1、第六章 其它功能特性,第一節(jié) 介電性能,在人類對電認(rèn)識和應(yīng)用的開始階段，電介質(zhì)材料就問世了。然而，當(dāng)時的電介質(zhì)僅作為分隔電流的絕緣材料來應(yīng)用。為了改進電絕緣材料的性能，以適應(yīng)日益發(fā)展的電氣工程和無線電工程的需要，圍繞不同的電介質(zhì)在不同頻率、不同場強的電場作用下所出現(xiàn)的現(xiàn)象進行科學(xué)研究，并總是以絕緣體的介電常數(shù)、損耗、電導(dǎo)和擊穿等所謂四大參數(shù)為其主要內(nèi)容。 隨著電子技術(shù)、激光、紅外、聲學(xué)以及其它新技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，電介質(zhì)已遠不是僅作絕緣材料來應(yīng)用了。特別是極性電介質(zhì)的出現(xiàn)和被廣泛應(yīng)用、使得人們對電介質(zhì)的理解及其范疇和過去大不相同。,引言,以絕緣體的四大參數(shù)為主要內(nèi)容也逐步演變?yōu)橐匝芯课镔|(zhì)內(nèi)部電極

2、化過程。 固態(tài)電介質(zhì)分布很廣，而且往往具有許多可供利用的性質(zhì)。例如電致伸縮、壓電性、熱釋電性、鐵電性等，從而引起了廣泛的研究。實際上，這些性質(zhì)是與晶體的內(nèi)在結(jié)構(gòu)、其中的束縛原子(或離子)以及束縛電子的運動等都有密切的關(guān)系?，F(xiàn)在，固態(tài)電介質(zhì)物理與固體物理、晶體光學(xué)有著許多交迭的領(lǐng)域。特別是在激光出現(xiàn)以后，研究晶態(tài)電介質(zhì)與激光的相互作用又構(gòu)成為固態(tài)激光光譜學(xué)、固態(tài)非線性光學(xué)。,6.1 介質(zhì)的極化與損耗,6.1.1 介質(zhì)極化相關(guān)物理量 電容 ：兩個臨近導(dǎo)體加上電壓后存儲電荷能力的量度。是表征電容器容納電荷的本領(lǐng)的物理量 電容的單位是法拉，簡稱法，符號是F, 毫法(mF)、微法(F)、納法(nF) 和

3、皮法(pF),介電常數(shù) 1）材料因素： 材料在電場中被極化的能力 2）尺寸因素： d 和A ：平板間的距離和面積 平行板電容器在真空： 在平行板電容器間放置某些材料，會使電容器存儲電荷的能力增加，CC0 真空介電常數(shù)：0 =8.8510-12 F. m-1(法拉/米) 相對介電常數(shù)：r 介電常數(shù)（電容率）： =0r(F/m) 介電常數(shù)是描述某種材料放入電容器中增加電容器存儲電荷能力的物理量。,介電材料：放在平板電容器中增加電容的材料 電介質(zhì)：在電場作用下能建立極化的物質(zhì)。 感應(yīng)電荷（束縛電荷）：在真空平板電容器中嵌入一塊電解質(zhì)加入外電場時，在整機附近的介質(zhì)表面感應(yīng)出的負(fù)電荷，負(fù)極板附件的介質(zhì)表

4、面感應(yīng)出的正電荷。,極化：電介質(zhì)在電場作用下產(chǎn)生束縛電荷的現(xiàn)象。,極化電荷：電介質(zhì)在外電場的作用下，在和外電場相垂直的電介質(zhì)表面分別出現(xiàn)正、負(fù)電荷。這些電荷不能自由移動，也不能離開，總保持中性。,電解質(zhì)的分類：極性分子電解質(zhì)和非極性分子電解質(zhì)-分子的正負(fù)電荷統(tǒng)計重心是否重合，是否有點偶極子？,Q：所含電量； l：正負(fù)電荷重心距離,電介質(zhì)在外電場作用下，無極性分子的正負(fù)電荷重心重合將產(chǎn)生分離，產(chǎn)生電偶極矩。,據(jù)分子的電結(jié)構(gòu)，電介質(zhì)可分為： 極性分子電介質(zhì)：H2O;CO（有） 非極性分子電介質(zhì)：CH4;He 電極化強度（P） ：電解質(zhì)極化程度的量度（C/m2）. P=/V ：電介質(zhì)中所有電偶極矩的

