無(wú)機(jī)材料物理性能

無(wú)機(jī)材料物理性能第一頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日無(wú)機(jī)材料的介電性能第七章第二頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日電學(xué)性能：

電導(dǎo)性能介電性能第三頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日概述電介質(zhì)：在電場(chǎng)作用下，能建立極化的一切物質(zhì)。通常是指電阻率大于1010·cm的一類(lèi)在電場(chǎng)中以感應(yīng)而并非傳導(dǎo)的方式呈現(xiàn)其電學(xué)性能的物質(zhì)。陶瓷電介質(zhì)的主要應(yīng)用：電子電路中的電容元件、電絕緣體、諧振器。某些具有特殊性能的材料，如：具有壓電效應(yīng)、鐵電效應(yīng)、熱釋電效應(yīng)等特殊功能的電介質(zhì)材料在電聲、電光等技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。電介質(zhì)的主要性能：介電常數(shù)、介電損耗因子、介電強(qiáng)度。目前的發(fā)展方向：新型器件的研制、提高使用頻率范圍、擴(kuò)大環(huán)境條件范圍，特別是溫度范圍。第四頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日電介質(zhì)主要包括：1）絕緣體：絕緣，建立電場(chǎng)，防腐蝕，防輻射；2）許多半導(dǎo)體：高純硅和鍺，摻雜半導(dǎo)體（有損耗）；3）高頻下的金屬薄膜：高損耗。第五頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日對(duì)陶瓷而言，電介質(zhì)陶瓷可包括：1）電絕緣瓷（裝置瓷）：主要起固定、支撐、絕緣、保護(hù)等作用。2）電容器瓷：廣泛應(yīng)用于家電、通信、工業(yè)儀表等領(lǐng)域；如電子電路中的電容元件、諧振器等。3）壓電陶瓷、鐵電陶瓷、熱釋電陶瓷等：在電聲、電光等技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。第六頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日評(píng)價(jià)電介質(zhì)的主要電學(xué)性能指標(biāo)1）介電常數(shù)2）介電強(qiáng)度3）損耗因數(shù)4）體電阻率與表面電阻率第七頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日無(wú)機(jī)材料與有機(jī)塑料比較：

有機(jī)塑料:便宜、易制成更精確的尺寸；

無(wú)機(jī)材料:具有優(yōu)良的電性能;室溫時(shí)在應(yīng)力作用下，無(wú)蠕變或形變;有較大的抵抗環(huán)境變化能力（特別是在高溫下，塑料常會(huì)氧化、氣化或分解）;能夠與金屬進(jìn)行氣密封接而成為電子器件不可缺少的部分。第八頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日6.1介質(zhì)的極化一、極化現(xiàn)象及其物理量1、極化定義一（宏觀）：在外電場(chǎng)作用下，介質(zhì)表面產(chǎn)生束縛電荷（極化電荷）的現(xiàn)象稱為電介質(zhì)的極化。第九頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日定義二（微觀）：在外電場(chǎng)作用下，介質(zhì)內(nèi)質(zhì)點(diǎn)(原子、分子、離子)正負(fù)電荷重心分離，從而轉(zhuǎn)變成偶極子的現(xiàn)象。偶極子：由大小相等、符號(hào)相反、彼此相距為l的兩電荷(+q、-q)所組成的系統(tǒng)。為正負(fù)偶極總稱。其極性大小和方向常用偶極矩來(lái)表示單位：德拜(D或庫(kù)侖.米)。1D表示單位正、負(fù)電荷間距為0.2×10-8

cm時(shí)的偶極矩。電偶極矩的方向：負(fù)電荷指向正電荷。電偶極矩的方向與外電場(chǎng)的方向一致。第十頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日真空－++++－－－E－++++－－－－++－－++－+－+－+－+－+－+－+－+－自由電荷+－偶極子束縛電荷具有一系列偶極子和束縛電荷的極化現(xiàn)象極化現(xiàn)象

