物理量。介电常数是描述某种材料放入电容器中增加电容器存储电荷能力的物理量。介电常数是描述某种材料放入电容器中增加电容器存储电荷能力的物理量。相对介电系数：带有电介质的电容相对介电系数：带有电介质的电容相对介电系数：带有电介质的电容相对介电系数：带有电介质的电容C C与不带有电介质与不带有
32、电介质与不带有电介质与不带有电介质（真空）的电容（真空）的电容（真空）的电容（真空）的电容C C0 0之比之比之比之比 无量纲的正数无量纲的正数 如果介电介质为真空如果介电介质为真空材料物理性能测试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性材料物理性能测试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性n n介电击穿：各种电介质都有一定的介电强度，介电击穿：各种电介质都有一定的介电强度，不允许外电场无限加大。当电场足够高时，通不允许外电场无限加大。当电场足够高时，通过电介质的电流是如此之大，致使电介质实际过电介质的电流是如此之大，致使电介质实际上变为导体，有时还能造成材料的局
33、部熔化、上变为导体，有时还能造成材料的局部熔化、烧焦和挥发烧焦和挥发 n n介电强度：介电强度：是指电介质不发生电击穿条件下可是指电介质不发生电击穿条件下可以存在的最大电位梯度，单位为以存在的最大电位梯度，单位为Vmm-1 n n通常在两导电极板之间放置电介质，是为了使通常在两导电极板之间放置电介质，是为了使极板间可承受的电位差能比空气介质承受的更极板间可承受的电位差能比空气介质承受的更高高 材料物理性能测试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性n n极化强度极化强度极化强度极化强度极化强度极化强度P P是电介质极化程度的量度，定义式为：是电介质极化程度的量度，定义式为：是电介
34、质极化程度的量度，定义式为：是电介质极化程度的量度，定义式为： 为电介介质中所有中所有电耦极矩的矢量和；耦极矩的矢量和；电耦极矩所在空耦极矩所在空间的体的体积；P的的单位位为C/m2 V为为P的的单位位为C/m2 材料物理性能测试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性n n可以证明，电极化强度就等于分子表面电荷密可以证明，电极化强度就等于分子表面电荷密度度n n假设每个分子电荷的表面积为假设每个分子电荷的表面积为A，则电荷占有，则电荷占有的体积为的体积为lA，且单位体积内有，且单位体积内有Nm个分子，则个分子，则单位体积有电量单位体积有电量Nmq，那么，在，那么，在lA的体积中
35、的体积中的电量为的电量为NmqlA，则表面电荷密度，则表面电荷密度 材料物理性能测试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性n n电极化强度不仅与外加电场有关，而且还和电极化强度不仅与外加电场有关，而且还和极化电荷所产生的电场有关，即电极化强度极化电荷所产生的电场有关，即电极化强度和电介质所处的实际有效电场成正比。在国和电介质所处的实际有效电场成正比。在国际单位制中，对于各向同性电介质，这种关际单位制中，对于各向同性电介质，这种关系可以表示为：系可以表示为： E为电场强度，为电场强度， 0为真空介电常数，为真空介电常数， e为电极化率。为电极化率。 材料物理性能测试技术讲课材料物
36、理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性n n介电损耗介电损耗 理想电容器：在充电时储存电能，放电时又将储存理想电容器：在充电时储存电能，放电时又将储存理想电容器：在充电时储存电能，放电时又将储存理想电容器：在充电时储存电能，放电时又将储存的电能全部释放出来，它在交变电场作用下没有能的电能全部释放出来，它在交变电场作用下没有能的电能全部释放出来，它在交变电场作用下没有能的电能全部释放出来，它在交变电场作用下没有能量的损耗。量的损耗。量的损耗。量的损耗。介质电容器介质电容器介质电容器介质电容器：受交变电场作用时，偶极子取向需受交变电场作用时，偶极子取向需受交变电场作用时，偶极子取向需受交变电场作
37、用时，偶极子取向需要克服分子间的摩擦力等原因，在每一周期中获得要克服分子间的摩擦力等原因，在每一周期中获得要克服分子间的摩擦力等原因，在每一周期中获得要克服分子间的摩擦力等原因，在每一周期中获得的电场能量必定有一部分以热的形式损耗掉的电场能量必定有一部分以热的形式损耗掉的电场能量必定有一部分以热的形式损耗掉的电场能量必定有一部分以热的形式损耗掉 tantan 介电损耗：介电损耗的大小不仅与介电介电损耗的大小不仅与介电材料相关，而且与电场频率有关材料相关，而且与电场频率有关 材料物理性能测试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性n n电介质的极化是在电极的作用下，介质内部电介质的
