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电介质陶瓷_图

作者:威尼斯APP登录    更新时间:2020-08-05 10:32

  电介质陶瓷_物理_自然科学_专业资料。电介质陶瓷 一、相关概念 ? 电介质在电场下的极化 ? 介电常数 ? 介电常数的温度系数 ? 介质损耗 E0 + + E' + + + + E0 E内 0+ + E内

  电介质陶瓷 一、相关概念 ? 电介质在电场下的极化 ? 介电常数 ? 介电常数的温度系数 ? 介质损耗 E0 + + E' + + + + E0 E内 0+ + E内 E0 E' 0 导体内电场强度 外电场强度 感应电荷电场强度 静电平衡:当导体中的电荷不动,从而使导体内部电场分 布不随时间变化,则称此时的导体达到了静电平衡。 静电平衡条件: (1)导体内部任何一点处的电场强度为零; (2)导体表面处的电场强度的方向,都与导体表面垂直. 即: E内 0 和 E表面 ∥ en e 其中 n为导体表面的法向矢量 en + + E + dl + eτ + + A B 金属球放入后电力线发生弯曲 电场为一非均匀场 +++ E内 0+ +++ E 尖端放电现象 , E ; E ++ + ++ ++++ E 0 注意 导体表面电荷分布与导体形状以及周围环境有关. 尖端放电现象 E 0 E 带电导体尖端附近电场最强 带电导体尖端附近的电场特 别大,可使尖端附近的空气发生 电离而成为导体产生放电现象, 即尖端放电 . 尖端放电现象的利与弊 尖端放电会损耗电能, 还会干扰精密测量和对通讯产 生危害。 然而尖端放电也有很广泛的应用,如目前尖端 放电及相应的静电技术已应用到控制作物的生长、农产品 的保鲜和贮存等。 静电场对介质的作用 一、电介质的极化 电介质:指在通常条件下导电性能极差的物质(相对导电性好的导 体而言,电介质就是绝缘介质,通常称为绝缘体, 108 cm 。 禁带宽度高达4-5ev(半导体1ev) 从介质内部的结构来分,可分为极性分子电介质和非极性分 子电介质两类。 极性分子电介质:分子中的正负电荷中心不重合,每一分子可视 为一个等效的电偶极子,即每一分子都具有固定的电偶极矩。 非极性分子电介质: 在介质内部,分子 中的正负电荷中心 重合,即每一分子 不存在等效的电偶 极矩 对于极性分子电介质的内部机制,如图所示: pe — — — — pe + + E0 + + 无外场时 有外电场时 对于非极性分子电介质的内部机制,如图所示: 无外场时 有外电场时 - - pe + + E0 - + 图中的 pe 为感应电偶极矩 电介质在外电场的作用下,介质内部的正、负电荷总量依然 相等,表现为中性。但在介质外表面上却出现了只有正电荷或负 电荷的电荷层,由于这种电荷并不能象导体中的自由电荷那样可 以用传导的方式引走,因此称之为极化电荷或束缚电荷。 在外电场作用下,电介质表面出现极化电荷的现象称为电 介质的极化。 电极如化用强P度表:示单电位极体化积强内度分矢子量电,偶pi极表矩示的电矢介量质和中。某一体积ΔV内 某分子(第i个分子)的电偶极矩,则可列成: pi P i (4—45) V 如令V 0,即得电介质中某一点的电极化强度: pi lim P i V 0 V (4—46) 电极化强度的单位为:库仑?米-2(记作C ? m-2) 度 P 实与验该表点明的,电对场于强各度向E同成性正的比电,介且质方,向其相中同每,一可点表的示电为极:化强 P xe0E 其中,xe 称为电极化率,它为一个由电介质材料决定的常量。 - - E - E0 - E E0 E + pi ΔS +σ? + l+ P E0 电介质极化 电子极化 + + e 4 0r 3 R为原子半径 离子极化 正负离子发生相对位移产生 电偶极聚 i 一般为 e 的2-5倍 转向计划 - + - + - 有永久偶极矩,通过转向与电场 取向一致 -+ -+ - -+ -+ 极化 - + -+ -+ -+ - + - + - -+ -+ - 平行板电容器两极板间充满电介质时,电容器的电容为: C UA q UB 0 r S d C0 0 S d 可见,平行板电容器的电容只与自身的几何尺寸与电介质材料有关。 