第五章材料的介电性能,
材料性能学名词解释
一、名词解释第一章力学1.真实应变一根长度为L 的杆，在单向拉应力作用下被拉长到L ,则ε = ，为真实应变。
2.名义应变一根长度为L 的杆，在单向拉应力作用下被拉长到L ,则ε=L –L /L =△L/L , ε为名义应变。
3.弹性模量材料在阶段，其和应变成线性关系（即符合），其称为弹性模量。
对各向同性体为一常数。
是原子间结合强度的一个标志。
4.弹性柔顺系数弹性体在单位应力下所发生的应变，是弹性体柔性的千种量度。
S =-μ/E ,其下标十位数为应变方向，个位数为所受应力的方向。
5.材料的蠕变对粘弹性体施加恒定应力σ时，其应变随时间而增加。
6.材料的弛豫对粘弹性体施加恒定应变ε时，则应力将随时间而减小。
7.位错增殖系数 n个位错通过试样边界时引起位错增殖，使通过边界的位错数增加到nc个，c即为位错增殖系数。
8.滞弹性一些非晶体，有时甚至多晶体在比较小的应力时可以同时表现出弹性和粘性。
9.粘弹性无机固体和金属的与时间有关的弹性，即弹性形变的产生与消除需要有限时间。
10.粘性系数(粘度) 单位接触面积、单位速度梯度下两层液体间的内摩擦力。
单位Pa·S. 是流体抵抗流动的量度。
11.脆性断裂构件未经明显的变形而发生的断裂。
断裂时材料几乎没有发生过塑性变形。
在外力作用下，任意一个结构单元上主应力面的拉应力足够大超过材料的临界拉应力值时，会产生裂纹或缺陷的扩展，导致脆性断裂。
与此同时，外力引起的平均剪应力尚小于临界值，不足以产生明显的塑性变形或粘性流动。
12.裂纹亚临界生长裂纹在使用应力下，随时间的推移而缓慢扩展。
其结果是裂纹尺寸逐渐加大，一旦达到临界尺寸就会失稳扩展而破坏。
13.材料的理论结合强度根据Orowan提出的原子间约束力随原子间的距离x的变化曲线（正弦曲线），得到σ=σ×sin2πx/λ，σ为理论结合强度。
单位面积的原子平面分开所作的功应等于产生两个单位面积的新表面所需的表面能，材料才能断裂，根据公式得出σ = Eγ/a 。
第五章_柔软复合材料解析
聚芳酰胺纤维纸
Nomex®芳香聚酰胺绝缘材料已在各种电气设备, 在各种特殊场合都得到广泛应用达40年
敞开 干式变压器
发电机
交、直流电机 密封电机
环氧浇注变压器
气体变压ห้องสมุดไป่ตู้ 油浸变压器
整流器
二、柔软复合材料的种类 1、6520聚酯薄膜绝缘纸复合材料
由聚酯薄膜涂以 粘合剂与一层绝 缘纸板复合而成
E级绝缘结构普遍采用这种 复合材料作为槽绝缘、匝 间、相间和衬垫绝缘
5—橡胶辊，6—绝缘纸板开卷架，7—成品收卷辊架
三、柔软复合材料的制造设备
加热压力
粘合剂
通 风
辊
纤维
纸
收卷 （品）成
薄
膜
上胶辊 带
纤维
钢丝刮 纸
刀
橡皮 辊 张力
辊
三层卧式复合机
三、柔软复合材料的制造设备
纤维纸
加热辊 橡皮辊
纤维纸
切边刀 收卷
平台
刮刀 漆槽
加热元件 烘箱
成卷（薄膜 ）
三层立式复合机示意图
1.0 1.5～2.5 2.2
2.7 3.1 3.1～3.2 3.0～5.0
4.5 5.0～6.0
聚芳酰胺纤维纸
聚芳酰胺纤维纸
低温性能
耐湿性
由于NOMEX独特 的聚合结构， 可以在各种低 温条件下应用
NOMEX产品在环境 相对湿度95%时， 其介电强度是完全 干燥状态下的90%
聚芳酰胺纤维纸
聚芳酰胺纤维纸
需经高温轧光实现致密化 轧光
及内部粘结。
检查
聚芳酰胺纤维纸
NOMEX纸的机械性能在纵向（MD）和横 向（XD）上产生很大的差别。
材料介电性能
材料介电性能
材料的介电性能是指材料在电场作用下的响应能力，是材料的一项重要物理性质。
介电性能的好坏直接影响着材料在电子器件、电力设备等领域的应用。
因此，研究和了解材料的介电性能对于材料科学和工程技术具有重要意义。
首先，介电常数是衡量材料介电性能的重要参数之一。
介电常数是指材料在外电场作用下的极化能力，它反映了材料对电场的响应程度。
介电常数越大，表示材料对外电场的响应能力越强，极化程度越高。
介电常数的大小直接影响着材料的绝缘性能和电容性能。
因此，提高材料的介电常数是提高材料介电性能的重要途径之一。
其次，介电损耗是另一个重要的介电性能指标。
介电损耗是指材料在电场作用下吸收和释放能量的能力。
介电损耗越小，表示材料对外电场的能量损耗越小，电能的传输和存储效率越高。
因此，降低材料的介电损耗是提高材料介电性能的关键之一。
此外，介电强度也是衡量材料介电性能的重要参数之一。
介电强度是指材料在外电场作用下的耐受能力，它反映了材料在电场作用下的抗击穿能力。
介电强度越大，表示材料在外电场作用下的耐受能力越强，抗击穿能力越高。
因此，提高材料的介电强度是提高材料介电性能的重要途径之一。
总之，材料的介电性能是材料科学和工程技术领域中的一个重要研究方向。
通过研究和了解材料的介电性能，可以为材料的设计、制备和应用提供重要的理论指导和技术支持。
希望通过不断的研究和探索，能够进一步提高材料的介电性能，推动材料科学和工程技术的发展。
《材料物理性能》课后习题答案
《材料物理性能》第一章材料的力学性能1-1一圆杆的直径为2.5 mm 、长度为25cm 并受到4500N 的轴向拉力，若直径拉细至2.4mm ，且拉伸变形后圆杆的体积不变,求在此拉力下的真应力、真应变、名义应力和名义应变，并比较讨论这些计算结果。
