06[1].电介质材料第四部分
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电介质物理与材料ppt课件
电介质
电力线能穿过的物质，也就是能存在较强电场， 且具有明显极化特性的材料。
存在束缚电荷。
电介质内部的束缚电荷来源和特点
束缚于电介质内的正原子实和其它负电子。 束缚电荷不可以自由运动，只能做局域位移。
这些特点与电介质的原子结构、电子结构、晶体 结构有关。（客观存在，与是否有电磁作用无关）
3
1.2 电介质物理研究特点
13
（2）研究的频域范围
Broadband Dielectric Spectroscopy
绝缘材料： 电阻率一般都很高，是典型的电介质材料。 宽禁带半导体： 电阻率不很高，不属于绝缘材料。在电场下可以发生极化， 也归入到电介质材料体系。例如，III-V 族和 II-VI 族半导体， 共价键-离子键混合结构，表现出电极化和弛豫特征。 12
大多数生物体 —— 驻极体： 荷电长期驻留与生物体内，荷电分布对电场（包括对交变电 场及电磁场）有强烈的介电响应，也被纳入到电介质的研究 范围。 利用电介质物理学研究生物体的性能是这门学科的一个特点。 由于绝大多数生物体不属于固态电介质，在驻极体物理研究 领域，对这类介质有专门研究。 电介质物理内容中一般都不做介绍。
8
3）按组成物质原子排列的有序化程度分类 晶体电介质 ：石英晶体、陶瓷晶体等 非晶态电介质：玻璃、塑科、一些非晶陶瓷等 前者表现为长程有序，而后者只表现为短程有序。 4）按分子电极性分类 工程应用上常常按照电荷在介质空间分布进行分类。 非极性电介质： 无外电场作用时，介质的正、负电荷中心重合。 如聚四氟乙烯薄膜、变压器油等。 聚四氟乙烯的分子结构：
电介质物理主要研究介质内部束缚电荷行为特征和移动机制。 1）在场（电、光、磁、应变场）作用下，电介质发生电极化， 电介质物理研究特点之一是：首先描述介质极化过程和机制， 其次，阐明极化规律，即电极化与电介质结构的关系。
电力线能穿过的物质，也就是能存在较强电场， 且具有明显极化特性的材料。
存在束缚电荷。
电介质内部的束缚电荷来源和特点
束缚于电介质内的正原子实和其它负电子。 束缚电荷不可以自由运动，只能做局域位移。
这些特点与电介质的原子结构、电子结构、晶体 结构有关。（客观存在，与是否有电磁作用无关）
3
1.2 电介质物理研究特点
13
（2）研究的频域范围
Broadband Dielectric Spectroscopy
绝缘材料： 电阻率一般都很高，是典型的电介质材料。 宽禁带半导体： 电阻率不很高，不属于绝缘材料。在电场下可以发生极化， 也归入到电介质材料体系。例如，III-V 族和 II-VI 族半导体， 共价键-离子键混合结构，表现出电极化和弛豫特征。 12
大多数生物体 —— 驻极体： 荷电长期驻留与生物体内，荷电分布对电场（包括对交变电 场及电磁场）有强烈的介电响应，也被纳入到电介质的研究 范围。 利用电介质物理学研究生物体的性能是这门学科的一个特点。 由于绝大多数生物体不属于固态电介质，在驻极体物理研究 领域，对这类介质有专门研究。 电介质物理内容中一般都不做介绍。
8
3）按组成物质原子排列的有序化程度分类 晶体电介质 ：石英晶体、陶瓷晶体等 非晶态电介质：玻璃、塑科、一些非晶陶瓷等 前者表现为长程有序，而后者只表现为短程有序。 4）按分子电极性分类 工程应用上常常按照电荷在介质空间分布进行分类。 非极性电介质： 无外电场作用时，介质的正、负电荷中心重合。 如聚四氟乙烯薄膜、变压器油等。 聚四氟乙烯的分子结构：
电介质物理主要研究介质内部束缚电荷行为特征和移动机制。 1）在场（电、光、磁、应变场）作用下，电介质发生电极化， 电介质物理研究特点之一是：首先描述介质极化过程和机制， 其次，阐明极化规律，即电极化与电介质结构的关系。
06[4].电介质材料
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6.4.1 微波陶瓷的介电性能
6.4.1 微波陶瓷的介电性能
6.4.1 微波陶瓷的介电性能
6.4.1 微波陶瓷的介电性能
6.4.2 微波陶瓷介质的应用
如前述及，微波陶瓷介质是微波电路中的基础和关 键材料，可应用于各个方面。首先，类似于一般电子 电路中不可缺少的振荡器、滤渡器、放大器等LC回路。 可作介质谐振器（一种微波电磁谐振系统）。其次可 用于收集或储存微波能的介质天线。此外还可用于控 制微波信号传输方向的介质波导，以及电路或元件间 耦合的微波电存器，乃至承载和支撑电路、元件及起 绝缘作用的基片、底板等。
接近晶体状态或保持某种化学Байду номын сангаас分的微小区域（微
晶区），但不可否认它们是被高度扭曲的。
无序连续网络结构，其化学成分为Si02 ，结 6.5.1 玻璃的结构与组成 构单元为【SiO2】四面体，其中含有较大的 跟一个四面体及一个碱 不均匀孔隙。 金属离子连接的氧称为
“非桥接氧”
有序 结构
跟两个四面体连接 的氧称为“桥接氧”
6.4.2 微波陶瓷介质的应用
由于金属谐振腔体积无法满足小型化、集成化的要求， 而某些高ε值陶瓷体与自由空间边界可以折射和反射微波 信号，并且Q值高，τf 低，易于集成化，成本低，从而在 微波器件中显示了重要地位。目前常用微波介质陶瓷如 P246-248表6.4.1所列。
