【正文】 聚乙烯 二氧化鈦 100 103 (2) Dielectric Property 某些介電材料的性能 104 (3) Ferroelectricity 鐵電性與壓電性Ferroelectricity and Piezoelectricity 在一些電介質(zhì)晶體中，晶胞的結(jié)構(gòu)使正負(fù)電荷重心不重合而出現(xiàn)電偶極矩，產(chǎn)生不等于零的電極化強(qiáng)度，使晶體具有自發(fā)極化，晶體的這種性質(zhì)叫 鐵電性 。 ? 材料的介電常數(shù)越大，其介電強(qiáng)度不一定高； 電介質(zhì)的電導(dǎo)越大，介電損耗也越高。 介電損耗 電導(dǎo)損耗 介質(zhì)極化損耗 2EP ??靜電場(chǎng)中 交變電場(chǎng)中 電導(dǎo)損耗 電導(dǎo)損耗 電導(dǎo)損耗 并聯(lián)等效電路 串聯(lián)等效電路 引起介電損耗的微觀機(jī)制 普通無(wú)機(jī)晶體介質(zhì) (NaCl, SiO2等 ) 只有位移極化，損耗來(lái)源：離子電導(dǎo)，與電導(dǎo)率成正比 無(wú)定形玻璃介質(zhì) 電導(dǎo)損耗、松弛損耗和結(jié)構(gòu)損耗（ SiO網(wǎng)絡(luò)變形） 多晶陶瓷 離子電導(dǎo)，松弛損耗和夾層損耗 多相復(fù)合介質(zhì) 界面電荷積累 —— “ 夾層極化” 有損耗電容器的等效電路和向量圖 并聯(lián)等效電路 串聯(lián)等效電路 損耗角和損耗因素 向量圖 δ—— 損耗角 tan δ —— 損耗因素 理想（真空）電容器無(wú)損耗， δ=0； δ越大，說(shuō)明介質(zhì)損耗越大。 表面電導(dǎo)：表示介質(zhì)抵抗沿表面漏電的性能。 固體介質(zhì)擊穿的一般規(guī)律： ? 固體介質(zhì)的擊穿電場(chǎng)大于液體和氣體介質(zhì) Eb（氣體） =3?106 V/m Eb（液體） =107~108 V/m Eb（固體） =108~109 V/m ? 固體介質(zhì)擊穿是永久性的 ? 從擊穿過(guò)程看： 電場(chǎng)的破壞 ——變成導(dǎo)體 ——電擊穿； 介質(zhì)本身的破壞： a）熱破壞 ——熱擊穿； b）機(jī)械破壞 ——機(jī)械擊穿 ③ 電介質(zhì)的電導(dǎo) 電介質(zhì)中的帶電質(zhì)點(diǎn)在電場(chǎng)作用下做定向遷移形成的。 主要特性： ?擊穿場(chǎng)強(qiáng)高（大致在 5～ 15MV/cm范圍），實(shí)用絕緣系統(tǒng)是不可能達(dá)到的 ?在一定溫度范圍內(nèi)，擊穿場(chǎng)強(qiáng)隨溫度升高而增大，或變化不大 意義 ?反映了固體介質(zhì)耐受電場(chǎng)作用能力的最大限度 ?僅與材料的化學(xué)組成及性質(zhì)有關(guān)，材料的特性參數(shù)之一，又稱為 耐電 強(qiáng)度或電氣強(qiáng)度 （三）不均勻電介質(zhì)的擊穿 包括固體、液體或氣體組合構(gòu)成的絕緣結(jié)構(gòu)中的一種 擊穿形式 。 （一）熱擊穿 由于電介質(zhì)內(nèi)部 熱的不穩(wěn)定 過(guò)程所造成的。 電容 ① 介電常數(shù)（ dielectric coefficient） ② 介電強(qiáng)度 擊穿 指當(dāng)施加于電介質(zhì)上的電場(chǎng)強(qiáng)度或電壓增大到一定 程度時(shí)，電介質(zhì)由介電狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài)的現(xiàn)象。 