2025《电介质的理论基础概述》3000字.docxVIP

第

第PAGE一页共NUMPAGES11页

电介质的理论基础概述

介电常数

介电常数可以被广泛地被用来衡量两块板在绝缘体中所需要储存的介电能的耦合功率和介电能力比的强弱，它通常指的就是两块存在绝缘体中的金属板之间，以相同的一种绝缘材料介质作为吸入介质时的整体电容量和同样两块存在绝缘体中的金属板之间以相同的绝缘空气介质作为吸入介质或者吸入真空时的整体电容量系数之比。介电常数的值表示的是一个电荷与介质在某一点上的电荷极化放电程度，即对其他电荷的极性约束和极化放电作用能力，介电常数的值越高，对其他电荷的极性约束和极化放电作用能力越强，我们用ε表示介电常数。它所反映的就是材料中非自由电子再外加电场条件下进行电极性改变，从而削弱其外场[4]。

介电常数可以表示电介质极化能力强弱。当电磁波在介质体内进行传播时，关系式应该满足

λd=

其中λd是在介质中传播时的波长；λ0是在真空中传播时的波长；εr为介电常数。

所以要想让微波器件尺寸小型化，从理论上说就需要介质陶瓷的介电常数足够大。此外，由于电磁场在一定空间内不能均匀分布，能量一般会聚集在介电常数高的区域所以如果一个电介质的介电常数已经足够高，不仅能减小器件的尺寸，还可以减少能量损失。因此，使用一种具有一定较高介电常数的介质陶瓷不仅更加有利于快速实现各种介质介电谐振器的快速小型化，而且也更加有利于不断改善它的品质因数。然而，为了适应电路，也不能让材料的介电常数过高，要控制在10~200之间[5]。

介电材料本身作为一种特殊的物质，其对电场的反应方式不同于一般材料对电场的反应方式，因为它具备介电性质。所谓的介电性，就是把一种材料置于一个具有外加电场的环境中，其内部的自由电荷被接收并受到外加电场的作用(负电荷往往向正极端迁移，正电荷往往向负极端迁移)而产生电位变化的一种现象。极化情况的发展会给材料的介电性能带来很大的影响，我们想要深入地研究介电常数，首先要从材料的微观极化率入手，因为介电常数主要是表征物质内部的极化率的宏观特点的物理量[6]。极化现象和频率之间有着紧密的相互联系，根据极化频率的不同，极化粒子极化机制也会不同。

电介质的极化

各种极化方式的极化机理简介如下：

电子位移极化：电介质在外电场中时，分子、原子中外部的电子云相对原子核由于发生了弹性位移，所以产生了偶极矩，这种现象称为电子位移极化。电子位移极化所用的时间非常短，可以做到瞬间完成，几乎没有什么能量损失。所有的介质陶瓷材料都可以进行电子位移极化。

图1-1电子位移极化

离子位移极化：当含有阴阳离子的材料在外电场的作用时，阳离子迁移到阴极，阴离子迁移到阳极，这种相对位移引起的极化的现象我们称为离子位移极化，如图1-2，其固有频率在远红外范围（1010~1014hz）内，由于离子间的谐波运动，离子极化与能量损失有关。例如，提高温度会伴随着晶体变大，每一单位体积里的偶极子数量也会降低，从而导致极化率的减少；另外，温度的升高会降低离子间的弹性相互作用，增加极化，材料极化的温度特性是由它们的相互作用决定的[7]。

图1-2离子位移极化

转向极化：我们经常将转向极化称为偶极子极化，极性分子沿电场转动方向会产生相同方向排布的静偶极矩。热运动加速了分子排布不规则，所以该极化方式受温度影响比较明显，因此又叫热转向极化。通常转向极化要想完成所需要的时间较长，在极化产生过程中会引发能量损耗，这种形式的极化会较大程度上地影响材料的介电常数，可达到10以上，但极性分子转向极化频率大概在102~106Ｈｚ，所以—般在微波介质陶瓷材料中并不存在这种形式的极化。

空间电荷极化：在不均匀的介质或者具有一定缺陷的材料中，晶体内部的正载和负载在电场的作用下会被迫沿着相反方向移动，从而改变介电陶瓷体内的阳离子浓度并使其产生电偶极矩，在电极附近所累积的正负载阳离子的电荷称为空间电荷。空间中产生电荷大约需要很久，但仅能影响直流电和低频条件下的介电性能[8]。通常，在微波陶瓷材料中没有观察到空间电荷极化效应。

介电损耗

在交变电场中，电介质本身会出现有发热的情况，这主要是由于电介质中包括了一些能够导电的负荷和载流子，它们能够通过消耗了一部分的电能转化成热能，从而促进电介质本身的发热，此时我们把消耗掉的电能叫做介电损耗，用tanδ表示，tanδ的值越大，产生的损耗就越大。介电损耗也是可以评判绝缘材料质量好坏的标准之一，这种能量损耗的具体表现是介质变热，导致变热的因素有很多，比如与材料组成、工作频率、环境温度、湿度和作用时间[9]。

固相反应

固相反应原理

功能陶瓷材料的制备方法很多，其中高温固相反应法被认为是最稳定的方法，同时也被人们广泛应用在制备。这种方法以纯度非常高的粉末（通常是氧化物，纯度可达到99%以上）为原料