第四章电子陶瓷基本性质总体上说，电介质的极化包含以上各部分的总体上说，电介质的极化包含以上各部分的和，即电介质总的极化率为：和，即电介质总的极化率为：电子陶瓷第五讲工频声频无线电频率红外紫外频率f界面极化松弛极化离子位移极化电子位移极化电子陶瓷第五讲第四章电子陶瓷基本性质1.4多相陶瓷材料的介电性能多相陶瓷材料的介电性能 一、混合物法则一、混合物法则 由由成成分分、结结构构、化化学学组组成成等等不不同同的的晶晶体体所组成的多相陶瓷材料所组成的多相陶瓷材料 设只有两相组成陶瓷：设只有两相组成陶瓷：电子陶瓷第五讲第四章电子陶瓷基本性质x x1 1、x x2 2为体积分数为体积分数 1 1、 2 2为介电常数为介电常数并联时：并联时：k=1串联时：串联时：k=-1混合分布：混合分布：k0电子陶瓷第五讲第四章电子陶瓷基本性质 电子陶瓷第五讲第四章电子陶瓷基本性质当介电常数为的球形颗粒分布在介电常数当介电常数为的球形颗粒分布在介电常数为的基相中，有：为的基相中，有：电子陶瓷第五讲第四章电子陶瓷基本性质二、介电常数的温度系数二、介电常数的温度系数 介介电电常常数数的的温温度度系系数数介介电电常常数数随随温度变化而产生的相对变化率：温度变化而产生的相对变化率： 电子陶瓷第五讲第四章电子陶瓷基本性质可以用实验的方法测试可以用实验的方法测试TK : : 电子陶瓷第五讲第四章电子陶瓷基本性质不同的极化机制，有不同的不同的极化机制，有不同的TK :对对电子式极化电子式极化：T上上升升， 降降低低，极极化化强强度度下下降降，TK 为为负负；对对离子式极化离子式极化：T上升上升，离子极化率增加，离子极化率增加，TK 为正为正。 电子陶瓷第五讲第四章电子陶瓷基本性质不同的应用，要求不同的应用，要求TK 不同：不同：如滤波旁路和隔直流的电容器，如滤波旁路和隔直流的电容器， TK 0热补偿电容器，热补偿电容器，TK 0的材料中加入适量的的材料中加入适量的TK 0材料，可以达到材料，可以达到TK =0目的。目的。如微波通信、卫星通信、航空航天器件等。如微波通信、卫星通信、航空航天器件等。电子陶瓷第五讲第四章电子陶瓷基本性质2、介质损耗介质损耗陶陶瓷瓷介介质质在在电电导导和和极极化化过过程程中中有有能能量量消消耗耗，一一部部分分电电场场能能转转变变为为热热能能。单单位位时时间间内消耗的电能叫介质损耗。内消耗的电能叫介质损耗。在在直直流流下下，介介质质损损耗耗仅仅由由电电导导引引起起，电电导导率率就就能能表表示示介介质质损损耗耗的的大大小小。单单位位体体积的介质损耗积的介质损耗p与电场与电场E的关系为：的关系为：p=E2 电子陶瓷第五讲第四章电子陶瓷基本性质即即电电场场强强度度一一定定时时，介介质质损损耗耗与与电电导导率率成成正比。正比。在在交交流流下下，电电导导和和极极化化共共同同引引起起介介质质损损耗耗，可可利利用用有有损损耗耗介介质质构构成成的的电电容容器器等等效效电电路路来来研研究究。有有耗耗电电容容器器等等效效电电路路由由一一理理想想电电容容器器（无无耗耗电电容容器器）和和一一纯纯电电阻阻并并联联或或串串联组成，如图所示。联组成，如图所示。电子陶瓷第五讲有耗电容器等效电路示意图有耗电容器等效电路示意图电子陶瓷第五讲矢矢量量图图中中的的角角称称为为损损耗耗角角，它它是是有有耗耗电电容容器器中中电电流流超超前前电电压压的的相相位位角角与与无无耗耗电电容容器的相位角器的相位角90之间的差值。之间的差值。电电子子陶陶瓷瓷的的损损耗耗角角一一般般都都小小于于1。由由前前图图的的并联电路得：并联电路得：tg=IR/Ic=1/CPRP式中：式中：为角频率；为角频率；Cp为等效并联电容；为等效并联电容；Pp为等效并联电阻。为等效并联电阻。