材料物理性能測試技術講課-介電特性

1、電介質：電介質：電容的單位是法拉，簡稱法，符號是電容的單位是法拉，簡稱法，符號是F, 毫法毫法(mF)、微法、微法(F)、納法、納法(nF) 和皮法和皮法(pF)()()(VVCQFCdAVAdVVQC/)/(000AdVEAqAQ)/(00q為單位面積電荷；為單位面積電荷；d為平板間距（為平板間距（m）；）；A為面積（為面積（m2）；）；V為平板上電壓（為平板上電壓（V） dACCrr/00 r為相對介電常數(shù)；為相對介電常數(shù)； ( 0 r)為介電材料的電容率，或稱介為介電材料的電容率，或稱介電常數(shù)（單位為電常數(shù)（單位為C2/m2或或F/m） 平板電容器中的電容（a）真空平板電容器；（b）平板

2、電容器中的介電材料電偶極子：具有一個正極和一個負極的分子或結構電偶極子：具有一個正極和一個負極的分子或結構qlq為所含電量；為所含電量；L為正負電荷重心距離為正負電荷重心距離 p 極性分子電介質，由于極性分子電介質，由于分子的正負電荷中心不分子的正負電荷中心不重合，存在電偶極矩；重合，存在電偶極矩；p 對于非極性分子電解質，對于非極性分子電解質，由于外界作用，正負電由于外界作用，正負電荷中心瞬時分離，也產荷中心瞬時分離，也產生電偶極距生電偶極距。電介質極化的機制電介質極化的機制電子極化，離子極化，電偶極子取向，空間電荷極化，分別對應電子、原子、電子極化，離子極化，電偶極子取向，空間電荷極化，分

3、別對應電子、原子、分子和空間電荷情況。分子和空間電荷情況。位移極化，由電子或離子位移產生電偶極距而產生的極化。分為電子位移極位移極化，由電子或離子位移產生電偶極距而產生的極化。分為電子位移極化和離子位移極化?；碗x子位移極化。這種極化可以在光頻下進行，這種極化可以在光頻下進行，1010-14-14-10-10-10-10S S 可逆可逆 與溫度無關與溫度無關 產生于所有材料中產生于所有材料中 電子極化率的大小與原子電子極化率的大小與原子( (離子離子) )的半徑有關的半徑有關極化可以在光頻下進行，極化可以在光頻下進行，1010-14-14-10-10-10-10S S 可逆可逆 與溫度無關與溫

4、度無關 產生于所有材料中產生于所有材料中 電子極化率的大小與原子電子極化率的大小與原子( (離子離子) )的半徑的半徑有關有關E-+d+-所有電子都發(fā)生所有電子都發(fā)生、3034Re:R原子或離子半徑原子或離子半徑電子軌道位移電子軌道位移原子正、負電原子正、負電中心不再重合中心不再重合+-+-+-+-E0341naa結合鍵被拉長結合鍵被拉長E熱運動：無序熱運動：無序電電 場：有序場：有序+無電場無電場無電場時無電場時有極分子的取向雜有極分子的取向雜亂無章，宏觀上電亂無章，宏觀上電介質對外不顯電性介質對外不顯電性E0有電場有電場有外電場時有外電場時在外電場力矩作用下，偶在外電場力矩作用下，偶極子（

5、有極分子）轉向電極子（有極分子）轉向電場的方向，場強越強偶極場的方向，場強越強偶極子的取向與電場越一致。子的取向與電場越一致。分子的熱運動會破分子的熱運動會破壞分子排列有序化壞分子排列有序化溫度不太高、外電場不太強時，平溫度不太高、外電場不太強時，平衡狀態(tài)下有極分子的取向極化率：衡狀態(tài)下有極分子的取向極化率：kT3200:0分子的固有偶極矩，分子的固有偶極矩，:kBoltzman 常數(shù)常數(shù)（3 3） 外電場的頻率：某種機制都是在不同的外電場的頻率：某種機制都是在不同的時間量級內發(fā)生的，只有在某個領域頻率范圍時間量級內發(fā)生的，只有在某個領域頻率范圍內才有顯著的貢獻。內才有顯著的貢獻。離子、取向極