6.4.2 微波陶瓷介质的应用
6.5.1 玻璃的结构与组成
(2)玻璃变性剂 能显著改变玻璃特性的氧化物。该类氧化物主要为 碱金属氧化物R2O，由于它的离子电场强度很小，单键 强度小，氧的配位数较大，在玻璃网络中引入后使桥氧 断裂，其中的氧全部与形成剂结合。但若氧过量，则成 为非桥接氧，使熔体负离子团变小，粘度下降，焙体相 对均匀。变性剂正离子常常未进入结构网络之中，故又 称为“网络外体离子”，使玻璃体结构牢固程度减小， 软化温度及粘度降低，这就为加工带来方便，但却使机 械强度减弱，化学稳定性降低，热胀系数增大。特别是 当变性离子成为弱系离子时，在外电场作用下，容易迁 移并松弛，而使tanδ、γ值增大，且与温度的关系恶化。 所以总的来说，变性剂对介电性能是不利的。
材料物理性能(第四章材料的光学性能)x精要
光在界面上的反射的多少取决于两种介质的相对折射率 。
第十页，编辑于星期六：十五点 三十一分。
设一块折射率为
的玻璃，光反射损
失为
,透过部分为
。如果透射
光又从另一界面射入空气，即透过两个界面，此
时透过部分为
如果连续透过x块平板玻璃，则透过部分为
第十一页，编辑于星期六：十五点 三十一分。
由于陶瓷，玻璃等材料的折射率较空气大，所以反射损 失严重。如果透镜系统由许多块玻璃组成，则反射损失更可 观，为了减少这种界面损失，常常采用折射率和玻璃相近的 胶将它们粘起来，这样，除了最外和最内的表面是玻璃和空 气的相对折射率外，内部各界面都是和胶的较小的相对折射 率，从而大大减少界面的反射损失。
细的颗粒。但在高温下，在还原气氛下，会出 现显色。因此只能用在搪瓷（973～1073） 3. CeO也是良好的乳浊剂，但是稀有而昂贵 4. SnO2也是良好的乳浊剂，烧成如遇到还原气氛， 则还原成SnO而溶于釉中，乳浊效果消失。 5. 锆化合物，乳浊效果稳定，不受气氛影响。同 样也是成本较高。
6. 直接利用天然锆英石（ZrSiO4），成本较低
象非晶态和立方晶体这些各向同性材料，当光通过时
，光速不因传播方向改变而变化，材料只有一个折射率，称
为均质介质。但是除立方晶体以外的其他晶型，都是非
均质介质。
第四页，编辑于星期六：十五点 三十一分。
光进入非均质介质时，一般都要分为振动方向相互垂直、 传播速度不等的两个波，它们分别构成两条折射光线，这个现 象称为双折射。双折射是非均质晶体的特性，这类晶体的所 有光学性能都和双折射有关。
色散值可以直接由图4.1确定。常用的色散系数为
式中 nD 、nF 和nC 分别为以钠的D谱线，氢的F谱线和C 谱线（5893Å、4861Å和6563Å）为光源，测得的拆射率 。
第十页，编辑于星期六：十五点 三十一分。
设一块折射率为
的玻璃，光反射损
失为
,透过部分为
。如果透射
光又从另一界面射入空气，即透过两个界面，此
时透过部分为
如果连续透过x块平板玻璃，则透过部分为
第十一页，编辑于星期六：十五点 三十一分。
由于陶瓷，玻璃等材料的折射率较空气大，所以反射损 失严重。如果透镜系统由许多块玻璃组成，则反射损失更可 观，为了减少这种界面损失，常常采用折射率和玻璃相近的 胶将它们粘起来，这样，除了最外和最内的表面是玻璃和空 气的相对折射率外，内部各界面都是和胶的较小的相对折射 率，从而大大减少界面的反射损失。
细的颗粒。但在高温下，在还原气氛下，会出 现显色。因此只能用在搪瓷（973～1073） 3. CeO也是良好的乳浊剂，但是稀有而昂贵 4. SnO2也是良好的乳浊剂，烧成如遇到还原气氛， 则还原成SnO而溶于釉中，乳浊效果消失。 5. 锆化合物，乳浊效果稳定，不受气氛影响。同 样也是成本较高。
6. 直接利用天然锆英石（ZrSiO4），成本较低
象非晶态和立方晶体这些各向同性材料，当光通过时
，光速不因传播方向改变而变化，材料只有一个折射率，称
为均质介质。但是除立方晶体以外的其他晶型，都是非
均质介质。
第四页，编辑于星期六：十五点 三十一分。
光进入非均质介质时，一般都要分为振动方向相互垂直、 传播速度不等的两个波，它们分别构成两条折射光线，这个现 象称为双折射。双折射是非均质晶体的特性，这类晶体的所 有光学性能都和双折射有关。
色散值可以直接由图4.1确定。常用的色散系数为
式中 nD 、nF 和nC 分别为以钠的D谱线，氢的F谱线和C 谱线（5893Å、4861Å和6563Å）为光源，测得的拆射率 。
介电材料
EXIT
介电材料
§2.1 介电材料
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。
EXIT
介电材料
§2.1 介电材料
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:
0
P E
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。
ε“ －－复介电常数虚部。
EXIT
介电材料
§2.1 介电材料
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。
EXIT
介电材料
