页数：26页文件大小：1,014.8 KB来源： 功能材料及其应用ppt课件
本课件以电极化为线索，介绍分子极化率、极化强度、静态与动态介电常数、介电损耗和击穿电压等特征值，进而说明气体、液体、固体电介质的分类，并重点分析铁电体的电畴、电滞回线、居里温度与反铁电体。
一、介电材料的特征值1.分子极化率α在电场作用下，介电材料的分子产生电偶极矩μ，而μ=αE式中α－－分子极化率。分子极化率一般由电子极化率αe、原子(离子)极化率αa和取向极化率αo三部分构成：α=αe+αa+αo
一、介电材料的特征值2.极化强度P介电材料的极化强度是单位体积内电偶极矩的矢量和
一、介电材料的特征值3.静态介电常数ε静态介电常数E和极化强度P的关系为:§2.1介电材料式中ε0－－真空的介电常数；E－－电场强度。从式中可以看出，介质的极化强度P越大，ε也越大。
方便起见常用相对静态介电常数εr=ε/ε0，而把ε称为绝对介电常数。
一、介电材料的特征值4.动态介电常数ε0电介质分子的极化需要一定的时间，完成极化的时间叫弛豫时间τ，其倒数称弛豫频率f,电子极化的f约1015Hz,相当于紫外频率，原子(离子)极化的f约1012Hz,处于红外区，取向极化的f在100～1010Hz之间，处于射频和微波区。
在交变电场作用下，由于电场频率不同，极化对电场变化的反应也不同。
一、介电材料的特征值4.动态介电常数ε0当f＜100～1010Hz时，三种极化都可建立。当1010Hz＜f＜1013Hz时，取向极化来不及建立。当1013Hz＜f＜1015Hz时，离子极化也来不及建立，只有电子极化能建立，这叫极化的滞后。
因此，极化强度与交变电场的频率有关，如图2-1所示。
一、介电材料的特征值4.动态介电常数ε0
一、介电材料的特征值4.动态介电常数ε0在交变电场中，由于极化滞后，介电常数要用复数ε0表示，又叫动态介电常数。ε0＝ε’-iε’’式中ε’－－实部；ε’’－－虚部。
一、介电材料的特征值4.动态介电常数ε0而§2.1介电材料式中tanδ－－损耗角正切；δ－－电感和电场的相位角。
当δ=0时，即非交变电场时,tanδ=0，E"=0，ε’’=0，ε0＝ε'=ε即为静介电常数，同样复介电常数常用相对值ε0r=ε0/ε0，ε’r=ε'/ε0，ε’’r=ε’’/ε0表示。由于ε随P而变，ε也随f而变。
一、介电材料的特征值5.介电损耗W交变电场中，在每秒内，每立方米电介质消耗的能量称介电损耗W
一、介电材料的特征值6.电导率σ一般电介质或多或少有些电导率，其来源为漏电电导率和位移电导率。7.击穿电压U电介质承受的电压超过一定值后，就丧失了电介质的绝缘性，这个电压叫做击穿电压。
二、介电材料的种类1.气体气体电介质中空气是最常用的天然电介质。气体电介质可分为非极性气体(如He、H2、N2、O2和CH4等)和极性气体(如HCl、NO等)。还有混合气体如空气等。
2.液体液体电介质可分为非极性和弱极性液体(如CCl4、苯、二甲苯、汽油、煤油和变压器油等)和极性液体(如三氯联苯、乙醇和水等)。
二、介电材料的种类3.固体固体电介质也可分为非极性和极性两类。前者如金刚石、硅和硫等晶体，非极性的陶瓷及非极性高聚物如聚乙烯、聚四氟乙烯等。后者如LiF、NaCl、KCl、TiO2、CH3NO2等晶体和极性高聚物如聚氯乙烯等。
一、铁电体的定义铁电体指在某温度范围内具有自发极化且极化强度可以因外电场而反向的晶体。铁电体具有电滞回线。铁电体还有一个特点就是它具有许多电畴。所谓电畴就是在一个电畴范围内永久偶极矩的取向都一致。
因此，凡具有电畴和电滞回线的介电材料就称为铁电体。
