介电材料PPT课件

化学沉淀法
通过化学反应生成沉淀物 ，再经过洗涤、干燥和研 磨得到粉体。
蒸发法
加热使原料蒸发，然后在 冷凝过程中得到粉体。
烧结工艺
烧结温度
控制烧结温度，以促进原料之间 的反应和晶粒的生长。
烧结气氛
选择适当的烧结气氛（如空气、真 空或特定气体），以影响陶瓷的氧 化程度和性能。
烧结时间
确定合适的烧结时间，以保证陶瓷 充分反应和达到所需性能。
高强度和硬度
功能陶瓷介电陶瓷具有高强度和硬度，能够承受恶劣的工作环境和使用条件。
良好的耐磨性
耐磨性使功能陶瓷介电陶瓷在长期使用过程中保持其结构和性能的稳定性。
环境性能
化学稳定性
功能陶瓷介电陶瓷具有优异的化学稳定性，能够在各种腐蚀性环境中保持稳定的 性能。
抗辐射性
在辐射环境下，功能陶瓷介电陶瓷能够保持其结构和性能的稳定性，适用于核能 和航天等特殊领域。
变压器等。
通信设备
在通信领域，功能陶瓷介电陶 瓷可用于制造高频通信设备， 如手机、无线网卡等。
能源领域
功能陶瓷介电陶瓷在能源领域 的应用包括太阳能电池、风力 发电设备的绝缘材料等。
航空航天
由于功能陶瓷介电陶瓷具有优 良的机械性能和热稳定性，因 此在航空航天领域也得到了广
泛应用。
功能陶瓷介电陶瓷的发展历程
深入研究功能陶瓷介电材料的物理机制和微观结构，理解其性能提升的内 在规律。
通过优化材料组成、调整制备工艺和后处理技术，提高功能陶瓷介电材料 的性能指标，如介电常数、品质因数、耐温性等。
针对不同应用领域，开发具有特定性能要求的功能陶瓷介电材料，满足不 同场景下的多样化需求。
市场拓展与竞争格局
01
深入了解市场需求，拓展功能陶 瓷介电材料在通信、电子、能源 等领域的应用。

设正电荷与负电荷的 位移矢量为l，则定义 此偶极子的电偶极距
ql

图2－1 偶极子
规定其方向为负电荷 指向正电荷，即电偶 极距的方向与外电场 E的方向一致。
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
E


现定义
" " tan ' 'r r



损耗角正切tanδ表示为获得给定的存储电荷要消 耗的能量的大小，可以称之为“利率”。 ε ”r或者ε ’r tanδ 有时称为总损耗因子，它是电介 质作为绝缘材料使用评价的参数。为了减少绝缘 材料使用的能量损耗，希望材料具有小的介电常 数和更小的损耗角正切。 δ 为电感和电场的相位角。当δ =0时，即非交变电 场时，tanδ =0，ε ”=0，ε *=ε ’=ε 即为静介电常 数，同样复介电常数ε *r=ε */ε 0，ε ’r=ε ’/ε 0， ε ”r=ε ”/ε 0表示。由于ε随P而变，ε也随f而变。




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。f越大，τ越小，极化建 立需要的τ：电子极化<离子极化<取向极化。 当f<100~1010Hz时，三种极化都可建立。 当1010<f<1013Hz时，取向极化来不及建立，只 有离子极化和电子极化能建立。 当1013<f<1015Hz时，取向极化和离子极化均来 不及建立，只有电子极化能建立，这叫极化的滞 后。 极化强度与交变电场频率的关系如图2－4所示。 在交变电场中，由于极化滞后，介电常数要用复 数ε *表示，又叫动态介电常数。 ' " * ' "

• 试样应水平放置在支撑板上，按图将电极装好，并施加1N的 压力，用量规检查两电极间的距离为4.0土0.1mm。先对两电极 加25v倍数的适当电压,调整可变电阻,使电极短路电流为1.0+0.1 A。在两电极供电下，以30+5s的时间间隔下将电解液液滴滴入 两电极间的试样上，直到试样发生破坏或滴下50滴为止。 • 试样发生以下两种情况之一视为破坏: (1)试样表面两电极间的导电通路电流达0.5A以上，且过流继电 器延时2s发生动作； (2)虽过流继电器未发生动作，但试样燃烧了
材料极化
四、介电常数和介质损耗角正切
基本概念：
• 介电常数：以绝缘材料为介质与以真空为介质制成同尺寸电 容器的电容量之比值。 表示在单位电场中，单位体积内积蓄的静电能量的大小。是 表征电介质极化并储存电荷的能力，是个宏观物理量。 • 介质损耗 置于交流电场中的介质，以内部发热(温度升高)形 式表现出来的能量损耗。
介电性的应用
tg 大，损耗大，材料发热。 • 电容介质 大，tg 小
作绝缘材料或电容器材料的高聚物,介电损耗越小越好
航空航天材料 小，tg 大，静电小 • 高频焊接：薄膜封口，tg 大
•
需要通过高频加热进行干燥,模塑或对塑料进行高频焊接时,要求 高不用PVC (极性)
影响因素
(1)试样表面状态 表面应清洁，无灰尘、脏物、指印、油脂、脱模剂或 其他影响结果的污物。表面污染极易使电极间的试样产生漏痕，因此试 验前应对试样表面进行清洁处理。 (2)试验点间距选择 如果在同一片试样上做多点试验，则应注意试验点之 间要有足够的距离。该间距的大小应选在前一次试验后飞溅出的污物所 污染的部分以外，否则使结果发生偏差。 (3)环境条件的影响 除保持温度在23±1℃条件下试验外，还应注意周 围的空气尽量不要流动。空气的流动导致液滴落点的偏离，这是试验所 不允许的。因而试验时，电极和样品系统放在一个密封罩内进行.

