材料物理性能ppt课件
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不均匀介质最简单的情况是双层介质。设双层介质具有各不相
同的电性质，ε1，σ1，d1和 ε2，σ2，d2 分别代表第一层、第二层的介
电常数、电导率、厚度。
若在此系统上加直流电压U，则各层内的电场强度E1，E2，为：
.
5
3.3.2 影响无机材料击穿强度的各种因素
上式表明：电导率小的介质承受场强高，电导率大的介 质承受场强低。在交流电压下也有类似的关系。
.
9
3.4 压电性和热释电性
3.4.1 压电性
1.压电性概念
1）正压电效应 ：晶体受到机械作用力时，在一定方向的 表面上会出现数量相等、符号相反的束缚电荷；作用力反 向时，表面荷电性质亦反号，而且在一定范围内电荷密度 与作用力成正比。这种由机械能转化为电能的过程，为正 压电效应。
逆压电效应 ：当晶体在外加电场作用下，晶体的某些 方向上产生形变，其形变与电场强度成正比。称为逆压电 效应。
7.0 BaTiO3 (0.02cm，单晶） 0.04
1.5 BaTiO3 (0.02cm，多晶） 0.12
0.18
环氧树脂
160-200
10.1
聚苯乙烯
160
9.7
硅橡胶
220
.
4
3.3.2 影响无机材料击穿强度的各种因素
1.介质的不均匀性
无机材料常常为不均匀介质，有晶相、玻璃相和气孔存在，这使无机材 料的击穿性质与均匀材料不同。
正压电效应与逆压电效应统称为压电效应。具有压电 效应的物体称为压电体。
.
10
α –石英晶体
a: 在X方向上的二个晶体面上接电极，测定电荷密度。 的X方束向缚上电受荷正Q，应其力表T1面(N电/m荷2)时密，度测σ （得CX/方m2向）电与极作面用上力产成生正 比。
1=d11T1
其中T1为沿法线方向正应力，d11为压电应变常量，其下
.
7
3.3.2 影响无机材料击穿强度的各种因素
3. 材料表面状态及边缘电场： （1）固体介质的表面放电 固体介质的表面放电属于气体放电。固体介质常处于周围
气体媒质中，击穿时，常发现介质本身并未击穿，但有火花掠 过它的表面，这就是表面放电。
a: 固体介质材料不同，表面放电电压也不同。陶瓷介质由
于介电常数大、表面吸湿等原因，引起空间电荷极化，使表面 电场畸变，降低表面击穿电压。
如果σ1和σ2 相差甚大，则必然其中一层的电场强度将 大于平均场强E，这一层可能首先达到击穿强度而被击穿。
一层击穿以后，增加了另一层的电压，且电场因此大大畸变 ，结果另一层也随之击穿。由此可见，材料的不均匀性可能 引起击穿场强的降低。
陶瓷中的晶相和玻璃相的分布可看成多层介质的申联和 并联，上述的分析方法同样适用。
标第一个1代表电学量，第二. 个1代表力学量。
11
在Y方向上受正应力T2时，X方向上测电荷密度：
1=d12T2
在Z方向上受正应力T3时，测电流为0
1=d13T3=0
因为T3不等于0，则d13=0。
.
12
切应力：T4（yz或zy应力平面的切应力）， T5（xz或zx平面）， T6（xy或 yx平面）
b: 固体介质与电极接触不好，则表面击穿电压降低。 c: 电场的频率不同，表面击穿电压也不同。频率升高，击
穿电压降低。
.
8
3.3.2 影响无机材料击穿强度的各种因素
3. 材料表面状态及边缘电场：
（2）边缘电场： 电极边缘常常发生电场畸变，使边缘局部电场强度升高，导致击
穿电压的下降。 影响因素： a: 电极周围媒质 b: 电场的分布(电极的形状、相互位置) c: 材料的介电系数、电导率
.
2
3.3.1 介电强度
例：设计一方案，满足3KV下存储10-4C的要求 ，设 电介质材料厚0.02mm的BaTiO3，求电介质的厚度 及面积。（注:BaTiO3的介电强度为120KV/cm）。
.
3
一些电介质的介电强度 单位：106V/cm
Al2O3 (0.03mm) Al2O3 (0.6mm) Al2O3 (0.63cm) 云母 (0.002cm) 云母 (0.006cm)
在切应力作用下，X方向上测电荷密度：
而 d15=d16=0
1=d14T4
X方向总电位移：
1=d11T1+.d12T2+d14T4
13
x方向总电位移： 1=d11T1+d12T2+d14T4
同样，在晶体y方向的平面上被电极，测y方向的电位移D2：
2=d25T5+d26T6
同样，在晶体z方向的平面上被电极，测z方向的电位移D3：
.
