.电介质材料
电介质材料的制备和应用
电介质材料的制备和应用电介质材料是一种常见的材料，它可以用于许多电子设备和电路中，例如电容器、电缆、变压器等。
电介质材料的制备和应用涉及到许多科学和工业领域，本文将从材料的性质、制备方法和应用方面进行探讨。
一、电介质材料的性质电介质材料的主要特点是它具有较高的绝缘性和耐电场强度。
由于其绝缘性能优异，能够有效地阻止电流流过它们，从而避免电器件出现失效和降低泄漏电流的级别。
同时，电介质材料还能够承受一定的电场强度，因此它们能够应用于高电压和高频率方面的电路。
除此之外，电介质材料还有许多其他的性质。
例如，电介质材料的介电常数和电阻率等物理性质，对于电容器和电缆的性能有着非常重要的影响。
此外，电介质材料的化学和机械性能也十分重要，因为它们需要承受各种不同的环境和应力。
二、电介质材料的制备方法在现代科技中，电介质材料的制备方法非常多样化，其主要涉及到材料的合成、加工和改性等方面。
以下是一些常见的制备方法：1. 化学制备法化学制备法是制备电介质材料最常用的方法之一。
它通常涉及到化学反应和溶液化学等方面，以便创造出独特的材料组合和优异的性质。
除此之外，化学制备法还可以用来改善材料的稳定性和加工性能。
2. 机械加工法机械加工法是一种通过物理剪切和压缩等手段，来改变电介质材料结构和形态的方法。
它包括挤压、拉伸、模压、压印、粉末压制等方法，这些方法可以使电介质材料具有不同的形状和性能。
3. 熔体制备法熔体制备法是一种将材料加热至熔点或高于熔点，并用一定的方式进行搅拌和混合以制备电介质材料的方法，其优点在于制备速度快，材料结晶性能好，且能制备出大块的材料。
4. 化学气相沉积法化学气相沉积法是一种在高温和高真空条件下，利用气体反应在基材表面生成材料的方法。
采用化学气相沉积法制备的电介质材料具有非常纯净和精细的结构，同时还能控制其厚度和成分。
三、电介质材料的应用电介质材料的应用非常广泛，以下是一些常见的应用：1. 电容器和电感器电介质材料在电容器和电感器中发挥着重要的作用。
电介质材料
（4）空间电荷极化 在实际的电介质材料中，由于制造工艺和材料的纯
度影响，不可避免地有局部的介质不均匀，如存在夹层或 大量的晶体缺陷。在外电场的作用下，介质中的少量载流 子会发生漂移，它们可能被势阱捕获，也可能在介质不均 匀的夹层处界面上堆积起来而形成空间电荷的积累。这种 介质中由于空间电荷的移动形成的电荷分布即是空间电荷 极化。它的频率响应最慢 102 s 。
电介质是在电场中没有稳定传导电流通过而以 感应的方式对外场做出相应的扰动物质的统称。
电介质的特征是以正、负电荷重心不重合的电极 化方式传递、存储或记录电的作用和影响，但其中起 主要作用的是束缚电荷。
1、静电场中电介质的极化
在电介质材料的分子中，正、负电荷彼此强烈地束缚 着。在弱电场的作用下，虽正电荷沿电场方向移动，负电 荷逆电场方向移动，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。在电介质内部形成 电偶极矩，而在与外电场垂直的电介质表面上出现了感应 电荷。
3.2 薄膜组分的表征方法
• 分析内容包括测定表面的元素组成，表 面元素的化学态及元素沿表面横向分布 和纵向深度分布等。
•其中的多数方法都是基于原子在受到激 发以后内层电子排布会发生变化并发生 相应的能量转换过程的原理
1、原子内电子激发及相应的能量过程
（a）-基态电子的内 层电子排布 （b）-K层电子空能 级的形成 （c）-特征X射线的 产生 （d）-俄歇电子的产 生
I jw rC0 w rC0tg V
