電介質(zhì)材料的儲(chǔ)能特性分析概述目錄TOC\o"1-3"\h\u5380電介質(zhì)材料的儲(chǔ)能特性分析概述 1241811.1儲(chǔ)能密度 1209981.2介電常數(shù)與介電損耗 2221031.3擊穿場(chǎng)強(qiáng) 41.1儲(chǔ)能密度儲(chǔ)能密度（J）是電介質(zhì)單位體積儲(chǔ)存的能量，它的公式定義為：J=式（1.1）中，E為外加電場(chǎng)，Dmax為在最大電場(chǎng)下Emax（即擊穿場(chǎng)強(qiáng)）的電位移，由于電介質(zhì)的介電常數(shù)ε=dD/dE，所以儲(chǔ)能密度的表達(dá)式可以表示為：J=0由式（1.2）可知，電介質(zhì)的儲(chǔ)能密度與擊穿場(chǎng)強(qiáng)和介電常數(shù)相關(guān)。對(duì)于線性電介質(zhì)而言，由于其介電常數(shù)與電場(chǎng)無(wú)關(guān)，所以式（1.2）可以簡(jiǎn)化為：J=一般的，電介質(zhì)材料的介電性能用相對(duì)介電常數(shù)εr來(lái)衡量。相對(duì)介電常數(shù)??rε=式（1.4）中，??0為真空中的介電常數(shù)，ε0=8.85×10-12F/m。所以，式（1.4）可進(jìn)一步表達(dá)為：J=由式（1.5）可知，線性電介質(zhì)的儲(chǔ)能密度與相對(duì)介電常數(shù)成正相關(guān)。僅從介電常數(shù)方面來(lái)看，選擇高介電常數(shù)的介電材料來(lái)制作電介質(zhì)電容器，得到的電容器儲(chǔ)能密度會(huì)更高，所以應(yīng)當(dāng)選用鐵電體、弛豫鐵電體以及反鐵電體這些具有較高的介電常數(shù)的電介質(zhì)作為電容器的介質(zhì)材料。但是，這幾種材料的介電常數(shù)與電場(chǎng)是非線性關(guān)系，所以介電常數(shù)與儲(chǔ)能密度也呈非線性關(guān)系，所以就無(wú)法像對(duì)待線性電介質(zhì)那通過(guò)介電常數(shù)的高低來(lái)簡(jiǎn)單地判斷其儲(chǔ)能密度的大小。這幾種材料中由于極化強(qiáng)度P非常大，D≈P，所以在計(jì)算這幾種電介質(zhì)時(shí)，其儲(chǔ)能密度計(jì)算公式可由式（1.1）變形為：J=由式（1.6）可知，這些材料的儲(chǔ)能密度即電場(chǎng)對(duì)極化強(qiáng)度的積分，即圖1.3中的陰影部分的面積。而且從圖1.3可以看出，最大電場(chǎng)強(qiáng)度、飽和極化強(qiáng)度??max、剩余極化強(qiáng)度??r和閉合曲線的面積（即介電損耗）是影響儲(chǔ)能密度的主要因素。具有大的最大極化強(qiáng)度和小的剩余極化強(qiáng)度的電介質(zhì)材料能儲(chǔ)存的能量更多。理論上，反鐵電體的剩余極化強(qiáng)度為0，這代表著反鐵電體在儲(chǔ)能應(yīng)用方面有著比鐵電體和弛豫鐵電體更有潛力。如果反鐵電體能擁有一個(gè)大的飽和極化強(qiáng)度，和小的介電損耗，那么便能得到儲(chǔ)能密度更大的電介質(zhì)材料。但在實(shí)際應(yīng)用上，要想提高電介質(zhì)的儲(chǔ)能密度是比較困難的，因?yàn)殡娊橘|(zhì)的儲(chǔ)能密度與最大極化強(qiáng)度、剩余極化強(qiáng)度、矯頑場(chǎng)強(qiáng)、介電常數(shù)、介電損耗以及擊穿場(chǎng)強(qiáng)的關(guān)系往往是非常復(fù)雜的，而無(wú)機(jī)晶體的擊穿場(chǎng)強(qiáng)又是隨著介電常數(shù)的增大而減小的[3,16]。即使在假定擊穿場(chǎng)強(qiáng)不變的情況下，也不是介電常數(shù)越高，儲(chǔ)能密度就越大，還要考慮到電感應(yīng)強(qiáng)度矢量的飽和。