介質(zhì)的極化第十一頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日電極化：在外電場(chǎng)作用下，介質(zhì)內(nèi)的質(zhì)點(diǎn)（原子、分子、離子）正負(fù)電荷重心的分離，使其轉(zhuǎn)變成偶極子的過(guò)程?；蛟谕怆妶?chǎng)作用下，正、負(fù)電荷盡管可以逆向移動(dòng)，但它們并不能掙脫彼此的束縛而形成電流，只能產(chǎn)生微觀尺度的相對(duì)位移并使其轉(zhuǎn)變成偶極子的過(guò)程。偶極子：構(gòu)成質(zhì)點(diǎn)的正負(fù)電荷沿電場(chǎng)方向在有限范圍內(nèi)短程移動(dòng)，形成一個(gè)偶極子。第十二頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日2、介電常數(shù)以平板電容器為例。真空中，電容器電容C0為：加入電介質(zhì)后，電容為：0：真空介電常數(shù)8.8510-12F.m-1：介質(zhì)的介電常數(shù)r：相對(duì)介電常數(shù)故有：第十三頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日3、極化率極化率：?jiǎn)挝浑妶?chǎng)強(qiáng)度下，質(zhì)點(diǎn)電偶極矩的大小稱為質(zhì)點(diǎn)的極化率，用α表示。(法.米2)

局部電場(chǎng)Eloc

：作用在微觀質(zhì)點(diǎn)上的局部電場(chǎng)。α：反映材料的極化能力，與材料性質(zhì)有關(guān)。第十四頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日4、極化強(qiáng)度極化強(qiáng)度：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)的電偶極矩總和稱為極化強(qiáng)度，用P表示?；蚴`電荷的面密度。(庫(kù).米-2)

單位與電荷面密度單位相同。對(duì)平板電容器內(nèi)的均勻介質(zhì)，其極化強(qiáng)度等于極化產(chǎn)生的束縛電荷面密度。第十五頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日介質(zhì)單位體積中的極化質(zhì)點(diǎn)數(shù)為n，由于每一偶極子的電偶極矩具有同一方向，則：P與宏觀平均電場(chǎng)E成正比——電介質(zhì)極化系數(shù)第十六頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日宏觀電場(chǎng)E一、是外加電場(chǎng)；二、是構(gòu)成物體的所有質(zhì)點(diǎn)電荷的電場(chǎng)之和原子位置上的局部電場(chǎng)Eloc(有效電場(chǎng))

第十七頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日

二、克勞修斯-莫索蒂方程外加電場(chǎng)E外E1外加電場(chǎng)E外(物體外部固定電荷所產(chǎn)生。即極板上的所有電荷所產(chǎn)生）構(gòu)成物體的所有質(zhì)點(diǎn)電荷的電場(chǎng)之和E1

（退極化電場(chǎng)，即由材料表面感應(yīng)的電荷所產(chǎn)生）E宏=E外+E11.宏觀電場(chǎng)：－++++－－－－++－－+－++++－－－第十八頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日2.原子位置上的局部電場(chǎng)Eloc

（有效電場(chǎng)）

Eloc=E外+E1+E2+E3++++++++－－－－－－－+++－－－E外E1E2E3對(duì)于氣體質(zhì)點(diǎn)，其質(zhì)點(diǎn)間的相互作用可以忽略，局部電場(chǎng)與外電場(chǎng)相同。對(duì)于固體介質(zhì)，周?chē)橘|(zhì)的極化作用對(duì)作用于特定質(zhì)點(diǎn)上的局部電場(chǎng)有影響。作用于介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的內(nèi)電場(chǎng)周?chē)橘|(zhì)的極化作用對(duì)作用于特定質(zhì)點(diǎn)上的電場(chǎng)貢獻(xiàn)。第十九頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日球外介質(zhì)的作用電場(chǎng)：設(shè)想把假想的球挖空，使球外的介質(zhì)作用歸結(jié)為空球表面極化電荷作用場(chǎng)（洛倫茲場(chǎng)）E2和整個(gè)介質(zhì)外邊界表面極化電荷作用場(chǎng)E1之和。對(duì)于平板其值為束縛電荷在無(wú)介質(zhì)存在時(shí)形成的電場(chǎng)：由P=Q1/A=oE1得：E1=P/oE1的計(jì)算：假想：有一個(gè)特定質(zhì)點(diǎn)被一個(gè)足夠大的球體所包圍，球外的電介質(zhì)可看成連續(xù)的介質(zhì)，同時(shí)，球半徑比整個(gè)介質(zhì)小得多。介質(zhì)中的其它偶極子對(duì)特定質(zhì)點(diǎn)的電場(chǎng)貢獻(xiàn)分為兩部分：球外介質(zhì)的作用E1