38、极化是在电极的作用下，介质内部正、负电荷重心不重合被感应而传递和记录正、负电荷重心不重合被感应而传递和记录电的影响，电的影响，静态介电系数静态介电系数大体上反应了这一大体上反应了这一过程的性质过程的性质n n当外加电场的频率增高时，电极化过程内部当外加电场的频率增高时，电极化过程内部存在着不同的微观机制，它们对高频电场有存在着不同的微观机制，它们对高频电场有不同的响应速度，极化过程却显示出很不相不同的响应速度，极化过程却显示出很不相同的特征，这时的静态介电系数已不能作为同的特征，这时的静态介电系数已不能作为表征内部过程的参数表征内部过程的参数 n n电介质的极化强度、介电常数必定是电场频电介质
39、的极化强度、介电常数必定是电场频率的函数率的函数 材料物理性能测试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性n n静电场中，三种极化静电场中，三种极化机制都能充分实现，机制都能充分实现，介电常数最大介电常数最大 n n交变电场：交变电场： f10f108 8HzHz时，由于时，由于时，由于时，由于三种极化都能跟上电场三种极化都能跟上电场三种极化都能跟上电场三种极化都能跟上电场的变化，介电常数与静的变化，介电常数与静的变化，介电常数与静的变化，介电常数与静电场中的介电常数相等，电场中的介电常数相等，电场中的介电常数相等，电场中的介电常数相等，而且基本不随频率变化而且基本不随频率变化而
40、且基本不随频率变化而且基本不随频率变化而变化而变化而变化而变化 材料物理性能测试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性n n交变电场：交变电场： 电场频率增加到电场频率增加到电场频率增加到电场频率增加到10108 8HzHz以上时，首先以上时，首先以上时，首先以上时，首先是取向极化逐渐跟不上是取向极化逐渐跟不上是取向极化逐渐跟不上是取向极化逐渐跟不上电场的变化，因而介电电场的变化，因而介电电场的变化，因而介电电场的变化，因而介电常数随频率的提高而发常数随频率的提高而发常数随频率的提高而发常数随频率的提高而发生明显的跌落生明显的跌落生明显的跌落生明显的跌落频率增加到频率增加到频率
41、增加到频率增加到10101010HzHz以以以以上时，取向极化已根本上时，取向极化已根本上时，取向极化已根本上时，取向极化已根本不可能实现，这时的介不可能实现，这时的介不可能实现，这时的介不可能实现，这时的介电常数仅仅是电子极化电常数仅仅是电子极化电常数仅仅是电子极化电常数仅仅是电子极化和原子极化的贡献和原子极化的贡献和原子极化的贡献和原子极化的贡献 介电常数跌落的频率范围称为反常色散区介电常数跌落的频率范围称为反常色散区 材料物理性能测试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性n n电介质的介电常数不仅与电场频率有关，而电介质的介电常数不仅与电场频率有关，而且与温度有关且与温度
42、有关 取向极化与温度有关取向极化与温度有关 在静电场作用下取向极化率随温度提高而降低，所以电在静电场作用下取向极化率随温度提高而降低，所以电介质的静电介电常数必然随温度的提高而减小介质的静电介电常数必然随温度的提高而减小 材料物理性能测试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性n n交变电场，交变电场， 介电常数温度的关系介电常数温度的关系 温度较低时，介电常数随温度的提高而增大温度较低时，介电常数随温度的提高而增大温度较高时，介电常数又随温度的提高而减小温度较高时，介电常数又随温度的提高而减小因为热对取向极化有两方面的作用：一方面热有利于分子因为热对取向极化有两方面的作用：一方
43、面热有利于分子运动，缩短取向极化的弛豫时间，有利于取向极化跟上电运动，缩短取向极化的弛豫时间，有利于取向极化跟上电场的变化，使介电常数增大；另一方面，热有对抗外电场场的变化，使介电常数增大；另一方面，热有对抗外电场的作用，破坏分子沿电场方向取向的趋势，使介电常数减的作用，破坏分子沿电场方向取向的趋势，使介电常数减小。在温度较低时，前者起主导作用；而温度较高时，后小。在温度较低时，前者起主导作用；而温度较高时，后者起主导作用。者起主导作用。 材料物理性能测试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性压电性和释电性压电性和释电性 n n压电性压电性压电性压电性 18801880年，年，
44、年，年，Piere Curie Piere Curie 和和和和Jacques CurieJacques Curie兄弟发现，对兄弟发现，对兄弟发现，对兄弟发现，对 石英单晶体（以下称晶体）石英单晶体（以下称晶体）石英单晶体（以下称晶体）石英单晶体（以下称晶体）在一些特定方向上加力，则在力的垂直方向的在一些特定方向上加力，则在力的垂直方向的在一些特定方向上加力，则在力的垂直方向的在一些特定方向上加力，则在力的垂直方向的平面上出现正、负束缚电荷，后来称这种现象平面上出现正、负束缚电荷，后来称这种现象平面上出现正、负束缚电荷，后来称这种现象平面上出现正、负束缚电荷，后来称这种现象为为为为压电效应压