6、化原子種類和鍵合類型空間電荷極化面缺陷光學性質電子極化離子極化電磁波譜中可見光的輻射紅外波段介電性質空間電荷極化取向極化亞紅外波段低頻波段1015Hz1012Hz1013Hz1011Hz1012Hz10-3Hz103HzdAC 代表板間電介質的性能代表板間電介質的性能 1 1）材料因素：）材料因素： 材料在電場中被極化的能力材料在電場中被極化的能力 2 2）尺寸因素：）尺寸因素： d d 和和A A ：平板間的距離和面積：平板間的距離和面積0CCr無量綱的正數(shù)無量綱的正數(shù) 00CCrdACCrr/00dAVQC/00如果介電介質為真空如果介電介質為真空VP為電介質中所有電耦極矩的矢量和；為電介

7、質中所有電耦極矩的矢量和；電耦極矩所在空間的體積；電耦極矩所在空間的體積；P的單位為的單位為C/m2 V為為P的單位為的單位為C/m2 PNAqlANmmEPe0E為電場強度，為電場強度， 0為真空介電常數(shù)，為真空介電常數(shù)， e為電極化率。為電極化率。 介電常數(shù)跌落的頻率范圍稱為反常色散區(qū)介電常數(shù)跌落的頻率范圍稱為反常色散區(qū) kT3200在靜電場作用下取向極化率隨溫度提高而降低，所以電在靜電場作用下取向極化率隨溫度提高而降低，所以電介質的靜電介電常數(shù)必然隨溫度的提高而減小介質的靜電介電常數(shù)必然隨溫度的提高而減小 溫度較低時，介電常數(shù)隨溫度的提高而增大溫度較低時，介電常數(shù)隨溫度的提高而增大溫度較

8、高時，介電常數(shù)又隨溫度的提高而減小溫度較高時，介電常數(shù)又隨溫度的提高而減小因為熱對取向極化有兩方面的作用：一方面熱有利于分子因為熱對取向極化有兩方面的作用：一方面熱有利于分子運動，縮短取向極化的弛豫時間，有利于取向極化跟上電運動，縮短取向極化的弛豫時間，有利于取向極化跟上電場的變化，使介電常數(shù)增大；另一方面，熱有對抗外電場場的變化，使介電常數(shù)增大；另一方面，熱有對抗外電場的作用，破壞分子沿電場方向取向的趨勢，使介電常數(shù)減的作用，破壞分子沿電場方向取向的趨勢，使介電常數(shù)減小。在溫度較低時，前者起主導作用；而溫度較高時，后小。在溫度較低時，前者起主導作用；而溫度較高時，后者起主導作用。者起主導作用

9、。 逆壓電效應與電致伸縮逆壓電效應與電致伸縮 SiO正壓電效應本質：正壓電效應本質：外力改變了晶體中的離子原來的外力改變了晶體中的離子原來的相對位置、在特定的方向上產生相對位置、在特定的方向上產生束縛電荷、出現(xiàn)凈電偶極矩束縛電荷、出現(xiàn)凈電偶極矩中心對稱的晶體受力時不會改變其中心對稱性、無壓電效應中心對稱的晶體受力時不會改變其中心對稱性、無壓電效應壓電晶體：壓電晶體：結構上結構上必須是無對稱中心；必須是無對稱中心；組成上組成上必必須是離子、或離子性原子、或須是離子、或離子性原子、或含離子基團的分子含離子基團的分子分子晶體分子晶體dP 式中，P為壓電晶體在應力作用下產生的極化強度；d為材料壓電效應

10、的大?。籨為張量材料的壓電性能一般是各向異性的。 mmmWWQ2輸入的電能機械能通過逆壓電效應轉換的2K輸入的機械能電能通過正壓電效應轉換的2K坤特法顯示電氣石的熱釋電性 )(00誘PPEPEDsPs為自發(fā)極化強度，為自發(fā)極化強度，P誘為電場誘發(fā)的誘為電場誘發(fā)的ExPe0誘EPExPEDses00令令E為常數(shù)，對為常數(shù)，對T進行微分，則進行微分，則 TEpPgPg為綜合熱釋電系數(shù)為綜合熱釋電系數(shù) p為熱釋電常量為熱釋電常量 EPe0電滯回線示意圖電滯回線示意圖 鐵電體的鐵電體的 關系與關系與鐵磁體的鐵磁體的 類似類似 EP HM 自發(fā)極化：自發(fā)極化：并無外電場作用、但體內有較強的電極化強度。并