5、矢量和 V： 所有電偶極矩所在空間的體積,6.1.2 極化類型電子位移極化，離子位移極化，轉(zhuǎn)向極化，空間電荷極化，分別對應(yīng)電子、原子、分子和空間電荷情況。,位移極化，由電子或離子位移產(chǎn)生電偶極矩而產(chǎn)生的極化。分為電子位移極化和離子位移極化。,（1）電子位移極化 材料在外電場的作用下，分子或原子中的正負(fù)電荷產(chǎn)生相對位移，中性分就變成偶極子。 這種極化可以在光頻下進行，10-15s； 彈性，可逆； 與溫度無關(guān)； 產(chǎn)生于所有材料中； 電子極化率的大小與原子(離子)的半徑有關(guān),E,（2）離子位移極化： 外電場作用下，負(fù)離子和正離子相對于它們的正常位置發(fā)生位移，形成一個感生偶極矩。 反應(yīng)時間為10-13

6、S 可逆; 溫度升高，極化增強； 產(chǎn)生于離子結(jié)構(gòu)電介質(zhì)中 離子位移極化率： 式中：a為晶格常數(shù)；n為電子層斥力指數(shù)， 對于離子晶體n為7-11,（3）馳豫極化 外加電場作用于弱束縛荷電粒子造成，與帶電質(zhì)點的熱運動密切相關(guān)。熱運動使這些質(zhì)點分布混亂，而電場使它們有序分布，平衡時建立了極化狀態(tài)。為非可逆過程。,電子馳豫極化 由于晶格的熱運動，晶格缺陷，雜質(zhì)引入，化學(xué)成分局部改變等因素，使電子能態(tài)發(fā)生改變，導(dǎo)致位于禁帶中的局部能級中出現(xiàn)弱束縛電子，在熱運動和電場作用下建立相應(yīng)的極化狀態(tài)。 不可逆；反應(yīng)時間為10-910-2S；產(chǎn)生于Nb、Bi、Ti為基的氧化物陶瓷中，隨溫度升高變化有極大值。,離子馳

7、豫極化： 弱聯(lián)系離子：在玻璃狀態(tài)的物質(zhì)、結(jié)構(gòu)松散的離子晶體、晶體中的雜質(zhì)或缺陷區(qū)域，離子自身能量較高，易于活化遷移，這些離子稱為弱聯(lián)系離子。由弱聯(lián)系離子在電場和熱作用下建立的極化為離子弛豫極化。 不可逆；反應(yīng)時間為 10-510-2S；隨溫度變化有極大值。,Ta極化率 ；q為離子荷電量； 為弱離子電場作用下的遷移；,（4）轉(zhuǎn)向極化 存在固有偶極矩，無外電場時，混亂排列，使總極矩=0，有外電場作用時，偶極轉(zhuǎn)向，成定向排列，從而產(chǎn)生介質(zhì)極化。 為無外電場時的均方偶極矩。,特點： 非彈性的，不可逆； 形成極化時間較長； 溫度對介電常數(shù)有很大影響。,（5) 空間電荷極化 非均勻介質(zhì)中，正負(fù)離子分別向負(fù)

8、、正極移動，產(chǎn)生電偶極矩，即空間電荷極化，在電極附近積聚的就是空間電荷。 在物理阻礙：晶界，相界，自由表面，缺陷等處，自由電荷積聚就可形成空間電荷極化。在夾層、氣泡處形成的稱為界面極化。,特點： 反應(yīng)時間很長，幾秒到數(shù)十分鐘； 隨溫度升高而減弱； 存在于結(jié)構(gòu)不均勻的陶瓷電介質(zhì)中； 非彈性極化；,小結(jié)： （1）總的極化強度是上述各種機制作用的總和。 （2）材料的組織結(jié)構(gòu)影響極化機制。,（3） 外電場的頻率：某種機制都是在不同的時間量級內(nèi)發(fā)生的，只有在某個領(lǐng)域頻率范圍內(nèi)才有顯著的貢獻。,各種極化形式的比較,6.1.3 宏觀極化強度和微觀極化率的關(guān)系,(1) 有效電場：,（2）克勞修斯-莫索堤方程,