解：由计算结果可知：真应力大于名义应力，真应变小于名义应变。
1-5一陶瓷含体积百分比为95%的Al 2O 3 (E = 380 GPa)和5%的玻璃相(E = 84 GPa)，试计算其上限和下限弹性模量。
若该陶瓷含有5 %的气孔，再估算其上限和下限弹性模量。
解：令E 1=380GPa,E 2=84GPa,V 1=0.95,V 2=0.05。
则有当该陶瓷含有5%的气孔时，将P=0.05代入经验计算公式E=E 0(1-1.9P+0.9P 2)可得，其上、下限弹性模量分别变为331.3 GPa 和293.1 GPa 。
0816.04.25.2ln ln ln 22001====A A l l T ε真应变)(91710909.4450060MPa A F =⨯==-σ名义应力0851.0100=-=∆=AA l l ε名义应变)(99510524.445006MPa A F T =⨯==-σ真应力)(2.36505.08495.03802211GPa V E V E E H =⨯+⨯=+=上限弹性模量)(1.323)8405.038095.0()(112211GPa E V E V E L =+=+=--下限弹性模量1 / 101-6试分别画出应力松弛和应变蠕变与时间的关系示意图，并算出t = 0,t = ∞ 和t = τ时的纵坐标表达式。
解：Maxwell 模型可以较好地模拟应力松弛过程：V oigt 模型可以较好地模拟应变蠕变过程：以上两种模型所描述的是最简单的情况，事实上由于材料力学性能的复杂性，我们会用到用多个弹簧和多个黏壶通过串并联组合而成的复杂模型。
介电
局部电场 n0 ELoc =P
P =ε0（εr-1）E0
宏观场
n0 Eloc =ε0 (εr-1)E0
E Loc
r 2
3
E0
r -1 r 2
=
n0
克劳修斯-莫索蒂方程的意义是建立了可测物理量εr（宏 观量）与质点极化率（微观量）之间的关系，同时提供 了计算介电性能参数的方法。
1.4．克劳修斯-莫索蒂方程
本节考虑电介质材料中的原子或者分子的极化率 和电介质材料的介电常数的联系。 • 微观： 电介质的极化强度P定义: P =∑μ/V 电偶极矩μ与电场强度成正比的线性极化，有 μ = ELoc 若单位体积中有n0个极化粒子(原子、分子或离子等)， 各个极化粒子偶极矩的平均值为μ，则有 P = n0μ ， P = n0 ELoc • 宏观：P =ε0（εr-1）E
电介质在电场下工作的损耗从哪里来？
1.6电介质的松驰极化 •P= P∞ +Pr
• 位移极化，达到稳态所需要的时间为10-10—10-12秒，在无线电频率范围 （5*1012Hz)，可以认为极短，也即建立这类极化的时间可以忽略不计。 用P∞表示 这类极化的极化强度。
• 偶极子转向极化等，在电场作用下则要经过相当长的时间（10-10秒或者更 长），才能达到其稳定态，所以这类极化称为松弛(驰豫）极化。用Pr表 示这类极化的极化强度
•
思考题（学号尾数为奇数作1，3，尾数为偶 数作2，4,下周交） 1。 什么是电介质？ 2。电介质和导体对电场响应有什么不同？描述 它们对电场响应的参数是什么？ 3。什么叫介质的极化？ 4。从极化类型特点来考虑：高频电场，例如光 波，需要有什么类型极化的材料？如果在低 频，例如50Hz左右，又需要有什么类型极 化的材料？
材料物理性能——介电性能
n
k k
k
（6.11）
结论：为了获得高介电常数，除了选择α大的离子外，还 要求n大，即单位体积的极化质点数要多。
14 Sunny smile
材料的介电性能
三、介质的极化 1.介质极化类型： 电子极化、离子极化、偶极子转向极化、空间电荷极化和 自发极化等。
2.极化基本形式：
1）位移式极化 这是一种弹性的、瞬时完成的极化，不消耗能量。电子 位移极化、离子位移极化属这种情况； 2）松弛极化 这种极化与热运动有关，完成这种极化需要一定的时间， 并且是非弹性的，因而消耗一定的能量。电子松弛极化、 离子松弛极化属这种类型。
3）宏观电场E ：
E = E外 + E1 （6.5）
9 Sunny smile
材料的介电性能
2．原子位置上的局部电场Eloc 1）局部电场的来源： 一是外加电场E外；
二是晶体中其它原子所产生的电场。
2）晶体中其它原子所产生的电场 当一个特定的分子被想像的足够大的球体所包围，见图 6.3，该圆球半径比原子间距大很多；球外电介质可作为连续 均匀介质；球内也为均匀的，则宏观电场对球内各点作用一样。 如果把球体从固体中切割出来，球外的极化强度P保持不 变。那么，作用于圆球中心处的特定分子的电场（局部电场） 由四部分组成： ①由电极板上的自由电荷产生的E外 ；
e 4 0 R 3
(6.17)
可见电子极化率的大小与原子(离子)半径有关。
平均感生偶极矩＜μ＞
若考虑同类原子的一个集合，它们所有轨道是随机取 向，如电场较低，则在电场方向上平均感生偶极矩为 ＜μ＞=μ＜cos2θ＞= 1/3 所以
4 0 R 3 E loc 3 4 e 0 R 3 （6.18） 3
材料的介电性能教学课件
添加填料
通过向介电材料中添加填料 来提高其介电性能。
表面改性
通过改变介电材料表面的性 质来提高其介电性能。
掺杂改性
通过掺杂其他物质来改善介 电材料的性能。
现有问题及解决方案
1 介电强度降低的问
题