陶瓷介电材料等。
广泛应用的高性能聚酰亚胺薄膜。
高分子材料
高分子材料在半导体、纳米电子学、 数据存储等领域得到了广泛应用。
结论和展望
1 结论
介电弛豫是一种在外电场作用下，介电材料内部重排电荷位置的现象。
2 展望
未来介电材料将被应用于更广泛的领域，为人们的生活带来更多的便利。
介电弛豫在应用中的重要性
能源存储
选择适当的介电材料可大大提高 储能的效率。
介电恒定度
介电常数的稳定性可用来控制电 容器和电压传感器的灵敏度。
光学设备
选择合适的介电材料可改善光的 传输质量，并降低损。
典型的介电弛豫材料和案例
陶瓷材料
聚酰亚胺薄膜
陶瓷材料应用广泛，如陶瓷电容器、 在电子、通讯、航空和军事器材中
材料中的非对称分子会随外电场的作用而发生旋转。
4
界面极化
介质表面上存在的分子会被移走，导致表面电势发生变化，引起电荷的再分布。
介电弛豫测量方法
电学方法
电学方法利用电容计等装置测量材 料的介电常数和介电损耗。
物理方法
利用核磁共振等技术研究内部结构 和动力学性质等。
光谱学方法
利用红外线分光计、紫外线分光计 等仪器研究介电弛豫。
介电材料特性
介电常数
介电材料相对于真空的电极分之一 的比值是介电常数。
导电性
介电材料的导电性越差，介电弛豫 现象越明显。
极化
极化是指介电材料内部分子或离子 在外电场的影响下，发生极化现象。
介电弛豫：机理和原理
1
电子极化
内部电子会随电场变化而发生位移。
2
离子极化
在材料内部存在离子的相互影响。
3

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38
第四节 材料的介电性
电介质的定义与特征 电介质的极化 电介质的基本常数 电介质的应用
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39
电介质的应用领域
电容器 场效应晶体管 超级电容器 信息存储 声纳 超声波 红外探测器
高介电常数材料
铁电材料 压电材料 热释电材料
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40
电介质领域专家——陈湘明
主要研究方向：
材料的介电常数越大，其介电强度不一定高； 电介质的电导越大，介电损耗也越高。
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37
一些材料的介电性能
材料 真空 水 纸 红宝石云母 琥珀 瓷器 熔凝石英 玻璃 电木 聚乙烯 二氧化钛
相对介电常数 1 78 3.5 5.4 2.7 6.5 3.8 4.5 4.8 2.3
100
介电强度/(kV·cm-1) ∞ — 1.4 16 9.0 0.4 0.8 1.3 1.2 5.0 0.6
b. 击穿电场范围较窄：108~109V/m
c、击穿电压与系 厚度的关
Ub Adn A—常数 n—随材料性质、、 电厚 压度 波变 形化 0.3的 n数 1。，
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32
④ 介电损耗
在外电场作用下，由电导作用和极化作用引起的 电介质内的能量损耗。
电导损耗
介电损耗 介质极化损耗
静电场中 电导损耗
PE2
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有损耗电容器的等效电路和向量图
并联等效电路
串联等效电路
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35
损耗角和损耗因素
δ—— 损耗角 tan δ —— 损耗因素
向量图
理想（真空）电容器无损耗，δ=0； δ越大，说明介质损耗越大。
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36
电介质基本常数之间的关系