jw r j rtg C0V ,
I jwC0 r V
其中r 定义为复数相对介电常数，简称复介电常数：
r r jrtg r' jr"
r的实部
' r
材料的电介质特性与应用
材料的电介质特性与应用电介质是一种无法导电的材料，其在电场中能够存储能量。
在现代科技的发展过程中，电介质材料的研究与应用变得愈发重要。
本文将从电介质材料的特性以及其在电子设备、能源储存和医疗领域的应用等方面进行探讨。
首先，电介质材料的特性对于其应用至关重要。
电介质材料具有高绝缘性能，能够在电场中存储电荷而不导电，这使得它们在电子设备中有广泛的应用。
例如，电容器是一种常见的电子元件，其中的电介质层能够储存电荷。
通过在电容器中选择不同的电介质材料，可以调节电容器的性能，例如介电常数、功率损耗等。
此外，电介质材料还具有耐高温、耐腐蚀等性能，在特殊环境下的应用潜力巨大。
其次，电介质材料在电子设备中有着广泛的应用。
电子器件中常用的电介质材料包括二氧化硅、聚合物、陶瓷等。
例如，二氧化硅是一种常见的介电材料，可用于集成电路中的隔离层、晶体管和存储器等。
聚合物材料常用于柔性电子器件的制备，其具有可塑性高，适应性强的特点。
此外，陶瓷材料具有高介电常数、低介质损耗等特点，在微波器件等领域有着广泛的应用。
第三，电介质材料在能源储存方面也具有重要地位。
随着可再生能源的发展和电动汽车的普及，电池技术迅速发展。
而电介质材料在电池中起着关键的作用。
例如，锂离子电池是目前最常用的电池之一，其中使用了锂离子导电性好且具有高度稳定性的电介质材料。
通过不断改进电介质材料的性能，使得电池具有更高的储能密度和更长的循环寿命等。
最后，电介质材料在医疗领域的应用也有着广阔的前景。
例如，医用超声检测中使用的超声电容显像技术，其背后的关键就是电介质材料。
通过选择不同的电介质材料，可以调节超声波的传播速度和衰减性能，进而提高显像质量和诊断准确性。
此外，电介质材料还可以在心脏起搏器、神经刺激器等医疗器械中作为绝缘层或隔离层，提供安全保护。
综上所述，电介质材料的特性使其在电子设备、能源储存和医疗领域中具有广泛的应用价值。
在未来的科技发展中，随着对电介质材料性能需求的不断提升，人们将会不断探索新的材料和应用方式，将电介质材料的潜力发挥到极致。
电介质材料(压电与铁电材料1)
Guangdong Ocean University
Xiong Zhengye
当晶体不振动时，可把它看成一个平板电容器称为静电电 容C0，它的大小与晶片的几何尺寸、电极面积有关，一般约几 个PF到几十PF。当晶体振荡时，机械振动的惯性可用电感L来 等效。一般L的值为几十mH到几百mH。晶片的弹性可用电容 C来等效，C的值很小，一般只有0.0002～0.1pF。晶片振动时 因摩擦而造成的损耗用R来等效，它的数值约为100Ω。由于晶 片的等效电感很大，而C很小，R也小，因此回路的品质因数Q 很大，可达1000～10000。加上晶片本身的谐振频率基本上只 与晶片的切割方式、几何形状、尺寸有关，而且可以做得精确， 因此利用石英谐振器组成的振荡电路可获得很高的频率稳定度。
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从石英晶体谐振器的等效电 路可知，它有两个谐振频率， 即（1）当L、C、R支路发 生串联谐振时，它的等效阻 抗最小（等于R）。串联揩 振频率用fs表示，石英晶体 对于串联揩振频率fs呈纯阻 性，（2）当频率高于fs时L、 C、R支路呈感性，可与电 容C0发生并联谐振，其并联 频率用fd表示。 Guangdong Ocean University Xiong Zhengye
