第7章 无机材料的介电性能 11.25

或在外电场作用下，正、负电荷尽管可以逆向 移动，但它们并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并使其转变 成偶极子的过程。

偶极子：构成质点的正负电荷沿电场方向在有 限范围内短程移动，形成一个偶极子。
极化的物理量
极化率：单位电场强度下，质点电偶极矩的大 小称为质点的极化率，用α表示。表征材料的 极化能力 ( 法. 米 2)
第7章 无机材料的介电性能
主要内容
7.1 介质的极化
7.2 介电损耗
7.3 介电强度 7.4 铁电性和压电性
电介质:在电场作用下能够建立极化的物质。
在电介质体内，一般只有被束缚的电荷，在电场作用下不能 以传导的方式而只是以感应的方式，即正负电荷受电场的驱 使形成正负电荷中心不重合的电极化方式来传递和记录电的 影响。
起整个介质击穿。
由于在产生热量的同时，形成相当高的内应力，材料
也易丧失机械强度而被破坏，这种击穿称为电一机械
一热击穿。
表面放电和边缘击穿
固体介质的表面放电属于气体放电。固体介质常处于周围 气体媒质中，有时介质本身并未击穿，但有火花掠过它的 表面，这就是表面放电。 电极边缘常常电场集中，因而击穿常在电极边缘发生，即
0真空介电常数8.8510-12 介质的介电常数 r相对介电常数
介质的极化
极化现象及其物理量
极化就是介质内质点(原子、分子、离 子)正负电荷重心的分离。
由大小相等、符号相反、彼此相距为l的两电荷(+q、-q) 所组成的系统。其极性大小和方向常用偶极矩来表示
单位：德拜(D或库仑.米)。1D表示单位正、负电 荷间距为0.2×10-8 cm时的偶极矩。
局部电场Eloc ：作用在微观质点上的局部电场。
极化强度：单位体积内的电偶极矩总和称为 极化强度，用P表示。或束缚电荷的面密度。 ( 库. 米2)
极化的物理量
• 介质单位体积中的极化质点数为n，由于每
一偶极子的电偶极矩具有同一方向，则：
• P与宏观平均电场E成正比
——电介质极化系数
极化类型
1. 弹性位移极化（电子、离子位移极化）
电子位移极化
离子位移极化
形成极化所需时间极短，约为 10 -13ｓ，故在一
般的频率范围内，可以认为εr与频率无关； 属弹性极化，几乎没有能量损耗； 温度对离子式极化的影响，存在两个相反的因 素 ：温度升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。
离子位移极化
在工程应用中，常在需要将电路中具有不同电位的 导体彼此隔开的地方使用，就是利用介质的绝缘特 性，即介电性能，这一类材料成为电介质。
7.1 介质的极化
1.平板电容器及其电介质
在平行板电容器中，若在两板间插入固体电介质，则在 外加电场作用下，固体介质中原来彼此中和的正、负电荷产 生位移，形成电矩，使介质表面出现束缚电荷，极板上电荷 增多，造成电容量增大。
降低材料的介质损耗的方法
选择合适的主晶相。