45、电效应压电效应压电效应当晶体受到机械力作用时，一定方向的表面产当晶体受到机械力作用时，一定方向的表面产当晶体受到机械力作用时，一定方向的表面产当晶体受到机械力作用时，一定方向的表面产生束缚电荷，其电荷密度大小与所加应力的大生束缚电荷，其电荷密度大小与所加应力的大生束缚电荷，其电荷密度大小与所加应力的大生束缚电荷，其电荷密度大小与所加应力的大小成线性关系，这种由机械能转换成电能的过小成线性关系，这种由机械能转换成电能的过小成线性关系，这种由机械能转换成电能的过小成线性关系，这种由机械能转换成电能的过程，称为程，称为程，称为程，称为正压电效应正压电效应正压电效应正压电效应。 当晶体在外电场激励下，
46、晶体的某些方向上产当晶体在外电场激励下，晶体的某些方向上产当晶体在外电场激励下，晶体的某些方向上产当晶体在外电场激励下，晶体的某些方向上产生形变（或谐振）现象，而且应变的大小与所生形变（或谐振）现象，而且应变的大小与所生形变（或谐振）现象，而且应变的大小与所生形变（或谐振）现象，而且应变的大小与所加电场在一定范围内有线性关系。这种由电能加电场在一定范围内有线性关系。这种由电能加电场在一定范围内有线性关系。这种由电能加电场在一定范围内有线性关系。这种由电能转变为机械能的过程称为转变为机械能的过程称为转变为机械能的过程称为转变为机械能的过程称为逆压电效应逆压电效应逆压电效应逆压电效应。 材料物理性
47、能测试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性n n逆压电效应与电致伸逆压电效应与电致伸逆压电效应与电致伸逆压电效应与电致伸缩效应缩效应缩效应缩效应实际上，任何电介实际上，任何电介实际上，任何电介实际上，任何电介质在外电场作用下，质在外电场作用下，质在外电场作用下，质在外电场作用下，都会发生尺寸变化，都会发生尺寸变化，都会发生尺寸变化，都会发生尺寸变化，即产生应变。这种即产生应变。这种即产生应变。这种即产生应变。这种现象称为电致伸缩，现象称为电致伸缩，现象称为电致伸缩，现象称为电致伸缩，其应变大小与所加其应变大小与所加其应变大小与所加其应变大小与所加电压的平方成正比。电压的平方成
48、正比。电压的平方成正比。电压的平方成正比。 逆压电效应与电致伸缩逆压电效应与电致伸缩 材料物理性能测试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性n n压电效应机理压电效应机理压电效应机理压电效应机理图（图（图（图（a a）表示晶体中的质点在某方向上的投影，此时晶）表示晶体中的质点在某方向上的投影，此时晶）表示晶体中的质点在某方向上的投影，此时晶）表示晶体中的质点在某方向上的投影，此时晶体不受外力作用，正电荷的重心与负电荷的重心相重体不受外力作用，正电荷的重心与负电荷的重心相重体不受外力作用，正电荷的重心与负电荷的重心相重体不受外力作用，正电荷的重心与负电荷的重心相重合，整个晶体的总
49、电矩为零，晶体表面的电荷亦为零。合，整个晶体的总电矩为零，晶体表面的电荷亦为零。合，整个晶体的总电矩为零，晶体表面的电荷亦为零。合，整个晶体的总电矩为零，晶体表面的电荷亦为零。 当沿着某一方向上施加机械力时，晶体就会由于形变当沿着某一方向上施加机械力时，晶体就会由于形变当沿着某一方向上施加机械力时，晶体就会由于形变当沿着某一方向上施加机械力时，晶体就会由于形变导致正负电荷重心分离，亦即晶体的总电矩发生变化，导致正负电荷重心分离，亦即晶体的总电矩发生变化，导致正负电荷重心分离，亦即晶体的总电矩发生变化，导致正负电荷重心分离，亦即晶体的总电矩发生变化，同时引起表面荷电现象同时引起表面荷电现象同时引
50、起表面荷电现象同时引起表面荷电现象 材料物理性能测试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性正压电效应本质：正压电效应本质：外力改变了晶体中的离子原来的外力改变了晶体中的离子原来的相对位置、在特定的方向上产生相对位置、在特定的方向上产生束缚电荷、出现净电偶极矩束缚电荷、出现净电偶极矩中心对称的晶体受力时不会改变其中心对称性、无压电效应中心对称的晶体受力时不会改变其中心对称性、无压电效应压电晶体：压电晶体：结构上结构上必须是无对称中心；必须是无对称中心；组成上组成上必必须是离子、或离子性原子、或须是离子、或离子性原子、或含离子基团的分子含离子基团的分子分子晶体分子晶体材料物理性能测
51、试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性n n压电材料的主要表征参数压电材料的主要表征参数 描述电介质的一般参量如电容率、介质损耗角描述电介质的一般参量如电容率、介质损耗角描述电介质的一般参量如电容率、介质损耗角描述电介质的一般参量如电容率、介质损耗角正切（电学品质因素正切（电学品质因素正切（电学品质因素正切（电学品质因素QcQc）、介质击穿强度、压）、介质击穿强度、压）、介质击穿强度、压）、介质击穿强度、压电常量外电常量外电常量外电常量外描述压电材料弹性谐振时力学性能的机械品质描述压电材料弹性谐振时力学性能的机械品质描述压电材料弹性谐振时力学性能的机械品质描述压电材料弹性谐振