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（4 ） 机械耦合系数：在压电效应中 , 其值等于转 换输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能） 之比的平方根 ; 它是衡量压电材料机电能量转换 效率的一个重要参数。
（ 5 ） 电阻：压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏 , 从而改善压电传感器的低频特性。 （ 6 ） 居里点：压电材料开始丧失压电特性的温度 称为居里点。 （7）机械品质因数：压电振子在谐振时在一周期内 贮存的机械能与损耗的机械能之比。
电介质材料
电介质材料电介质材料是指能够阻碍电流通过的材料，其主要特点是具有很高的绝缘性能。
电介质材料广泛应用于电力系统中，如绝缘体、电缆、电容器等。
下面将对电介质材料进行详细介绍。
首先，电介质材料的分类。
根据其形成过程可以分为天然电介质和人工电介质。
天然电介质包括石英、云母、石蜡等，它们的绝缘性能较好，但成本较高。
人工电介质则是通过一些物理或化学方法制备而得，如聚合物、陶瓷、玻璃纤维等。
人工电介质的制备成本相对较低，并且可以根据需要调整其绝缘性能。
其次，电介质材料的性能。
电介质材料的主要性能包括绝缘强度、介电常数、介质损耗和体积电阻率。
绝缘强度是指电介质材料能够承受的最大电场强度，一般通过对材料施加高压来进行测试。
介电常数是指材料在电场中的响应能力，高介电常数的材料能够存储更多的电荷，因此具有较高的电容性能。
介质损耗是指材料在电场中发生能量损耗的能力，一般通过损耗角正切来衡量。
体积电阻率是指单位体积材料的电阻值，高的体积电阻率意味着材料具有较好的绝缘性能。
最后，电介质材料的应用。
电介质材料主要用于电力系统中，如绝缘体、电缆和电容器等。
在绝缘体中，电介质材料被用来隔离电流，防止电流泄漏或发生短路。
在电缆中，电介质材料被用来包裹导体，提供良好的绝缘性能。
在电容器中，电介质材料被用来作为电容介质，存储电荷并提供电容性能。
总结起来，电介质材料是一类具有很高绝缘性能的材料，广泛应用于电力系统中。
电介质材料的分类主要包括天然电介质和人工电介质，其性能主要包括绝缘强度、介电常数、介质损耗和体积电阻率。
电介质材料的应用主要集中在绝缘体、电缆和电容器等领域。
随着科学技术的进步，电介质材料的性能越来越好，对电力系统的可靠性和性能提升起到了重要作用。
电介质材料的研究与应用
电介质材料的研究与应用电介质材料是一种具有特殊电性质的材料，它们在电场或电压的作用下会产生极化效应，从而具有很多重要的应用。
本文将介绍电介质材料的分类、性质、制备和应用等方面的研究进展。
一、电介质材料的分类电介质材料可以按照它们的材料组成、结构和性质等方面进行分类。
根据材料组成，电介质材料可以分为无机电介质材料和有机电介质材料两大类。
无机电介质材料包括氧化物、氮化物、硅酸盐、玻璃等。
有机电介质材料则包括聚合物、液晶等。
根据结构，电介质材料可分为晶体电介质和非晶体电介质。
晶体电介质以晶格结构为主要特征，不同于晶体的材料系液体电介质和非晶态电介质。
根据性质，电介质材料可分为较为均质的绝缘性和半绝缘性，以及比较易导的低电阻材料。
这些材料根据自身性质可以更好的被应用于电子领域内。
二、电介质材料的性质在应用电介质材料之前，需要了解其基本的物理性质和特性。
电介质材料的性质与材料的组成、微观结构、物理化学性质相关。
在电场作用下，电介质材料内部会产生极化效应。
