第七章-无机材料的介电性能
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第一章无机材料的受力形变1 简述正应力与剪切应力的定义2 各向异性虎克定律的物理意义3 影响弹性模量的因素有哪些?4 试以两相串并联为模型推导复相材料弹性模量的上限与下限值。
5 什么是应力松弛与应变松弛?6 应力松弛时间与应变松弛时间的物理意义是什么?7 产生晶面滑移的条件是什么?并简述其原因。
8 什么是滑移系统?并举例说明。
9 比较金属与非金属晶体滑移的难易程度。
10 晶体塑性形变的机理是什么?11 试从晶体的势能曲线分析在外力作用下塑性形变的位错运动理论。
12 影响晶体应变速率的因素有哪些?13 玻璃是无序网络结构,不可能有滑移系统,呈脆性,但在高温时又能变形,为什么?14 影响塑性形变的因素有哪些?并对其进行说明。
15 为什么常温下大多数陶瓷材料不能产生塑性变形、而呈现脆性断裂?16 高温蠕变的机理有哪些?17 影响蠕变的因素有哪些?为什么?18 粘滞流动的模型有几种?19 影响粘度的因素有哪些?第二章无机材料的脆性断裂与强度1 试比较材料的理论强度、从应力集中观点出发和能量观点出发的微裂纹强度。
2 断裂能包括哪些内容?3 举例说明裂纹的形成?4 位错运动对材料有哪两方面的作用?5 影响强度的因素有哪些?6 Griffith关于裂纹扩展的能量判据是什么?7 试比较应力与应力强度因子。
8 有一构件,实际使用应力为1.30GPa,有下列两种钢供选:甲钢:sf =1.95GPa, K1c =45Mpa·m 1\2乙钢:sf =1.56GPa, K1c =75Mpa·m 1\2试根据经典强度理论与断裂强度理论进行选择,并对结果进行说明。
9 结构不连续区域有哪些特点?10 什么是亚临界裂纹扩展?其机理有哪几种?11 介质的作用(应力腐蚀)引起裂纹的扩展、塑性效应引起裂纹的扩展、扩散过程、热激活键撕裂作用引起裂纹扩展。
12 什么是裂纹的快速扩展?13 影响断裂韧性的因素有哪些?14 材料的脆性有哪些特点?通过哪些数据可以判断材料的脆性?15 克服材料脆性和改善其强度的关键是什么?16 克服材料的脆性途径有哪些?17 影响氧化锆相变的因素有哪些?18 氧化锆颗粒粒度大小及分布对增韧材料有哪些影响?19. 比较测定静抗折强度的三点弯曲法和四点弯曲法,哪一种方法更可靠,为什么?20. 有下列一组抗折强度测定结果,计算它的weibull模数,并对该测定数据的精度做出评价。
介电性能由于无机介质材料在电场的作用下,带电质点发生短距离的位移,而不是传导电流,因此在电场中表现出特殊的性状,大量地用于电绝缘体和电容元件。
在这些应用中,涉及到介电常数、介电损耗因子和介电强度等。
6.1介质的电极化通过定义电介极化强度,建立起电介质内部电介极化强度与宏观电场之间的关系,电介极化强度与作用在晶体点阵中一个原子位置上的局部电场之间的关系,推导出介电常数与质点极化率的关系。
分析讨论各种极化的微观机制及影响极化率的因素。
6.1.1 介质的极化强度6.1.1.1电偶极矩(1)基本概念一个正点电荷q 和另一个符号相反数量相等的负点电荷-q ,由于某种原因而坚固地互相束缚于不等于零的距离上,形成一个电偶极子。
若从负电荷到正电荷作一矢量l ,则这个粒子具有的电偶极矩可表示为矢量p=ql (6.1) 电偶极矩的单位为C ⋅m (库仑⋅米)(2)外电场对点偶极子的作用在外电场E 的作用下一个点电偶极子p 的位能为U=-p ⋅E (6.2)上式表明当电偶极矩的取向与外电场同向时,能量为最低,而反向时能量为最高。
点电偶极子所受外电场的作用力f 和作用力矩M 分别为⋅ f=p ·∇E (6.3)M=p ⨯E (6.4)因此力使电偶极矩向电力线密集处平移,而力矩则使电偶极矩朝外电场方向旋转。
(3)电偶极子周围的电场距离点电偶极子p 的r 处的电场为543r r o πεpr r p 2)(E(r)-⋅= (6.5)6.1.1.2极化强度(1)定义称单位体积的电偶极矩为这个小体积中物质的极化强度。
极化强度是一个具有平均意义的宏观物理量,其单位为C/m 2。