由此比较可得,平行板电容器两极板间没有电介质和充满 电介质时,电场与电场、电容与电容之间的关系为: E 1 r E0 C rC0 (4—59) 其中: r 1 xe 1 q0 qp q0 两极间为真空时此球形电容器的电容 C0 UA q UB q q( 4 0 11 ) 4 0 R1R2 R2 R1 R1 R2 当两极间充满相对介电常数为 的电介质时的电容: r C 4 0 r R1R2 R2 R1 q0 qp q0 对于多相电介质,如果各方向与电场平行,则多相电介质的介 电常数可表示为: 1 V1 V2 Vn m 1 2 n 如果各方向与电场垂直,则多相电介质的介电常数可表示为: m V11 V2 2 Vn n 介电常数的温度系数 Tk 描述介电常数温度特性的参量 介电常数是温度的函数。根据介电常数与温度的关系可将 电子陶瓷分为三类: 铁电陶瓷:介电常数与温度呈强烈的非线性关系 非铁电陶瓷:介电常数与温度呈强烈的非线性关系 反铁电陶瓷 Tk 1 d 0 dT 介质损耗 电能 转化 热能 单位时间内因发热而消耗的能量称为电介质的损耗。 漏导损耗(用电介质 的损耗因数F决定) 极化损耗 电绝缘陶瓷 ? 基本要求: ? 1、高体电阻率 ? 2、低介电常数 ? 3、介质损耗小 ? 4、机械强度高 ? 5、化学稳定性好 ? 氧化物 ? 非氧化物 分类 ? 氧化铝 ? 氧化镁 氧化物 ? 氮化物 非氧化物 多元系统陶瓷 ? 高铝瓷(氧化铝—氧化硅系)99、95、75 瓷 ? 镁质瓷(氧化镁—氧化铝—氧化硅系) 电容器陶瓷 ? 当代电子技术向着高频方向发展,只有陶 瓷电容器才能在千兆赫以上频率范围内有 效地发挥作用。 ? 温度补偿电容器,可保证在环境温度变化 的情况下,也能正常工作。近年来,电子 元件朝着轻薄和小型化发展,对电容器的 要求则为增加电容器每单位体积的电容量, 多层陶瓷电容器以大容量、小体积而适应 了这一趋势。 分类 非铁电类 ? 尽可能高的介电常数 ? 损耗角正切要小 ? 比体积电阻要高 ? 高介电强度,避免意外击穿 ? 在高频、高温高压及其他恶劣环境中工作 可靠,有良好的化学稳定性 非铁电类陶瓷材料 ? 非铁电类陶瓷材料包括金红石基、钛酸盐 基、锡酸盐基和铌酸盐基陶瓷材料:金红 石基材料可制成高频温度(热)补偿型陶 瓷电容器;钛酸盐基材料包括钛酸钙、钛 酸镁陶瓷材料;锡酸盐基材料包括锡酸钙、 锡酸钡、锡酸锶等陶瓷材料;铌酸盐材料 包括铌铋镁系和铌铋锌系等陶瓷材料。 铁电类陶瓷材料 ? 铁电类陶瓷材料中3小分类是: ? 铁电体,主要有钙钛矿系材料的钛酸钡陶 瓷或以钛酸钡为基的固溶体。另外,钛酸 锶也是铁电体材料; ? 反铁电体,主要有锆酸铅或以锆酸铅为基 的固溶体、铌酸镧等; ? 驰豫型铁电体,包括钙钛矿系的铌镁酸铅、 铌锌酸铅等,它是目前最有发展前途的电 容器材料之一。 ? 铁电晶体的一般特性: ?其最基本的特性为在某些温度范围会具有自发极化,而且 极化强度可以随外电场反向而反向,从而出现电滞回线。 ?自发极化:铁晶体管是电介质中一类特别重要的介晶体管。 电介质的特性是:他们以感应而非以传导的方式传播电的 作用与影响。按照这个意义来说,不能简单的认为电介质 就是绝缘体。在电介质中起主要作用的是束缚着的电荷, 在电的作用下,他们以正、负电荷重心不重和的电极化方 式传递和纪录电的影响。而铁电晶体是-------即使没有 外加电场,也可以显现出电偶极距的特性。因其每单位晶 胞带有电偶极矩,且其极化率与温度有关。 ?极化强度随场强呈非线性变化关系。 自发极化 ? 在一定温度范围内、单位晶胞内正负电荷中心不 重合,形成偶极矩,呈现象极性。这种在无外电 场作用下存在的极化现象称为自发极化。当施加 外界电场时,自发极化方向沿电场方向趋于一致; 当外电场倒向,而且超过材料矫顽电场值时,自 发极化随电场而反向;当电场移去后,陶瓷中保 留的部分极化量,即剩余极化。自发极化与电场 间存在着一定的滞后关系。它是表征铁电材料性 质的必要条件。铁电陶瓷、压电陶瓷,如钛酸钡 晶体BaTiO3等具有自发极化。