电介质材料的极化程度与电场强度和材料的电介常数相关。
当电场断开时，电介质材料内部的极化产物会保持在材料中一段时间内。
这种现象被称为电介质材料的介电滞后效应。
电介质材料还具有很高的电阻率和耐电压性能，在电学应用中也往往被使用。
三、电介质材料的制备方法对于不同的电介质材料，其制备方法也存在差异。
一些无机电介质材料的制备方法多是通过固态反应来实现。
例如，氧化铝、氧化钇等材料通过高温方法或水热合成可以形成均质的电介质薄膜。
有机电介质材料的制备方法则多有靠近或涉及化学合成方法。
例如，聚合物材料的合成需要使用聚合反应和后续的交联处理等多个步骤。
四、电介质材料的应用随着电子技术的不断发展，电介质材料在各个方面都有了很重要的应用。
在电子设备中，电介质材料被广泛应用于电容器、震荡器、金属氧化物场效应晶体管（MOSFET）等电子器件中。
其中，电容器中的电介质材料主要用于储存电荷，起到储能和滤波的作用。
电介质材料的结构与特性研究
电介质材料的结构与特性研究电介质材料是一种重要的材料，广泛应用于电力、通信、电子、航空航天等领域。
它的特性和性能受到材料的结构影响，因此研究电介质材料的结构与特性对于探究其性能及开发新材料具有重要意义。
本文将从材料结构、电介质特性以及研究进展三个方面来探讨电介质材料的结构与特性研究。
一、材料结构电介质材料的结构主要包括分子结构和晶体结构两个方面。
其中，分子结构包括分子的构成、分子的排列方式等；而晶体结构则代表了材料在长程有序性方面的体现。
下面将分别介绍这两个结构方面。
1.分子结构电介质材料的分子结构主要由聚合物材料、小分子有机材料和无机材料三种构成。
其中，聚合物材料主要指的是电介质聚合物，如聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯等。
这些聚合物分子的结构是由一些化学基团构成的，不同的基团和不同排列方式，会产生不同的分子结构。
小分子有机材料主要指的是小分子有机化合物，如喹啉、茚三酮、咔唑等。
这些分子的结构也是由一些基团构成的，不同的基团和不同排列方式，也会产生不同的分子结构。
无机材料主要包括陶瓷、氧化物、硅酸盐等。
这些材料的分子结构普遍具有高度的对称性，如氟化钙的分子结构为八面体。
2.晶体结构晶体结构表示了材料在长程有序性方面的特征，是材料固有的结构形态，是材料性能的重要因素。
电介质材料的晶体结构主要包括立方晶系、正交晶系、单斜晶系、三斜晶系、四方晶系、六方晶系等。
例如，常用的氧化铝晶体结构为三方晶系，石英晶体结构为六方晶系。
二、电介质特性电介质材料具有许多特性，如介电常数、介质损耗、极化强度、击穿场强等。
下面将分别介绍这些特性。
1.介电常数介电常数是电介质材料的一种基本特性，表示了电介质在电场作用下的电极化程度大小。
电介质材料的介电常数与分子结构关系密切。
例如，聚乙烯的介电常数较小，而聚苯乙烯的介电常数较大。
2.介质损耗介质损耗是指电介质材料在电场作用下所具有的能量损失。
电介质材料的介质损耗与材料的成分、结构和制备工艺等因素有关。
电介质材料的研究与应用
电介质材料的研究与应用电介质材料是指能够阻止电流通过的材料。
它们在电路和电器中起到关键作用，如绝缘盖、电容器、电源等。
与金属、半导体等电子器件相比，电介质材料在电磁场方面表现出许多不同的特点。
因此，它们的研究及相关应用也越来越重要。
一、电介质材料的分类常见的电介质材料有很多种，它们可以按照不同的参数分类。
以下是一些可能的分类方法：1.性质分类分子电介质、离子电介质、氧化物电介质、聚合物电介质、无机非氧化物电介质等。