(2)介质的极化强度与宏观可测量之间的关系极化强度为P=(ε-ε0)E=ε0 (εr -1)E (6.6) 把束缚电荷和自由电荷的比例定义为电介质的相对电极化率χe有 P= ε0χe E (6.7) 式(6.10)为作用物理量E 与感应物理量P 间的关系.还可以得出电介质的相对介电常数与相对电极化率χe 有以下关系εr =E PE 00εε+=1+χe (6.8)6.1.2宏观电场与局部电场 在外电场的作用下电介质发生极化,整个介质出现宏观电场,但作用在每个分子或原子上使之极化的局部电场(也叫有效场)并不包括该分子或原子自身极化所产生的电场,因而局部电场不等于宏观电场。
介电性能求助编辑介电性能是指在电场作用下,表现出对静电能的储蓄和损耗的性质,通常用介电常数和介质损耗来表示.材料应用高频技术时,如实木复合地板采用高频热压时介电性能是非常重要的性质。
介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场,原外加电场(真空中)与最终介质中电场比值即为介电常数(permittivity),又称诱电率。
目录编辑本段简介无机介质材料表现出来的介电性能的应用中,还涉及到介电常数、介电损耗因子和介电强度等。
介电常数又叫介质常数、介电系数或电容率,它是表示绝缘能力特性的一个系数,以字母ε表示,单位为法/米如果有高介电常数的材料放在电场中,场的强度会在电介质内有可观的下降。
编辑本段损耗因子仅与介质有关,其大小可作为绝缘材料的判据。
介质由介电状态变为导电状态的临界电场强度称为介电强度。
常见溶剂的介电常数:H2O (水) 78.5HCOOH (甲酸) 58.5CH3COOH(乙酸)6.15CH3COOC2H5(乙酸乙酯)6.02HCON(CH3)2 (N,N-二甲基甲酰胺)36.7CH3OH (甲醇) 32.7C2H5OH (乙醇) 24.5CH3CH2CH2-OH(正丙醇)20.1CH3CH2CH2CH2-OH(正丁醇)17.8n-C6H13OH (正己醇)13.3CH3COCH3 (丙酮) 20.7C6H6 (苯) 2.28CCl4 (四氯化碳) 2.24n-C6H14 (正己烷)1.88CH3SOCH3(二甲基亚砜,DMSO)47.2编辑本段特性是指物质分子中的束缚电荷(只能在分子线度范围内运动的电荷)对外加电场的响应特性,它主要由相对介电常数εr'、相对介质损耗因数εr〃、介质损耗角正切tanδ和介质等效阻抗等参数来表征。
油和水(纯净的水)都属绝缘体。
但纯净的水的介电性能远远高于油。
拿相对介电常数来讲,水的介电常数是81,而变压器油的在3-5之间。
高聚物的介电性能高聚物的介电性能是指高聚物在电场作用下,表现出对静电能的储存和损耗的性质,通常用介电常数和介电损耗来表示。
实验一 测定无机非金属材料的介电常数一、实验目的1、掌握测定无机非金属材料介电常数的操作过程二、实验原理相对介电常数通常是通过测量试样与电极组成的电容、试样厚度和电极尺寸求得。
相对介电常数(εr )测试可用三电极或二电极系统。
对于二电极试样,由于方形电容C x 的计算公式是:dYX C ⋅⋅⋅=0r x εε (1)因此,待测材料的介电常数可以表示为:YX dC ⋅⋅⋅=0x r εε (2)式2中C x 为试样电容(法),X 为电极长度(米),Y 为电极宽度(米),d 为电极板之间的距离(米),ε0=8.854 187 818× 10-12法拉/米(F/m)。
图1 电容法测量材料介电常数示意图测试中,选择电极极为重要。
常用的是接触式电极。
可用粘贴铝箔、烧银、真空镀铝等方法制作电极,但后者不能在高频下使用。
低频测量时,试样与电极应屏蔽。
在高频下可用测微电极以减小引线影响。
在某些特殊场合,可用不接触电极,例如薄膜介电性能测试和频率高于30兆赫时介电性能的测量。
无机材料物理性能课程实验指导书三、实验仪器PGM—2型数字小电容测试仪、玻璃刀、玻璃板、游标卡尺、铝质平板电极、连接导线四、实验步骤1、采取边长为100×100mm的正方型玻璃板,记录电极板的长X、宽Y以及实际玻璃板的厚度d。
2、按照图1连接仪器。
3、开启数字电容仪。
4、松开电极板紧定螺丝,将上电容板台到适当高度,在中间放入一块测量好的玻璃,使上下电容板与玻璃板相接触,然后旋紧固定螺丝。
5、读取电容数字。
6、然后重复4、5步骤,将玻璃板换成2-5块,分别测出其电容值。
7、结束实验,关闭仪器。