＋E2和球內(nèi)介質(zhì)的作用E3第二十頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日洛倫茲場(chǎng)E2的計(jì)算：rO+－Pdrsin空腔表面上的電荷密度：－Pcos綠環(huán)所對(duì)應(yīng)的微小環(huán)球面的表面積dS:dS=2rsinrddS面上的電荷為：dq=－PcosdS第二十一頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日根據(jù)庫(kù)侖定律：dS面上的電荷作用在球心單位正電荷上的P方向分力dF：

dF=－（－PcosdS/4or2)cos由qE=F1×E=FE=FdE=Pcos2dS/4or2

=(2rsind)(Pcos2/4or2)=Pcos2sin/2or2d整個(gè)空心球面上的電荷在O點(diǎn)產(chǎn)生的電場(chǎng)為：

dE由0到的積分洛倫茲場(chǎng)E2

：

E2=P/3o第二十二頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日E3為只考慮質(zhì)點(diǎn)附近偶極子的影響，其值由晶體結(jié)構(gòu)決定，已證明，球體中具有立方對(duì)稱的參考點(diǎn)位置，如果所有原子都可以用平行的點(diǎn)型偶極子來(lái)代替，則E3=0。

Eloc=E外+E1+P/3o=E+P/3o第二十三頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日克勞修斯一莫索蒂方程根據(jù)D=oE+P得P

=D－oE=（1－o

）E=o

（r－1）E由Eloc=E外+E1+P/3o=E+P/3o=E+o

（r－1）/3o得Eloc=（r

+2）E/3設(shè)介質(zhì)單位體積中的極化質(zhì)點(diǎn)數(shù)等于n，則又有

P=n=nEloc

得（r

－1

）/（r+2

）=n/（3o

）上式為克勞修斯-莫索蒂方程第二十四頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日克勞修斯一莫索蒂方程其意義是表征極化特性的宏觀參數(shù)----介電常數(shù)與微觀參數(shù)----分子極化率α聯(lián)系起來(lái)，同時(shí)提供了計(jì)算介電性能參數(shù)的方法。

對(duì)具有兩種以上極化質(zhì)點(diǎn)的介質(zhì)，上式變?yōu)椋旱诙屙?yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日三、介質(zhì)的總極化第一種，位移極化：位移式極化------彈性的、瞬間完成的、不消耗能量的極化。第二種，松弛極化：該極化與熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)，其完成需要一定的時(shí)間，且是非彈性的，需要消耗一定的能量。第二十六頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日極化類(lèi)型彈性位移極化（電子、離子位移極化）松馳極化（電子、離子松馳極化）偶極子轉(zhuǎn)向極化空間電荷極化自發(fā)極化高介晶體的極化第二十七頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日電子位移極化電子位移極化：在外電場(chǎng)作用下，原子外圍的電子云相對(duì)于原子核發(fā)生位移形成的極化。形成極化所需時(shí)間極短，約為10-15ｓ，故其εr不隨頻率變化；具有彈性，當(dāng)外電場(chǎng)去掉時(shí)，作用中心又馬上會(huì)重合而整個(gè)呈現(xiàn)非極性，故電子式極化沒(méi)有能量損耗；溫度對(duì)電子式極化影響不大。

第二十八頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日研究電子位移極化，關(guān)鍵是計(jì)算電子極化率，一般有如下兩種模型：帶電粒子間的彈性模型。