52、时力学性能的机械品质因素因素因素因素QmQm以及描述谐振时机械能与电能相互转以及描述谐振时机械能与电能相互转以及描述谐振时机械能与电能相互转以及描述谐振时机械能与电能相互转换的机电耦合系数换的机电耦合系数换的机电耦合系数换的机电耦合系数K K 材料物理性能测试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性n n压电系数（压电系数（d） 式中，P为压电晶体在应力作用下产生的极化强度；d为材料压电效应的大小；d为张量材料的压电性能一般是各向异性的。 材料物理性能测试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性n n介质损耗（介质损耗（tan ） ：在交变电场下，压在交变电场下，压
53、电材料所积累的电荷有两种分量，一种是电材料所积累的电荷有两种分量，一种是有功部分，由电导过程引起；一种为无功有功部分，由电导过程引起；一种为无功部分，由介质的驰豫过程引起，两者的比部分，由介质的驰豫过程引起，两者的比值用值用tan 表示。表示。n ntan 与压电材料的能量损失成正比，所以与压电材料的能量损失成正比，所以也叫损耗因子也叫损耗因子。 材料物理性能测试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性n n机械品质因数机械品质因数机械品质因数机械品质因数压电振子谐振时，仍存在内耗，造成机械损耗，压电振子谐振时，仍存在内耗，造成机械损耗，压电振子谐振时，仍存在内耗，造成机械损耗，
54、压电振子谐振时，仍存在内耗，造成机械损耗，使材料发热、降低性能。反映这种损耗程度的使材料发热、降低性能。反映这种损耗程度的使材料发热、降低性能。反映这种损耗程度的使材料发热、降低性能。反映这种损耗程度的参数称为参数称为参数称为参数称为机械品质因数机械品质因数机械品质因数机械品质因数QmQm 通常测压电参量用的样品，或工程中应用的压通常测压电参量用的样品，或工程中应用的压通常测压电参量用的样品，或工程中应用的压通常测压电参量用的样品，或工程中应用的压电器件，如谐振换能器和标准频率振子，主要电器件，如谐振换能器和标准频率振子，主要电器件，如谐振换能器和标准频率振子，主要电器件，如谐振换能器和标准频
55、率振子，主要是利用压电晶片的谐振效应，即当向一个具有是利用压电晶片的谐振效应，即当向一个具有是利用压电晶片的谐振效应，即当向一个具有是利用压电晶片的谐振效应，即当向一个具有一定取向和形状制成的有电极的压电晶片（或一定取向和形状制成的有电极的压电晶片（或一定取向和形状制成的有电极的压电晶片（或一定取向和形状制成的有电极的压电晶片（或极化了的压电陶瓷片）输入电场，其频率与晶极化了的压电陶瓷片）输入电场，其频率与晶极化了的压电陶瓷片）输入电场，其频率与晶极化了的压电陶瓷片）输入电场，其频率与晶片的机械谐振频率片的机械谐振频率片的机械谐振频率片的机械谐振频率frfr一致时，就会使晶片因逆一致时，就会使
56、晶片因逆一致时，就会使晶片因逆一致时，就会使晶片因逆压电效应而产生机械谐振。这种晶片称为压电效应而产生机械谐振。这种晶片称为压电效应而产生机械谐振。这种晶片称为压电效应而产生机械谐振。这种晶片称为压电压电压电压电振子振子振子振子。 材料物理性能测试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性n n机械品质因数机械品质因数Qm定义式为定义式为 Wm为振动一周单位体积存储的机械能为振动一周单位体积存储的机械能 Wm为振动一周内单位体积内消耗的机械能为振动一周内单位体积内消耗的机械能 n n不同压电材料的机械品质因素不同压电材料的机械品质因素Qm的大小不的大小不同，而且还与振动模式有关同，
57、而且还与振动模式有关 材料物理性能测试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性n n机电耦合系数机电耦合系数 综合反映了压电材料的性能综合反映了压电材料的性能综合反映了压电材料的性能综合反映了压电材料的性能 由于晶体结构具有的对称性，加之机电耦合系由于晶体结构具有的对称性，加之机电耦合系由于晶体结构具有的对称性，加之机电耦合系由于晶体结构具有的对称性，加之机电耦合系数与其他电性常量、弹性常量之间存在简单的数与其他电性常量、弹性常量之间存在简单的数与其他电性常量、弹性常量之间存在简单的数与其他电性常量、弹性常量之间存在简单的关系，因此，通过测量机电耦合系数可以确定关系，因此，通过测
58、量机电耦合系数可以确定关系，因此，通过测量机电耦合系数可以确定关系，因此，通过测量机电耦合系数可以确定弹性、介电、压电等参量，而且即使是介电常弹性、介电、压电等参量，而且即使是介电常弹性、介电、压电等参量，而且即使是介电常弹性、介电、压电等参量，而且即使是介电常数和弹性常数有很大差异的压电材料，它们的数和弹性常数有很大差异的压电材料，它们的数和弹性常数有很大差异的压电材料，它们的数和弹性常数有很大差异的压电材料，它们的机电耦合系数也可以直接比较。机电耦合系数也可以直接比较。机电耦合系数也可以直接比较。机电耦合系数也可以直接比较。 材料物理性能测试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介