利用材料的这种性 质,可制作电子陶瓷,如电容器及敏感元器件。 饱和极化强度 剩余极化强度 矫顽电场强度 电滞回线 ?铁电晶体的分类: ? 现在发现,具有铁电性的晶体很多,但概括起 来可以分为两大类: ? a.一类以磷酸二氢钾 KH2PO4 --简称KDP--为 代表,具有氢键,他们从顺电相过渡到铁电相 是无序到有序的相变。以KDP为代表的氢键型铁 电晶体,中子绕射的数据显示,在居里温度以 上,质子沿氢键的分布是成对称沿展的形状。 在低于居里温度时,质子的分布较集中且不对 称于临近的离子,质子会较靠近氢键的一端。 ? b.另一类则以钛酸钡为代表,从顺电相到 铁电像的过渡是由于其中两个子晶格发生 相对位移。对于以为代表的钙钛矿型铁电 体,绕射实验证明,自发极化的出现是由 于正离子的子晶格与负离子的子晶格发生 相对位移。 Ba2+ O2- Ti4+ 反铁电体 ? 在一定温度范围内相邻离子联线上的偶极子呈反平行排列, 宏观上自发极化强度为零,无电滞回线的材料,称为反铁 电体。 ? 在外电场、热应力诱导下反铁电相将向铁电相转变, 呈现双电滞回线。 ? 利用反铁电相-铁电相的相变可作机-电换能器,储能 电容器应用。在红外探测、参量放大、高压发生等方面亦 有应用的可能性。 ? 锆酸铅、铪酸铅、铌酸钠、磷酸二氢铵、碘酸铵及三 氧化钨等都是典型的反铁电材料。 弛豫型铁电体 ? 弛豫铁电体就是从加电场到极化方向反转或重新 定向有一段时间的材料 比如 新型弛豫铁电单晶铌 镁酸铅(简称PMNT)或铌锌酸铅(简称PZNT)是一 类新兴的功能材料,其在准同型相界附近具有优 于传统压电陶瓷的较高的压电常数和电致伸缩系 数,可完全代替传统的压电陶瓷 具有优良的铁电、 压电、热释电、非线性光学性能的钨青铜结构陶 瓷是功能陶瓷领域的前沿研究方向之一。 ? 弛豫型铁电体( relaxo r ferroelect rics, 简称 RFE) 近40 年来, 由于钙钛矿结构RFE 极大的介 电常数、无滞后的电致伸缩系数和独特的微观极 化机制, 受到应用及理论研究者的广泛关注。 ? 铌钙镁钛酸矿铅 结(构PbRF(ME。g1/3Nb2/3)O 3, 简称PMN ) 是典型 半导体类陶瓷电容器材料 ? 半导体类陶瓷电容器材料中的还原氧化类, 是以钛酸钡为材料经还原、氧化等处理制 成。晶界层类是以掺杂的钛酸钡或钛酸锶 涂覆金属氧化物、热处理等工艺而制成。 用上述半导体材料制成多层陶瓷电容器, 将会使其体积更小、容量更大,这是今后 电容器发展的方向。另外,我们未将以往 书刊中提到的阻挡层型半导体陶瓷电容器 材料列入分类中,是因其性能不佳,现已 被淘汰。 压电陶瓷的结构与原理 ? 压电效应是在一八八○年由居礼兄弟 (Pierre Curie, 1859-1906 及Jacques Curie, 1856-1941)二位研究人员,针对石 英、闪锌矿、电气石等单晶体研究其在承 受压力时的反应所发现的。其后,又在钛 酸钡、钛酸铅、锆酸铅等多种陶瓷体上发 现类似现象。上述的陶瓷体在受到压力时, 晶体结构产生电荷分布的偏极化,而在不 同端具有不同的表面电荷,这种现象称为 正压电效应,可应用在点火器、应力侦测 器、压电触摸开关等装置中。 ? 若在压电陶瓷体上加以电位差,则可使陶 瓷体产生变形,因而将外加的电能转换成 机械能,这种现象称为负压电效应。负压 电效应可应用于超音波装置,如超音波洗 净器、鱼群侦测器、超音波诊断机及蜂鸣 器,此外亦可应用于精密位移定位系统、 压电马达、喷墨打印机喷头等装置中。除 了上述的单一效应外,亦可将正、负效应 组合应用在滤波器、共振器及压电变压器 等装置上。 概念 ? 在无对称中心的晶体上施加一应力时,晶 体发生与应力成比例的极化,导致晶体两 端表面出现符号相反的电荷;反之,当对 这类晶体施加一电场时,晶体将产生与电 场强度成比例的应变。这两类效应都称为 压电效应,前者称为正压电效应,后者称 为逆压电效应。 ? 从晶体结构看,属于钙钛矿、钨青铜型、含铋层 结构的陶瓷都具有压电性。但目前应用最广的压 电陶瓷,如钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅等都属于 钙钛矿结构。 