§2.1 介电材料
介电材料
介电材料
介电材料又叫电介质，是以电极化为特征的材料。 电极化是在电场作用下分子中正负电荷中心发生相对位 移而产生电偶极矩的现象。
EXIT
介电材料
§2.1 介电材料
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：
《电介质物理》课件 电介质的击穿-4
+
+ 1 2 + +
6.8 6.0 5.2
lg U 0 c lg A
lgρ
2T0
1
lgU0c
3.0 2.6 2.2 1.8 400
0e
T0
lg lg 0
T0
+
4.4 3.6 2.8 700
两式比较，lgU0C～1/T0与lgρ～1/T0都是直线 关系，仅两条直线的斜率相差一倍 ，图与理 论相吻合。 常用这一关系作为热击穿的实验判据
2 1 2
2
在环境温度不高时，热击穿临界场强
e
2 T0
10
电力设备电气绝缘国家重点实验室 State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment
2. 稳态热击穿 在外施电压U0作用下，在介质处于稳定状态时 电场强度E＝－（dφ/dx） 代入上式得
Q 1 4
是温度的函数，所以发热量Q1也是温度
的函数，因此对于不同的电压U值，Q1与t 的关系是一簇指数曲线，曲线1、2、3分别 为在电压U1、U2、U3 （U1＞U2＞U3） 作用下，介质发热量与介质导电通道温度的 关系。而散热量Q2与温度差（t－t0）成正比，
tc tm 2 b 3
c a 0 t0 ta tb
2
S d
R
又 t e
0
单位时间散出的热量:
Q 2 t t0 d
散热系数
t ——导电通道在温度t0时的电导率；
0
α——温度系数。
6
电力设备电气绝缘国家重点实验室 State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment
电子电路中常见的元器件介绍
电子电路中常见的元器件介绍第一部分：导言（约100字）电子电路是现代科技领域中重要的研究领域之一，它广泛应用于各个领域，如通信、计算机、医疗仪器等。
电子电路中有许多常见的元器件，它们是电路中不可缺少的组成部分。
本文将详细介绍一些电子电路中常见的元器件，包括电阻器、电容器、电感器、二极管和晶体管。
第二部分：电阻器（约200字）电阻器是一种常见的元器件，用于限制电流的流动。
它是由导电材料制成的，材料的电阻值决定了电阻器的阻值。
根据阻值的大小，电阻器可以分为固定电阻器和可变电阻器。
固定电阻器的阻值不可调节，而可变电阻器可以通过调节它的旋钮或滑动端来改变阻值。
在电子电路中，电阻器常常用于电流限制、电压分压和功率消耗等方面的应用。
步骤：1. 了解电阻器的基本原理和作用：电阻器是通过材料的电阻来限制电流的流动。
2. 分析固定电阻器和可变电阻器的特点和应用场景。
3. 给出固定电阻器的几个常见类型，如碳膜电阻、金属膜电阻和贴片电阻，介绍它们的特性和应用范围。
4. 解释可变电阻器的工作原理，并举例说明它们在电子电路中的应用，如音量控制、亮度调节等。
第三部分：电容器（约200字）电容器是另一种常用的元器件，它是一种可以储存电荷的设备。
电容器由两个导体之间的绝缘材料（电介质）隔开，当电压施加在导体上时，电荷会在导体之间积聚。
根据电容器的结构和材料，可以将它们分为固定电容器和可变电容器。
固定电容器的容值是固定的，而可变电容器可以通过机械手段或电场控制来改变容值。
步骤：1. 介绍电容器的基本原理和作用：电容器可以储存电荷并在电路中提供临时能量储备。
2. 分类讨论固定电容器和可变电容器的特点和适用场景。
3. 解释常见的固定电容器类型，如陶瓷电容器、铝电解电容器和塑料电容器，说明它们的特性和应用。
4. 讨论可变电容器的原理和使用方法，并列举几个典型的应用场景，如无线电调谐和振荡电路。
第四部分：电感器（约200字）电感器是另一类常用的元器件，它能够存储和释放磁能。
介电材料
• （1）高的体积电阻率（室温下大于1012Ωm）和高介电强 度（>104kVm－1），以减少漏导损耗和承受较高的电压。
• （2）高频电场下的介电损耗要小（tanδ一般在2×10－4～ 9×10－3范围内）。介电损耗大，会造成材料发热，使整机 温度升高，影响工作。另外，还可能造成一系列附加的衰 减现象。
第一章
电介质陶瓷
第一节 电介质陶瓷
• 电介质陶瓷是指电阻率大于108Ωm的陶瓷材料，能承受较强 的电场而不被击穿。按其在电场中的极化特性，可分为电绝缘 陶瓷和电容器陶瓷。随着材料科学的发展，在这类材料中又相 继发现了压电、铁电和热释电等性能，因此电介质陶瓷作为功 能陶瓷又在传感、电声和电光技术等领域得到广泛应用。
2、滑石的相变 120~200℃，脱去吸附水 1000℃，脱去结构水，转变为偏硅酸镁
3MgO 4SiO2 H 2O 3(MgO SiO2 ) SiO2 H 2O
1557℃，再次失去Si，生成镁橄榄石
2(MgO SiO2 ) 2MgO SiO2 SiO2
§ 1-2 典型低介装置瓷
• （ 3）机械强度要高，因为装置瓷在使用时，一般都要承 受较大的机械负荷。通常抗弯强度为 45～300Mpa，抗压 强度为400～2000Mpa。 • （4）良好的化学稳定性，能耐风化、耐水、耐化学腐蚀， 不致性能老化。