59、电特性n n机电耦合系数常数机电耦合系数常数K表示表示 n n机电耦合系数常数机电耦合系数常数K是压电材料机械能和电是压电材料机械能和电能相互转化能力的量度。它本身可为正，能相互转化能力的量度。它本身可为正，也可为负。但它并不代表转换效率也可为负。但它并不代表转换效率 ？ 材料物理性能测试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性热释电性热释电性 n n热释电性热释电性热释电性热释电性 ：由于温度作用而使其：由于温度作用而使其：由于温度作用而使其：由于温度作用而使其电极化强度变化，这就是电极化强度变化，这就是电极化强度变化，这就是电极化强度变化，这就是热释电热释电热释电热释电性性性
60、性，亦称热电性。，亦称热电性。，亦称热电性。，亦称热电性。n n取一块电气石，其化学组成为取一块电气石，其化学组成为取一块电气石，其化学组成为取一块电气石，其化学组成为(Na,Ca)(Mg,Fe)3B3Al6Si6(Na,Ca)(Mg,Fe)3B3Al6Si6(O,OH,F)31(O,OH,F)31。在均匀加热它的。在均匀加热它的。在均匀加热它的。在均匀加热它的同时，让一束硫磺粉和铅丹粉经同时，让一束硫磺粉和铅丹粉经同时，让一束硫磺粉和铅丹粉经同时，让一束硫磺粉和铅丹粉经过筛孔喷向这个晶体。结果会发过筛孔喷向这个晶体。结果会发过筛孔喷向这个晶体。结果会发过筛孔喷向这个晶体。结果会发现，晶体的一
61、端出现黄色，另一现，晶体的一端出现黄色，另一现，晶体的一端出现黄色，另一现，晶体的一端出现黄色，另一端变为红色端变为红色端变为红色端变为红色 坤特法显示电气石的热释电性 材料物理性能测试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性n n如果电气石不是在加热过程中，如果电气石不是在加热过程中，如果电气石不是在加热过程中，如果电气石不是在加热过程中，喷粉实验不会出现二种颜色喷粉实验不会出现二种颜色喷粉实验不会出现二种颜色喷粉实验不会出现二种颜色n n电气石是三方晶系电气石是三方晶系电气石是三方晶系电气石是三方晶系3m3m点群，结构点群，结构点群，结构点群，结构上只有唯一的三次旋转轴，具有
62、上只有唯一的三次旋转轴，具有上只有唯一的三次旋转轴，具有上只有唯一的三次旋转轴，具有自发极化。没有加热时，它们的自发极化。没有加热时，它们的自发极化。没有加热时，它们的自发极化。没有加热时，它们的自发极化电耦极矩完全被吸附的自发极化电耦极矩完全被吸附的自发极化电耦极矩完全被吸附的自发极化电耦极矩完全被吸附的空气中的电荷屏蔽掉了。但在加空气中的电荷屏蔽掉了。但在加空气中的电荷屏蔽掉了。但在加空气中的电荷屏蔽掉了。但在加热时，由于温度的变化，使自发热时，由于温度的变化，使自发热时，由于温度的变化，使自发热时，由于温度的变化，使自发极化改变，这屏蔽电荷失去平衡。极化改变，这屏蔽电荷失去平衡。极化改变
63、，这屏蔽电荷失去平衡。极化改变，这屏蔽电荷失去平衡。因此，晶体的一端的正电荷吸引因此，晶体的一端的正电荷吸引因此，晶体的一端的正电荷吸引因此，晶体的一端的正电荷吸引硫磺粉成黄色，另一端吸引铅丹硫磺粉成黄色，另一端吸引铅丹硫磺粉成黄色，另一端吸引铅丹硫磺粉成黄色，另一端吸引铅丹粉呈红色。粉呈红色。粉呈红色。粉呈红色。 材料物理性能测试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性n n热释电性是由于晶体中存在着自发极化所引起的热释电性是由于晶体中存在着自发极化所引起的热释电性是由于晶体中存在着自发极化所引起的热释电性是由于晶体中存在着自发极化所引起的自发极化：不是由外电场作用所引起的，而
64、是由于物质本自发极化：不是由外电场作用所引起的，而是由于物质本身的结构在某个方向项正负电荷重心不重合而固有的身的结构在某个方向项正负电荷重心不重合而固有的 自发极化矢量方向由负电荷重心指向正电荷重心，当温度自发极化矢量方向由负电荷重心指向正电荷重心，当温度变化时，引起晶体结构上正负电荷重心发生相对位移，变化时，引起晶体结构上正负电荷重心发生相对位移，从而使晶体的自发极化改变。从而使晶体的自发极化改变。 一般情况下，晶体自发极化所产生的表面束缚电荷被来自一般情况下，晶体自发极化所产生的表面束缚电荷被来自于大气中而附着在晶体外表面上的自由电荷所屏蔽，晶于大气中而附着在晶体外表面上的自由电荷所屏蔽，
65、晶体的电偶极矩显现不出来。只有当温度变化时，所引起体的电偶极矩显现不出来。只有当温度变化时，所引起的电矩改变不能被补偿的情况下，晶体两端就表现出荷的电矩改变不能被补偿的情况下，晶体两端就表现出荷电现象。电现象。 材料物理性能测试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性n n热释电效应产生的条件：热释电效应产生的条件：热释电效应产生的条件：热释电效应产生的条件： 一定使具有自发极化（固有极化）的晶体，在结构上应具一定使具有自发极化（固有极化）的晶体，在结构上应具有极轴有极轴晶体唯一的轴，在该轴的两端往往具有不同性晶体唯一的轴，在该轴的两端往往具有不同性质，且采用对称操作不能与其他晶