第四章电子陶瓷基本性质电子陶瓷第五讲由串联电路得由串联电路得tg=U=UR R/U/Uc c=CSRS式式中中CS为为等等效效串串联联电电容容；Rs为为等等效效串串联联电阻。电阻。所以所以:1/CPRP=CSRS第四章电子陶瓷基本性质电子陶瓷第五讲第四章电子陶瓷基本性质tg又可以表示为：又可以表示为：tg=Pe/P式式中中Pe为为有有功功功功率率。即即介介质质损损耗耗的的功功率率；Pe为无功功率。为无功功率。电子陶瓷第五讲第四章电子陶瓷基本性质tg的的具具体体意意义义是是有有耗耗电电容容器器每每周周期期消消耗的电能与其所储存电能的比值耗的电能与其所储存电能的比值。tg经经常常用用来来表表示示介介质质损损耗耗的的大大小小。应应该该注注意意，用用tg表表示示介介质质损损耗耗时时必必须须同同时时指指明明测量（或工作）频率。因为介质损耗：测量（或工作）频率。因为介质损耗：Pe = Pe tg=CtgU2 单位体积的介质损耗为：单位体积的介质损耗为：电子陶瓷第五讲第四章电子陶瓷基本性质p=tg E2 可见，可见，介质损耗介质损耗与与频率频率有关。有关。式式中中tg称称损损耗耗因因数数，在在外外界界条条件件一一定定时时，它是介质本身的特定参数。它是介质本身的特定参数。电子陶瓷第五讲第四章电子陶瓷基本性质式中式中tg称称等效电导率等效电导率，它不是常数。，它不是常数。频率高时，频率高时，tg增大，介质损耗增大。增大，介质损耗增大。因因此此，工工作作在在高高频频高高功功率率下下的的介介质质，要要求求损损耗小，耗小，tg必须在控制很小的范围。必须在控制很小的范围。一一般般高高频频介介质质tg应应小小于于610-4，高高频频率率高高功功率率介介质质tg应应小小于于310-4。可可见见生生产产上上控控制制tg是很重要的。是很重要的。电子陶瓷第五讲第四章电子陶瓷基本性质介介质质的的tg对对湿湿度度很很敏敏感感。受受潮潮的的试试样样tg急急剧剧增增大大。试试样样吸吸潮潮越越严严重重，tg增增大大越越厉厉害害，常常利利用用此此性性质质来来判判断断瓷瓷体体烧烧结结的的好好坏。坏。介介质质损损耗耗对对化化学学组组成成、相相组组成成、结结构构等等因因素素很很敏敏感感，凡凡是是影影响响电电导导和和极极化化的的因因素素都影响介质损耗。都影响介质损耗。电子陶瓷第五讲第四章电子陶瓷基本性质介电损耗介电损耗tg的物理意义是在交变电场作用下的物理意义是在交变电场作用下电介质的电位移矢量电介质的电位移矢量D与电场强度与电场强度E之间的相之间的相位差。位差。电子陶瓷第五讲第四章电子陶瓷基本性质介电常数表为一复数：介电常数表为一复数：电子陶瓷第五讲第四章电子陶瓷基本性质介电常数介电常数的的实部实部反映了电介质储存电荷的能力，反映了电介质储存电荷的能力，虚部虚部反映了电介质在电荷移动过程中引起的电反映了电介质在电荷移动过程中引起的电场能量损耗，它们均与电场频率有关。场能量损耗，它们均与电场频率有关。电介质的损耗多来自电介质的损耗多来自漏电损耗：漏电损耗：极化损耗极化损耗。电子陶瓷第五讲第四章电子陶瓷基本性质漏电损耗漏电损耗是因为电介质的直流电导损耗以及由是因为电介质的直流电导损耗以及由于离子迁移受阻和偶极子弛豫损耗而引起能量于离子迁移受阻和偶极子弛豫损耗而引起能量的损失。的损失。极化损耗极化损耗是因为材料中电子和离子的非弹性位是因为材料中电子和离子的非弹性位移引起的。移引起的。电子陶瓷第五讲第四章电子陶瓷基本性质电子陶瓷第五讲第四章电子陶瓷基本性质在交变电场作用下，不同极化机制对外电场在交变电场作用下，不同极化机制对外电场的响应不同，或者说存在的响应不同，或者说存在频率色散频率色散，介质中，介质中的极化是一些弛豫过程。的极化是一些弛豫过程。