所以儲(chǔ)能密度高的電介質(zhì)材料往往是那些具有適中的介電常數(shù)以及適中的擊穿場(chǎng)強(qiáng)的材料。僅僅提高其中的一個(gè)參數(shù)，作用是很小的，很難得到高儲(chǔ)能密度的電介質(zhì)材料。圖1.3電位移、介電常數(shù)與電場(chǎng)的關(guān)系1.2介電常數(shù)與介電損耗電容作為電子設(shè)備中使用最多的電子元件之一，在電路中的耦合、能量轉(zhuǎn)換、控制和調(diào)諧回路等有著非常廣泛的應(yīng)用。以平行電容器的儲(chǔ)能過(guò)程為例，在外電場(chǎng)的作用下，電荷從極板的一邊運(yùn)動(dòng)至另一邊，通過(guò)電荷的移動(dòng)進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)移，在這個(gè)過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生化學(xué)變化，電能以電荷的形式儲(chǔ)存在兩個(gè)極板間。這就是平行電容器的儲(chǔ)能過(guò)程。圖SEQ圖\*ARABIC\s11.4平行電容器電極化過(guò)程電容可用于衡量電容器容納電荷的能力。如圖1.4，C0為真空下的電容值，C為有電介質(zhì)下下的電容值。電容器的電容C與外加電壓V、積累的電荷Q的關(guān)系式為：C= 介電常數(shù)ε，是材料的本征參數(shù)，用來(lái)表征電介質(zhì)材料儲(chǔ)存電荷的能力。有電介質(zhì)下的電容值與真空下的電容值之比即為介電常數(shù)，表達(dá)式為：ε真空下，電容與真空介電常數(shù)有關(guān)，關(guān)系式為：C其中，d為板間距，S為極板面積。由式（1.8）和（1.9）可得：ε在交變電場(chǎng)下，材料的有效介電常數(shù)需要用復(fù)數(shù)形式表示：ε=在外加電場(chǎng)作用下，電介質(zhì)中會(huì)有一部分能量轉(zhuǎn)化為熱能，這就是介電損耗。介電損耗會(huì)造成電介質(zhì)溫度升高。介電損耗引起線路上的附加衰減，還會(huì)使電路中的元器件發(fā)熱，這可能會(huì)破壞元器件正常工作的環(huán)境，對(duì)于電路和元器件十分有害。通常情況下，產(chǎn)生介質(zhì)損耗的主要原因有電導(dǎo)損耗、松弛極化損耗和諧振損耗。電導(dǎo)損耗：在實(shí)際應(yīng)用中，電介質(zhì)并不是理想情況下的完美絕緣體，其中總會(huì)存在著一些缺陷，使得會(huì)有一些帶電粒子和空位存在。這些載流子在電場(chǎng)下作用下做定向移動(dòng)，形成傳導(dǎo)電流，電流流經(jīng)介質(zhì)產(chǎn)生熱能，造成能量的損耗。這種通過(guò)傳導(dǎo)電流產(chǎn)生熱能的而造成的損耗，稱之為電導(dǎo)損耗。傳導(dǎo)電流的大小由電介質(zhì)材料的電導(dǎo)率和電場(chǎng)強(qiáng)度所決定。當(dāng)電場(chǎng)為直流電場(chǎng)時(shí)，介電損耗只有電導(dǎo)損耗。單位體積損耗功率P的表達(dá)式為：P=σ其中σ為電介質(zhì)的電導(dǎo)率，E為電場(chǎng)強(qiáng)度。松弛極化損耗：當(dāng)外電場(chǎng)的大小與方向改變時(shí)，由于空間電荷極化、離子松弛極化等慢極化從建立極化到穩(wěn)定的過(guò)程其所需時(shí)間比較長(zhǎng)，當(dāng)外交變電場(chǎng)的頻率比較高時(shí)，這些極化無(wú)法在電場(chǎng)變化周期內(nèi)建立完成，無(wú)法跟上電場(chǎng)的周期性變化，產(chǎn)生松弛現(xiàn)象，從而使電介質(zhì)的極化強(qiáng)度P滯后于電場(chǎng)強(qiáng)度E，帶電粒子需克服熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生能量的損耗。