实验数据五、思考题1.介电常数与介电材料的厚度有什么样的关系?2.介电现象是如何产生的?实验二 热电效应实验一、实验目的1、了解热电材料的赛贝克(seeback)定律,珀耳帖(Peltier)效应,汤姆孙效应等热电材料的特性。
2、熟练的使用万用表来测量热电效应产生的电势差。
无机材料的介电性能及其机制研究介电性能是无机材料研究中一个重要的方面,它涉及到材料在电场作用下的响应和性能表现。
无机材料的介电性能不仅对于电子学器件的设计和制备具有重要意义,还在能量存储、传感器等领域具有广泛的应用。
本文将介绍无机材料的介电性能及其机制研究的相关内容。
一、介电性能的基本概念介电性能是指材料在电场作用下的响应特性,主要包括介电常数、介电损耗和介电强度等指标。
介电常数是材料在电场作用下的极化程度的度量,它反映了材料对电场的响应能力。
介电损耗是指材料在电场作用下发生的能量损耗,它与材料的电导率和介电常数有关。
介电强度是指材料能够承受的最大电场强度,它是材料的耐电击能力的指标。
二、无机材料的介电性能无机材料的介电性能与其结构和组成密切相关。
常见的无机材料如氧化物、氮化物和硅酸盐等具有良好的介电性能。
其中,氧化物材料如氧化铝、氧化锌等具有高介电常数和低介电损耗的特点,适用于电子元件中的绝缘层和电容器等部件。
氮化物材料如氮化硼、氮化铝等具有高介电强度和低介电常数的特点,适用于高压和高频电子器件。
硅酸盐材料如钛酸锶、钛酸钡等具有较高的介电常数和良好的介电强度,适用于微波器件和声表面波器件等。
三、无机材料的介电性能机制研究无机材料的介电性能机制研究是为了揭示材料的电子结构和极化行为,为材料的设计和应用提供理论依据。
目前,研究者们通过实验和理论模拟等手段,对无机材料的介电性能机制进行了深入研究。
首先,实验方法方面,研究者们通过电容法、阻抗谱法和介电松弛法等手段,对材料的介电性能进行表征和分析。
这些实验方法可以测量材料的介电常数、介电损耗和介电强度等参数,从而揭示材料的介电特性和性能。
其次,理论模拟方面,研究者们通过密度泛函理论、分子动力学模拟和量子力学计算等方法,对材料的电子结构和极化行为进行模拟和计算。
这些理论模拟方法可以揭示材料的电子能带结构、电荷分布和极化机制,为解释实验结果和指导材料设计提供理论依据。
第七章无机材料的介电性能概述无机材料是一类广泛应用于电子、光学、能源等领域的材料。
介电性能是描述无机材料在电场作用下的响应能力的重要指标,对材料的电学性质和应用具有重要影响。
本章将介绍无机材料的介电性能,包括介电常数、介电损耗、介电饱和极化等内容。
介电常数介电常数是描述无机材料在电场中响应能力的一个重要参数。
它衡量了材料在电场作用下的极化程度,即材料中电荷的重新分布情况。
介电常数通常由介电常数实部和虚部组成,分别表示材料的储存能量和耗散能量。
实部描述了材料对电场的响应程度,虚部表示了能量损耗的程度。
介电常数可以通过实验测量或模拟计算得到。
不同的无机材料具有不同的介电常数,这决定了材料在电子器件和光学器件中的应用。
介电损耗介电损耗是介电材料在电场作用下吸收和耗散能量的过程。
它是材料的一种特性,通常通过介电常数的虚部来描述。
介电损耗会导致能量的转换和散失,影响材料的电学性能和应用效果。
无机材料的介电损耗与多种因素有关,如材料的晶体结构、杂质含量和温度等。
在工程应用中,需要考虑介电损耗对电子器件、光学器件等的影响,以保证材料的性能和稳定性。
介电饱和极化介电饱和极化是指无机材料在高频电场作用下的极化现象。
介电饱和极化与外加电场频率和强度相关。
当电场频率较低或电场强度较小时,材料的极化程度较弱。
随着电场频率的增加或电场强度的增加,材料的极化程度逐渐增强,直到达到极限值,无法继续增加。
这种现象称为介电饱和极化,在实际应用中需要考虑介电饱和极化带来的限制,以避免对材料性能和应用造成不利影响。
无机材料的应用无机材料的介电性能决定了它在电子、光学和能源等领域的应用。
在电子器件中,无机材料常被用作介电层、储能层或传输层,以实现电信号的传输和存储。
光学器件中,无机材料的介电性能决定了其透过率、反射率和透射率等光学性质。
此外,无机材料还被广泛应用于能源领域,如太阳能电池、超级电容器等。
通过研究和调控无机材料的介电性能,可以提高材料的性能和应用效果,推动相关领域的发展。