极化过程需要经历一段时间达到平衡态，存极化过程需要经历一段时间达到平衡态，存在有介电损耗。在有介电损耗。静态介电常数静态介电常数与与动态介电常数动态介电常数不相同不相同。电子陶瓷第五讲第四章电子陶瓷基本性质考虑单一弛豫的极化过程，引入衰减函数考虑单一弛豫的极化过程，引入衰减函数s、分别为材料极低频和极高频介电常数分别为材料极低频和极高频介电常数的实部，的实部，代表偶极子弛豫时间，它与偶极代表偶极子弛豫时间，它与偶极子的惰性及基体的粘滞性有关。子的惰性及基体的粘滞性有关。电子陶瓷第五讲第四章电子陶瓷基本性质Debye曾经提出一个模型，对于永久偶极矩曾经提出一个模型，对于永久偶极矩为为的点偶极子，如果分布均匀，其复数介电的点偶极子，如果分布均匀，其复数介电常数可写为：常数可写为：上式称为上式称为Debye方程，遵从该方程的效应称方程，遵从该方程的效应称为为Debye弛豫。弛豫。电子陶瓷第五讲第四章电子陶瓷基本性质电子陶瓷第五讲第四章电子陶瓷基本性质如果弛豫时间不止一个，设如果弛豫时间不止一个，设F()为其分布函为其分布函数，那么有：数，那么有：电子陶瓷第五讲3、阻抗与导纳阻抗与导纳一、阻抗一、阻抗对一单口网络，端口电压相量与电流相量之对一单口网络，端口电压相量与电流相量之比，定义为该网络的阻抗比，定义为该网络的阻抗Z。上式定义为上式定义为欧姆定律的相欧姆定律的相量形式。量形式。即即：单位单位无源单口网络无源单口网络的电路模型：的电路模型：+N_(a)+_Z(b)电子陶瓷第五讲2、阻抗、阻抗Z取决于网络结构、元件参数和电源的取决于网络结构、元件参数和电源的频率。频率。3、阻抗、阻抗Z是一个复数。是一个复数。对于阻抗需要说明以下几点：对于阻抗需要说明以下几点：1、单一元件、单一元件R、L、C的阻抗分别为：的阻抗分别为：式中：式中：电子陶瓷第五讲实部实部R：电阻分量电阻分量虚部虚部X：电抗分量电抗分量（直角坐标形式）（直角坐标形式）式中，式中，（可正可负）（可正可负）阻抗三角形阻抗三角形电子陶瓷第五讲与与同相同相与与相差相差电压三角形电压三角形+N_+_+_+_IUUR UX相量图相量图 UURUX串联等效电路串联等效电路电子陶瓷第五讲阻抗性质为阻抗性质为阻性阻性，电路为电，电路为电阻性电路或阻性电路或谐振谐振电路。电路。阻抗性质为阻抗性质为感性感性，电路为电感性电路。，电路为电感性电路。4、由于电路结构、参数或电源频率的不同阻抗、由于电路结构、参数或电源频率的不同阻抗角角可能会出现以下三种情况：可能会出现以下三种情况：阻抗性质为阻抗性质为容性容性，电路为电，电路为电容性电路。容性电路。IUUR UX容性相量图容性相量图电子陶瓷第五讲如果单口无源网络，端口上电压相量和电流如果单口无源网络，端口上电压相量和电流相量参考方向一致，其导纳定义为相量参考方向一致，其导纳定义为对导纳说明以下几点：对导纳说明以下几点：其中导纳其中导纳Y的单位是的单位是西西门子门子（S）1、单一元件、单一元件R、L、C的导纳分别为：的导纳分别为：+_Y二、导纳二、导纳电子陶瓷第五讲2、单口网络的、单口网络的Y由由网络结构网络结构、元件参数元件参数和和电源电源的频率的频率决定。决定。3、导纳、导纳Y是一个复数是一个复数上式：上式：称为称为导纳角导纳角，它是电流和电压的相位差。，它是电流和电压的相位差。电子陶瓷第五讲（直角坐标形式）（直角坐标形式）实部实部G：电导分量电导分量虚部虚部B：电纳分量电纳分量单口无源网络的单口无源网络的并联等效电路并联等效电路（正值）正值）（可正可负）（可正可负）+_jB电子陶瓷第五讲导纳性质为导纳性质为阻性阻性，电路为电阻性电路或，电路为电阻性电路或谐振谐振电路。电路。导纳性质为导纳性质为感性感性，电路为电感性电路。