2.用途分类绝缘材料、电容器材料、饱和电压放大器材料、磁芯材料、电子束环材料等。
3.结构分类均匀电介质、非均匀电介质等。
二、电介质材料的研究1.电介质材料的物理特性研究电介质材料的物理特性研究包括电导率、磁化率、电容率等等。
这些研究通常通过实验室条件下的测试进行。
2.电介质材料的微观结构研究电介质材料的微观结构研究可以帮助人们深入了解电介质材料的性质及其影响因素。
目前，一些现代化的技术，如扫描电镜、高分辨率透射电镜、原子力显微镜等，已经被广泛地应用于电介质微观结构的研究。
3.电介质材料的电热特性研究电介质材料的电热特性研究主要涉及介电损耗、温度依赖等。
这些研究可以有效改善电介质对电力信号的传递及其稳定性，从而提高电器设备的效率。
三、电介质材料的应用1.电源电介质材料是电源中不可或缺的组成部分，包括电源的绝缘盖、电容器等。
2.通讯电介质材料的应用也广泛存在于通信领域。
在这里使用电介质材料是因为它们可以阻止电子流失和电焊不稳定的情况。
3.制造业电介质材料可以广泛使用于制造业，包括制垫、包装材料等。
4.医学电介质材料同样也可用于生物医学的领域中，如制作人造声带、人造器官等。
四、电介质材料的未来电介质材料在未来的研究中有着非常重要的地位。
未来可能会开发出新型的电介质材料，如实验室中初步研究的纳米结构材料，其具有更高的介电常数，提供了更好的性能，但是它们还需要进一步的研究来确定其在电介质领域中的应用。
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2. 电容器纸的浸渍
电容器纸中的大量空气隙由于具有较低ε值，并成为 极性基(OH)吸附水分的储存场所，故通常采用真空浸渍 方法（将空气排除而将有机浸渍材料填隙其中）以达到 改性的目的。可供电容器纸浸渍的材料很多，按极性程 度可划分为极性和非极性；按物理状态则可分为液态和 固态等不同类别。极性浸渍材料的介电性能有很大差别， 液态与固态浸渍材料的填充程度有所不同。液体浸渍材 料可填充绝大部分气孔，适用于高压和脉冲电容器中； 固体浸渍材料则可使电容器外部结构简化，甚至无需再 使用外壳，但在固化收缩时会形成部分气隙，一般用于 直流或低压通用电容器中。
式中，εs为固体浸渍料介电常数；y为浸渍料收缩率，通常为( 10-20)%。
§ 6.1.2 有机薄膜电容器介质材料
有机薄膜电容器介质分为非极性（包括弱极性）及极性薄 膜两大类。
非极性主要优点是： 介质损耗很低，比纸介质约低一个数量级。一般具有较高电阻率， 有机薄膜电容器的时间常数约为106 MΩ.uF。
绝缘材料 如纸、玻璃、陶瓷、云母、有机薄膜等。
由铝、钽、铌等阀金属表面生成的介电氧化膜等。
（阀金属：铝、铌、钛、钽；阀的意思就是正向导通，反向开路；）
§ 6-1 电容器介质材料
超级电容器是一种高能量密度 的无源储能元件 。 它是根据电化 学双电层理论研制而成的，所以又 称双电层电容器。 在外电场的作用下，由于离子 的迁移形成双电层，或在电解质 / 电极界面产生欠电位沉积等电化学 作用而形成电容效应。 不存在通常所说的“电介质”， 而是由“电解质” [可为液体电解 质，也可为“固体电解质” 或称 为“快离子导体”。]
1. 电容器纸的结构和特性
电容器纸为纤维素与气隙交错分布组成，由于空气的ε随温度变化 极小，所以其ε= f(T) 曲线取决于纤维素的作用，即ε值随温度升高 而增大。ε值与频率的关系中，由于空气的ε值与频率几乎无关，故 也只能取决于纤维素的频率特性。空气的 tanδ值极小，电容器纸的 tanδ亦主要由纤维素决定，随着纤维素密度增大而增加。
第六章 电介质材料