通过材料改良和设计优 化来提高介电强度。
2 介电损耗过高的问
题
3 改进介电性能的新
方向
通过优化材料结构和表 面处理来降低介电损耗。
材料的介电性能教学课件 PPT
本课件旨在介绍材料的介电性能，涵盖介电性能的概述、介电材料的分类、 介电应用领域、介电测试技术、性能改善以及现有问题及解决方案等主题。
介电性能概述
1 介电常数的定义
2 介电损耗的定义
介电常数是材料对电场强度的响应程度的 量度。
介电损耗是材料中电能转化为热能的程度。
3 介电强度的定义
4 介电中的极化现象
介电强度是材料能够承受的最大电场强度。
极化是材料中正、负电荷偏离平衡位置的 过程。
介电材料分类
常用的介电材料
常见的介电材料包括陶瓷、塑料、橡胶等。
介电材料的特性比较
不同介电材料具有不同的介电常数、介电损耗和介电强度。
介电应用领域
介电材料在电容器中的 应用
介电材料用于制造电容器以 存储电荷。
介电材料在电子器件中 的应用
介电材料用于制造电子器件 以实现绝缘和隔离于高压设备中的 绝缘和耐压功能。
介电测试技术
1 介电常数测试
通过实验测量材料的介电常数。
3 介电强度测试
通过实验测量材料的介电强度。
2 介电损耗测试
通过实验测量材料的介电损耗。
介电材料的性能改善
材料物理习题与考核
练习题第一章材料物理基本知识简介1.一电子通过5 400 V电位差的电场。
-11m)；(1)计算它的德布罗意波波长(1.67×10(2)计算它的波数；?10m)的布拉格衍射角(2°18面(111)(面间距′)。
(3)计算它对Ni晶体102.04?d?226232262310、2s3p2s2p2p3d、3s3p、；(2)1s3s、2.有两种原子，基态电子壳层是这样填充的(1)1s、2610。
请分别写出的所有电子的四个量子数的可能组态。
4d4s 4p3n?3.如电子占据某一能级的几率为1/4，另一能级被占据的几率为3/4。
(1)分别计算两个能级的能量比费密能高出多少kT?(2)应用你计算的结果说明费密分布函数的特点。
图1.37 一束入射的电子波0?283。
计算Cu的(4.Em10?/n?8.5F5.计算Na在0K时自由电子的平均动能。
(Na的相对原子质量33?)。
kg/m?1.01322.99,?10A?r*6.已知晶面间距为d，晶面指数为(h k l)的平行晶面的倒易矢量为，一电子波与该晶面系r hkl?角入射(见图l.37)，试证明产生布拉格反射的临成界波矢量K的轨迹满足方程*?。
2/r?||cos|K|hkl7.试用布拉格反射定律说明晶体电子能谱中禁带产生的原因。
8.试用晶体能带理论说明元素的导体、半导体、绝缘体的导电性质。
9.过渡族金属物理性能的特殊性与电子能带结构有何联系?10.试比较非晶态固体电子能带结构与晶态固体能带结构的差异并说明差异产生的主要原因。
11.试用玻璃化转变的自由体积理论解释非晶态高聚物熔体冷却时体积变化的现象。
12.高聚物的流动机理是什么？试说明相对分子量对玻璃化温度和流动温度的影响趋势。
13.为什么增塑更有利于玻璃化温度的降低，而共聚对熔点的影响更大？14.高聚物的结晶融化过程与玻璃化转变过程有什么本质的不同？高聚物结构和外界条件对这两个转变过程的影响有那些相同点和不同点？第二章材料的热学性能1. 计算室温（298K）时莫来石瓷的摩尔热容值，并与杜隆-珀替定律计算的结果比较。
第五章 材料的介电性能
电场作用下离子间的键合被拉长，例如碱卤化物晶体就是
如此。图5.2所示是位移极化的简化模型。
图5.2 离子极化示意图
• 离子位移极化主要存在于具有离子晶体中，如云母、陶瓷 材料等，它具有如下特点：
• （1）形成极化所需的时间极短，约10-13s，故一般可以
认为与频率无关； • （2）属弹性极化，几乎没有能量损耗； • （3）温度升高时离子间的结合力降低，使极化程度增加 ，但离子的密度随温度升高而减小，使极化程度降低，通
•
取向极化的机理可以应用于离子晶体介质中 ，带有正、负电荷的成对的晶格缺陷所组成的离 子晶体中“偶极子”，在外电场作用下也可发生 取向极化。
• 固有电矩的取向极化具有如下特点： • （1）极化是非弹性的； • （2）形成极化需要的时间较长，为10-10～10-2s，故 其与频率有较大关系，频率很高时，偶极子来不及转动，
因而其减小；
• （3）温度对极性介质的有很大影响，温度高时，分子热 运动剧烈，妨碍它们沿电场方向取向，使极化减弱，故极 性气体介质常具有负的温度系数，但对极性液体、固体的 在低温下先随温度的升高而增加，当热运动变得较强烈时 ，又随温度的上升而减小。
（4）击穿—指在强电场下可能导致电介质的破坏。
四个基本特性各有其基本理论。
电介质理论包括： （1）电极化响应理论 （2）电介质中电荷转移、电导和电击穿理论 （3）唯象理论：（用电介质的特征函数描述）从物理学
的角度论述与介电有关的各种效应，建立统一的唯象理论
—热力学唯象理论（建立各种宏观物理量之间的关系） （4）微观理论：主要介绍晶格振动和声子统计方面的知 识。 （5）铁电理论：在下一章中讲。
介电材料和绝缘材料是电子和电气工程中不 可缺少的功能材料，在工程应用中，常在需要将 电路中具有不同电位的导体彼此隔开的地方使用 ，就是利用介质的绝缘特性，也就是应用材料的 介电性能。这一类材料总称为电介质。 比较常见的介电材料是电容器介质材料、压 电材料等。绝缘材料和介电材料都是高电阻率材 料，但两者是有区别的，好的介电材料一定是好 的绝缘材料，但好的绝缘材料就不一定是好的介 电材料了。