極化形式 發(fā)生極化的電介質(zhì) 極化的頻率范圍 和溫度的關(guān)系 能量消耗 電子位移極化 一切陶瓷介質(zhì)中 直流 光頻 無(wú)關(guān) 沒(méi)有 離子位移極化 離子結(jié)構(gòu)介質(zhì) 直流 紅外 溫度升高，極化增強(qiáng) 很微弱 離子松弛極化 離子結(jié)構(gòu)的玻璃、結(jié)構(gòu)不緊密的晶體及陶瓷 直流 超高頻 隨溫度變化有極大值 有 電子松弛極化 鈦質(zhì)瓷、高價(jià)金屬氧化物基陶瓷 直流 超高頻 隨溫度變化有極大值 有 轉(zhuǎn)向極化 有機(jī)材料 直流 超高頻 隨溫度變化有極大值 有 空間電荷極化 結(jié)構(gòu)不均勻的陶瓷介質(zhì) 直流 超高 隨溫度升高而減弱 有 自發(fā)極化 溫度低于居里點(diǎn)的鐵電體 直流 超高頻 隨溫度變化有顯著極大值 很大 各種極化形式的綜合比較 電介質(zhì) 極性材料 非極性材料 只有位移極化的電介質(zhì) 有轉(zhuǎn)向極化的電介質(zhì) 根據(jù)極化類型對(duì)電介質(zhì)進(jìn)行分類 微觀上， 根據(jù)參加極化的微觀粒子的種類，電介質(zhì)的分子極化可分為三類： 電子位移極化 ； 離子位移極化 ； 電偶極子轉(zhuǎn)向極化 。 離子位移極化模型（一維） 離子極化結(jié)論： ③ 偶極子轉(zhuǎn)向極化和極化率 當(dāng)極性分子受外電場(chǎng)作用時(shí)，偶極子就會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，由于偶極子與電場(chǎng)方向相同時(shí)具有最小位能，于是就電介質(zhì)整體來(lái)看，偶極矩不再等于零，而 出現(xiàn)沿電場(chǎng)方向的宏觀偶極矩，這種極化現(xiàn)象稱為偶極子轉(zhuǎn)向極化。 q +q E K = ? 當(dāng)位移不是很大時(shí) 可將正負(fù)離子間的恢復(fù)力看成為準(zhǔn)彈性力 qE kx?根據(jù)正、負(fù)離子對(duì)的固有諧振頻率用實(shí)驗(yàn)方法求解 k值。在光頻下，只有電子極化，介質(zhì)的光折射率為： ea② 離子位移極化和極化率 離子晶體的介電常數(shù)值比 n2值大的多，如 CaF2 110114 TiO2 KCl 介電常數(shù) n2 因此，必然存在電子極化外的其他極化機(jī)制。 E 電子位移極化 在外電場(chǎng)作用下，構(gòu)成原子外圍的 電子云相對(duì)于原子核發(fā)生位移 e qd? ?感應(yīng)偶極矩： 平衡建立后 ZeE332043( ) ( ) ( )41 34xZe Zeax??????304 axEZe???Q Q x a 以電子云中心為參考點(diǎn)，核沿電場(chǎng)方向移動(dòng) x，使核移動(dòng)的電場(chǎng)力為 核移動(dòng)后，受到電子云的庫(kù)侖力為 304Z e x a E? ? ???與溫度無(wú)關(guān) Q Q x a 電偶極矩 304e aa ? ??電子極化率：由電子產(chǎn)生的偶極矩與作用于該原子的電場(chǎng)強(qiáng)度之比。 + + + + + + + + + + ? ?000/ /V d AQC A dVV? ?? ? ?0rCC??插入電介質(zhì) 束縛電荷 在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生束縛電荷 (bound charge)的現(xiàn)象稱為 電介質(zhì)的極化 。 介電強(qiáng)度： 是指在強(qiáng)電場(chǎng)下可能導(dǎo)致電介質(zhì)的破壞。 電導(dǎo)： 是指電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下存在泄露電流。諸多不足之處，吾人當(dāng)自省。嘆我介電學(xué)科，相對(duì)滯后，極化之類基本問(wèn)題，仍未徹底解開(kāi)。故對(duì)極化的研究是介質(zhì)物理的 主要任務(wù)。 載流子： 導(dǎo)體的載流子為電子；半導(dǎo)體的載流子為電子和空穴； 電介質(zhì)的載流子主要為離子。 電介質(zhì) 導(dǎo)體 高電場(chǎng)作用 電介質(zhì)的特征 從電場(chǎng)特性來(lái)看 （ a）導(dǎo)體中：內(nèi)部電場(chǎng)為零（平衡狀態(tài)），電場(chǎng)終止于 導(dǎo)體表面并與表面垂直。 銅 S/m ?