5.2 电容器介电材料的分类及结构特性
④除个别品种外，有机介质的耐热性都逊于无机介电材 料，这与其分子链节中各键的牢固程度、链节上的支链 数及相对分布、交联键的数目、分子链间作用力的大小 和材料的结晶程度有关。此外，由于光照、电场、温度、 辐射、有害气体及杂质等环境因素的影响，有机介质易 发生不可逆的化学变化，因此其化学稳定性较差，老化 现象较显著。
③金云母：含钾与镁的云母，亦称钾镁云母，又因其颜色
比白云母深暗、呈琥珀色（接近棕色）而也被称为琥珀 云母，其化学组成为K2O·6MgO·3A12O3·6SiO2·2H2O。 ④锂云母：含锂的云母，其化学组成为 Li2O·2FeO·2A12O3·6SiO2·2H2O。 ⑤黑云母：含铁和镁的云母，其化学组成为
介电材料分为有机和无机两大类。有机介电材 料分为极性介电材料和非极性介电材料两种。 其中除纸以外，均为高分子聚合物薄膜，即有 机膜。无机介电材料则分为气体和固体两个类 别。气体包含空气、压缩氮气、六氟化硫及混 合气体等，固体介电材料则包含云母、玻璃和 陶瓷等。各种介电材料中，纸、陶瓷、云母属 传统的材料，而陶瓷介电材料在近些年获得快 速发展，其中独石电容器材料是典型的代表。
常数为实数，有损耗时为复数，即 i
复介电常数与相位差角之间存在关系 tan /
即称为损耗角正切（简称损耗），它是表征电介质材料交流特 性的参数。电容器的交流损耗与电容器各部分串联等效电阻、 电容量及交流电频率的关系为：
tan 2fRC
式中f为交流电频率（HZ），R为等效串联电阻（Ω），C为电容 量（F）。
5.2 电容器介电材料的分类及结构特性
2.有机介电材料的类别和通性
有机介电材料品种很多，一般来说，这些介 电材料都是含碳的共价键化合物，其中大部分 又是由高分子聚合物制成的薄膜。介质形状都 是带状并绕制成卷。常用的膜厚多在30μm以 下，少数介质厚度可达100μm以上。有机介电 材料柔韧性好，但在耐高温、抗辐射、抗霉菌、 抗电弧和化学稳定性方面，一般不如无机介电 材料。

03
在风力发电领域，高介电常数电介质可以作为绝缘和润滑材料
，提高风力发电设备的效率和可靠性。
05
高介电常数电介质的未来发展
新材料与新技术的研发
新型高介电常数电介质材料
随着科技的发展，新型高介电常数电介质材料不断涌现，如聚合物复合材料、陶 瓷复合材料等，这些材料具有更高的介电常数和更好的电气性能，为高介电常数 电介质的应用提供了更多可能性。
封装材料
在电子封装领域，高介电常数电介质可以作为封 装材料，保护电子元件免受外界环境的影响。
在新能源领域的应用
太阳能电池
01
高介电常数电介质可以用于制造太阳能电池，提高光电转换效
率和稳定性。
储能装置
02
在新能源储能领域，高介电常数电介质可以作为储能介质，提
供较高的能量密度和较快的充放电速度。
风力发电
通过掺杂改性，可在较宽的频率和温度范围内保持高介电常数和低损耗。
钛酸锶钡（Ba1-xSrxTiO3）
通过调整锶的含量，可调节介电常数和温度稳定性，在高温环境下具有较好的稳定性。
有机高分子材料
聚烯（PE）
具有高介电常数和良好的绝缘性能，常用于制造电缆 绝缘层。
聚苯乙烯（PS）
具有高介电常数和低介电损耗，广泛应用于电子元件 的绝缘材料。
高介电常数电介质用于制造各种传感器， 如湿度传感器、压力传感器等，具有高灵 敏度和快速响应的特点。
02
高介电常数电介质的特性
介电常数与介质损耗
介电常数定义
介电常数是衡量电介质储存电荷 能力的物理量，与电介质内部自 由电荷和束缚电荷的分布及电场 强度有关。
介电常数的影响因
素
介电常数随温度、频率和电场强 度的变化而变化，不同电介质具 有不同的介电常数。

2 介电响应的应用前景
随着新工艺和新材料的不 断涌现，介电响应的应用 前景非常广阔。
3 总结介电响应的相关
知识
介电响应与电子器件密切 相关，深入了解其基本概 念、分类和测量方法、介 电材料及其性能和应用， 对于电学工程师和材料研 究人员非常重要。
介电材料的性能和应用
特性指标
介电材料的典型特性指标包 括介电常数、介电损耗、介 电强度、介电阻抗和介电温 度系数。
在电容器、滤波器等器 件中的应用
介电材料用于制作电容器、 滤波器、射频开关等电子器 件，提高电子器件的性能。
在微波设备等领域中的 应用
介电材料在微波设备、光纤 通信、无线电子设备中应用 广泛，推动了通信技术的发 展。

介电谱
定义和意义
测量方法 应用
介电谱是介电材料频率响应的特性。通过介电谱 可以了解介电材料在不同频率下的介电响应特性。
介电谱的测量方法主要有频率扫描法、时域反射 法、谐振回路法等。
介电谱广泛应用于电介质材料的研究、介电常数 测量、介电材料的质量控制和工艺改进等方面。
小结
1 介电响应的重要性
介电响应是介电材料的关 键电学特性之一，对于电 子器件的性能和应用具有 重要影响。
介电常数和介电损耗
介电常数的定义和意义
介电常数是介电材料在单位电场 下储存电场能量的能力。不同的 介电材料具有不同的介电常数。
介电损耗的概念和意义
介电损耗是介电材料中的能量损 耗。它是材料电学特性中的一个 重要指标。
测量方法
介电常数和介电损耗都可以通过 电学实验仪器进行测量。这些测 量方法因不同的介电材料而异。
介电响应
了解介电响应的基本概念、测量方法和应用，探索介电材料的种类、制备方 法和特性。

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：

• （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。