，电路为电感性电路。导纳性质为导纳性质为容性容性，电路为电容性电路。，电路为电容性电路。4、由于电路结构、参数或电源频率的不同由于电路结构、参数或电源频率的不同导纳角导纳角会出现以下三种情况：会出现以下三种情况：电子陶瓷第五讲1、极坐标极坐标极坐标极坐标形式形式Z、Y之间的等效互换之间的等效互换2、直角坐标直角坐标直角坐标直角坐标形式形式Z、Y间的等效互换间的等效互换若若则则即即：(1)已知已知Z=R+jX 三、阻抗与导纳的等效互换三、阻抗与导纳的等效互换由单口无源网络的阻抗由单口无源网络的阻抗Z和导纳和导纳Y的定义可的定义可知，对于同一单口无源网络知，对于同一单口无源网络Z与与Y互为倒数，即互为倒数，即或或电子陶瓷第五讲(2)已知已知Y=G+jB ，求等效阻抗求等效阻抗Z（推导过程略）（推导过程略）其中：其中：注意：注意：一般一般一般一般电子陶瓷第五讲n个阻抗串联：个阻抗串联：两个阻抗串联电路的分压公式：两个阻抗串联电路的分压公式：ZZ1Z2Zn+Z1Z2+ 四、无源网络的等效变换四、无源网络的等效变换1、单口无源网络中各阻抗为、单口无源网络中各阻抗为串联串联时，时，等效等效阻抗阻抗为：为：一般一般电子陶瓷第五讲两个阻抗并联时，等效阻抗为：两个阻抗并联时，等效阻抗为：分流公式为：分流公式为：n个电阻并联：个电阻并联：注意：注意：一般一般ZZ1Z2Zn+Z1Z22、单口无源网络中各阻抗为、单口无源网络中各阻抗为并联并联时，时，等效等效阻抗阻抗为：为：或或电子陶瓷第五讲使用以上公式时使用以上公式时注意注意以下几点：以下几点：熟记熟记基本元件的阻抗和导纳。基本元件的阻抗和导纳。同一元件或同一端口的同一元件或同一端口的阻抗阻抗和和导纳导纳互为互为倒数倒数。一般来讲，以上各公式中的阻抗和导纳用各一般来讲，以上各公式中的阻抗和导纳用各自的模表示时，各等式不成立。自的模表示时，各等式不成立。和电阻电路中的分压、分流公式相同，在使和电阻电路中的分压、分流公式相同，在使用时，要用时，要注意符号与参考方向的关系。注意符号与参考方向的关系。例：例：电子陶瓷第五讲阻抗分析仪和阻抗分析仪和LCR表是非常通用的测量器件表是非常通用的测量器件的电子仪器。根据阻抗范围和频率范围的不的电子仪器。根据阻抗范围和频率范围的不同，有一系列不同原理的仪器来满足测试要同，有一系列不同原理的仪器来满足测试要求。求。图图1是不同阻抗范围和不同频率范围的阻抗测是不同阻抗范围和不同频率范围的阻抗测量方法。量方法。五、阻抗的测试五、阻抗的测试电子陶瓷第五讲阻抗测试方法阻抗测试方法电子陶瓷第五讲图图2是自动平衡电桥法的原理框图。是自动平衡电桥法的原理框图。通过精确测量加载到被测件通过精确测量加载到被测件DUT的电压和电流，的电压和电流，从而精确测量出从而精确测量出DUT阻抗值。阻抗值。从图从图2中可以看出：中可以看出：通过通过DUT的电流等于通过电阻的电流等于通过电阻Rr的电流，的电流，而通过而通过Rr的电流可以通过测量的电流可以通过测量V2计算出来。计算出来。电子陶瓷第五讲自动平衡电桥法自动平衡电桥法电子陶瓷第五讲通常，在低频（通常，在低频（100KHz）的）的LCR表里，使用表里，使用一个简单的运算放大器作为一个简单的运算放大器作为I-V转换器，缺点转换器，缺点是运算放大器的频响在高频段较差。是运算放大器的频响在高频段较差。对于频率高于对于频率高于1MHz的的LCR表表或或阻抗分析仪阻抗分析仪，I-V转换器由精密的零位检测器，相位检测器转换器由精密的零位检测器，相位检测器和积分器（环路滤波）组成。这种仪器可以测和积分器（环路滤波）组成。这种仪器可以测量高达量高达110MHz的频率范围。的频率范围。电子陶瓷第五讲图图3是是RFI-V法法原理框图。原理框图。