《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:击丄 F 4500真应力T e 995( MPa)A 4.524 106真应变T ln, ln A A° In2:0.0816L A 2.4F 4500名义应力一一------------- e 917(MPa)Ao 4.909 10 6I A名义应变° 1 0.0851I o A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AI2O3(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Ei=380GPa,E=84GPa,V=0.953V2=0.05。
则有上限弹性模量E H E1V1 E2V2 380 0.95 84 0.05 365.2(GPa)下限弹性模量E L (Vl V2) 1 (型OA) 1 323.1 (GPa)E1 E2 380 84当该陶瓷含有5%勺气孔时,将P=0.05代入经验计算公式E=E(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。
应力松弛曲线应变蠕变曲线3此拉力下的法向应力为:1.12 108(Pa) 112(MPa)0.00152/cos60 1-6试分别画出应力松弛和应变蠕变与时间的尖系示意图, 并算出t = 0,t =和 t = 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:其应力松弛曲线方程为:(t)(0)&" 则有:(0) (0);() 0;() (0)/eVoigt 模型可以较好地模拟应变蠕变过程:其蠕变曲线方程为:(t) °(1 e")( )(1 e 厂’)则有:(0) 0 ; () E ()E<l e 1). 1-11 柱形AIO 晶体受轴向拉力F,若其临界抗剪强度T为135 MPa,求沿图中所示之方向的滑移系统产生滑移时 需要的最小拉力值,并求滑移面的法向应力。
解:&) 4.909x10 《材料物理馅能》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。
F 4500 、—= ---------------- =995( MPa)A 4.524x1()2真应变勺=In上=In色=In 7 = 0.0816 1° A 2.42名义应力a = — = —- =917 (MP。
) —o名义应变 ^ = - = —-1=0.0851/。
A山计算结果町知:真应力大于名义应力,真应变小于名义应变。
1- 5 —陶瓷含体积百分比为95%的A12O3(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Ei=380GPa,E2=84GPa,Vi=0.95,V2=0.05。
则有上限弹性模量=E}V{ +E2V2 = 380 X 0.95 +84 X 0.05 =365.2(GF Q)下限弹性模量曲=(4 +生尸=(性 + 些广=323.1(。
「。
)E] E2 380 84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 o(l-1.9P+O. 9P2)可得,其上、下限弹性模量分别变为331.3 GPa和293. 1 GPa。
1-11 一圆柱形MO]晶体受轴向拉力F,若其临界抗剪强度弓为135 MPa,求沿图中所示之方向的滑移系统产生滑移时需要的最小拉力值,并求滑移面的法向应力。
解:由题意得图示方向滑移系统的剪切强度可表示为:Feos 53。
T = -------- ;— x cos 600.00152〃r f xO.00152^- 2nFmin = ---------------- = 3.17 x 103 (N)m,n cos 53° X cos 60°此拉力下的法向应力为:(7 =317xI0_xcos60° = L12xl08(P€/) = 112(A/P6Z) 0.00152^/cos 60°0.0 应变蠕变曲线 =25.62 〜28.64GF“ 1-6试分别画出应力松弛利应变蠕变与时间的关系示意图,并算出t 二0, t=g 和L 二T 时的纵 坐标表达式。