9、極化強度P可以寫為單位體積電介質(zhì)在實際電場作用下所有電偶極矩的總和,上式表明，研制高介電常數(shù)的方向，應(yīng)選擇大的極化率的離子，同時選擇單位體積內(nèi)極化質(zhì)點多的電介質(zhì)。,損耗的形式 介質(zhì)損耗的表示方法 介質(zhì)損耗和頻率、溫度的關(guān)系,6.1.4 介質(zhì)損耗,（1）損耗的形式,電導(dǎo)損耗：在電場作用下，介質(zhì)中會有泄漏電流流過，引起電導(dǎo)損耗。 極化損耗：只有緩慢極化過程才會引起能量損耗，如偶極子的極化損耗。 游離損耗：氣體間隙中的電暈損耗和液、固絕緣體中局部放電引起的功率損耗稱為游離損耗。,（2）介質(zhì)損耗的表示,當(dāng)容量為C0=0A/d的平板電容器上加一交變電壓U=U0eiwt。則：,電容器極板間為真空介質(zhì)時，電

10、容上的電流為：,電容器極板間為非極性絕緣材料時，電容上的電流為：,損耗角正切的倒數(shù)Q就表示電介質(zhì)的品質(zhì)因數(shù)，希望它的值高。,（3）頻率的影響,r，tg，p與的關(guān)系,在 下，損耗角正切值達最大值，即可得,（2）溫度的影響,r、tg、P與T的關(guān)系,介質(zhì)吸潮后，介電常數(shù)會增加，但比電導(dǎo)的增加要慢，由于電導(dǎo)損耗增大以及松馳極化損耗增加，而使tg增大。 對于極性電介質(zhì)或多孔材料來說，這種影響特別突出，如，紙內(nèi)水分含量從4增加到10時，其tg可增加100倍。,（3）濕度的影響,6.1.5 材料的介質(zhì)損耗,(1)無機材料的損耗形式主要有：,電離損耗 結(jié)構(gòu)損耗,電離損耗,電離損耗主要發(fā)生在含有氣相的材料中。含

11、有氣孔的固體介質(zhì)在外電場強度超過了氣孔內(nèi)氣體電離所需要的電場強度時，由于氣體電離而吸收能量，造成損耗，即電離損耗。其損耗功率可以用下式近似計算：,U為外施加電壓；U0為氣體的電離電壓,結(jié)構(gòu)損耗,結(jié)構(gòu)損耗是在高頻、低溫下，與介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的緊密程度密切相關(guān)的介質(zhì)損耗。結(jié)構(gòu)損耗與溫度的關(guān)系很小，損耗功率隨頻率升高而增大，但tg則和頻率無關(guān)。,一般材料，在高溫、低頻下，主要為電導(dǎo)損耗；在常溫、高頻下，主要為松弛極化損耗；在低溫、高頻下主要為結(jié)構(gòu)損耗。,（2）離子晶體的損耗,離子晶體可以分為結(jié)構(gòu)緊密的晶體和結(jié)構(gòu)不緊密的離子晶體。 結(jié)構(gòu)緊密的晶體離子都堆積得十分緊密，排列很有規(guī)則，離子鍵強度比較大，無極化

12、損耗。 結(jié)構(gòu)不緊密的離子晶體的內(nèi)部有較大的空隙或晶格畸變，含有缺陷或較多的雜質(zhì)，離子的活動范圍擴大，損耗較大。,（3）玻璃的損耗,復(fù)雜玻璃中的介質(zhì)損耗主要包括三個部分：電導(dǎo)損耗、松弛損耗和結(jié)構(gòu)損耗。 哪一種損耗占優(yōu)勢，決定于外界因素溫度和外加電壓的頻率。,玻璃的tg與溫度的關(guān)系 1、結(jié)構(gòu)損耗； 2、松弛損耗 3、電導(dǎo)損耗； 4、總 損 耗,Na2OK2OB2O3玻璃 的tg與組成的關(guān)系,（4）陶瓷材料的損耗,主要是電導(dǎo)損耗、松弛質(zhì)點的極化損耗及結(jié)構(gòu)損耗。 表面氣孔吸附水分、油污及灰塵等造成表面電導(dǎo)也會引起較大的損耗。 大多數(shù)電工陶瓷的離子松弛極化損耗較大，主要原因是：主晶相結(jié)構(gòu)松散，生成了缺陷