66、向重合的方向质，且采用对称操作不能与其他晶向重合的方向n n具有压电性的晶体不一定有热释电性具有压电性的晶体不一定有热释电性 当压电效应产生时，机械应力引起正、负电荷的重心产当压电效应产生时，机械应力引起正、负电荷的重心产生相对位移，而且一般说不同方向上位移大小是不相等的，生相对位移，而且一般说不同方向上位移大小是不相等的，因而出现净电偶极矩。而当温度变化时，晶体受热膨胀却因而出现净电偶极矩。而当温度变化时，晶体受热膨胀却在各个方向同时发生，并且在对称方向上必定有相等的膨在各个方向同时发生，并且在对称方向上必定有相等的膨胀系数。也就是说，在这些方向上所引起的正、负电荷重胀系数。也就是说，在这些
67、方向上所引起的正、负电荷重心的相对位移是相等的，也就是正、负电荷重心重合的现心的相对位移是相等的，也就是正、负电荷重心重合的现状并没有因为温度变化而改变，所以没有热释电现象状并没有因为温度变化而改变，所以没有热释电现象 材料物理性能测试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性n n材料热释电性的主要参量是热释电常量材料热释电性的主要参量是热释电常量材料热释电性的主要参量是热释电常量材料热释电性的主要参量是热释电常量P P n n当电场强度为当电场强度为E E的电场沿晶体的极轴方向加到的电场沿晶体的极轴方向加到晶体上，总电位移为晶体上，总电位移为 Ps为自发极化强度，为自发极化强度
68、，P诱为电场诱发的诱为电场诱发的令令E为常数，对为常数，对T进行微分，则进行微分，则 Pg为综合热释电系数为综合热释电系数 p为热释电常量为热释电常量 材料物理性能测试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性n n电极化强度和电介质所处的实际有效电场成正比电极化强度和电介质所处的实际有效电场成正比电极化强度和电介质所处的实际有效电场成正比电极化强度和电介质所处的实际有效电场成正比线性电介质线性电介质线性电介质线性电介质n n有些电介质的极化强度随外加电场呈现非线性变有些电介质的极化强度随外加电场呈现非线性变有些电介质的极化强度随外加电场呈现非线性变有些电介质的极化强度随外加电场呈
69、现非线性变化化化化 非线性电介质非线性电介质非线性电介质非线性电介质 铁电性铁电性 材料物理性能测试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性n n19201920年，法国人年，法国人年，法国人年，法国人ValasekValasek发现罗息盐发现罗息盐发现罗息盐发现罗息盐（酒石酸钾钠（酒石酸钾钠（酒石酸钾钠（酒石酸钾钠NaKC4H4O6NaKC4H4O6 4H4H2O2O）具有特异的介电）具有特异的介电）具有特异的介电）具有特异的介电性。其极化强度随外性。其极化强度随外性。其极化强度随外性。其极化强度随外加电场的变化有如右加电场的变化有如右加电场的变化有如右加电场的变化有如右图所示
70、的形状，称为图所示的形状，称为图所示的形状，称为图所示的形状，称为电滞回线，把具有这电滞回线，把具有这电滞回线，把具有这电滞回线，把具有这种性质的晶体成为铁种性质的晶体成为铁种性质的晶体成为铁种性质的晶体成为铁电体电体电体电体 n n由于电滞回线与铁磁由于电滞回线与铁磁由于电滞回线与铁磁由于电滞回线与铁磁体的磁滞回线相似，体的磁滞回线相似，体的磁滞回线相似，体的磁滞回线相似，故称之为铁电体。故称之为铁电体。故称之为铁电体。故称之为铁电体。 电滞回线示意图电滞回线示意图 铁电体的铁电体的 关系与关系与铁磁体的铁磁体的 类似类似 材料物理性能测试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特
71、性n n铁电体产生的宏观条件铁电体产生的宏观条件铁电体产生的宏观条件铁电体产生的宏观条件 电场极化；电场极化；电场极化；电场极化；无对称中心；无对称中心；无对称中心；无对称中心；自发极化；自发极化；自发极化；自发极化；极轴；极轴；极轴；极轴；电滞回线电滞回线电滞回线电滞回线 自发极化：自发极化：并无外电场作用、但体内有较强的电极化强度。并无外电场作用、但体内有较强的电极化强度。具有自发极化、且自发极化的方向可被外电场改变的晶体具有自发极化、且自发极化的方向可被外电场改变的晶体铁电体：铁电体：材料物理性能测试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性铁电性的起源：铁电性的起源： 如同
72、铁磁性的起源：铁电体中存在如同铁磁性的起源：铁电体中存在电畴电畴电畴：电畴：含有永久电偶极矩的小区，小区含有永久电偶极矩的小区，小区中各晶胞的电偶极矩方向相同中各晶胞的电偶极矩方向相同电畴具有强电畴具有强电偶极矩电偶极矩实际铁电体的各电畴的电偶极矩方向一般实际铁电体的各电畴的电偶极矩方向一般不同；铁电晶体通常宏观上对外不显电性不同；铁电晶体通常宏观上对外不显电性有许多晶粒组成的铁电陶瓷更是如此有许多晶粒组成的铁电陶瓷更是如此铁电体的极化：铁电体的极化：适当的高温适当的高温下、强直流电场的作用，下、强直流电场的作用，使各电畴的电矩沿外电场的方向取向，使各电畴的电矩沿外电场的方向取向，维持外场下维