RFI-V法是法是I-V技术在高频范围的扩展，可技术在高频范围的扩展，可以测量高达以测量高达3GHz频率范围的阻抗值。频率范围的阻抗值。RFI-V电路和路径必须仔细设计，以确保电路和路径必须仔细设计，以确保能够以能够以50ohm阻抗阻抗与被测件与被测件OUT相连。相连。电子陶瓷第五讲RFIV法法电子陶瓷第五讲如果连接路径的阻抗不是如果连接路径的阻抗不是50ohm，不想要，不想要的反射将发生，将导致电流和电压的测量的反射将发生，将导致电流和电压的测量误差增大。误差增大。RFI-V法细分为法细分为高阻高阻和和低阻低阻两种测量模式。两种测量模式。实际上，测量仪器保持不变，只是改变测实际上，测量仪器保持不变，只是改变测试头，达到两种测量模式的要求。高阻测试头，达到两种测量模式的要求。高阻测量模式，测试电流很小，为了正确的探测量模式，测试电流很小，为了正确的探测电流，电流探头要尽量靠近电流，电流探头要尽量靠近DUT；低阻测；低阻测量模式，为了灵敏的得到电压值，电压探量模式，为了灵敏的得到电压值，电压探头要尽量靠近头要尽量靠近OUT。电子陶瓷第五讲电子陶瓷第五讲网络反射法即是网络反射法即是网络分析仪网络分析仪方法方法 网网络络分分析析仪仪是是通通过过测测定定网网络络的的反反射射参参数数和和传传输输参参数数，从从而而对对网网络络中中元元器器件件特特性性的的全全部部参参数数进进行行全全面面描描述述的的测测量量仪仪器器，用用于于实实现现对对线线性性网络的频率特性测量网络的频率特性测量。 网网络络分分析析仪仪能能够够完完成成反反射射、传传输输两两种种基基本本测测量量，从从而而确确定定几几乎乎所所有有的的网网络络特特性性，S参参数数是是其中最基本的特性。其中最基本的特性。 电子陶瓷第五讲标标量量网网络络分分析析仪仪：只只测测量量线线性性系系统统的的幅幅度度信信息；息；矢矢量量网网络络分分析析仪仪：可可同同时时进进行行幅幅度度传传输输特特性性和相位特性测量。和相位特性测量。 电子陶瓷第五讲系统组成原理系统组成原理 基本的网络分析仪主要由信号源、基本的网络分析仪主要由信号源、S参参量测量装置及矢量电压表组成。量测量装置及矢量电压表组成。电子陶瓷第五讲信号源：向被测网络提供入射信号或激励；向被测网络提供入射信号或激励；S参参量量测测量量装装置置：实实际际上上是是反反射射测测量量电电路路与与传传输输测测量量电电路路的的组组合合，首首先先将将入入射射、反反射射及及传传输输信信号号分分离离开开，然然后后通通过过转转换换开开关关分别进行测量；分别进行测量；矢矢量量电电压压表表：测测量量入入射射、反反射射和和传传输输信信号号的的幅幅值值及及它它们们之之间间的的相相位位差差。也也可可以以通通过过幅相接收机实现此功能。幅相接收机实现此功能。电子陶瓷第五讲标量网络分析仪a1为为入入射射波波、b1为为反反射射波波、b2为为传传输输波波，它它们们的的测测量量通通道道分分别别为为R（参参考考）、A、B。通通过过这这些些信信号号可可确确定定正正向向S参参数数|S11|、|S21|。将将被被测测网网络络的激励端与测试端反接，同理可测得的激励端与测试端反接，同理可测得|S22|、|S12|。电子陶瓷第五讲矢量网络分析仪一种一种外差式外差式矢量网络分析仪的组成框图如下：矢量网络分析仪的组成框图如下： 电子陶瓷第五讲1、自动平衡电桥法优缺点、自动平衡电桥法优缺点：1）最准确，基本测试精度）最准确，基本测试精度0.05%；2）最宽的阻抗测量范围：）最宽的阻抗测量范围：C,L,D,Q,R,X,G,B,Z,Y,O.；3）最宽的电学测量条件范围；）最宽的电学测量条件范围；4）简单易用；）简单易用；5）低频：）低频：f110MHz。