陶瓷基片
电子用陶瓷零件
陶瓷封装
• 电绝缘陶瓷材料按化学组成分为氧化物系和非氧化物系两 大类。氧化物系主要有Al2O3和MgO等电绝缘陶瓷，非氧 化物系主要有氮化物陶瓷，如Si3N4、BN、AlN等。大量 应用的主要有以下几个多元系统陶瓷：
• BaO-Al2O3-SiO2 系统； Al2O3-SiO2 系统； MgO- Al2O3-SiO2 系统；CaO- Al2O3-SiO2系统；ZrO2- Al2O3-SiO2系统。
电介质材料ppt课件
烧结型固体电解质片状钽电容器
固体钽电解电容器的构造表示图
它的正极的制造过程为:用非常细的钽金属粉压制成块，在高温及高真空 条件下烧结成多孔形基体，然后再对烧结好的基体进展阳极氧化，在其外 表生成一层Ta2O5膜，构成以Ta2O5膜为绝缘介质的钽粉烧结块正极基体。
其负极的制造过程是:在钽正极基体上浸渍硝酸锰，经高温烧结而构成固 体电解质MnO2再经过工艺处置构成负极石墨层，接着再在石墨层外喷涂 铅锡合金等导电层，便构成了电容器的芯子。可以看出，固体钽电解电容 器的正极是钽粉烧结块，绝缘介质为Ta2O5，负极为MnO2固体电解质。 将电容器的芯子焊上引出线后再装入外壳内，然后用橡胶塞封装，便构成 了固体钽电解电容器。
2. 电容器纸的浸渍
图中，Cc、Cg分别为由纤维素及气隙极化构成的电容量；x为气 隙在纸中所占的体积分数。由此可根据串联等效电路表示出浸渍 液体介质后纸的总介电常数：pl1xxf1f 1xf1f 1
式中，εf、ε1分别为纤维素和液体浸渍料的介电常数；x为纤维素密度系数。
2. 电容器纸的浸渍
当采用固体浸渍料时，由于固化收缩后会留下部分空隙，其等效电路 如图6.1.3(b)所示。这时浸渍纸的总介电常数可表为:
§ 6.1.4 陶瓷电容器介质
陶瓷电容器的用量约占整个电容器的40%左右， 相当于铝电解和钽电解电容器的总和，作为陶瓷 电容器钓介质称为“介电陶瓷〞，其特点有四个：
①、介电系数大，以制造小体积、分量轻的陶瓷电容器，ε↑→电容 器体积↓→整机体积、分量↓ ②、介质损耗小，tgδ=〔1~6〕×10-4，保证回路的高Q值。高介电 容器瓷任务在高频下时ω↑、tgδ↑ 。 ③、陶瓷电介质及高稳定导电电极Ag、Pt、Pd等均经过高温烧 结，具有高强度构造和高可靠性，耐高任务温度。本身不仅作为电 介质，同时作为基体和支承构造。 ④具有高电阻率，高耐电强度。
【精选】电子材料物理第四章.幻灯片
➢介电常数(dielectric constant)—表示极化强弱的宏 观物理量。 ➢介质损耗(dielectric loss) ➢介电强度(dielectric strength)
电介质材料的特点：
➢ 不存在载流子，是绝缘体，绝缘电阻率＞109Ω.cm ➢ 具有介电常数 ➢ 部分介质具有特殊功能（压电性、铁电性、热释电性）
❖ ε是反映电介质极化行为的宏观物理量；极化能力越强，介电 常数越大。
❖ 用介质电容器可以作为储能元件，储能密度大小可以表示为
ω=1/2ε0εrE2
5
（2）电偶极矩
➢偶极子的产生：
在电场的作用下，正负电荷重心的分离
➢电偶极矩的定义
ql
l
－q
+q
E
方向为从负电荷指向正电荷
介质中的极性分子可看作偶极子(在电场的作用下极性 分子发生转向)
设想一个质量为m，带电为-e的粒子，为一带正电 +e的中心所束缚，弹性恢复力为-kx。这里k是弹性回 复系数，x表示粒子的位移。我们考虑它在交变电场下运
动，电场用复数表示： Eloc E0eit
电荷的运动方程
2x m
t2
kxeE0eit
e
m
e2
02 2
静态极化率
e
e2
m
2 0
（ω0趋于0）
6
（3）极化率（）：
单位电场强度下，质点的电偶极矩的大小。
E loc
其中：Eloc为作用在微观质点上的局部电场。 （它与宏观外电场并不一定相同）
极化率表征材料极化能力的微观物理量，只与材
料的性质有关，其单位为F·m2（法拉·米2）
7
（4）极化强度(矢量)：单位体积内电偶极矩的矢量和
电介质材料的特点：
➢ 不存在载流子，是绝缘体，绝缘电阻率＞109Ω.cm ➢ 具有介电常数 ➢ 部分介质具有特殊功能（压电性、铁电性、热释电性）
❖ ε是反映电介质极化行为的宏观物理量；极化能力越强，介电 常数越大。
❖ 用介质电容器可以作为储能元件，储能密度大小可以表示为
ω=1/2ε0εrE2
5
（2）电偶极矩
➢偶极子的产生：
在电场的作用下，正负电荷重心的分离
➢电偶极矩的定义
ql
l
－q
+q
E
方向为从负电荷指向正电荷
介质中的极性分子可看作偶极子(在电场的作用下极性 分子发生转向)
设想一个质量为m，带电为-e的粒子，为一带正电 +e的中心所束缚，弹性恢复力为-kx。这里k是弹性回 复系数，x表示粒子的位移。我们考虑它在交变电场下运
动，电场用复数表示： Eloc E0eit
电荷的运动方程
2x m
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kxeE0eit
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e2
02 2