13、固溶體，多晶形轉(zhuǎn)變等。,6.1.6降低材料的介質(zhì)損耗的方法,選擇合適的主晶相。 改善主晶相性能時，盡量避免產(chǎn)生缺位固溶體或填隙固溶體，最好形成連續(xù)固溶體。 盡量減少玻璃相。 防止產(chǎn)生多晶轉(zhuǎn)變。 注意焙燒氣氛。 控制好最終燒結(jié)溫度,討論介質(zhì)損耗的意義,絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須注意到絕緣材料的tg 用于沖擊測量的連接電纜，其絕緣的tg必須很小 在絕緣預(yù)防性試驗中，tg是一項基本測試項目，當(dāng)絕緣受潮或劣化時，tg急劇上升。 介質(zhì)損耗引起的發(fā)熱有時也可以利用,6.2 介電強度,概述： 固體電介質(zhì)的擊穿就是在電場作用下伴隨著熱、化學(xué)、力等等的作用而喪失其絕緣性能的現(xiàn)象。擊穿后在材料中留下有不能恢復(fù)的痕跡，如燒

14、焦或溶化的通道、裂縫等 ，去掉外施電壓 ，不能自行恢復(fù)絕緣性能。,6.2.1 介電強度的定義,擊穿場強電介質(zhì)所能承受的不被擊穿的最大場強。 擊穿電壓電介質(zhì)（或電容器）擊穿時兩極板的電壓。,電介質(zhì)的擊穿 一般外電場不太強時，電介質(zhì)只被極化，不影響其絕緣性能。當(dāng)其處在很強的外電場中時，電介質(zhì)分子的正負(fù)電荷中心被拉開，甚至脫離約束而成為自由電荷，電介質(zhì)變?yōu)閷?dǎo)電材料。當(dāng)施加在電介質(zhì)上的電壓增大到一定值時，使電介質(zhì)失去絕緣性的現(xiàn)象稱為擊穿(breakdown)。相應(yīng)的臨界電場強度稱為介電強度，也稱擊穿場強。,一些電介質(zhì)的介電強度 單位：106V/cm,固體電介質(zhì)擊穿的類型,電擊穿 熱擊穿 局部放電擊穿

15、其他擊穿機制（樹枝化擊穿、電-機械擊穿、沿面擊穿等）,6.2.2 電介質(zhì)的擊穿,與氣體和液體電介質(zhì)相比，固體電介質(zhì)擊穿有以下幾個特點： 固體介質(zhì)的擊穿強度比氣體和液體介質(zhì)高，約比氣體高兩個數(shù)量級，比液體高一個數(shù)量級左右； 固體通常總是在氣體或液體環(huán)境媒質(zhì)中，因此對固體進行擊穿試驗時，擊穿往往發(fā)生在擊穿強度比較低的氣體或液體媒質(zhì)中，這種現(xiàn)象稱為邊緣效應(yīng)。（試驗時必須盡可能排除） 固體電介質(zhì)的擊穿一般是破壞性的，擊穿后在試樣中留下貫穿的孔道、裂紋等不可恢復(fù)的傷痕。,（1）電擊穿,當(dāng)施加于電介質(zhì)上的電場強度或電壓增大到一定程度時，電介質(zhì)就由介電狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài)，這個過程就是電擊穿。 發(fā)生擊穿時的電場

16、強度稱為擊穿電場強度(介電強度），用Eb表示，此時所加電壓稱為擊穿電壓，用Ub表示。即： 陶瓷材料的擊穿強度一般在460kV/mm。,電擊穿是指電場直接作用下，介質(zhì)中載流子迅速增殖造成的擊穿。這個過程約在10-7s完成，擊穿是突然發(fā)生的。擊穿電場強度較高，約為106107V/cm。 一般認(rèn)為，電擊穿的發(fā)生是由于晶體能帶在強電場作用下發(fā)生變化，電子直接由滿帶躍遷到空帶發(fā)生電離所致。,電擊穿理論,通常，當(dāng)電場強度升高至接近擊穿強度時，材料中流過的大電流主要是電子型的。 引起導(dǎo)電電子倍增的方式，也即擊穿的機制主要有碰撞電離理論和雪崩理論，此外有時也可能發(fā)生齊納擊穿（或稱隧道擊穿）。,碰撞電離理論,當(dāng)