73、持外场下缓慢冷却材料到室温缓慢冷却材料到室温适当的高温：适当的高温：电畴的取向可实现、又不会显著破坏已取向的电畴电畴的取向可实现、又不会显著破坏已取向的电畴维持外场、冷却到室温：维持外场、冷却到室温：冻结已取向的偶极子冻结已取向的偶极子材料物理性能测试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性铁电体居里温度：铁电体居里温度： 铁电体在铁电体在某一温度某一温度以上、失去铁电性以上、失去铁电性居里温度：居里温度：临界温度临界温度典型的铁电材料：典型的铁电材料：侧视图侧视图立体图立体图立方相：立方相：正负离子中心重合，正负离子中心重合，晶胞无电偶极矩、无铁电性晶胞无电偶极矩、无铁电性四方
74、相：四方相： 离子和周围离子和周围 离离子略向相反方向移动、产生方子略向相反方向移动、产生方向向上的永久电偶极矩。向向上的永久电偶极矩。材料物理性能测试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性n n一般电介质、具有压电性的电介质（压电体）、一般电介质、具有压电性的电介质（压电体）、一般电介质、具有压电性的电介质（压电体）、一般电介质、具有压电性的电介质（压电体）、具有热释电性的电介质（热释电体或热电体）、具有热释电性的电介质（热释电体或热电体）、具有热释电性的电介质（热释电体或热电体）、具有热释电性的电介质（热释电体或热电体）、具有铁电性的电介质（铁电体）。他们存在的宏具有铁电性
75、的电介质（铁电体）。他们存在的宏具有铁电性的电介质（铁电体）。他们存在的宏具有铁电性的电介质（铁电体）。他们存在的宏观条件对比观条件对比观条件对比观条件对比 一般一般电介介质压电体体热释电体体铁电体体电场极化极化电场极化极化电场极化极化电场极化极化无无对称中心称中心无无对称中心称中心无无对称中心称中心自自发极化极化自自发极化极化极极轴极极轴电滞回滞回线材料物理性能测试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性n n一般电介质、压电体、具有热释电性的电介质一般电介质、压电体、具有热释电性的电介质一般电介质、压电体、具有热释电性的电介质一般电介质、压电体、具有热释电性的电介质（热释电体
76、或热电体）、铁电体的关系（热释电体或热电体）、铁电体的关系（热释电体或热电体）、铁电体的关系（热释电体或热电体）、铁电体的关系 材料物理性能测试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性介电测量简介介电测量简介 n n根据电介质使用的目的不同，其主要测量根据电介质使用的目的不同，其主要测量的参数是不一样的的参数是不一样的电介质：重要测量其介电常数、介电损耗、介电介质：重要测量其介电常数、介电损耗、介电介质：重要测量其介电常数、介电损耗、介电介质：重要测量其介电常数、介电损耗、介电强度电强度电强度电强度 绝缘应用：介质强度绝缘应用：介质强度绝缘应用：介质强度绝缘应用：介质强度 铁电性
77、、压电性：电滞回线和压电表征参数铁电性、压电性：电滞回线和压电表征参数铁电性、压电性：电滞回线和压电表征参数铁电性、压电性：电滞回线和压电表征参数 材料物理性能测试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性n n电容率（介电常数）、介电损耗、介电强电容率（介电常数）、介电损耗、介电强度的测定度的测定 介电常数的测量可以采用电桥法、拍频法和谐介电常数的测量可以采用电桥法、拍频法和谐介电常数的测量可以采用电桥法、拍频法和谐介电常数的测量可以采用电桥法、拍频法和谐振法。振法。振法。振法。拍频法测定介电常数很准确，但不能同时测量拍频法测定介电常数很准确，但不能同时测量拍频法测定介电常数很准
78、确，但不能同时测量拍频法测定介电常数很准确，但不能同时测量介电损耗。介电损耗。介电损耗。介电损耗。普通电桥法可以测到普通电桥法可以测到普通电桥法可以测到普通电桥法可以测到MHzMHz下的介电常数。下的介电常数。下的介电常数。下的介电常数。阻抗分析仪可以进行从几赫到几百赫的介电测阻抗分析仪可以进行从几赫到几百赫的介电测阻抗分析仪可以进行从几赫到几百赫的介电测阻抗分析仪可以进行从几赫到几百赫的介电测量量量量 材料物理性能测试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性n n电滞回线的测量电滞回线的测量电滞回线的测量电滞回线的测量 电滞回线为铁电材料电滞回线为铁电材料电滞回线为铁电材料电滞
79、回线为铁电材料提供矫顽场、饱和极提供矫顽场、饱和极提供矫顽场、饱和极提供矫顽场、饱和极化强度、剩余极化强化强度、剩余极化强化强度、剩余极化强化强度、剩余极化强度和电滞损耗的信息，度和电滞损耗的信息，度和电滞损耗的信息，度和电滞损耗的信息，对于研究铁电材料动对于研究铁电材料动对于研究铁电材料动对于研究铁电材料动态应用（材料电疲劳）态应用（材料电疲劳）态应用（材料电疲劳）态应用（材料电疲劳）是极其重要的。测量是极其重要的。测量是极其重要的。测量是极其重要的。测量电滞回线的方法主要电滞回线的方法主要电滞回线的方法主要电滞回线的方法主要是借助与是借助与是借助与是借助与Sawyer-Sawyer-Tow