米 /歐 銀 100 銅 99 金 74 鋁 61 鋅 27 鐵 17 鉛 64 Electrical property 能帶理論（ Band Theory） 能帶的形成 65 各種材料的能帶結(jié)構(gòu) 66 Electrical property 介 電性能 Dielectric Property 電容 C（ capacitance） —— 電荷量 q與電壓 V的比值： 平板電容計(jì)算： C =? (A/L) ? ?： 介電常數(shù)，表征材料極化和儲(chǔ)存電荷的能力 ； ? 相對(duì)介電常數(shù) ?r： ?r=?/?0 (介質(zhì)常數(shù)、介電系數(shù)或電容率 ) C=q/V ε0=*1012,F/m ? 電介質(zhì)的定義與特征 ? 電介質(zhì)的極化 ? 電介質(zhì)的基本常數(shù) ? 電介質(zhì)的應(yīng)用 1. 電介質(zhì)的定義與基本特征 在電場(chǎng)作用下，束縛電荷起主要作用的物質(zhì)，稱電介質(zhì)。 ? 高分子材料熱導(dǎo)率很低 – 熱傳導(dǎo)是靠分子鏈節(jié)及鏈段運(yùn)動(dòng)的傳遞，其對(duì)能量傳遞的效果較差。 ? 半導(dǎo)體材料的熱傳導(dǎo)： – 電子與聲子的共同貢獻(xiàn) – 低溫時(shí)，聲子是熱能傳導(dǎo)的主要載體。 – 熱傳導(dǎo)依賴于晶格振動(dòng)（聲子）的轉(zhuǎn)播。 58 Examples ? 熱量通量 q ： ? 熱導(dǎo)率 ?：表征物質(zhì)熱傳導(dǎo)性能的物理量。 ? 線膨脹系數(shù) al和體積膨脹系數(shù) aV 1 lpllTa?? ? ? ?? ? ? ? ??? ? ? ?1VpVVTa?? ? ? ?? ? ? ? ??? ? ? ? 熱 膨脹 thermal expansion 56 Curve 勢(shì)能一原子間距離曲線 假想的 實(shí)際的 熱膨脹現(xiàn)象解釋 57 Curve ? 金屬和無(wú)機(jī)非金屬材料的線膨脹系數(shù)較小； ? 聚合物材料則較大。 疲勞曲線 (SN曲線 ) ?熱容（ heat capacity） ?熱膨脹（ thermal expansion） ?熱傳導(dǎo)（ thermal conduction） 53 熱性能 Thermal Property 54 ? 定壓熱容 Cp – 晶體材料較高溫度下： Cp=3R= J?mol1?K1。 牙釉質(zhì)和牙骨質(zhì)構(gòu)成 齒冠的外層 ，莫氏硬度為 6～ 7，主要成分為羥基磷灰石。 ? 高分子材料硬度通常較低 – 分子鏈之間主要以范德華力或氫鍵結(jié)合，鍵力較弱 Chapter3 Properties of Materials 51 1882年德國(guó)礦物學(xué)家莫爾 列出 10種礦物作為硬度標(biāo)準(zhǔn)。 – 源于共價(jià)鍵的方向性 47 材料的硬度（ hardness) —— 材料局部抵抗硬物壓入其表面的能力的量度 ? 布氏硬度（ Brinell hardness） ? 洛氏硬度（ Rockwell hardness） HR=(Kh)/ ? 維氏硬度（ Vickers hardness） HV=22( / 2 ) ( )iFD D D D?? ?? ??材料彈性、塑性、強(qiáng)度和韌性等力學(xué)性能的綜合指標(biāo) 劃痕法（莫氏硬度），靜壓法，回跳法（肖氏硬度） 48 維氏硬度測(cè)量 49 硬度試驗(yàn) 50 各種材料的硬度特征： ? 由共價(jià)鍵結(jié)合的材料如金剛石具有很高的硬度，這是因?yàn)楣矁r(jià)鍵的強(qiáng)度較高； ? 無(wú)機(jī)非金屬材料有較高硬度 – 離子鍵和共價(jià)鍵的強(qiáng)度均較高； – 當(dāng)含有價(jià)態(tài)較高而半徑較小的離子時(shí)，所形成的離子鍵強(qiáng)度較高（因靜電引力較大），故材料的硬度更高。 ? 固溶體或合金的強(qiáng)度高于純金屬； – 雜質(zhì)原子的存在對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)具有牽制作用。 s L a w )E???ultimate tensile strength yield