6
3.3.2 影响无机材料击穿强度的各种因素
2. 材料中气泡的影响：
材料中含有气泡时，气泡的ε及σ很小，因此加上电压 后气泡上的电场较高。而气泡本身的抗电强度比固体介质要
低得多(一般空气的Eb≈33kv/cm，而陶瓷的Eb≈80kv/cm )，
所以首先气泡击穿，引起气体放电(电离)，产生大量的热， 容易引起整个介质击穿。由于在产生热量的同时，形成相当 高的内应力，材料也易丧失机械强度而被破坏，这种击穿称 为电—机械—热击穿。
3.3 电介质在电场中的破坏
3.3.1 介电强度
1.介质的击穿: 当电场强度超过某一临界值时，介质由介电 状态变为导电状态。这种现象称介电强度的破坏，或叫介 质的击穿。
2.击穿电场强度: 介质的击穿时，相应的临界电场强度称 为介电强度，或称为击穿电场强度。
（介电强度：一种介电材料在不发生击穿或者放电的情况下
d14 0 0
0 d25 0
0 d26 0
TTTTT15432
3=0
对于α –石英晶体，无论在哪个方向上施加应力，在z方向 的 电极面上无压电效应。
.
14
3.4.1 压电性
以上正压电效应可以写成一 般代数式的求和方式：即
6
m dmjTj
m=1, 2, 3 m为电学量，j为力学量
j 1
采用矩阵方式可表示为：
1 d11
2
源自文库
0
3 0
d12 0 0
0 0 0
承受的最大电场。）
.
1
Emax=(V/d)max
通 常 ， 凝 聚 态 绝 缘 体 的 击 穿 电 场 范 围 约 为 (1055×106)V.cm-1。
介电强度依赖于材料的厚度， 厚度减小，介电强度 增加。由测试区域中出现的临界裂纹的几率决定。
还与环境温度和气氛、电极形状、材料表面状态、电 场频率和波形、材料成分和孔隙、晶体各向异性，非晶态结 构等因素有关。
同的电性质，ε1，σ1，d1和 ε2，σ2，d2 分别代表第一层、第二层的介
电常数、电导率、厚度。
若在此系统上加直流电压U，则各层内的电场强度E1，E2，为：
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3.3.2 影响无机材料击穿强度的各种因素
上式表明：电导率小的介质承受场强高，电导率大的介 质承受场强低。在交流电压下也有类似的关系。
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3.4 压电性和热释电性
3.4.1 压电性
1.压电性概念
1）正压电效应 ：晶体受到机械作用力时，在一定方向的 表面上会出现数量相等、符号相反的束缚电荷；作用力反 向时，表面荷电性质亦反号，而且在一定范围内电荷密度 与作用力成正比。这种由机械能转化为电能的过程，为正 压电效应。
逆压电效应 ：当晶体在外加电场作用下，晶体的某些 方向上产生形变，其形变与电场强度成正比。称为逆压电 效应。
7.0 BaTiO3 (0.02cm，单晶） 0.04
1.5 BaTiO3 (0.02cm，多晶） 0.12
0.18
环氧树脂
160-200
10.1
聚苯乙烯
160
9.7
硅橡胶
220
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3.3.2 影响无机材料击穿强度的各种因素
1.介质的不均匀性
无机材料常常为不均匀介质，有晶相、玻璃相和气孔存在，这使无机材 料的击穿性质与均匀材料不同。
正压电效应与逆压电效应统称为压电效应。具有压电 效应的物体称为压电体。
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α –石英晶体
a: 在X方向上的二个晶体面上接电极，测定电荷密度。 的X方束向缚上电受荷正Q，应其力表T1面(N电/m荷2)时密，度测σ （得CX/方m2向）电与极作面用上力产成生正 比。
1=d11T1
其中T1为沿法线方向正应力，d11为压电应变常量，其下
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3.3.2 影响无机材料击穿强度的各种因素
3. 材料表面状态及边缘电场： （1）固体介质的表面放电 固体介质的表面放电属于气体放电。固体介质常处于周围
气体媒质中，击穿时，常发现介质本身并未击穿，但有火花掠 过它的表面，这就是表面放电。
a: 固体介质材料不同，表面放电电压也不同。陶瓷介质由
于介电常数大、表面吸湿等原因，引起空间电荷极化，使表面 电场畸变，降低表面击穿电压。
如果σ1和σ2 相差甚大，则必然其中一层的电场强度将 大于平均场强E，这一层可能首先达到击穿强度而被击穿。
一层击穿以后，增加了另一层的电压，且电场因此大大畸变 ，结果另一层也随之击穿。由此可见，材料的不均匀性可能 引起击穿场强的降低。
陶瓷中的晶相和玻璃相的分布可看成多层介质的申联和 并联，上述的分析方法同样适用。
标第一个1代表电学量，第二. 个1代表力学量。
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在Y方向上受正应力T2时，X方向上测电荷密度：
1=d12T2
在Z方向上受正应力T3时，测电流为0
1=d13T3=0
因为T3不等于0，则d13=0。
.