80、erTower回路，其线回路，其线回路，其线回路，其线路测试原理如图所示路测试原理如图所示路测试原理如图所示路测试原理如图所示 材料物理性能测试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性n n压电性的测量压电性的测量压电性的测量压电性的测量 电测法电测法电测法电测法声测法声测法声测法声测法力测法力测法力测法力测法光测法光测法光测法光测法动态法是用交流信号激发样品，使之处于特定的振东模动态法是用交流信号激发样品，使之处于特定的振东模动态法是用交流信号激发样品，使之处于特定的振东模动态法是用交流信号激发样品，使之处于特定的振东模式，然后测定谐振及反谐振特征频率，并采用适当的计式，然后测
81、定谐振及反谐振特征频率，并采用适当的计式，然后测定谐振及反谐振特征频率，并采用适当的计式，然后测定谐振及反谐振特征频率，并采用适当的计算便可获得压电参量的数值。算便可获得压电参量的数值。算便可获得压电参量的数值。算便可获得压电参量的数值。 动态法动态法动态法动态法静态法静态法静态法静态法准静态法准静态法准静态法准静态法材料物理性能测试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性n n平面机电耦合系数平面机电耦合系数KP 传输线路法样品为圆片试样，且直径样品为圆片试样，且直径样品为圆片试样，且直径样品为圆片试样，且直径 与厚度与厚度与厚度与厚度t t之比要大于之比要大于之比要大于之比要
82、大于1010 主电极面为上、下两个平行平面，极化方向与外主电极面为上、下两个平行平面，极化方向与外主电极面为上、下两个平行平面，极化方向与外主电极面为上、下两个平行平面，极化方向与外加电场方向平行加电场方向平行加电场方向平行加电场方向平行 材料物理性能测试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性n n平面机电耦合系数平面机电耦合系数KP 传输线路法利用检测仪测定样品的谐振频率利用检测仪测定样品的谐振频率利用检测仪测定样品的谐振频率利用检测仪测定样品的谐振频率frfr和反谐振频率和反谐振频率和反谐振频率和反谐振频率fafa，并按下式计算，并按下式计算，并按下式计算，并按下式计算KK
83、P P a和和b为样品振动模式相关的系数。对于圆片径向振动，为样品振动模式相关的系数。对于圆片径向振动，a=0.395,b=0.574 材料物理性能测试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性n n压电应变常量压电应变常量d33和和d31 传输线路法D33D33：采用准静态法测试；样品规格与测定：采用准静态法测试；样品规格与测定：采用准静态法测试；样品规格与测定：采用准静态法测试；样品规格与测定KpKp样品相同样品相同样品相同样品相同, ,测试误差测试误差测试误差测试误差 2%2% 压电常量压电常量压电常量压电常量d31:d31:没有直接测量仪器，是根据公式计没有直接测量仪器，是
84、根据公式计没有直接测量仪器，是根据公式计没有直接测量仪器，是根据公式计算的算的算的算的 材料物理性能测试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性n nd31采用动态法测试的样品为条状，尺寸条件是样品采用动态法测试的样品为条状，尺寸条件是样品采用动态法测试的样品为条状，尺寸条件是样品采用动态法测试的样品为条状，尺寸条件是样品的长度和宽度之比大于的长度和宽度之比大于的长度和宽度之比大于的长度和宽度之比大于5 5，长度和厚度之比大于，长度和厚度之比大于，长度和厚度之比大于，长度和厚度之比大于1010。极化方向与电场方向相互平行，电极面为上、。极化方向与电场方向相互平行，电极面为上、。极
85、化方向与电场方向相互平行，电极面为上、。极化方向与电场方向相互平行，电极面为上、下两平行平面。具体步骤如下：下两平行平面。具体步骤如下：下两平行平面。具体步骤如下：下两平行平面。具体步骤如下： （1）用排水法测出样品的体积密度）用排水法测出样品的体积密度 ；（2）用传输线路法测出样品的谐振频率）用传输线路法测出样品的谐振频率fr和反谐振频率和反谐振频率fa；（3）算出样品在恒电场下（短路）的弹性柔顺系数）算出样品在恒电场下（短路）的弹性柔顺系数 l为样品长度；为样品长度； 为样品密度为样品密度fr为样品谐振频率为样品谐振频率 （4）按下式算出样品的机电耦合系数）按下式算出样品的机电耦合系数K31 材料物理性能测试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性（5）测出样品的自由电容测出样品的自由电容CT，并计算出自由电容，并计算出自由电容率率（6）算出）算出K31、 和和 后，按下式算出后，按下式算出d31 材料物理性能测试技术讲课材料物理性能测试技术讲课- -介电特性介电特性