静态极化率
e
e2
m
2 0
（ω0趋于0）
6
（3）极化率（）：
单位电场强度下，质点的电偶极矩的大小。
E loc
其中：Eloc为作用在微观质点上的局部电场。 （它与宏观外电场并不一定相同）
极化率表征材料极化能力的微观物理量，只与材
料的性质有关，其单位为F·m2（法拉·米2）
7
（4）极化强度(矢量)：单位体积内电偶极矩的矢量和
电介质材料PPT课件
由于一切电介质材料均由分子、原子或离子组成的。
而它们又都是由原子核及核外电子云组成。当外加电场
时，电子云相对于原子核发生位移，因为产生感应电矩。
最简单的模型是图（a)所示的氢原子的电子极化。无外
电场时，正、负电荷重心重合；当施加电场后，电子云
与核产生相对位移。电子极化的频率响应极快，外加电
场后经
即能1产0生14 极1化01。5s
1、探针法
金刚石探针沿膜表面移动， 触针 而探针在垂直方向上的位移通
过电信号可以被放大1 0 1 6 倍并
被记录下来。从膜的边缘可以 直接通过探针针尖所检测的阶 梯高度确定膜的厚度。
薄膜 基片
优点：简单，测量直观； 缺点：（1）容易划伤较软的薄膜并引起测量误差；
（2）对于表面粗糙的薄膜，并测量误差较大。
第一章 简 介
电介质材料是指电阻率大于1010cm 的材料，是相对于金属材料和半导体材料 而区分的。
金属材料 ：共有化电子 半导体材料：载流子 电介质材料：束缚电荷
一、电介质材料的分类及应用
电介质材料的分类
绝缘材料：电阻率很高，能承受很强的电场，不 易被击穿。主要是高分子电介质和无碱玻璃。
电容器材料：主要是陶瓷材料，包括两种，一种 是具有严格温度系数的高频稳定型陶瓷，一种是 介电系数特别大的铁电陶瓷。
（2）离子极化 由异号离子组成的晶体，如Nacl，在外电场作
用下，正、负离子均发生位移，见图（b），以一 维排列的正、负离子原来间隔均等，加了外电场后， 正、负离子的相对距离发生变化，产生了偶极矩。 离子极化的频率响应速度比电子极化略慢，约 为 1012 1。013s
（3）偶极极化 有些电介质分子是由极性较强的离子键构成的，
静电场中的电介质(IV)
大小：DA 0
Q
R1 R2
DB Dc 4 r 2 D 0A 0
EB
Q
4 0
rr2
0
r
EC
Q
40r 2
U A
E dr
r
R1 r
EA
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R2 R1
EB
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Q
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1 r R1
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1
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E
P S
+σ' -σ0
＝01－1 r q'＝q0 1－1 r
q0 q'＝q0 / r
s
0
r
E
dS
q0
D＝ 0 r E E
D的高斯定理：
D dS
s
q0
例：金属球半径为R1 、带电+Q；均匀、 各向同性介 质层外半径R2 、相对介电常数 r ；求：D、E、U 分布 解：由对称性分析确定 E、D 沿矢径方向
15.2 电介质的极化
电介质的分类
有极分子：分子的正负电 荷中心在无电场时不重合 的，有固定的电偶极矩， 如H2O、HCl等。
无极分子：分子的正负 电荷中心在无电场时是 重合的，没有固定的电 偶极矩，如H2、HCl4、 CO2、N2、O2等。
几种极性分子的固有电矩
无极分子的极化 ——位移极化
有极分子的极化 ——取向极化
第15章 静电场中的电介质
1210的电容重量
1210的电容重量第一部分：介绍电容器是一种电子元件，被广泛应用于电子设备、通讯设备、军事设备等领域。
为保证电子设备的正常运行，电容器的质量显得至关重要。
1210的电容器是现今电子设备常用的尺寸之一，本文将介绍1210的电容器重量相关知识。
第二部分：1210电容器的重量1210的电容器尺寸为3.2mm x 2.5mm x 1.6mm，其重量主要取决于以下几个因素：1.电容器的电介质材料：电容器中的电介质材料不同，重量会有所不同。
常见的电介质材料有钽、铝、聚酰亚胺等，其密度不同，因此电容器的重量也不相同。
2.电容器的电容量：电容量越大的电容器，壳体尺寸和电介质都会相应增大，重量也会随之增加。
3.电容器的电压值：电容器的电压值会影响其内部结构和材料的选择，进而影响其重量。
一般来说，1210电容器的重量为0.2g左右，但是具体还要根据其具体的电介质材料、电容量和电压值来确定。
需要注意的是，不同厂商的1210电容器重量存在差异，购买前应多加比较。
第三部分：1210电容器的选用正确选用电容器有利于电路的稳定性和可靠性。
如何正确选用1210电容器？1.电容容量应该满足电路需求，不要选用过小或过大的电容器。
2.电容器的工作电压要满足电路要求，同时要有较大的安全裕量。
3.选用质量可靠、品质保证的电容器，德州仪器、村田制作所、摩尔能源等品牌的1210电容器值得推荐。