而且隨著外電場(chǎng)頻率的升高，電介質(zhì)的介電常數(shù)下降。這種損耗稱之為松弛極化損耗。當(dāng)電場(chǎng)頻率足夠高時(shí)，這些慢極化將完全落后于電場(chǎng)的周期性變化，由這類極化形式提供的介電常數(shù)將隨著外電場(chǎng)頻率的升高而減小。當(dāng)減小至零時(shí)，這些慢極化將不再提供電介質(zhì)的介電常數(shù)，并趨于光頻介電常數(shù)。在直流電壓下，松弛極化損耗可忽略不計(jì)。而在高頻及超高頻中，松弛極化損耗將占據(jù)損耗的主體，甚至?xí)哂陔妼?dǎo)損耗。諧振損耗：根據(jù)電磁場(chǎng)理論可以知道，色散現(xiàn)象會(huì)伴隨著能量的損耗。在紅外到紫外頻率范圍內(nèi)，電介質(zhì)內(nèi)原子、電子、離子振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生共振效應(yīng)并形成色散現(xiàn)象，從而造成能量的損耗。這種損耗稱之為諧振損耗。當(dāng)處于振子的固有頻率時(shí)，色散現(xiàn)象最為嚴(yán)重，損耗的能量最多。介電損耗通常用tanδ表示，δ為介電損耗角。介電損耗的計(jì)算公式為：tanδ=介電損耗的大小與材料的幾何形狀和尺寸無(wú)關(guān)，只與材料本身性質(zhì)有關(guān)，是材料的本征屬性。tanδ的值可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定。1.3擊穿場(chǎng)強(qiáng)當(dāng)外加電場(chǎng)增加到某個(gè)臨界值時(shí)，電介質(zhì)的電導(dǎo)率驟然劇增，電介質(zhì)喪失其絕緣性，變?yōu)閷?dǎo)體，作為電介質(zhì)的特性被破壞，這種現(xiàn)象即為電介質(zhì)的擊穿，此時(shí)對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度就成為擊穿場(chǎng)強(qiáng)。電介質(zhì)的擊穿形式根據(jù)電介質(zhì)的絕緣性能被破壞的原因一般可分成三類，熱擊穿、電擊穿和電化學(xué)擊穿。熱擊穿：在外加電場(chǎng)作用下，電介質(zhì)不可避免地會(huì)產(chǎn)生介電損耗，介電損耗產(chǎn)生的熱量在正常情況下可以全部散發(fā)出去，不對(duì)電介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生影響。而當(dāng)外加電場(chǎng)的強(qiáng)度不斷增強(qiáng)時(shí)，當(dāng)?shù)竭_(dá)某個(gè)臨界值后，電介質(zhì)內(nèi)的熱量無(wú)法全部散發(fā)出去，介質(zhì)內(nèi)部熱平衡被破壞，電介質(zhì)溫度升高，從而導(dǎo)致電導(dǎo)率增加，電介質(zhì)的電流也隨之增加，使得介質(zhì)損耗增大。而損耗增加又會(huì)導(dǎo)致電介質(zhì)發(fā)熱量更大，電介質(zhì)內(nèi)的熱量積累的越來(lái)越多，當(dāng)電介質(zhì)無(wú)法承受其內(nèi)部的熱量而被破壞時(shí)，電介質(zhì)的性質(zhì)被改變，不再是絕緣體，這種擊穿稱之為熱擊穿。電擊穿：電介質(zhì)在強(qiáng)電場(chǎng)作用下通過(guò)離子和電子導(dǎo)電，當(dāng)這些載流子劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)