圓周軌道模型(玻爾模型)。電子位移極化第二十九頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日+e-e電子位移極化彈性模型動(dòng)態(tài)靜態(tài)建立牛頓方程：ma=-kx-eEoeit電偶極矩：=-ex=Eoeit{1/[(k/m)o2－2]}e2/m彈性振子的固有頻率：o=(k/m)1/2有：=e

Eloc

得：第三十頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日電子位移極化玻爾原子模型R第三十一頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日離子位移極化形成極化所需時(shí)間極短，約為10-13ｓ，故在一般的頻率范圍內(nèi)，可以認(rèn)為εr與頻率無(wú)關(guān)；屬?gòu)椥詷O化，幾乎沒(méi)有能量損耗；溫度對(duì)離子式極化的影響，存在兩個(gè)相反的因素：溫度升高時(shí)離子間的結(jié)合力降低，使極化程度增加，但離子的密度隨溫度升高而減小，使極化程度降低。第三十二頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日離子位移極化離子位移極化模型感生的電偶極矩為：

=q(δ+－δ

-)=

iEloc第三十三頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日正離子受到的彈性恢復(fù)力：-k(δ+

－δ

-)負(fù)離子受到的彈性恢復(fù)力：-k(δ-

－δ

+)運(yùn)動(dòng)方程：

M+a=-k（δ+

－δ

-)+qEoeitM-a=-k(δ-

－δ

+)+qEoeit得：M*=M+M-/(M++M-)彈性振子的固有頻率：o=(k/M*)1/2離子位移極化率：e=[1/(o2－2)]q2/M*0靜態(tài)極化率：i=q2/M*o2=q2k第三十四頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日離子位移極化相對(duì)運(yùn)動(dòng)約化質(zhì)量（折合質(zhì)量）靜態(tài)動(dòng)態(tài)彈性恢復(fù)力常數(shù)第三十五頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日松弛極化松弛極化的特點(diǎn)：松弛極化與質(zhì)點(diǎn)的熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)；質(zhì)點(diǎn)移動(dòng)的距離可與分子大小相比擬，甚至更大；極化建立的時(shí)間較長(zhǎng)，達(dá)10-2～10-9；極化需要吸收一定的能量。比位移極化移動(dòng)較大距離，移動(dòng)時(shí)需克服一定的勢(shì)壘，極化建立時(shí)間長(zhǎng)，需吸收一定的能量，是一種非可逆過(guò)程。第三十六頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日松弛極化離子松弛極化電子松弛極化偶極子松弛極化熱松弛極化率:第三十七頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日轉(zhuǎn)向極化極化是非彈性的，消耗的電場(chǎng)能在復(fù)原時(shí)不可能收回。形成極化所需時(shí)間較長(zhǎng)，約為10-10～10-2ｓ，故其εr與電源頻率有較大的關(guān)系，頻率很高時(shí)，偶極子來(lái)不及轉(zhuǎn)動(dòng)，因而其εr減小。溫度對(duì)極性介質(zhì)的εr有很大的影響。轉(zhuǎn)向極化的特點(diǎn):第三十八頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日轉(zhuǎn)向極化轉(zhuǎn)向極化主要發(fā)生在極性分子介質(zhì)中。根據(jù)經(jīng)典統(tǒng)計(jì)，求得極性分子的轉(zhuǎn)向極化率：第三十九頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日空間電荷極化在電場(chǎng)的作用下不均勻介質(zhì)內(nèi)部的正負(fù)間隙離子分別向負(fù)、正極移動(dòng)，引起瓷體內(nèi)各點(diǎn)離子密度變化，即出現(xiàn)偶極矩的極化。定義：第四十頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日空間電荷極化：在不均勻介質(zhì)中，如介質(zhì)中存在晶界、相界、晶格畸變、雜質(zhì)、氣泡等缺陷區(qū)，都可成為自由電子運(yùn)動(dòng)的障礙；在障礙處，自由電子積聚，形成空間電荷極化，一般為高壓式極化。----++++----+