浅析固体介质的极化

压电陶瓷,一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料,属于无机非金属材料。以压电陶瓷为例浅析固体介质的极化

浅析固体介质的极化、损耗与击穿

-以压电陶瓷介质为例

摘要：压电陶瓷，一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，属于无机非金属材料。极化处理后,沿极化方向产生剩余极化成为各向异性的多晶体,自由电子趋向一致,压电性大大增强。介质损耗主要由三部分组成：玻璃相中离子电导损耗、结构较疏松的多晶点阵结构引起的松弛损耗以及气隙中含水引起的界面附加损耗。击穿有3种形式 ：电击穿、热击穿和电化学击穿。

关键词：极化、损耗、击穿

1. 引言 压电陶瓷，一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，属于无机非金属材料。压电陶瓷利用其材料在机械应力作用下，引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化，导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷即压电效应而制作，具有敏感的特性，压电陶瓷主要用于制造超声换能器、水声换能器、电声换能器、陶瓷滤波器、陶瓷变压器、陶瓷鉴频器、高压发生器、红外探测器、声表面波器件、电光器件、引燃引爆装置和压电陀螺等，除了用于高科技领域，它更多的是在日常生活中为人们服务，为人们创造更美好的生活而努力。

为探究固体介质的性能，我们通过研究固体介质的极化、损耗与击穿特性来对固体介质性能做出一个合理的评估,下面通过研究压电陶瓷的特性来引出固体介质的特性。

2.压电陶瓷的极化特性

2.1电介质极化的概念

在外电场作用下，电介质内部沿电场方向产生感应偶极矩，在电介质表面出现极化电荷的现象叫作电介质的极化。

2.2极化特性

从微观机制上分析,可以有三种方式产生电介质极化,即电子位移极化、离子位移极化和极性分子的取向极化。

2.2.1电子位移极化

电介质在外电场作用下,构成它的原子、离子中的电子云将发生畸变,使电子云与原子核发生相对位移,因而产生了电偶极矩。这种极化叫电子的位移极化。电子位移极化是所有电介质都具有的一种极化方式。电子的位移极化表示由于外电场的影响,电子将有一定的概率吸收能量并在相应的能级之间跃迁。由于外层电子受原子的束缚弱,因此原子的电子位移化主要来自价电子。

2.2.2离子位移极化

在外电场作用下,离子性电介质中的正负离子产生了相对位移,从而电介质产生宏观电偶极矩。这种极化称为离子位移极化。

2.2.3固有电偶极矩的取向极化

若组成电介质的分子是极性分子,其正电荷中心与负电荷中心不重合,它具

压电陶瓷,一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料,属于无机非金属材料。以压电陶瓷为例浅析固体介质的极化

有固有的电偶极矩。在没有外电场时,由于热运动电介质分子的电偶极矩在空间上取向无序,指向各方向的概率相同,分子电偶极矩互相抵消,因此,电介质作为一个整体,没有电偶极矩。

压电陶瓷材料没极化前自由电子是无序排列的;极化处理后,沿极化方向产生剩余极化成为各向异性的多晶体,自由电子趋向一致,压电性大大增强。

压电陶瓷是多晶体,当其温度高于居里温度Tc时呈立方晶格;而当其温度在居里温度Tc以下时,则呈四方晶格并具有压电性。压电材料在温度Tc时能改变材料内部组织这种现象称为固态相变,Tc称为相变温度,也称居里温度。不同的压电材料,居里温度也会不同。

2. 压电陶瓷的损耗特性

2.1电介质损耗的概念

电介质单位时间消耗的能量叫做电介质的损耗。

2.2损耗特性

陶瓷介质通常具有不均匀结构，其中既含有结晶相，又含有玻璃相和气隙。可以将陶瓷分为含有玻璃相和几乎不含玻璃相两类。

2.2.1含有大量玻璃相和少量微晶的结构

如普通绝缘瓷（低频瓷），其介质损耗主要由三部分组成：玻璃相中离子电导损耗、结构较疏松的多晶点阵结构引起的松弛损耗以及气隙中含水引起的界面附加损耗，相当大。

2.2.2由大量的微晶晶粒所组成，仅含有极少量或不含有玻璃相

如氧化铝高频瓷、压电陶瓷、以硅酸镁为基础的块滑石瓷和以金红石与碱土金属的钛酸盐为基础的特种陶瓷等，通常结晶相结构紧密，损耗常数也比上一类要小得多。

3. 压电陶瓷的击穿特性

3.1电介质击穿的概念

电介质在强场下的电流密度按指数规律随电场强度增加而增加，当电场进一步增加到某个临界值时，电介质的电导突然剧增，电介质便由绝缘状态变为导电状态，这种跃迁现象叫做电介质的击穿。

3.2击穿特性 固体电介质击穿有3种形式 ：电击穿、热击穿和电化学击穿。

3.2.1电击穿

电击穿是因电场使电介质中积聚起足够数量和能量的带电质点而导致电介质失去绝缘性能。热击穿是因在电场作用下，电介质内部热量积累、温度过高而导致失去绝缘能力。电化学击穿是在电场、温度等因素作用下，电介质发生缓慢的化学变化，性能逐渐劣化，最终丧失绝缘能力。固体电介质的化学变化通常使其电导增加，这会使介质的温度上升，因而电化学击穿的最终形式是热击穿。温度和电压作用时间对电击穿的影响小，对热击穿和电化学击穿的影响大；电场局部不均匀性对热击穿的影响小，对其他两种影响大。

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3.2.2热击穿

当固体电介质承受电压作用时，介质损耗是电介质发热、温度升高；而电介质的电阻具有负温度系数，所以电流进一步增大，损耗发热也随之增加。电解质的热击穿是由电介质内部的热不平衡过程造成的。如果发热量大于散热量，电介质温度就会不断上升，形成恶性循环，引起电介质分解、炭化等，电气强度下降，最终导致击穿。

热击穿的特点是：击穿电压随温度的升高而下降，击穿电压与散热条件有关，如电介质厚度大，则散热困难，因此击穿电压并不随电介质厚度成正比增加；当外施电压频率增高时，击穿电压将下降。

3.2.3电化学击穿

固体电介质受到电、热、化学和机械力的长期作用时，其物理和化学性能会发生不可逆的老化，击穿电压逐渐下降，长时间击穿电压常常只有短时击穿电压的几分之一，这种绝缘击穿成为电化学击穿。

4. 总结

固体介质的极化、损耗与击穿相互联系在一起，相互作用，共同决定着电介质的性能。

参考文献：

[1]华南工学院,陶瓷工艺学,北京:中国建筑工业出版社,1981

[2]金维芳,电介质物理学,西安:西安交通大学