2、RFI-V法优缺点法优缺点：1）宽的频率范围：）宽的频率范围：1MHzf100MHz的最准确测试方法；的最准确测试方法；5）接地器件测试。）接地器件测试。电子陶瓷第五讲3、网络分析仪法优缺点：、网络分析仪法优缺点：1）高频）高频适用：适用：f100KHz最佳：最佳：f3GHz2）适中的精度；）适中的精度；3）有限的阻抗测试范围。）有限的阻抗测试范围。电子陶瓷第五讲第四章电子陶瓷基本性质4、绝缘强度绝缘强度电电介介质质能能绝绝缘缘和和储储存存电电荷荷，是是指指在在一一定定的的电电压压范范围围（弱弱电电场场范范围围）内内，介介质质保保持介电状态。持介电状态。当当电电场场强强度度超超过过某某一一临临界界值值时时，介介质质由由介介电电状状态态变变为为导导电电状状态态，这这种种现现象象称称介介质的击穿。质的击穿。电子陶瓷第五讲第四章电子陶瓷基本性质由由于于击击穿穿时时电电流流剧剧烈烈增增大大，在在击击穿穿处处往往往往产产生生局局部部高高温温。火火花花，造造成成材材料料本本身身不不可可逆的破坏。逆的破坏。可可以以发发现现，在在击击穿穿处处有有小小孔孔、裂裂缝缝，或或击击穿时整个瓷体炸裂。穿时整个瓷体炸裂。电子陶瓷第五讲第四章电子陶瓷基本性质击击穿穿时时的的电电压压称称击击穿穿电电压压Uj，相相应应的的电电场场强强度度称称击击穿穿电电场场强强度度或或绝绝缘缘强强度度等等，用用Ej表示。在电场均匀时，表示。在电场均匀时，Ej= Uj /d 式式中中：d为为击击穿穿处处介介质质的的厚厚度度；Ej的的单单位位常常用用kV/cm。电子陶瓷第五讲第四章电子陶瓷基本性质某某些些陶陶瓷瓷如如III型型电电容容器器瓷瓷和和各各种种半半导导体体瓷瓷，击击穿穿时时往往往往不不造造成成瓷瓷体体的的机机构构破破坏坏，电电场场降降低低后后仍仍能能恢恢复复介介电电状状态态，这这种种情情况况也应认为击穿已经发生。也应认为击穿已经发生。 陶陶瓷瓷材材料料的的击击穿穿电电压压与与试试样样的的厚厚度度、电电极极的的大大小小、形形状状、试试验验时时的的温温度度、电电压压的的种种类类、加加压压时时间间、试试样样周周围围的的环环境境等等许许多因素有关。多因素有关。电子陶瓷第五讲第四章电子陶瓷基本性质击击穿穿过过程程进进行行得得很很快快（约约10-7秒秒），过过程程比比较较复复杂杂。陶陶瓷瓷材材料料的的击击穿穿强强度度一一般般在在460kV/mm。介质击穿大致可分为电击穿和热击穿。介质击穿大致可分为电击穿和热击穿。电电击击穿穿是是在在电电场场直直接接作作用用下下，介介质质中中载载流流子子迅迅速速增增加加。这这个个过过程程约约在在10-7秒秒完完成成，往往往击穿突然发生。往击穿突然发生。电子陶瓷第五讲第四章电子陶瓷基本性质击击穿穿电电场场强强度度较较高高，大大约约为为106107V/cm左左右。右。一一般般认认为为，电电击击穿穿的的发发生生是是由由于于晶晶体体能能带带在在强强电电场场作作用用下下发发生生变变化化，电电子子直直接接由由满满带跃迁到空带发生电离所致。带跃迁到空带发生电离所致。电子陶瓷第五讲第四章电子陶瓷基本性质热热击击穿穿是是介介质质在在电电场场作作用用下下发发生生热热不不稳稳定定，因因温度升高而破坏。温度升高而破坏。热热不不稳稳定定是是指指在在电电场场作作用用下下，由由于于介介质质的的电电导导和和介介质质损损耗耗，将将电电场场能能变变成成热热能能。热热量量在在介介质质内内部部积积累累，温温度度升升高高，电电导导和和损损耗耗随随温温度度的的升升高高而而加加大大，又又导导致致温温度度的的再再升升高高，产产生生的的热热量量大于散失的热量。大于散失的热量。由由于于热热击击穿穿有有一一个个热热量量积积累累过过程程，所所以以不不象象电电击击穿穿那那样样迅迅速速，往往往往介介质质温温度度急急剧剧升升高高。