第五章铁电材料测试
第五章铁电材料测试铁电材料测试是研究铁电材料性能和特性的关键步骤。
通过测试，可以评估材料的电学特性、热学特性以及结构特性等，为进一步研究和应用铁电材料提供重要参考。
铁电材料测试主要包括电学测试、热学测试和结构测试三个方面。
首先是电学测试。
电学测试主要是对材料的电介质性能进行评估。
常用的电学测试方法包括压电系数测试、介电常数测试以及铁电相变测试等。
压电系数测试是通过施加外界电场或机械应力来测量材料的压电响应，包括压电应变和压电势的变化。
介电常数测试是通过施加外界电场来测量材料在不同频率下的电极化程度，反映了材料对电场的响应能力。
铁电相变测试是通过改变温度或电场来观察和测量材料的相变行为，包括铁电相变温度、滞回曲线和薄膜电容等。
其次是热学测试。
热学测试主要是对材料的热学性能进行评估。
常用的热学测试方法包括热膨胀测试、热导率测试以及热电测试等。
热膨胀测试是通过测量材料在不同温度下的长度、体积变化来评估材料的热膨胀性能。
热导率测试是通过测量材料在不同温度下的热传导能力来评估材料的热导率。
热电测试是通过测量材料在温度梯度下产生的热电势来评估材料的热电效应，包括热电压和热电流等。
最后是结构测试。
结构测试主要是对材料的结构特性进行评估。
常用的结构测试方法包括X射线衍射（XRD）测试、扫描电子显微镜（SEM）测试以及穆斯堡尔谱测试等。
XRD测试可以通过测量材料的衍射图案来确定材料的晶体结构、晶格参数以及晶体的定向关系。
SEM测试可以通过扫描电子显微镜的镜头对材料的表面形貌和微观结构进行观察和分析。
穆斯堡尔谱测试可以通过测量材料中铁原子的穆斯堡尔谱来确定材料的磁性和铁电性质。
综上所述，铁电材料测试是研究铁电材料性能和特性的重要手段，通过电学测试、热学测试和结构测试等方法可以全面评估材料的性能和特性，为铁电材料的研究和应用提供可靠的数据和参考。
5-液体和固体介质的电气特性
高电压工程基础
（2）电介质电导与金属电导的本质区别 电介质的电导主要是由离子造成的，包括介质本身和 杂质分子离解出的离子（主要是杂质离子），所以电 介质电导是离子性电导；而金属的电导是由金属导体 中的自由电子造成的，所以是电子性电导。 电介质的电导很小，其电阻率一般为109～1022Ω·cm; 而金属的电导很大，其电阻率仅为10-6～10-2Ω·cm。
并联等效电路
串联等效电路
等效电路只有计算上的意义，并不反映介质损 耗的物理过程。
高电压工程基础
并联等效电路：阻性有功电流与容性无功电流的 比值。 串联等效电路：阻性有功电压与容性无功电压的 比值。
IR U /R 1 U2 tan ；P C pU 2 tan I C U C p RC p R
高电压工程基础
温度较低时，液体和固体介质的分子间联系紧 密，不易极化。温度较高时，分子热运动加剧，妨
碍极性分子沿电场方向取向，所以随温度增加极化
程度先增加后降低。
高电压工程基础
4、电介质的相对介电常数
Q0 0 A 对于平行平板电容器，极间为真空时： C0 U d
电极间放置固体介质时，电容 量将增大为： Q0 Q A
高电压工程基础
介质损耗为： P Q tan U 2C tan
P 值和试验电压、试品电容量等因素有关，不同 试品间难于互相比较，所以改用介质损失角的正切 tanδ（介质损耗因数）来判断介质的品质。 tanδ仅反 映介质本身的性能，和介质的几何尺寸无关。
高电压工程基础
有损介质可用电阻、电容的串联或并联等值电 路来表示。主要损耗是电导损耗，常用并联等值电 路；主要损耗由介质极化及连接导线的电阻等引起， 常用串联等值电路。
第五章动态热力分析
（四）动态力学频率谱 在一定温度下，聚合物动态力学性能随频率的变化称为
动态力学频率谱，即DMA频率谱。用于研究材料力学性能 与速率的依赖性。
图5-13 典型非晶态聚合物的DMA频率谱
28
二、动态热力分析仪器
表5-1 动态力学试验方法
振动模式 自由振动 强迫共振
强迫非共振
声波传播
形变模式
扭转 固定-自由弯曲 自由-自由弯曲
16
聚合物材料是典型的粘弹性材料，这种粘弹性表现 在聚合物的一切力学行为上。
聚合物的力学性质随时间的变化统称为力学松弛。 根据聚合物材料受到外部作用的情况不同，可以观 察到不同类型的力学松弛现象，最基本的有蠕变、应力 松弛、滞后和力学损耗（内耗）等。
17
（二）内耗 聚合物在交变应力作用下，应变落后于应力变化的现象 称为滞后现象。 滞后现象的发生是由于链段在运动时要受到内摩擦力的 作用，滞后相位角δ越大，说明链段运动越困难，越是跟不 上外力的变化。 应变的变化落后于应力的变化，发生滞后现象，则每一 循环变化中就要消耗功，称为力学损耗，也称内耗。 聚合物内耗的大小与试样本身的结构有关，还与温度、 频率、时间、应力（或应变）及环境因素（如湿度、介质等 ）有关。
负荷作用下，试样弯曲形状达到规定值时的温度。 国标规定，升温速度为12℃/6min，弯曲应力为
18.5kg/cm2或4.6kg/cm2，弯曲变形量为0.21mm。
13
（四）拉伸法 采用拉伸探头，将纤维或薄膜试样装在专用夹具上，