改善主晶相性能时，尽量避免产生缺位固溶 体或填隙固溶体，最好形成连续固溶体。
尽量减少玻璃相。 防止产生多晶转变。 注意焙烧气氛。 控制好最终烧结温度.
介电强度
介质在电场中的破坏
无机材料的击穿
介质在电场中的破坏
介质的特性都是指在一定的电场强度范围内的材 料的特性。当电场强度超过某一临界值时，介质 由介电状态变为导电状态。这种现象称介电强度 的破坏，或叫介质的击穿。相应的临界电场强度 称为介电强度，或称为击穿电场强度。
当电场E=0时，介质中各分子的固有偶极矩的取向是无规则的，所以各偶 极矩的矢量和为零，介质不存在极化。当电场E≠0时，在电场作用下， 这些固有偶极矩将沿着电场方向排列，各偶极矩的矢量和不为零，介质 产生极化。
空间电荷极化
定义：
在电场的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，引起瓷体内
2. 松驰极化（电子、离子松驰极化） 3. 偶极子转向极化 4. 空间电荷极化 5. 自发极化
电子位移极化
电子位移极化：在外电场作用下，原子外围的 电子云相对于原子核发生位移形成的极化。
形成极化所需时间极短，约为10-15ｓ，故其εr不随频 率变化； 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； 温度对电子式极化影响不大。
转向极化
转向极化的特点:
极化是非弹性的，消耗的电场能在复原时不可能 收回。
形成极化所需时间较长，约为10-10～10-2ｓ，故
其εr 与电源频率有较大的关系，频率很高时，
偶极子来不及转动，因而其εr减小。
温度对极性介质的εr有很大的影响。
例如，水分子H2O，其中氧离子与二个氢离子不是在一条直线上，而是 分布在三角形的三个顶点上。因此水分子的正负电荷中心不重合，存在 固有偶极矩，如图所示。
或晶格活动范围扩大，含有缺陷或较多的杂
质，离子的耗较大。
玻璃的损耗
复杂玻璃中的介质损耗主要包括三个部分：
电导损耗、松弛损耗和结构损耗。
哪一种损耗占优势，决定于外界因素――
温度和外加电压的频率。
陶瓷材料的损耗
主要是电导损耗、松弛质点的极化损耗及结
构损耗。
表面气孔吸附水分、油污及灰尘等造成表面 电导也会引起较大的损耗。 大多数电工陶瓷的离子松弛极化损耗较大， 主要原因是：主晶相结构松散，生成了缺陷 固溶体，多晶形转变等。
晶体压电效应的本质：
因为机械作用（应力与应变）引起了晶体介质的 极化，从而导致介质两端表面内出现符号相反的 束缚电荷。
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-
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+ + + + + + -
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（a）
（b） 压电效应机理示意图
（c）
压电材料主要表征参数：
机电耦合系数：
通过逆压电效应转换的 机械能 K 输入的电能 通过正压电效应转换的 电能 ＝ 输入的机械能
一般材料，在高温、低频下，主要为电导损耗； 在常温、高频下，主要为松弛极化损耗； 在低温、高频下主要为结构损耗。
离子晶体的损耗
离子晶体可以分为结构紧密的晶体和结构不
紧密的离子晶体。
结构紧密的晶体离子都堆积得十分紧密，排 列很有规则，离子键强度比较大，无极化损 耗。 结构不紧密的离子晶体的内部有较大的空隙
离子位移极化模型
松弛极化
松弛极化的特点：
比位移极化移动较大距离，移动时需克服一定的势垒， 极化建立时间长，需吸收一定的能量，是一种非可逆 过程。
1. 松弛极化与质点的热运动有关；
2. 质点移动的距离可与分子大小相比拟，甚 至更大； 3. 极化建立的时间较长，达10-2～10-9；
4. 极化需要吸收一定的能量。
电子位移 极化
离子位移 极化 离子松弛 极化 电子位移 松弛极化 转向极化
一切陶瓷
离子结构 离子不紧 密的材料 高价金属 氧化物 有机
空间电荷 极化
结构不均 匀的材料
直流—— 光频 直流—— 红外 直流—— 超高频 直流—— 超高频 直流—— 超高频 直流—— 高频
无关
温度升高极 化增强 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
小时。
属非弹性极化，有能量损耗。
随温度的升高而下降 ， 只在直流和低频下发 生。
空间电荷极化
自发极化 在一定温度范围内、单位晶胞内正负电荷中心不 重合，形成偶极矩，呈现极性。这种在无外电场 作用下存在的极化现象称为自发极化。
各种极化形式的比较
极化形式 极化的电 介质种类 极化的频 率范围 与温度的关 系 能量消耗
无
很弱 有 有 有
随温度升高 而减小
有
极 化 率 或
电子极化 离子极化 松弛极化 空间电荷极化

工频
声频
无线电
红外
紫外
极化率和介电常数与频率的关系
多晶多相无机材料的极化
两相的介电常数分别为1和2 ，浓度分别为1和 2(1+2=1)。 当两相并联时： 当两相串联时： 当两相混合时：
介质损耗

实际上电畴运动是通过在外电场作用下新畴的出现、发 展以及畴壁的移动来实现的。
压电性
压电效应（性）：某些电介质通过机械力作 用而发生极化，并因而引起表面电荷的现象， 称为压电效应。具有压电效应的晶体称为压 电体。
正压电效应：对压电晶体在一定方向上施加机械应力时，在 其两端表面上会出现数量相等、符号相反的束缚电荷；作用 力相反时，表面荷电性质亦反号，而且在一定范围内电荷密 度与作用力成正比。 逆压电效应：压电晶体在一定方向的电场作用下，则会产 生外形尺寸的变化，在一定范围内，其形变与电场强度成 正比。 正压电效应：机械能转变为电能； 逆压电效应：电能转变为机械能。
③矫顽电场强度Ec。
铁电畴
通常，铁电体自发极化的方向不相同，但在一个小区域内， 各晶胞的自发极化方向相同，这个小区域就称为铁电畴。
两畴之间的界壁称为畴壁。若两个电畴的自发极化方向互
成 90°，则其畴壁叫 90°畴壁。此外，还有 180°畴壁等。
电畴“转向”

铁电畴在外电场作用下，总是要趋向于与外电场方向一 致。这形象地称作电畴“转向”。
边缘击穿。
铁电性
铁电性是指在一定温度范围内具有自发极化，
在外电场作用下，自发极化能重新取向，而且
极化强度与电场强度之间的关系呈电滞回线现
象的特征。具有铁电性的晶体称为铁电体。
铁电体的电滞回线
铁电体的电滞回线是铁电畴在外电场作用下运动 的宏观描述。
①饱和极化强度或
自发极化强度Ps。