4.在PCB布局时，要根据电容器的大小和焊盘的安排来确定电容器的位置，避免电容器间的干扰。
第四部分：结论1210电容器是现今电子设备中普遍应用的组件之一，在正确选用和使用1210电容器的过程中，了解其重量特点可以更好地提高电子设备的性能和可靠性。
第六章电介质材料-文档资料
电容器电介质材料的分类
绝缘材料，如纸、玻璃、陶瓷、云母、有机薄膜等 由铝、钽、铌等阀金属表面生成的介电氧化膜等
电容器电介质对材料的要求
介电常数ε值尽可能高（得到高比容量） 损耗角正切（tanδ)值尽可能低（避免能量损耗） 绝缘电阻值高且稳定 击穿电场强度高
2
6.1.1 纸电介质及其浸渍材料
② 机电耦合系数 反映压电材料机械能与电能间的耦合关系，无量纲 定义为：k2=正压电效应转化的电能/输入总机械能 或k2=逆压电效应转化的机械能/输入总电能
④ 机械品质因素Qm Qm＝每一周期振子谐振时储存的机械能/同周期振子消耗机械能
④ 频率系数N N=f0L，与材料性质相关
27
6.3.2 典型压电材料及应用
非极性薄膜
优点：介电损耗很低，电阻率较高 缺点：热膨胀系数大，产生不可逆的电容量变化，介电常数低 （ε≈ 2~3)，
比率电容量低，机械强度较差
常见的有：聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯和聚四氟乙烯等
极性薄膜
介电常数低( ε ≈ 3~3.6) 常见的有聚对苯二甲酸乙酯、聚碳酸酯、聚酰胺等
8
压电材料分类
压电单晶、压电陶瓷、压电薄膜和压电高分子材料 从晶体结构分，钙钛矿型、钨青铜型、焦绿石型及铋层结构等 从化合物成分角度分：一元系统、二元系统，三元系统
一元系统BaTiO3和PbTiO3
PbTiO3 TC =490℃ PbTiO3工艺性能差，Pb蒸发，出现“粉化”现象，Li2O、NiO、MnO2引 入形成缓冲晶界
烧结型液体
箔形卷绕固体
固体钽电解电容器的制备
由钽粉压块烧结得到的烧结体、烧结体表面形成的钽氧化膜、固体电 解质和固体电解质上的导电层构成。
绝缘材料，如纸、玻璃、陶瓷、云母、有机薄膜等 由铝、钽、铌等阀金属表面生成的介电氧化膜等
电容器电介质对材料的要求
介电常数ε值尽可能高（得到高比容量） 损耗角正切（tanδ)值尽可能低（避免能量损耗） 绝缘电阻值高且稳定 击穿电场强度高
2
6.1.1 纸电介质及其浸渍材料
② 机电耦合系数 反映压电材料机械能与电能间的耦合关系，无量纲 定义为：k2=正压电效应转化的电能/输入总机械能 或k2=逆压电效应转化的机械能/输入总电能
④ 机械品质因素Qm Qm＝每一周期振子谐振时储存的机械能/同周期振子消耗机械能
④ 频率系数N N=f0L，与材料性质相关
27
6.3.2 典型压电材料及应用
非极性薄膜
优点：介电损耗很低，电阻率较高 缺点：热膨胀系数大，产生不可逆的电容量变化，介电常数低 （ε≈ 2~3)，
比率电容量低，机械强度较差
常见的有：聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯和聚四氟乙烯等
极性薄膜
介电常数低( ε ≈ 3~3.6) 常见的有聚对苯二甲酸乙酯、聚碳酸酯、聚酰胺等
8
压电材料分类
压电单晶、压电陶瓷、压电薄膜和压电高分子材料 从晶体结构分，钙钛矿型、钨青铜型、焦绿石型及铋层结构等 从化合物成分角度分：一元系统、二元系统，三元系统
一元系统BaTiO3和PbTiO3
PbTiO3 TC =490℃ PbTiO3工艺性能差，Pb蒸发，出现“粉化”现象，Li2O、NiO、MnO2引 入形成缓冲晶界
烧结型液体
箔形卷绕固体
固体钽电解电容器的制备
由钽粉压块烧结得到的烧结体、烧结体表面形成的钽氧化膜、固体电 解质和固体电解质上的导电层构成。
第1章 电介质材料概论
应具备一致性和稳定性，能够承受各种恶劣的环 境。主要表现在以下几方面：
温度
压力
湿度 环境中的化学颗粒及尘埃 霉菌和昆虫 辐射
机械因素
1.2 电介质材料的应用与发展动态 为适应电介质整机和设备小型化、轻量化、薄 型化、数字化、多功能，现在社会要求电介质元器 件的开发生产必须向小型化、高集成化、片式化发 展；电介质材料今后将尽可能适应电介质元器件的
一、前言 二、基本内容 三、描述电介质的参数以及电介质测量的概述
一、前言
电介质：对于可以赋予一个介电常数的任何物 质，包括所有材料，从电解质以至金属。 电介质材料是当前材料科学的一个重要方面，品 种多、用途广、涉及面宽。是制作电介质元器件和 集成电路的基础，是获得高性能高可靠先进电介质 元器件和系统的保证。同时还广泛应用于印制电路 板和微线板、封装用材料、元器件和整机、电信电 缆和光纤、各种显示器及显示板，以及各种控制和 显示仪表等等。
表面效应 粒子直径减少到纳米级，表面原子数和比表 面积、表面能都会迅速增加；处于表面的原子数 增多，使大部分原子的周围（晶场）环境和结合 能与大块固体内部原子有很大的不同：表面原子 周围缺少相邻的原子，有许多悬空键，具有不饱 和性质，易与其它原子相结合，故具有很大的化 学活性。
表面原子数占全部原子数的比例和粒径间的关系
这些要求。
1.2.1 现代社会对电介质材料的要求 结构与功能相结合 智能材料
减少污染
节省能源 长寿命与可控寿命