Ba, Pb, Ca O Ti 发展过程 ? 1880 年法国人居里兄弟发现了“压电效应”。 1942 年,第一个压电陶瓷材料———钛酸钡先后 在美国、前苏联和日本制成。1947 年,钛酸钡拾 音器———第一个压电陶瓷器件诞生了。上世纪 50 年代初,又一种性能大大优于钛酸钡的压电陶 瓷材料———锆钛酸铅研制成功。从此,压电陶瓷 的发展进入了新的阶段。60 年代到70 年代,压电 陶瓷不断改进,逐趋完美。如用多种元素改进的锆 钛酸铅二元系压电陶瓷,以锆钛酸铅为基础的三元 系、四元系压电陶瓷也都应运而生。这些材料性 能优异,制造简单,成本低廉,应用广泛。 压电陶瓷的应用 ? 利用压电陶瓷将外力转换成电能的特性,可 以制造出压电点火器、移动X 光电源、炮 弹引爆装置。用两个直径3 毫米、高5 毫米 的压电陶瓷柱取代普通的火石,可以制成一 种可连续打火几万次的气体电子打火机。 用压电陶瓷把电能转换成超声振动,可以用 来探寻水下鱼群的位置和形状,对金属进行 无损探伤,以及超声清洗、超声医疗,还可以 做成各种超声切割器、焊接装置及烙铁,对 塑料甚至金属进行加工。 ? 压电陶瓷对外力的敏感使它甚至可以感应 到十几米外飞虫拍打翅膀对空气的扰动,并 将极其微弱的机械振动转换成电信号。利 用压电陶瓷的这一特性,可应用于声纳系统、 气象探测、遥测环境保护、家用电器等方 面。 ? 如今压电陶瓷已经被科学家应用到国防建 设、科学研究、工业生产以及和人民生活 密切相关的许多领域中,成为信息时代的多 面手。在航天领域,压电陶瓷制作的压电陀 螺,是在太空中飞行的航天器、人造卫星的 “舵”。依靠“舵”,航天器和人造卫星,才 能保证其既定的方位和航线。传统的机械 陀螺,寿命短,精度差,灵敏度也低,不能很好 满足航天器和卫星系统的要求。而小巧玲 珑的压电陀螺灵敏度高,可靠性好。 ? 在潜入深海的潜艇上,都装有人称水下侦察 兵的声纳系统。它是水下导航、通讯、侦 察敌舰、清扫敌布水雷的不可缺少的设备, 也是开发海洋资源的有力工具,它可以探测 鱼群、勘查海底地形地貌等。在这种声纳 系统中,有一双明亮的“眼睛”———压电 陶瓷水声换能器。当水声换能器发射出的 声信号碰到一个目标后就会产生反射信号, 这个反射信号被另一个接收型水声换能器 所接收,于是,就发现了目标。目前,压电陶瓷 是制作水声换能器的最佳材料之一。 ? 在医学上,医生将压电陶瓷探头放在人体的 检查部位,通电后发出超声波,传到人体碰到 人体的组织后产生回波,然后把这回波接收 下来,显示在荧光屏上,医生便能了解人体内 部状况。 ? 在工业上,地质探测仪里有压电陶瓷元件,用 它可以判断地层的地质状况,查明地下矿藏。 还有电视机里的变压器———电压陶瓷变 压器,它体积变小、重量减轻,效率可达60 %~80 % ,能耐住3 万伏的高压,使电压保持 稳定,完全消除了电视图像模糊变形的缺陷。 现在国外生产的电视机大都采用了压电陶 瓷变压器。一只15 英寸的显像管,使用75 毫米长的压电陶瓷变压器就行了。这样就 使电视机体积变小、重量减轻了。 ? 压电陶瓷也广泛用于日常生活中。用两个 直径3 毫米、高5 毫米的压电陶瓷柱取代普 通的火石制成的气体电子打火机,可连续打 火几万次。利用同一原理制成的电子点火 枪是点燃煤气炉极好的用具。还有一种用 压电陶瓷元件制作的儿童玩具,比如在玩具 小狗的肚子中安装压电陶瓷制作的蜂鸣器, 玩具就会发出逼真有趣的声音。 代生活中被人们普遍用到 的石英表、石英钟,走时 准确,就是利用的具有压 电效应的石英晶体做成的。 石英表中用钮扣电池接入 电路给石英晶体提供变化 的电场,使石英晶体产生 高频振荡, 再利用一个叫 步进电动机的装置驱动时 针、分针和秒针运动。 ? 电话耳机中利用逆压电效应使音频电讯号 转换成晶体的机械振动,再把这种振动传 给一块金属膜片, 使它发出声来。这种电 话成了数字电话,比普通电话效果好得多。 STM 控 制 原 理

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