然后放在内外套管之间，外套管固定在主机架上，内套管 上端施加负荷，测定试样在程序控温下的温度-形变曲线。
热机械分析仪有两种类型，即浮筒式和天平式。 负荷的施加方式有压缩、弯曲、针入、拉伸等，常用 的是压缩力。
《材料物理性能》课程教学大纲
《材料物理性能》课程教学大纲课程代码：ABCL0518课程中文名称: 材料物理性能课程英文名称：Physical properties of materials课程性质：选修课程学分数：2课程学时数：32授课对象：新能源材料与器件专业本课程的前导课程：《近代物理概论》，《材料科学前沿系列讲座》一、课程简介本课程主要包括材料的热学、光学、电学、磁学等性能和应用。
主要介绍各种重要性能的原理及微观机制，性能的测定方法以及控制和改善性能的措施，各种材料的结构和性能的关系，各种性能之间的相互制约与变化规律。
通过本课程的学习，培养学生测定各种性能的动手能力，另一方面培养学生判断材料优劣、正确选择和使用材料、改变材料性能、探索新材料、新性能、新工艺打下理论基础。
二、教学基本内容和要求本课程基本内容包括材料的电、磁、光、热学性能及材料物理检测方法等，主要阐述了上述性能的物理模型、变化规律、影响因素以及物理效应之间的关系，旨在使学生尽可能地从物理效应和微观机制角度掌握材料性能。
以下分章阐述：第一章热学性能课程教学内容：材料热学性能中热容（包括热容的两个经典理论和量子力学理论）、热膨胀、热传导和热稳定性的概念、机理及影响因素。
课程的重点：材料的热膨胀；材料的热传导；材料的热电性。
课程的难点：材料的热容与热焓。
课程教学要求：1. 掌握材料热学性能，包括热容、热膨胀、热传导等性能；2. 理解材料热学性能的测量方法；3. 掌握材料热学性能分析方法的应用。
第二章电学性能课程教学内容：材料导电的物理现象，了解离子导电、电子导电和玻璃态导电的机理，接触超导概念。
课程的重点：超导电性；影响金属导电性的因素；导电性的测量；电阻分析的应用。
课程的难点：绝缘体的电学性能。
课程教学要求：1.了解材料的电学性能，包括材料的导电性、超导电性、介电性和压电性等性能；2.掌握电学性能的测量方法及其分析方法；。
材料物理与性能知识点
5·热弹性高分子材料在塑性变形时的硬化现象，其原因不是加工硬化，而是长链分子发生了重新排列甚至晶化。
6·加工硬化原理（此是考试重点）：经过冷加工的金属材料位错密度大大增大，位错之间的相互作用也越大，对位错进行的滑移的阻力也越大，这就是加工硬化原理。
3·缩颈：韧性金属材料在拉伸实验时变形集中于局部区域的特殊现象，他是应变硬化和截面积减小共同作业结果。
第四章 导电物理与性能
1.导电原理极其主要特征：（个人认为必考）
经典自由电子导电理论，连续能量分布的价电子在均匀势场中的运动。
量子自由电子理论，不连续能量分布的价电子在均匀势场中的运动。
2）抗热冲击损伤性：在热冲击循环作用下，材料表面开裂，剥落并不断发展，最终失效或断裂；材料抵抗这类破坏的能力。
7·热膨胀的物理本质归结为点阵结构中的质点间平均距离随温度的升高而增大。
8·热传导的微观机理：声子传导和光子传导。
第二章-缺陷物理与性能
1·晶体缺陷的类型 分类方式：
电子云位移极化的特点：
a) 极化所需时间极短，在一般频率范围内，可以认为ε与频率无关；
b)具有弹性，没有能量损耗。
c)温度对电子式极化影响不大。
3·离子位移极化：正、负离子产生相对位移.
主要存在于离子化合物材料中，如云母、陶瓷等。
离子位移极化的特点：
a) 时间很短，在频率不太高时，可以认为ε与频率无关；
第一章-材料的热学性能
1·杜隆-珀替将气体分子的热容理论直接应用于固体,从而提出了杜隆－珀替定律（元素的热容定律）：恒压下元素的原子热容为。实际上，大部分元素的原子热容都接近该值，特别在高温时符合的更好。
材料物理材料的介电性能PPT课件
因无序排列对外不呈现电性。
电子云的 正电中心
电介质
极化面 电荷
–
+–
+
+ – + –
+
–
+–
+ – E0 + –
+
–
–
+ – + –
+–
+
–
+ –E E+ –
+–
+
无外场时，电偶极子杂乱无章的排列
3、极化机制
电子位移极化
无极分子（Nonpolar molecule） 在无外场作用下整个分子无电矩。
A、电容材料
I、存储电能
传统 电容 器
VS
电 池
超级电 容器
高能量密度 高功率密度 长循环寿命
超级电容器
• 超级电容器 (Supercapacitors),它兼有静电电容器和电池 特性,能提供比静电电容器更高的能量密度,比电池更高的功 率密度和更长的循环寿命。
A、电容材料
I、存储电能
A、电容材料
A、电容材料
I、存储电能
制备高性能的超级电容器有2个途径: A、是增大电极材料比表面积,从而增大双电层电容量; B、是提高电极材料的可逆法拉第反应的机率,从而提 高准电容容量。 实际应用中,这2种储能机理往往同时存在。
A、电容材料
I、存储电能
原理 种类 优点 缺点
研究热点
碳素材料
以双电层为主
活性炭（AC）；活性炭纤维（CFA）；碳纳米 管（CNTs）；炭气凝胶（CAGs）；石墨等
3、极化机制
离子位移极化
《材料的介电性能》课件
电容和电感的应用
电容的应用
在电子设备中，电容被广泛应用于滤 波、去耦、旁路、调谐等场合，以实抑制电磁 干扰、阻尼振荡和磁性元件等，同时 也在无线通信、电力传输等领域有广 泛应用。