1.2.2 电介质材料的选用原则 根据元器件性能参数 根据元器件结构特点
根据元器件工艺特点
按经济原则
1.2.3 纳米电介质材料 纳米材料的特征
定义：纳米材料是三维空间尺寸中至少有一维处于纳米量级
第六章 电介质材料1
28
介质损耗的一些基本概念
• •
• •
• • •
1、介质损耗 什么是介质损耗：绝缘材料在电场作用下，由于介质电导和介质极化的滞后效应， 在其内部引起的能量损耗。也叫介质损失，简称介损。 2、介质损耗角δ 在交变电场作用下，电介质内流过的电流相量和电压相量之间的夹角(功率因数角Φ) 的余角(δ)。 简称介损角。 3、介质损耗正切值tgδ 又称介质损耗因数，是指介质损耗角正切值，简称介损角正切。介质损耗因数的定 义如下: 介质损耗因数(tgδ)=(被测试品的有功功率P)/(被测试品的无功功率Q)×100% 如果取得试品的电流相量 和电压相量 ，则可以得到如下相量图：
一对晶格空位的定向
15
(5). 空间电荷极化 空间电荷极化： 在不均匀介质中，如介质中存在晶界、相界、晶格畸 变、杂质、气泡等缺陷区，都可成为自由电子运动的 障碍； 在障碍处，自由电子积聚，形成空间电荷极化，一般 为高压式极化。 -
P
+ + + +
-
+ + + +
-
+ + + +
外电场
16
在外电场中的电介质分子
2 热击穿
热击穿的本质：
处于电场中的介质，由于介质损耗而受热；
当外加电压足够高时，散热和发热从平衡状态转入非 平衡状态，介质的温度将越来越高，直至出现永久性 23 破坏。
电击穿
固体介质电击穿的碰撞电离理论： 在强电场作用下，固体导带中可能因冷或热发射存在 一些电子，这些电子被加速，获得动能； 高速电子与晶格振动相互作用，把能量传递给晶格； 上述两个过程在一定温度和场强下平衡时，固体介质 有稳定的电导； 当电子从电场中获得能量大于传递给晶格振动能量时， 电子动能越来越大； 大到一定值，电子与晶格振动的相互作用导致电离产 生新电子，使电子数目迅速增加，电导进入不稳定状态， 24 发生击穿。
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1. 值不同的原因 有正、负、零，取决于不同温度下质点的极 化程度，也决定于相应温度下单位体积的质点 数。
a、 b、 c、
TiO2、CaTiO3 CaSnO3、CaZrO3 BaO· 4TiO2
a TiO2、CaTiO3有强大的局部内电场 内电场→电子位移极化
Ti4+高价、小半径→离子位移极化→强大的局部 [TiO6]八面体 Ei↑→ε很大
Ti4+→Ti3+的原因：
防止Ti4+→Ti3+的措施：
Ti4+→Ti3+的原因：
a、
b、 c、 d、
烧结气氛
高温热分解： 高价（5价）杂质： 电化学老化
a
烧结气氛
VO VO 2e Ti 3
还原气氛夺去TiO2的O2-，使晶格出现
3 2 含H 2中：TiO2 xH 2 [Ti142 xTi2 ]O2 xVOx xH 2O x x 或：Oox 2TiTi H（g） 2TiTi Vo H 2O（g） 2
Ⅱ型陶瓷电容器以高介电常数为主要特 征，其材料主体是具有钙钛矿型结构的铁电 强介磁料，其基本组成主要有和弛豫铁电体 。铁电强介质陶瓷的高介电常数来源与材料
中存在的自发极化随外电场而呈现的其介电
常数高达 。由于介电常数受温度影响很大
，电容器容量温度特性通常用在规定温度范
围内的上、下极值容量相对于室温下的容量
抑制
②、
加入添加剂，使瓷料烧结温度降低（ 1350C） 抑制 高温失氧 。
③、对 因 失 氧 造 成 的 钛 变 价 ， 可 在 低 于 烧 结 温 度 20~40 ℃ ， 在 强 氧 化 气 氛 中 回 炉
使 Ti
3
Ti 4（补救措施）
掺入低价杂质 抑制 高价杂质 ④、
（ 2 x） TiO 2 1
x 2
Al 2 O 3
x 2
5 3 Nb 2 O 5 Ti142 x Nb x Al x ） O 2 （
5 （ 3 x） TiO 2 xMgO xNb2 O 5 Ti142 x Nb 2 x Mg x 2 ） O 2 1 （
1 2
x1 x 2 1
浓度 数
其中
x1、 x 2 分别为两种瓷料的体积 ~ 系统介电系数 ~ 系统介电系数的温度系
对于n相系统：
ln x1 ln 1 x 2 ln 2 x n ln n
x ln
3 5 x x (1 2 x)TiO2 2 Nb2 O5 Ti142 xTi x Nbx ）O2 4 O2 （ 或Nb2 O5 TiO2 2 NbTi 2e 5Oox x TiTi TiTi e
d 电化学老化
金红石瓷在使用过程中，长期工作在高温、高湿
变化百分比来表示。
用这种材料制作的电容器在频率超过一定范
围时衰减幅度很大，因而主要应用于低频电
路或对容量要求不大苛刻的中高频电路。最
为常见的Ⅱ型陶瓷电容器有以下几类特性：
Y5V、Y5U、X7R特性。
Ⅲ型陶瓷电容器又被称为半导体陶瓷电容器
，它是一种利用特殊的显微结构（晶粒或瓷
体半导体，晶界或表面绝缘化）来获取巨大
1）阻挡接触（φm＞φs） 2) 欧姆接触
