4-陶瓷材料的介電常數(shù)的測(cè)定 - 副本

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1、理學(xué)院應(yīng)用物理系專業(yè)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)實(shí)驗(yàn)三陶瓷材料的介電溫度特性的測(cè)定高介電材料具有十分廣闊的市場(chǎng)，因其在電氣電子、IT、電力等領(lǐng)域的重要應(yīng)用一直是各國(guó)科學(xué)材料研究與開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。對(duì)于材料的介電的測(cè)試與評(píng)價(jià)，是一項(xiàng)重要的實(shí)驗(yàn)和科研技能。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）了解介電測(cè)試系統(tǒng)的基本原理，掌握材料介電常數(shù)的基本知識(shí)。（2）學(xué)會(huì)陶瓷材料電極的制備方法。（3）掌握測(cè)量材料的介電溫譜的方法。（4）掌握高介電材料的介電性質(zhì)和溫度及頻率之間的關(guān)系。二、實(shí)驗(yàn)原理1．介電常數(shù)的測(cè)量原理ABESd+σ-σ圖3.1平行板電容器簡(jiǎn)易圖如

2、圖3.1所示，一面積為S、間距為d的平行板電容器，極板間為真空，其電容為C0。電介質(zhì)在恒定電場(chǎng)（直流電場(chǎng)）作用下，兩極板間的電壓為U0。極板上的電荷為：（3.1）撤去電源，維持極板上Q不變；并在兩極板間充滿均勻的各向同性的電介質(zhì)。則實(shí)驗(yàn)測(cè)得（3.2）充滿電介質(zhì)的平行板電容器的電容為：[]（3.3）--電介質(zhì)的相對(duì)電容率；--真空電容率；--電介質(zhì)的電容率。由于，，則28理學(xué)院應(yīng)用物理系專業(yè)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)（3.4）充滿電介質(zhì)后，平行板電容器的電場(chǎng)強(qiáng)度為原來(lái)的1/εr倍。電容器的電容不僅依賴于電容器的形狀，還

3、與極板間電介質(zhì)的電容率有關(guān)。因此，介質(zhì)在外加電場(chǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電荷而削弱電場(chǎng)，原外加電場(chǎng)（真空中）與最終介質(zhì)中電場(chǎng)比值即為介電常數(shù)（permittivity），又稱電容率.。如果有高介電常數(shù)的材料放在電場(chǎng)中，場(chǎng)的強(qiáng)度會(huì)在電介質(zhì)內(nèi)有可觀的下降。極板間的電壓越大，電場(chǎng)強(qiáng)度越大。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度增大到某一最大值Eb時(shí)，電介質(zhì)分子發(fā)生電離，從而使電介質(zhì)失去絕緣性，這時(shí)電介質(zhì)被擊穿。電介質(zhì)能承受的最大電場(chǎng)強(qiáng)度Eb，稱為電介質(zhì)的擊穿場(chǎng)度。（3.5）在外加電壓下，電介質(zhì)中一部分電能轉(zhuǎn)換為熱能的現(xiàn)象，稱為介質(zhì)損耗。一般來(lái)說(shuō)，

4、電介質(zhì)都有微弱的導(dǎo)電性，因產(chǎn)生漏電流而引起的能量損耗是較小的。主要的介質(zhì)損耗是高頻交變電壓作用下，高頻外電場(chǎng)使電介質(zhì)反復(fù)極化的過(guò)程中發(fā)生的。頻率越高，發(fā)熱越顯著。如果劇烈發(fā)熱，將使電介質(zhì)喪失絕緣性能并引起破壞。在交流電場(chǎng)下，介電常數(shù)表示成虛數(shù)形式：（3.6）我們把介電常數(shù)虛數(shù)部分和實(shí)數(shù)部分的比值定義為介電損耗因子（dissipationlossfactor）。（3.7）大多數(shù)陶瓷材料具有較低的介電損耗因子，這是由于它的高絕緣性能阻止電能轉(zhuǎn)化為熱能的損耗。2．鈦酸鋇陶瓷的結(jié)構(gòu)和介電性質(zhì)BaTiO3陶瓷是

5、具有最高室溫介電常數(shù)的簡(jiǎn)單化合物，在室溫具有四方結(jié)構(gòu)（tetragonal），屬于ABO3型鈣鈦礦（perovskite）結(jié)構(gòu)。圖3.2為理想的立方鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。圖3.2（a）為一個(gè)BaTiO3晶胞，B位的Ti4+離子由6個(gè)O2-離子包圍，組成TiO6正八面體；圖3.2（b）顯示出TiO6八面體的重復(fù)排列構(gòu)成鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的骨架?？梢哉J(rèn)為A位的Ba2+離子位于骨架的間隙位置。28理學(xué)院應(yīng)用物理系專業(yè)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)(b)(a)ABOBaTiO圖3.2理想的立方鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。BaTiO3陶瓷隨溫度的變化經(jīng)過(guò)三種相變：

6、一般在125℃以上是立方相（cubic），可由圖3.2表示；125℃至-7℃之間為四方相（tetragonal）；-7℃至-90℃之間為正交相（orthorhombic）；-90℃以下為菱方相（rhombohedral）。在加熱或降溫的過(guò)程中有輕微幾度的差別（相變的遲滯效應(yīng)）。對(duì)于室溫的四方BaTiO3陶瓷，c/a軸比率大于1，當(dāng)高于125℃時(shí)，轉(zhuǎn)變?yōu)槔硐氲牧⒎解}鈦礦結(jié)構(gòu)。圖3.3BaTiO3陶瓷的相對(duì)介電常數(shù)和介電損耗因子隨溫度的變化規(guī)律。式中TC為距離溫度，T0為居里-外斯溫度。εr-100cub

7、ictetragonalrhombohedralorthorhombicT(℃)-5005010015010002000300040005000600078910×10-31/εr100200×10-4tanδTCT0aaaPs=0OhC4vC2vC3vaacPs∥[100]Ps∥[110]Ps∥[111]c￠bbγγγaaaPsPsPsΕrtanδβ=90°-8.4￠γ=90°-7.5￠β鈦酸鋇是具有最高介電常數(shù)的簡(jiǎn)單化合物，統(tǒng)治性地用作高介電電容器材料，室溫介電常數(shù)大約1600。伴隨著結(jié)構(gòu)相變，在

8、每個(gè)相變溫度附近出現(xiàn)介電峰。其中居里峰（即立方-四方相變點(diǎn)）的介電常數(shù)最高，大約10000左右。圖3.3表示BaTiO3陶瓷的相對(duì)介電常數(shù)和介電損耗因子隨溫度及結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律。28理學(xué)院應(yīng)用物理系專業(yè)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)對(duì)于BaTiO3陶瓷，在順電的立方相，即溫度高于居里溫度TC時(shí)，相對(duì)介電常數(shù)εr遵循居里-外斯定律（Curie-Weisslaw）。(forT>T0)（3.8）這里CW是居里常數(shù)（Curieconstant），T0是居里-外斯溫度（Curie-We