击击穿穿电场强度较低，电场强度较低，104105V/cm。电子陶瓷第五讲第四章电子陶瓷基本性质在在直直流流电电场场下下对对陶陶瓷瓷介介质质的的试试验验表表明明，温温度度较较高高时时可可能能发发生生热热击击穿穿，温温度度较较低低时时往往往发生电击穿。往发生电击穿。一一般般电电击击穿穿的的Ej与与温温度度无无关关，热热击击穿穿的的Ej随温度升高而降低。随温度升高而降低。但但是是，电电击击穿穿和和热热击击穿穿温温度度范范围围的的划划分分，并并不不十十分分准准确确，它它与与试试样样的的组组成成、冷冷却却情情况况、电电压压形形式式等等有有关关，尤尤其其电电场场频频率率对对其其影响很大。影响很大。电子陶瓷第五讲第四章电子陶瓷基本性质例例如如，在在高高频频交交流流电电压压下下或或试试样样散散热热条条件件不不好好时时，热热击击穿穿的的范范围围就就能能扩扩大大到到较较低低的的温度。温度。在在均均匀匀电电场场下下，电电性性质质均均匀匀的的固固体体介介质质厚厚度度小小于于10-4cm时时，电电击击穿穿时时的的Ej与与试试样样厚厚度度无无关关，热热穿穿时时的的Ej则则随随试试样样厚厚度度增增加加而而减减小小。但但陶陶瓷瓷是是不不均均匀匀介介质质，通通常常Ej随随试试样样厚度增加而降低。厚度增加而降低。 电子陶瓷第五讲第四章电子陶瓷基本性质 此此外外，在在均均匀匀电电场场中中，加加压压时时间间小小于于10-7秒时，电击穿与加压时间无关；秒时，电击穿与加压时间无关；热击穿随加压时间的增加而降低。热击穿随加压时间的增加而降低。电击穿时，电击穿时，Ej与试样周围媒质的温度无关；与试样周围媒质的温度无关；热击穿时，热击穿时，Ej则随周围媒质温度的增加而则随周围媒质温度的增加而降低，与媒质散热情况密切关系。降低，与媒质散热情况密切关系。电子陶瓷第五讲第四章电子陶瓷基本性质4.4光学性质（简略）光学性质（简略）光光学学性性质质是是指指电电子子陶陶瓷瓷在在红红外外光光、可可见见光、紫外线及各种射线作用下的一些性质。光、紫外线及各种射线作用下的一些性质。在在光光学学领领域域里里，主主要要光光学学材材料料是是光光学学玻玻璃璃和和单单晶晶。近近年年来来，随随着着遥遥感感、计计算算机机、激激光光、光光纤纤通通讯讯等等技技术术的的发发展展和和“透透明明陶陶瓷瓷”的的出出现现，陶陶瓷瓷材材料料在在光光学学领领域域有有了了较较重重要要的应用。的应用。电子陶瓷第五讲第四章电子陶瓷基本性质光光学学材材料料的的性性质质一一般般指指它它的的反反射射、折折射射和和吸吸收收等等性性质质。对对陶陶瓷瓷材材料料，主主要要指指透透光光性性。光光照照射射到到介介质质上上，一一部部分分被被反反射射，一一部部分分进进入入介介质质内内部部，发发生生散散射射和和吸吸收收，还有一部分透过介质，即还有一部分透过介质，即Ip= IR+ IS+IA+ IT 电子陶瓷第五讲第四章电子陶瓷基本性质式式中中Ip为为入入射射光光强强度度；IR为为反反射射光光强强度度；IS为为散散射射光光强强度度；IA为为吸吸收收光光强强度度；IT为透射光强度。为透射光强度。归一化后可得：归一化后可得：1=R+S+A+T 式中式中R为反射率；为反射率；S为散射率；为散射率；A为吸为吸收率；收率；T为透射率。为透射率。电子陶瓷第五讲第四章电子陶瓷基本性质通常，吸收率甚小，主要是散射损失。通常，吸收率甚小，主要是散射损失。光光和和物物质质的的作作用用是是光光子子和和物物质质中中电电子子的互作用结果。的互作用结果。光光子子的的能能量量可可转转移移给给电电子子，引引起起电电子子极极化化，或或电电子子吸吸收收能能量量转转变变成成热热能能，引引起起光光子子能能量损失。量损失。