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切应力：T4（yz或zy应力平面的切应力）， T5（xz或zx平面）， T6（xy或 yx平面）
b: 固体介质与电极接触不好，则表面击穿电压降低。 c: 电场的频率不同，表面击穿电压也不同。频率升高，击
穿电压降低。
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3.3.2 影响无机材料击穿强度的各种因素
3. 材料表面状态及边缘电场：
（2）边缘电场： 电极边缘常常发生电场畸变，使边缘局部电场强度升高，导致击
穿电压的下降。 影响因素： a: 电极周围媒质 b: 电场的分布(电极的形状、相互位置) c: 材料的介电系数、电导率
.
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3.3.1 介电强度
例：设计一方案，满足3KV下存储10-4C的要求 ，设 电介质材料厚0.02mm的BaTiO3，求电介质的厚度 及面积。（注:BaTiO3的介电强度为120KV/cm）。
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一些电介质的介电强度 单位：106V/cm
Al2O3 (0.03mm) Al2O3 (0.6mm) Al2O3 (0.63cm) 云母 (0.002cm) 云母 (0.006cm)
在切应力作用下，X方向上测电荷密度：
而 d15=d16=0
1=d14T4
X方向总电位移：
1=d11T1+.d12T2+d14T4
13
x方向总电位移： 1=d11T1+d12T2+d14T4
同样，在晶体y方向的平面上被电极，测y方向的电位移D2：
2=d25T5+d26T6
同样，在晶体z方向的平面上被电极，测z方向的电位移D3：
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3.3.2 影响无机材料击穿强度的各种因素
2. 材料中气泡的影响：
材料中含有气泡时，气泡的ε及σ很小，因此加上电压 后气泡上的电场较高。而气泡本身的抗电强度比固体介质要
低得多(一般空气的Eb≈33kv/cm，而陶瓷的Eb≈80kv/cm )，
所以首先气泡击穿，引起气体放电(电离)，产生大量的热， 容易引起整个介质击穿。由于在产生热量的同时，形成相当 高的内应力，材料也易丧失机械强度而被破坏，这种击穿称 为电—机械—热击穿。
3.3 电介质在电场中的破坏
3.3.1 介电强度
1.介质的击穿: 当电场强度超过某一临界值时，介质由介电 状态变为导电状态。这种现象称介电强度的破坏，或叫介 质的击穿。
2.击穿电场强度: 介质的击穿时，相应的临界电场强度称 为介电强度，或称为击穿电场强度。
（介电强度：一种介电材料在不发生击穿或者放电的情况下
d14 0 0
0 d25 0
0 d26 0
TTTTT15432
3=0
对于α –石英晶体，无论在哪个方向上施加应力，在z方向 的 电极面上无压电效应。
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3.4.1 压电性
以上正压电效应可以写成一 般代数式的求和方式：即
6
m dmjTj
m=1, 2, 3 m为电学量，j为力学量
j 1
采用矩阵方式可表示为：
1 d11
2
源自文库
0
3 0
d12 0 0
0 0 0
承受的最大电场。）
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Emax=(V/d)max
通 常 ， 凝 聚 态 绝 缘 体 的 击 穿 电 场 范 围 约 为 (1055×106)V.cm-1。
介电强度依赖于材料的厚度， 厚度减小，介电强度 增加。由测试区域中出现的临界裂纹的几率决定。
还与环境温度和气氛、电极形状、材料表面状态、电 场频率和波形、材料成分和孔隙、晶体各向异性，非晶态结 构等因素有关。