电容和电感的计算方法
电容的计算方法
根据电容的定义，可以通过测量电容器极板上的电荷量和电压来计算电容的大小。此外，还可以通过介质常数、 电极面积和间距等参数来计算电容。
生物医学应用
介电材料在生物医学领域也有广泛应用，如制备生物传感器、药物载 体和组织工程支架等。
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目录
• 介电性能概述 • 介电常数 • 介质损耗 • 电容和电感 • 介电性能的应用
01
介电性能概述
介电性能的定义
介电性能是指材料在电场作用下表现 出的性质，包括电导率、介电常数、 介质损耗等。
它反映了材料对电场的响应和作用， 是材料在电气工程领域应用的重要基 础参数之一。
集成电路封装
在集成电路的封装过程中，介电材料用于绝缘和 保护内部电路，同时提供导热性能。
在电力工程中的应用
1 2
绝缘子
高压输电线路中的绝缘子要求材料具有高介电强 度和良好的耐老化性能，以确保电力传输的安全 。
高压设备绝缘
在电力变压器、开关设备等高压电气设备中，介 电材料用于绝缘和支撑，确保设备正常运行。
常数越大。
温度
温度对介电常数有一定影响， 温度升高，介电常数可能减小
。
压力
压力对介电常数的影响较小， 但在高压下，介电常数可能会
有所变化。
频率
在高频电磁场下，介电常数与 电磁波的频率有关，频率越高
材料的介电性能
材料的介电性能
材料的介电性能是指材料在电场作用下的响应能力，包括介电常数、介电损耗、击穿强度等指标。
介电性能对于材料在电子、通信、能源等领域的应用具有重要意义。
本文将对材料的介电性能进行探讨，以期为相关领域的研究和应用提供参考。
首先，介电常数是衡量材料在电场中响应能力的重要参数。
介电常数越大，材
料在电场中的极化效应越明显，从而具有更好的电绝缘性能。
常见的高介电常数材料包括氧化铁、氧化铌、氧化锆等。
这些材料在电子器件和电容器中得到广泛应用，能够提高器件的性能和稳定性。
其次，介电损耗是材料在电场中能量损耗的指标。
介电损耗越小，材料在高频
电子器件中的性能就越好。
常见的低介电损耗材料包括氧化铝、氮化硅、聚四氟乙烯等。
这些材料被广泛应用于微波器件、通信设备等领域，能够提高设备的传输效率和稳定性。
最后，击穿强度是衡量材料在电场中耐受电压的能力。
击穿强度越大，材料在
高压电器设备中的安全性就越高。
常见的高击穿强度材料包括氧化铝陶瓷、硅橡胶、聚乙烯等。
这些材料在电力系统、电子设备中得到广泛应用，能够提高设备的可靠性和安全性。
综上所述，材料的介电性能对于电子、通信、能源等领域的应用具有重要意义。
通过对介电常数、介电损耗、击穿强度等指标的研究，能够为材料的设计和应用提供重要参考，推动相关领域的技术进步和产业发展。
希望本文的内容能够对相关领域的研究人员和工程师有所帮助，促进材料的创新和应用。
材料物理材料介电性能
材料物理材料介电性能材料物理是研究物质的结构、性质和行为的学科领域。
材料的介电性能是指材料对电场的响应能力，包括介电常数、介电损耗、电容率等电学参数。
这些参数直接影响着材料在电子器件、能源存储和传输等领域的应用。
首先，介电常数是介电性能的重要参数之一、它描述了材料在电场作用下的极化能力。
介电常数大的材料意味着材料在电场作用下更容易极化，从而使得材料可以存储更多的电荷。
一些常见的高介电常数材料包括铁电体和铁电薄膜。
这些材料在电子器件中被广泛应用，例如电容器和存储器件。
其次，介电损耗是材料介电性能的另一个关键参数。
它描述了材料在电场作用下吸收能量的能力。
也就是说，当电场作用下，部分电能会被转化为热能而损耗掉。
介电损耗大的材料会导致电能的浪费，从而降低电子器件的效率。
因此，在设计和选择材料时，介电损耗的降低是一个重要的考虑因素。
最后，电容率是衡量材料存储能量的指标。
它与介电常数和材料的体积有关。
当介电常数和电容率高时，材料可以存储更多的电荷，从而提高电容器的性能。
这对于能源存储和传输领域尤为重要，例如电动车的电池和太阳能电池的电容器。
除了介电常数、介电损耗和电容率之外，还有其他一些介电性能的重要参数。
例如，介电强度是指材料可以承受的最大电场强度。
当电场强度超过介电强度时，材料会发生击穿现象。
因此，了解材料的介电强度可以帮助我们设计更可靠和安全的电子器件。
总之，材料的介电性能对于电子器件、能源存储和传输等领域的应用至关重要。
通过研究和了解材料的介电常数、介电损耗、电容率和介电强度等参数，我们可以优化材料的性能，提高电子器件的效率和可靠性。
对于未来的材料科学和工程领域的发展，介电性能的研究和探索仍然是一个重要的方向。
第五章材料结构与介电
4. 松弛极化P与温度的关系有极大值
——温度升高，松弛时间缩短，松弛过程加快，极化充分极化强度提高。
但温度升高，无规运动阻碍极化过程，使极化强度降低，从而出现
极大值。
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5.2.5 取向极化 1. 定义
固有电偶极矩（极性分子）在外电场方向有序化 ——沿外场方向取向的偶极子数大于沿外场反方向的偶极子数， 使电介质出现宏观偶极矩。
实轴
真空电容电流无能耗
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（2）极间充以非极性完全绝缘的材料