一、铁电体的定义其实晶体中并不含铁。铁电体又常被称作息格毁特晶体，这是因为第一个铁电体(罗息盐)是在1672年由罗息地方的药剂师息格毁特制备出来的。
二、铁电体的特性(1)铁电体有许多电畴，不同的电畴之间永久偶极矩的取向不一致。当无外电场时，电畴无规则所以净极化强度为0。而当施加外电场时，与电场方向一致的电畴长大，而其他电畴变小，因此，极化强度随电场强度变大而变大。
二、铁电体的特性(2)极化强度与外加电场形成电滞回线。其极化强度P与外加电场的关系，对一般电介质,P=NαE,α为常数。但是对铁电体,P和E不呈线性关系，这和一般电介质不同。P和E形成电滞回线。这可如图2-2所示。
二、铁电体的特性§2.2铁电材料当外电场E增加时，极化强度P按OABC增加，增至C电畴变成单一取向电畴(和E取向一致),此时P达到饱和。到E下降时,P按CBD曲线下降,到E=O时，P=Pr，Pr称剩余极化。
而P=O时,E=-Ec，Ec称为矫顽电场强度。到D达到饱和。再增加E,P按DC线增加而形成CBD回线，即P和E有滞后效应。C点处的切线和P轴的交点Ps称为饱和极化强度。
是相当于E=O时单畴的自发极化强度，PsBC相当于P与E呈线性关系时的P-E曲线。
二、铁电体的特性(3)居里温度凡是铁电相与顺电相的相转变温度，当铁电体温度T＞Tc时，铁电现象即消失。当T＜Tc时，铁电体处于铁电相。当T＞Tc时，处于顺电相。当T=Tc时发生相变。铁电相是极化有序状态，顺电相则是极化无序状态。
其间Tc称为居里点。
二、铁电体的特性(4)介电系数E与非铁电体不同。由于极化的非线性，铁电体的介电常数不是常数，而是依赖于外加电场；一般以OA曲线在原点的斜率来代表介电常数，即在测量介电常数E时，所加的外电场很小。
铁电体在发生相变的过渡温度附近时，介电常数E具有很大的值，数量将达到104～105。
二、铁电体的特性(4)介电系数E与非铁电体不同。当T＞Tc时，介电常数随温度变化的关系遵守居里-外斯定律
三、铁电体的种类按照铁电体极化轴的多少，可将铁电体分为两类。只能沿一个晶轴方向极化(沿某轴上下极化)的铁电体。这也是无序一有序型铁电体(软铁电体)。它从顺电相到铁电相的过渡是从无序到有序的相变。
其中有：罗息盐(NaKC4H4O6·4H20)及其他有关的酒石酸盐；磷酸二氢钾(KH2PO4)型的铁电体；硫酸铵[(NH4)2S04]和四氟铍酸铵[(NH4)2BeF4]；三硼酸氢钙[CaB3O4(OH)3·H20]；硫脲(NH2)2CS；一水甲酸锂(HCOOLi·H20)等。
三、铁电体的种类另一类，可以沿几个晶轴极化的铁电体，这些晶轴在非铁电相中都是等价的，也称为位移型铁电体(硬铁电体)。
这类铁电体以铁酸钡为代表(BaTi03),还有铌酸盐(LiNb03,KNb03)和钽酸盐(LiTaO3、KTaO3)以及SbSI(锑-硫-腆)等。从顺电相到铁电相的过渡是两个子晶格之间发生位移。
四、反铁电体§2.2铁电材料反铁电体是一些离子晶体，它的相邻行或列上的离子沿反平行的方向自发极化，最简单的如图2-3(a)所示。图2-3(b)则表示离子沿对角线反平行位移的一般情形。
四、反铁电体最初发现具有反铁电性的晶体为三氧化钨(WO3)，当温度高于101OK时，它处于反铁电相。X射线衍射实验表明，钨离子沿反平行方向位移。后来发现，锆酸铅(PbZrO3)也具有反铁电相。
铁电材料的研究目前主要是改进原有品种和开发新品种。利用离子位移和铁电性的关系，根据极性空间群的各种晶体参数，可预测新的铁电体。铁电材料主要用作压电、电光等材料。
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