11、無外電場作用、但體內有較強的電極化強度。具有自發(fā)極化、且自發(fā)極化的方向可被外電場改變的晶體具有自發(fā)極化、且自發(fā)極化的方向可被外電場改變的晶體鐵電體：鐵電體：鐵電性的起源：鐵電性的起源： 如同鐵磁性的起源：鐵電體中存在如同鐵磁性的起源：鐵電體中存在電疇電疇電疇：電疇：含有永久電偶極矩的小區(qū)，小區(qū)含有永久電偶極矩的小區(qū)，小區(qū)中各晶胞的電偶極矩方向相同中各晶胞的電偶極矩方向相同電疇具有強電疇具有強電偶極矩電偶極矩實際鐵電體的各電疇的電偶極矩方向一般實際鐵電體的各電疇的電偶極矩方向一般不同；鐵電晶體通常宏觀上對外不顯電性不同；鐵電晶體通常宏觀上對外不顯電性有許多晶粒組成的鐵電陶瓷更是如此有許多晶粒組成

12、的鐵電陶瓷更是如此鐵電體的極化：鐵電體的極化：適當?shù)母邷剡m當?shù)母邷叵?、強直流電場的作用，下、強直流電場的作用，使各電疇的電矩沿外電場的方向取向，使各電疇的電矩沿外電場的方向取向，維持外場下維持外場下緩慢冷卻材料到室溫緩慢冷卻材料到室溫適當?shù)母邷兀哼m當?shù)母邷兀弘姰牭娜∠蚩蓪崿F(xiàn)、又不會顯著破壞已取向的電疇電疇的取向可實現(xiàn)、又不會顯著破壞已取向的電疇維持外場、冷卻到室溫：維持外場、冷卻到室溫：凍結已取向的偶極子凍結已取向的偶極子鐵電體居里溫度：鐵電體居里溫度： 鐵電體在鐵電體在某一溫度某一溫度以上、失去鐵電性以上、失去鐵電性居里溫度：居里溫度：臨界溫度臨界溫度CT典型的鐵電材料：典型的鐵電材料：3B

13、aTiOCToC1204Ti2O2Banm398. 0nm403. 0nm398. 0側視圖側視圖立體圖立體圖CTToC120立方相：立方相：正負離子中心重合，正負離子中心重合，晶胞無電偶極矩、無鐵電性晶胞無電偶極矩、無鐵電性CTToC120四方相：四方相： 離子和周圍離子和周圍 離離子略向相反方向移動、產生方子略向相反方向移動、產生方向向上的永久電偶極矩。向向上的永久電偶極矩。4Ti2O一般電介質一般電介質壓電體壓電體熱釋電體熱釋電體鐵電體鐵電體電場極化電場極化電場極化電場極化電場極化電場極化電場極化電場極化無對稱中心無對稱中心無對稱中心無對稱中心無對稱中心無對稱中心自發(fā)極化自發(fā)極化自發(fā)極化自發(fā)極化極軸極軸極軸極軸電滯回線電滯回線 bfffaKtraP21a和和b為樣品振動模式相關的系數(shù)。對于圓片徑向振動，為樣品振動模式相關的系數(shù)。對于圓片徑向振動，a=0.395,b=0.574 （1）用排水法測出樣品的體積密度）用排水法測出樣品的體積密度 ；（2）用傳輸線路法測出樣品的諧振頻率）用傳輸線路法測出樣品的諧振頻率fr和反諧振頻率和反諧振頻率fa；（3）算出樣品在恒電場下（短路）的彈性柔順系數(shù)）算出樣品在恒電場下（短路）的彈性柔順系數(shù) ES