已知：
设：复变电压
CrC 0，r（ ＞ 1 ）
i 虚轴
VV0eit
I=irC0V
则回路电流
I Q iC iV r C 0 V
/2
仍与外加电压相位差/2
V=V0eit
实轴
WIV0
——仍为非损耗性电流
F吸收 基态
荷束缚一个自由电子，构成
类氢原子结构。
类氢原子结构的基
态和激发态
——弱束缚电子受热激发，可产生能级跃迀，或转移结点。这种迀移与 热运动有关。
2. 极化建立时间
——约在10-2～10-9s，高于109Hz频率的电场中电子松弛极化不存在。
——电子松弛极化过程中电子作短距离运动，表现电子电导特征。
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2. 复介电常数
（1）平板理想真空电容
已知：
C 0 0 A / d ， C 0 Q / V 或 ， Q C 0 V
设：复变电压 则回路电流
VV0eit
i 虚轴
I=iC0V
Ic dQdtiC0V
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材料 刚玉 云母晶体 氧化铝陶瓷 食盐晶体 LiF晶体 聚苯乙烯 高抗冲聚苯乙烯 聚苯醚 聚碳酸酯 9（6.5）[60(106)] 5.4~6.2 9.5~11.2 6.12 9.27 2.45~3.10（60） 2.45~4.75（60） 2.58（60） 2.97~3.71（60）
聚乙烯泡沫塑料
整理得：
5.1.4 影响介电常数的因素
• 介电类型 • 温度系数
• 介电常数与温度呈强的非线性关系，用温度系数描述温度特征难度大 • 介电常数与温度呈线性关系，可以用温度系数描述介电常数与温度的 关系
5.2 交变电场中的电介质
• 5.2.1 复介电常数
在变动的电场下，静态介电常数不再适用，而出现动态介电常数——复介电常数
第五章 材料的介电性能
5.1 介质极化和静态介电常数
5.2 交变电场中的电介质
• 在外电场作用下，材料发生两种响应，一种是电传导，另一种是 电感应。与导电材料相伴而生，主要应用于材料介电性能的这一 类材料总称为电介质（材料）。 • 表征材料的介电性能的基本参数：介电系数、介电损耗、电导率 和击穿强度。
一切陶瓷
离子结构 离子不紧 密的材料 高价金属 氧化物 有机
空间电荷 极化
结构不均 匀的材料
直流—— 光频 直流—— 红外 直流—— 超高频 直流—— 超高频 直流—— 超高频 直流—— 高频
无关
温度升高极 化增强 随温度变化 有极大值 随温度变化 有极大值 随温度变化 有极大值
无
很弱 有 有 有
随温度升高 而减小
在气体、液体和理想的完整晶体中，经常存在的微观极化机制是电子位移极化、离子位移极 化和固有电矩的取向极化
在非晶体固体、聚合物高分子、陶瓷以及不完整的晶体中，还会存在其他复杂的微观极化机制。 松弛极化、空间电荷极化和自发极化
4. 松弛极化
有一种极化，虽然也是由外加电场造成的，但是它还与带电质点的热运动状态密切相关。 当材料中存在弱电联系的电子、离子和偶级子等松弛质点时，温度造成的热运动使这些质点分布混乱， 而在电场的作用使它们有序分布，平衡时建立了极化状态。这种极化具有统计性质，称为热松弛（驰豫）极化
5.1.2 电介质的极化的微观机制
1. 电子位移极化
电场作用时，正、负电荷中心产生相对位移(电子云发生了变化而使正、负电荷中心分离的物理过程) 电子云位移极化存在于一切气体、液体及固体介质中。
电子云位移极化的特点：
a) 极化所需时间极短，在一般频率范围内，可以 认为ε与频率无关；
b)具有弹性，没有能量损耗。
• 5.2.1 复介电常数
复介电常数最普遍地表达式是
5.2.2 介电驰豫的物理意义
当电介质开始受静电场作用时，要 经过一段时间后，极化强度才能达到 相应的数值，这个现象称为极化弛豫， 所经过的这段时间称为弛豫时间。
图5.11 极化强度的建立
5.2.3 德拜驰豫方程
而
5.2.3 德拜驰豫方程
包括：电子松弛极化、离子松弛极化以及偶级子松弛极化，多发生子晶体缺陷区或玻璃体内，有些 极性分子物质也会发生
4. 松弛极化
材料中弱束缚电子在晶格热振动下，吸收一定能 量由低级局部能级跃迁到较高能级处于激发态； 处于激发态的电子连续地由一个阳离子结点，移
到另一个阳离子结点；
外加电场使其运动具有一定的方向性，由此引起
5.1.2 电介质的极化的微观机制
3. 固有电矩的取向极化
电介质中电偶极子的产生有两种机制：一是产生于感应电矩；二是产生于固有电矩
在么偶外电场作用时，电偶极子在固体中杂乱无章地排列，宏观上显示不出它的带电特征；如果将该系 统放入外电场中，固有电矩将沿电场方向取向时，其固有的电偶极矩沿外电场方向有序化，这个过程被
5.2.4 谐振吸收和色散
5.2.5 介电损耗
介质损耗：任何电介质在电场（直流、交流）的作用下，总有部分电能转化为其他形式的能
电介质损耗：电介质在单位时间内损耗的能量称为电介质损耗功率，简称电介质损耗
1. 介质损耗的形式和微观原理
电介质在恒定电场的作用下所损耗的能量与通过其内部的电流有关 (1) 由样品集合电容的充电所造成的位移电流或电容电流，这部分电流不损耗能量 (2) 由各种介质极化的建立引起的电流，此电流与松弛极化或惯性极化、共振等有关，引起的损耗为极化损耗 (3) 由介质的电导（漏导）造成的电流，这一电流与自由电荷有关，引起的损耗称为电导损耗
