材料科学与工程基础 教学课件 作者 杨庆祥 第七章 陶瓷的结构与性能.pptVIP

1）原子、离子或分子本质上都是由带正电的原子核和绕核运动的电子云所构成。在外电场作用下，电子云和原子核之间发生相对位移，因而产生感生电偶极矩并在质点附近产生与外电场方向相反的局部电场，这种极化称作电子位移极化（图7-12a）。 2）由不同原子（或离子）构成的分子，在电场作用下，分子中的正负离子发生相对位移（键角和离子间距的改变）而产生感生电偶极矩，这种极化叫作离子位移极化（图7-12b）。 3）某些极性分子结构的电介质具有永久电偶极矩，由于外电场作用，这些永久电偶极矩发生转向，产生极化，称作取向极化（图7-12c）。 4）（图7-12d）为另一种极化类型的模型。在多相材料中不可避免地存在各种缺陷，例如晶界、晶格缺位、杂质、位错等。自由电荷的载流子由于电场的作用在晶体中移动时，在缺陷和界面处被捕获或堆积，造成电荷的局部积聚而产生了永久电偶极矩，这种极化叫空间电荷和界面极化。 4．磁晶各向异性和磁致伸缩 铁磁性材料的磁化和退磁的难易程度取决于晶体的结构、晶粒取向、应变状态以及外磁场的方向和强度。由于晶体结构各向异性的缘故，沿某个晶体学方向要比沿其它方向更易磁化的性能称为磁晶各向异性。容易磁化的方向称为软磁方向；难于磁化的方向称为硬磁方向。沿软磁和硬磁方向磁化时需要的能量差，叫做磁晶各向异性能。磁晶各向异性与晶体结构的对称性密切相关。结构对称性高的磁晶各向异性小；结构对称性低的磁晶各向异性大。磁晶各向异性能小，缺陷也少的材料，磁畴转动容易，因而其磁导率也高。 铁磁材料在磁场作用下，磁化的同时伴随尺寸的变化，这一现象叫磁致伸缩。这个过程是可逆的，即在外力作用下，由于磁性材料尺寸的变化反过来也能导致磁化程度的改变。磁致伸缩是由于在外磁场作用下，引起的磁畴转向所致。磁畴转动使材料发生应变，这种应变可能为正也可能为负。磁致伸缩的大小取决于材料的起始磁畴位向，这可以通过热处理和冷加工来控制。某些材料随外磁场的增强而收缩，随外磁场减弱而伸长，这种材料叫做负磁致伸缩材料；反之，则称为正磁致伸缩材料。利用材料的磁致伸缩效应制造的传感器，可以用来进行机械能和电能的相互转换。 在常温恒频率交变电场条件下，如果各组成相的方向与外电场平行，其介电常数为 如果各组成相与外电场方向垂直 当b接近零时 图7-15表明计算结果与实验结果吻合较好。 图7-15 TiO2的含量对两相陶瓷材料介电常数的影响 3．介质损耗 陶瓷作为电介质材料使用时，在储存电荷的同时，部分电能将转变成热能而损耗，单位时间内损耗的电能叫做介质损耗。电介质损耗主要由电导和极化所引起。在直流电压下，损耗仅由电导引起；在交变电场下，陶瓷材料中电导引起的损耗在常温时其值很小，可以忽略不计，其介质损耗主要由极化引起。 介质的介电常数通常以复数形式表示 实数部分ε′=εr，表征电介质的极化强度；虚数部分 为损耗指数，表示电介质在单位电场强度作用下，电场交变一次所产生的单位体积介质损耗功率。tanδ和ε′（εr）是选择电介质材料时需要考虑的两个主要参数。以绝缘为主要目的时，应选择具有低介电常数和小损失角的材料；以介电为主要目的时，在保持小δ的条件下，应选择ε′大的材料。 陶瓷材料的介质损耗取决于频率、温度、环境湿度及其微观结构等因素。ε′随频率增加而减少tanδ随频率增加出现峰值，因此介质损耗在某一频率范围急剧增加。高频时虽然每周期损耗很少，但因每秒周期数多，介质损耗仍然很大。介质损耗随温度的变化主要取决于tanδ随温度的变化。电介质吸潮后电导损耗增大。此外，电介质表面吸附水分和其它杂质也增加了介质损耗。 4．电介质的击穿和介电强度 固体电介质的主要击穿形式是电击穿和热击穿。在强电场作用下，电介质内部带电质点一方面从电场获得能量而剧烈运动；另一方面在运动过程中与晶格离子相碰撞而损失能量。如果在两次碰撞之间从电场获得的能量大于因碰撞损失的能量，则带电质点被电场加速，使其动能足以将其它电子撞击到导带中去，引起晶格离子的电离而增加电导，导致介质击穿。当介质损耗产生的热量来不及向环境散失时，就会引起电介质局部温度的升高，从而引起电导和介质损耗的增大，导致介质击穿，这称为热击穿。热击穿常常伴随着电介质局部熔化、蒸发和绝缘体穿孔等现象。 气孔内电场强度局部增大、导致气孔内气体电离放电，气孔周围介质也因而受热引起电介质局部击穿。Ew与气孔的形状和尺寸有关，随气孔尺寸的减少而增大；圆扁平孔使局部电场强度增加尤其强烈， Ew 可高达6Eav。 5．陶瓷材料的电导 固体中导电的载流子有电子、离子及其它带电的质点（空位）。陶瓷材料的结合键为离子键和共价键，它的导电载流子随电场强度和温度的变化而改变。在低温弱电场作用下，主要是弱联系填隙离子