17、晶體的溫度高于絕對零度時，晶格的微小振動形成格波，其能量量子即聲子，在碰撞電離理論中，碰撞機制一般應(yīng)考慮電子和聲子的碰撞，同時也應(yīng)該包括雜質(zhì)和缺陷對自由電子的散射。若外加電場足夠高，當(dāng)自由電子在電場中獲得的能量超過失去的能量時，自由電子便可在每次碰撞后積累起能量，最后發(fā)生電擊穿。,雪崩理論,雪崩理論是在電場足夠高時，自由電子從電場中獲得能量在每次碰撞后都能產(chǎn)生一個自由電子。因此在n次碰撞后就有2n個自由電子，形成雪崩或倍增效應(yīng)。當(dāng)雪崩或倍增效應(yīng)貫穿兩電極時，則出現(xiàn)擊穿。,若電介質(zhì)中的場強很大，電介質(zhì)分子的正負(fù)電荷有可能被拉開而變成可自由移動的電荷。大量自由電荷的產(chǎn)生，使電介質(zhì)的絕緣性能破壞而成

18、為導(dǎo)體。,規(guī)律： 固體介質(zhì)的擊穿電場強度往往取決于材料的均勻性； 大部分材料在交變電場下的擊穿強度低于直流下的擊穿電場強度，在高頻下由于局部放電的加劇，使得擊穿電場強度下降得更厲害，并且材料的介電常數(shù)越大，擊穿電場強度下降得越多； 無機電介質(zhì)在高頻下的擊穿往往具有熱的特征，發(fā)生純粹電擊穿的情況并不多見；,在室溫附近，高分子電介質(zhì)的擊穿電場強度往往比陶瓷等無機材料要大，并且極性大高聚物的擊穿電場強度常常要比非極性的大； 在軟化溫度附近，熱塑性高聚物的擊穿電場強度急劇下降。,熱擊穿,當(dāng)固體電介質(zhì)在電場作用下，由電導(dǎo)和介質(zhì)損耗產(chǎn)生的熱量超過試樣通過傳導(dǎo)、對流和輻射所能散發(fā)的熱量時，試樣中的熱平衡就被

19、破壞，試樣溫度不斷上升，最終造成介質(zhì)永久性的熱破壞，這就是熱擊穿。 熱擊穿有一個熱量積累過程，不像電擊穿那樣迅速。熱擊穿電場強度較低，一般約為110kV/mm。,介質(zhì)中所產(chǎn)生的熱量，一方面使試樣本身的溫度升高，另一方面通過熱傳導(dǎo)和熱對流向周圍散發(fā)熱量。 在電場作用下，如試樣的發(fā)熱功率為W1，散熱功率為W2，臨界熱平衡方程即為：,（1）介質(zhì)的不均勻性： 無機材料常常為不均勻介質(zhì)，有晶相、玻璃相和氣孔存在，這使無機材料的擊穿性質(zhì)與均勻材料不同。 不均勻介質(zhì)最簡單的情況是雙層介質(zhì)。設(shè)雙層介質(zhì)具有各不相同的電性質(zhì)，1，1，d1和 2，2，d2 分別代表第一層、第二層的介電常數(shù)、電導(dǎo)率、厚度。 若在此系統(tǒng)上加直流電壓U，則各層內(nèi)的電場強度E1，E2，為：,6.2.3 影響無機材料擊穿強度的各種因素,上式表明：電導(dǎo)率小的介質(zhì)承受場強高，電導(dǎo)率大的介質(zhì)承受場強低。在交流電壓下也有類似的關(guān)系。 如果1和2 相差甚大，則必然其中一層的電場強度將大于平均場強E，這一層可能首先達到擊穿強度而被擊穿。一層擊穿以后，增加了另一層的電壓，且電場因此大大畸變，結(jié)果另一層也隨之擊穿。由此可見，材料的不均勻性可能引起擊穿場強的降低。 陶瓷