材料物理材料的介电性能PPT课件.ppt
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1、材料的介电性能材料的介电性能材料的所有性能,都取决于原子和电子的排布状态。如果外界环境波动得足够剧烈,会扰动材料内部原子或者电子的排布。1、施加电压,导电材料内部的电子会发生定向迁移。问题的引入施加电压,导电材料内部的电子会发生定向迁移问题的引入施加拉应力,材料会发生塑性变形或者断裂问题的引入电阻率 导体:10-3cm 例如:Cu10-6cm 半导体:10-2cm109cm Ge=0.2cm 绝缘体:109cm问题的引入如果给绝缘体施加电场,绝缘体内部的电子会不会重新排布?问题的引入如果施加的压力(应变场)或者温度(温度场)呢?1、介电材料在电场中的极化2、介电材料在其它环境中的极化3、极化机
2、制4、介电材料的应用1、介电材料在电场中的极化介电材料(dielectric material)从英文词意,di-有二的意思,可以理解为在外加条件下,具有两个电荷中心的材料。当然,除了外加电场外,温度场、应力场都会导致电荷中心一分为二-极化。2、介电材料在其它环境中的极化应变场中的极化-压电效应采用直径为2.5毫米,高度为4毫米的压电陶瓷,就可得到1020千伏的高电压。2、介电材料在其它环境中的极化在完全黑暗的环境中,将一块干燥的冰糖用榔头敲碎,可以看到冰糖在破碎的一瞬间,发出暗淡的蓝色闪光,这是强电场放电所产生的闪光,产生闪光的机理是晶体的压电效应应变场中的极化-压电效应2、介电材料在其它环
3、境中的极化压压电电效效应应:某某些些电电介介质质,当当沿沿着着一一定定方方向向对对其其施施力力而而使使它它变变形形时时,内内部部就就产产生生极极化化现现象象,同同时时在在它它的的一一定定表表面面上上产产生生电电荷荷,当当外外力力去去掉掉后后,又又重重新新恢恢复复不不带带电电状状态态的的现现象象。当当作作用用力力方方向向改改变变时时,电荷极性也随着改变。电荷极性也随着改变。F FF F 应变场中的极化-压电效应2、介电材料在其它环境中的极化逆逆压压电电效效应应:当当在在电电介介质质的的极极化化方方向向施施加加电电场场,这这些些电电介介质质就就在在一一定定方方向向上上产产生生机机械械变变形形或或机
4、机械械压压力力,当当外外加加电场撤去时,这些变形或应力也随之消失的现象。电场撤去时,这些变形或应力也随之消失的现象。电能机械能正压电效应逆压电效应应变场中的极化-压电效应2、介电材料在其它环境中的极化应变场中的极化-压电效应2、介电材料在其它环境中的极化电荷对称分布应变场中的极化-压电效应2、介电材料在其它环境中的极化电荷分布不对称应变场中的极化-压电效应2、介电材料在其它环境中的极化应变场中的极化-压电效应2、介电材料在其它环境中的极化温度场中的极化-热电效应有极分子(Polar molecule)在无外场作用下存在固有电矩例如,H2O Hcl CO SO2 因无序排列对外不呈现电性。电子云
5、的正电中心电介质+无外场时,电偶极子杂乱无章的排列+外场存在时,电偶极子沿外场排列+极化面电荷取向极化3、极化机制电子位移极化无极分子(Nonpolar molecule)在无外场作用下整个分子无电矩。例如,CO2 H2 N2 O2 He无极分子,正负电荷中心重合在外场的作用下,二者分离,形成电偶极子+极化面电荷束缚电荷3、极化机制离子位移极化离子在电场作用下偏移平衡位置的移动;也可以理解为离子晶体在电场作用下离子间的键合被拉长,例如碱卤化物晶体就是如此。由于离子质量远高于电子质量,因此极化建立的时间也较电子慢,大约为10-12 10-13 s。3、极化机制电子弛豫极化由于晶格的热振动、晶格缺
6、陷、杂质引入、化学成分局部改变等因素。使得在局部范围内出现导带,这样一来,电子可在局部范围内发生迁移。带隙空带非导体3、极化机制离子弛豫极化在完整离子晶体中,离子处于正常结点,能量最低最稳定,它们在极化状态时,只能产生弹性位移,离子仍处于平衡位置附近。而在玻璃态物质中,结构松散的离子晶体或晶体中的杂质或缺陷区域,离子自身能量较高,易于活化迁移,可以从一平衡位置移动到另一平衡位置。3、极化机制空间电荷极化对金属来说,电子被所以原子个共有,所以溶质原子、晶界等缺陷不会引起净电荷。对于离子晶体,各种缺陷会引起局部区域的净电荷。3、极化机制空间电荷极化离子晶体的晶界、位错等缺陷处存在空间电荷。这些混乱
7、分布的空间电荷,在外电场作用下,趋向于有序化,即荷空间电荷的正、负电荷质点分别向外电场的负、正极方向移动,从而表现为极化。电子极化最灵敏,只要稍有风吹草动,就会做出响应3、极化机制极化得太过分电介质击穿在强电场作用下,电介质丧失电绝缘能力,电介质的电导突然增大甚至引起结构损坏或破碎,称为介电击穿。热击穿电击穿化学击穿3、极化机制热击穿在电场作用下,固体电介质承受的电场强度虽不足以发生电击穿,但因电介质内部热量积累、温度过高而导致失去绝缘能力。感应电荷会发生流动而消失。带隙空带绝缘体电击穿如果电子在散射过程损失的能量,小于电场做的功。电子的能量积累起相当大的动能,足以在电介质内部产生碰撞电离,形
8、成电子雪崩现象。结果电导急剧上升,最后导致击穿。eeeeeee3、极化机制化学击穿在电场、温度等因素作用下,固体电介质因缓慢的电化学反应,改变了电介质的组成。固体电介质因离子电导而发生电解(离子化合物电解得到金属),结果在电极附近形成导电的金属树状物,甚至从一个电极伸展到另一个电极。结果在两电极间构成导电的通路3、极化机制提高击穿电压措施提高电介质材料的均匀性,使电场分布更为均匀。以免出现局部电压过高的情况。3、极化机制4、介电材料的应用A、电容材料B、压电材料C、热电材料D、铁电材料电介质材料压电材料热释电材料铁电材料3232种点群-20 20个点群具有压电性 10 10个含单一对称轴,具有
9、自发极化(热释电)自发极化能被电场转向(铁电)4、介电材料的应用A、电容材料I、存储电能电池供电稳定,但是功率密度(爆发力)太小。所以在闪光灯中,需要利用电容来存储能量。电容虽然爆发力很强,但是持续时间短,一闪而过。A、电容材料I、存储电能A、电容材料I、存储电能A、电容材料I、存储电能小型超级电容器 各种微处理机 玩具车 闪光灯 电动手工具大型超级电容器 各种交通工具 电网UPS 医院手术室 核反应堆控制 防护设备 航空通讯设备 无线电通讯系统 电力高压开关的分合闸操作 电阻焊机及科研测试设备等A、电容材料I、存储电能根据存储电荷的机理,超级电容器分为:A、双电层电容器(Electrical
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