§6.1 电容器介质材料
§6.2 铁电材料
§6.3 压电材料与热释电材料
§6.4 微波陶瓷介质材料
§6.5 玻璃电介质材料
§6.6 有机电介质材料
§ 6-1 电容器介质材料
电容器是由两个金属板，中间夹有绝缘材料 (绝缘介质 )构成的。绝缘材料不同，构成电容器 的种类也不同。
§ 6-1 电容器介质材料
1. 电容器纸的结构和特性
由图6.1.1可见，纸纤维基的原子组成的摩尔分数比 为：O：C：H = 49.39%：44.44%：6.7%。由于每个分 子链上含有三个不相对称的(OH)基，故具有较强的极性。 在交变电场作用下，(OH)基产生转向极化，纤维素介电 系数ε≈6.5-7 ，并伴随着较高的 tanδ值。又由于纸中 有较大气孔率，所以ε<5。
2. 电容器纸的浸渍
图中，Cc、Cg分别为由纤维素及气隙极化形成的电容量； x为气 隙在纸中所占的体积分数。由此可根据串联等效电路表示出浸渍 液体介质后纸的总介电常数： f f
pl
1 x x f 1 f 1 x 1 1
1. 电容器纸的结构和特性 电容器纸由无纺植物纤维素和空气隙交替分布 构成，其密度为1-1.3g/cm3,抗拉强度约1000 kg/cm2， 未浸渍前空气隙体积分数为30%，水分体积分数为 5%～ 7%，灰分体积分数为 0.2%-0.3% 。其主要成 分纤维素为天然高分子物质，分子式（ C6H10O5)n ， 聚合度n>1000。纤维素分子是由β葡萄糖环构成的 长链，相互间由氧桥相连接。其分子结构如图 6.1.1所示。
当在电容的极板上 施加电场以后，由于 电介质的极化过程， 使束缚电荷在两极板 上积累而储存电能， 因此称为电容器。
电容器在电路中具有隔断直流电、通过交流电的作用， 常用于级间耦合、滤波、去耦、旁路及信号调谐 ( 选择电 台)等。它是电子设备中不可缺少的基本元件。
§ 6-1 电容器介质材料
电介质材料主要分为两类
§ 6.1.1 纸电介质及其浸渍材料
纸电容器是电容器的主要类型之一，使用较早，用 量很大。电容量值及工作电压范围较宽，通常为 470 pF～30uF，63V-1500V，甚至高压纸电容器耐压值高达 30～40kv 。电容器纸以硫酸盐木质纤维素为主要原料， 经抄纸，烘干，压光等工艺制成，要求质地密实，厚 薄均匀。目前国内可生产 4-22um 纸，同国际水平相当。 用特制的电容器纸作为 介质，铝箔或锡箔作为电极 并卷绕成圆柱形，然后接出 引线，再经过浸渍处理，用 外壳封装或环氧树脂灌封而 成。
式中，εf、ε1分别为纤维素和液体浸渍料的介电常数；x为纤维素密度系数。
2. 电容器纸的浸渍
当采用固体浸渍料时，因为固化收缩后会留下部分空隙，其等效电路 如图6.1.3(b)所示。这时浸渍纸的总介电常数可表为:
ps f
1 x f 1 xy f f s s
超级电容器结构框图
§ 6-1 电容器介质材料
于是，从传统静电电容器到电解电容器再 发展到超大容量电化学离子电容器，其中的电 极化或电荷迁移载体，发生了从纯电介质到阀 金属氧化物，再到具有离子输运特点的电介质 的变化。
§ 6-1 电容器介质材料
电容器的电介质材料主要有四个方面要求： 第一，为达到高比容量的目的，应采用介电常数ε值尽 可能高的材料。 第二，为了保证电容器具有纯容抗，即避免因极化过程 造成能量损耗，导致产生热量，要求具有尽可能低的损 耗角正切值，特别要求在高工频率或脉冲条件使用时， tanδ值低。 第三，电容器电介质还应具有高的绝缘电阻值，并保证 电阻值在不同频率与温度条件下尽可能稳定，避免因为 杂质的分解和材料的老化引起绝缘电阻值下降。 第四，要求电介质具有高的击穿电场强度。