电子陶瓷第五讲第四章电子陶瓷基本性质散散射射主主要要是是由由瓷瓷体体中中的的气气孔孔引引起起的的，因因为为瓷体和气孔的折射率相差很大。瓷体和气孔的折射率相差很大。例例如如Al2O3瓷瓷，折折射射率率为为1.8，气气孔孔折折射射率率为为1。瓷瓷体体中中气气孔孔的的大大小小通通常常为为0.52m，接接近可见光和红外光的波长，因而散射最大近可见光和红外光的波长，因而散射最大。要要提提高高陶陶瓷瓷材材料料的的透透射射率率，必必须须降降低低气气孔孔含量。含量。电子陶瓷第五讲第四章电子陶瓷基本性质4.5交叉耦合性质交叉耦合性质电电子子陶陶瓷瓷的的电电学学、力力学学、热热学学、光光学学、声声学学、磁磁学学等等性性质质，都都与与其其化化学学组组成成、微微观观结构有密切关系。结构有密切关系。外外界界的的宏宏观观作作用用往往往往引引起起材材料料组组成成和和结结构构的的改改变变，从从而而使使表表征征材材料料特特征征的的某某一一参参数数或几个参数变化。或几个参数变化。电子陶瓷第五讲第四章电子陶瓷基本性质电子谐振通常吸收可见光的能量电子谐振通常吸收可见光的能量离子谐振则吸收红外光能离子谐振则吸收红外光能物质对光的吸收率与光的频率有关物质对光的吸收率与光的频率有关。电子陶瓷第五讲第四章电子陶瓷基本性质陶陶瓷瓷材材料料的的各各种种性性质质并并不不是是孤孤立立的的，而而是是和它的组成、结构等紧密联系在一起的。和它的组成、结构等紧密联系在一起的。陶陶瓷瓷材材料料某某些些性性质质相相联联系系又又相相区区别别的的关关系系叫做材料性质之间的转换和耦合。叫做材料性质之间的转换和耦合。如如加加有有电电场场情情况况下下某某些些陶陶瓷瓷的的机机械械性性能能会会有有较较大大幅幅度度的的变变化化，可可以以用用逆逆压压电电效效应应来来表征。表征。电子陶瓷第五讲第四章电子陶瓷基本性质加加有有的的电电场场情情况况下下某某些些陶陶瓷瓷的的光光学学常常数数如如折折射射率率会会随随外外加加电电场场发发生生较较大大幅幅度度的的变化，可以用电光效应来表征。变化，可以用电光效应来表征。在在受受热热情情况况下下，某某些些陶陶瓷瓷的的表表面面会会有有感生电荷产生，可以用热释电效应来表征。感生电荷产生，可以用热释电效应来表征。此此外外，还还有有光光电电效效应应、磁磁光光效效应应、声声光光效应等等。效应等等。电子陶瓷第五讲第四章电子陶瓷基本性质 各种效应的关系可以如下图表示：各种效应的关系可以如下图表示：热光力磁电热释电效应电热效应电磁效应磁电效应磁光效应电热效应电光效应光电效应压电效应逆压电效应电子陶瓷第五讲第四章电子陶瓷基本性质可可见见，电电子子陶陶瓷瓷材材料料的的耦耦合合性性质质是是内内容容非非常常广广泛泛的的一一种种性性质质，应应作作为为一一种种特特殊殊性加以研究。性加以研究。随随着着现现代代信信息息技技术术的的发发展展，电电子子陶陶瓷瓷材材料料的这种耦合性质将越来越受到重视。的这种耦合性质将越来越受到重视。电子陶瓷第五讲第四章电子陶瓷基本性质作业：作业：1 1、 书中书中9393页页12121616题题 电子陶瓷第五讲第四章电子陶瓷基本性质2、对对于于离离子子晶晶体体，如如两两个个离离子子间间的的排排斥斥能能为玻恩函数：为玻恩函数：求一对正负离子的位移极化率为多少？求一对正负离子的位移极化率为多少？电子陶瓷第五讲第四章电子陶瓷基本性质3、如如A原原子子的的半半径径是是B原原子子的的半半径径的的两两倍倍。在在其其他他条条件件不不变变的的情情况况下下，A原原子子的的电电子子极化率是极化率是B原子的电子极化率的多少倍？原子的电子极化率的多少倍？4、金金红红石石(TiO2)的的介介电电常常数数为为100，求求气气孔孔率率为为5%的的金金红红石石陶陶瓷瓷的的介介电电常常数数为为多多少少？电子陶瓷第五讲