3）共振吸收损耗
• 对于离子晶体，晶格振动的光频波代表原胞内离 子的相对运动，若外电场的频率等于晶格振动光 频波的频率，则发生共振吸收。
5.2.5 介电损耗
2. 介电损耗的表示方法
5.2.5 介电损耗
2. 介电损耗的表示方法
在交变电场下，除电导损耗外，还有因介质极化（尤其是取向极化）而引起的能耗
此时只有电导损耗
1. 介质损耗与频率的关系
5.2.6 影响介质损耗的因素
2. 介质损耗与温度的关系
1) 低温区
2. 介质损耗与温度的关系
2) 反常分散区
3）高温区
5.2.6 影响介质损耗的因素
3. 介质损耗与湿度的关系
5.2.7 材料的介质损耗
• 以上介绍的介质损耗所针对的是单相的材料，而实际的材料往往是显微结构不均匀的多 相体，尤为突出的是应用广泛的固体无机材料，这些材料损耗的主要形式是电导损耗和 松弛极化损耗，但还有两种其他损耗形式：电离损耗和结构损耗
有
图5-8 各种极化频率范围及其对介电常数的贡献
5.1.3 宏观极化强度与微观极化 率
作用在被考察分子上的有效电场与宏观电场不同，它是外加宏观电场与周围极化了的分子对被考 察分子相互作用电场之和。即与分子、原子上的有效电场、外加电场E0、电介质极化形成单刀退 极化场Ed、还有分子或原子周围的带电质点的相互作用有关
如右图所示：在外电场的作用下，这些带电粒子可以有
微观的位移，这种微观位移将激发附加的电场，从而使
总电场变化。 电介质就是指在电场作用下能建立极化的一切物质 真空 E
自由电子 偶极子
束缚电荷
图5.1 电介质的极化现象 根据分子的电结构，电介质可分为两大类：极性分子电介质和非极性分子电介质
材料 二氧化硅玻璃 金刚石 多晶ZnS 钛酸钡 聚苯乙烯泡沫塑料 石蜡 聚乙烯 天然橡胶 3.78（102~103） 6.6（直流） 9.7（直流） 8.7（直流） 3000（106） 1.02~1.06（60） 2.0~2.5 2.26 2.6~2.9
1. 无机材料中的两种损耗形式
1）电导（或漏导）损耗 • 缺陷的存在，产生带束缚较弱的带电质点。带电 质点在外电场的作用下沿着与电场平行的方向做 贯穿电极之间的运动。 • 实质相当于交流、直流电流流过电阻做功，一切 实用工程介质材料不论是在直流或在交流电场作 用下，都会发生漏导损耗。
2）极化损耗
• 由于各种电介质极化的建立所造成的电流引起的损耗称为极化 损耗，这里的极化一般是指弛豫型的。 结论： • ① 当外电场频率很低，即ω→0时，各种极化都能跟上电场的变 化，即所有极化都能完全建立，介电常数达到最大，而不造成 损耗； • ② 当外电场频率逐渐升高时，松弛极化从某一频率开始跟不上 外电场变化，此时松弛极化对介电常数的贡献减小，使ω随频率 升高而显著下降，同时产生介质损耗，当ω→∞时，损耗达到最 大； • ③ 当外电场频率达到很高时，松弛极化来不及建立，对介电常 数无贡献，介电常数仅由位移极化决定， ω→0时， tanδ→∞， 此时无极化损耗。 • （说明：损耗角，大小可以作为绝缘材料的判据 σ=ωεtanδ）
上式就常称为德拜方程
Cole-Cole图在处理实验数据时很有用。在不同的频率 下，测出复介电长生殿额实部和虚部，将测量点标在 复平面上，所实验点组成一个半圆弧，则属于德拜型 驰豫；同时，个别实验点对圆弧的偏离程度表明了这 些实验点的精确程度
对于偏离德拜型的介电驰豫，有一个很有用的经验公式，把复介电常数写成：
称为取向极化或转向极化
取向极化的机理可以应用于离子晶体的介质中，带有正、负电荷和成对的晶格缺陷所组成的离子晶体 中的“偶级子”，在外电场作用下也可能发生取向极化。如下图所示的极化是由杂质离子（通常是带 大电荷和阳离子）在阴离子空位周围跳跃引起的，有时也称为离子跃迁极化，其极化机构相当于偶级 子的转动。
单位体积电解质的功率损耗可表示为
综合电导损耗和极化损耗两部分，可得到介质损耗为：
介质损耗率P为
5.2.6 影响介质损耗的因素
影响材料介质损耗的因素可分为两类，一类是材料结构本身的影响，如不同材料的漏导电流不同， 由此引起的损耗也各不相同。第二类是外界环境或实验条件对材料介电损耗的影响。 1. 介质损耗与频率的关系
1. 有效电场
当电介质极化后，在其表面形成了束缚电荷。这些束缚电荷形成了一个新的电场，由于与极化电场方向相 反。故称为退极化场Ed，如右图所示。
外加电场E0和退极化场Ed的共同作用才是宏观电场E宏，即 E宏=E0+Ed
P
图5.9
退极化场Ed
5.1.3 宏观极化强度与微观极化率
2. 克劳修斯-莫索堤方程
铁电体的就按强度P和电场强度E的关系类似于铁磁材料的此话特性，称为电滞现象
自发极化在某一温度下急剧消失，称此为“居里温度”，并用Tc表示
表5-2
极化形式 极化的电 介质种类
各种极化形式的比较
极化的频 率范围 与温度的关 系 能量消耗
电子位移 极化
离子位移 极化 离子松弛 极化 电子位移 松弛极化 转向极化
5.1.2 电介质的极化的微观机制
如果按作用质点的性质分，介质的极化一般包括三部分：电子极化、离子极化和偶级子转向极化
通常意义上，电介质极化是由外加电场作用于这些质点产生的，还有一种极化与质点的热运动有关。 因此。极化的基本形式有可分为两种：