1）阻挡接触（φm＞φs） Es～自建电场 主导在半导体中,使半导体表面附近的能带发生弯曲。 图1 金属与n型半导体建互相绝缘：金属的功函数φm 与半导体的X（X为半导体的亲和能E0－EC）对于 一定材料为确定的，但半导体的φs随掺杂不同而变 法。 图2 M-S间用导线连接：载流子重新分布，Efm=Efs 图3 M-S相互接触：电子流动，是半导体表面形成一 层由荷正电的电离施主形成的空间电荷层，阻挡层
+αε<0的瓷料获得αε≈0的瓷料。
4.钛离子变价及防止措施钛原子的电子排布： 1s22s22p63s23p63d24s2，4s的能级比3d稍低，3d层的电子容易 失 去 ， 可 为 Ti4+、Ti3+、Ti2+， 可 见 Ti4+ 易 被 还 原 （
Ti4++e→Ti3+=Ti4+· e[e-弱束缚电子]）
3
Ti ]O V
2Ti O 2T iTi Vo 1 O 2 ( g ) 2
c 高价（5价）杂质： rTi4+=0.68A°，rNb5+=0.69A°，rTa5+=0.68A°，
rSb5+=0.62A°半径相近，5价离子取代Ti4+→取代固溶
体→多余一个价电子→
4
Ti
e Ti 3
电子陶瓷材料
第四章 陶瓷电容器的分类
按IEC标准，陶瓷电容器被分为Ⅰ、Ⅱ、
Ⅲ共三大类型。
Ⅰ型陶瓷电容器是电容量随温度变化稳定
度较高的电容器，主要用于高频谐振回路中，
常被称为高频陶瓷电容器。按照介电常数高低
，Ⅰ型陶瓷电容器又可分为低介高频瓷与高介
高频瓷，其中，高介高频瓷包括了热补偿高频
瓷、热稳定高频瓷。
3 2 含 CO 气氛中： TiO 2 xCO [Ti142 xTi 2 ]O2 xVOx xCO x x 或： Oox 2Ti Ti CO （ g） 2T iTi Vo CO（ g） 2
注意碳化硅作垫板时：
2 SiC 3 O 2 2 SiO
使 Ti4+－Ti3+结合牢固，不易失氧。 ⑥、加入 La2O3（Nd2O3、Sm2O3、Gd2O3、Dy2O3、Yb2O3）等稀土金属
氧化物 改善电化学老化特性
加入 La2O3 后瓷质均匀、细密，ρ v↑、tgδ ↓、α
ε
↓
5. BaTiO3瓷的半导化机理
纯BaTiO3陶瓷的禁带宽度约3ev，因而室温电阻
T T n
Ei
0
b CaSnO3、CaZrO3等以离子位移极化为主. T↑→n↓（距离↑）→ε↓ T↑→V↑（热膨胀）→（r++r-）↑→αa（极化率
）按（r++r-）3↑↑→ε↑↑
c BaO· 4TiO2
0 T (r r ) a T n T Ei
的抗电磁干扰能力。
Ⅰ型陶瓷电容器常用来表示温度每变化1℃
时介电常数的相对变化瓷电容器瓷的分类
金红石瓷：金红石 钛酸盐瓷： CaTiO 3、 SrTiO 3、 MgTiO 3 按主晶相分 锡酸盐瓷： CaSnO 3、 SrSnO 3 锆酸盐瓷： CaZrO 3 铌铋锌系： ZnO Bi 2 O 3 Nb 2 O 5 ( 烧结温度 900 C )
i i 1
n
i
x1 x 2 x n
1 2 n
x
i i 1
n
i
x1 x 2 x n
x
i 1
n
i
由以上法则，在生产实践中，可用具有不同εi、αi材料通过改变 浓度比来获得满足各种温度系数要求的材料。如：由αε>0
3.ε的对数混合法则(Lichtenecher公式)
具有介电系数 1，介电系数的温度系数 1的瓷料 机械混合 具有介电系数 2，介电系数的温度系数 2 的瓷料
ln x1 ln 1 x 2 ln 2 x1 x 2
形成，自建场阻止电子的流动。
结论：
阻挡接触加反向偏压时，接触处相当于一个电容 器，在BaTiO3半导瓷两面形成阻挡层可得无极性电 容器
2) 欧姆接触（ φm＜φs ）
其中高价杂质作为施主提供电子，低价杂质作为受主提供孔穴，接收电子，且这些低价杂质 不会变价，可阻挡电子定向移动，使ρ v↑。 ⑤、加入 ZrO2
阻碍 Ti 4 离子变价（ Zr 4 0.87 A） r 阻挡电子定向移动（Ti 4 0.68 A） r
艺复杂（二次气氛烧结：还原－氧化）或PTC性能差
（只用还原气氛），故此法在PTC热敏电阻器生产中
，目前几乎无人采用。
§6-4 半导体陶瓷电容器
1. 半导体陶瓷电容器的分类及其性能
半导体陶瓷电容器按其结构、工艺可分为三类：表 面阻挡层型，表面还原再氧化和电价补偿型，晶界 层型。它们的构造及主要性能列于下表：
的宏观效益的高性能陶瓷电容器，用于制作
这类电容器的主要材料有钛酸钡和钛酸锶。
这类电容器的结构类型主要有晶界层（BLC ）和表面阻挡层（SLC）两种。晶界层陶瓷 电容器具有介电常数高（30000～50000）， 使用频率宽（0～ Hz），温度变化率及介电
损耗相对较小的特点，这种重要的性能优势 使晶界层电容器对于优化电子线路、提高电
率很高(1011Ω.CM), 然而在特殊情况下，BaTiO3瓷可
形成n型半导体，使BaTiO3成为半导体陶瓷的方法及 过程，称为BaTiO3瓷的半导化，可以通过一下几种 方法实现。
1．原子价控法（施主掺杂法） 2．强制还原法 3．AST法
1． 原子价控法（施主掺杂法） 在高纯（≥99．9％）BaTiO3中掺入微量（＜0．3％mol＝的离
、强直流电场下，表面、界面、缺陷处活性大的
O2- 离子向正极迁移，到达正极后，氧分子向空气
中逸出，留下氧空位，是不可逆过程。
银电极在高温高湿、强直流电场下，Ag－ε→Ag+
，Ag+迁移率大，进入介质向负极迁移.