《材料性能學》PPT電子課件

《材料性能學》PPT電子課件,材料性能學,材料,性能,PPT,電子,課件 介質(zhì)在電場作用下產(chǎn)生感應電荷的現(xiàn)象介質(zhì)在電場作用下產(chǎn)生感應電荷的現(xiàn)象稱為介質(zhì)的極化，這類材料稱為電介質(zhì)。稱為介質(zhì)的極化，這類材料稱為電介質(zhì)。第四節(jié)第四節(jié) 介質(zhì)極化與介電性能介質(zhì)極化與介電性能一、極化的基本概念一、極化的基本概念無極分子無極分子：無極分子在沒有外電場時，分子正、負電荷中心重合。：無極分子在沒有外電場時，分子正、負電荷中心重合。但在外電場作用下，分子正、負電荷中心產(chǎn)生位移，形成取向外電場但在外電場作用下，分子正、負電荷中心產(chǎn)生位移，形成取向外電場方向的分子電偶極矩，使介質(zhì)表面出現(xiàn)極化電荷（束縛電荷）。極化方向的分子電偶極矩，使介質(zhì)表面出現(xiàn)極化電荷（束縛電荷）。極化電荷產(chǎn)生的附加電場方向與外電場方向相反。電荷產(chǎn)生的附加電場方向與外電場方向相反。靜電場中的電介質(zhì)有極分子有極分子：無外電場時，分子正、負電荷中心不重合，每：無外電場時，分子正、負電荷中心不重合，每 一個分子相當于一個電偶極子。一個分子相當于一個電偶極子。單位電場強度下，介質(zhì)粒子的電偶極矩單位電場強度下，介質(zhì)粒子的電偶極矩的大的大小稱為粒子的極化率，用小稱為粒子的極化率，用表示：表示：表征材料的極化能力，只與材料的性質(zhì)有關(guān)。表征材料的極化能力，只與材料的性質(zhì)有關(guān)。極性電介質(zhì)極性電介質(zhì)分子存在固有電偶極矩；在外電場作用下，電偶極分子存在固有電偶極矩；在外電場作用下，電偶極矩轉(zhuǎn)向外電場方向；外電場越強，電極化的程度越矩轉(zhuǎn)向外電場方向；外電場越強，電極化的程度越高。高。一、極化的基本概念極化強度：表征介質(zhì)在電場作用下極化程度。極化強度：表征介質(zhì)在電場作用下極化程度。一、極化的基本概念線性極化線性極化 介質(zhì)的極化：由電子極化、離子極化和偶極介質(zhì)的極化：由電子極化、離子極化和偶極子轉(zhuǎn)向極化組成。子轉(zhuǎn)向極化組成?；拘问剑何灰剖綐O化和松弛極化?；拘问剑何灰剖綐O化和松弛極化。位移式極化是一種彈性的、瞬時完成的位移式極化是一種彈性的、瞬時完成的極化，極化，極化過程不消耗能量極化過程不消耗能量，電子位移極化，電子位移極化和離子位移極化屬于這種類型。和離子位移極化屬于這種類型。二、極化的基本形式二、極化的基本形式電子位移極化：在外電場作用下原子外圍電子云電子位移極化：在外電場作用下原子外圍電子云相對于原子核發(fā)生位移，電子極化率依賴于頻率、相對于原子核發(fā)生位移，電子極化率依賴于頻率、與溫度無關(guān)。與溫度無關(guān)。離子位移極化：離子在電場作用下偏移平衡位置離子位移極化：離子在電場作用下偏移平衡位置松弛極化與熱運動有關(guān)，完成這種極化需要一松弛極化與熱運動有關(guān)，完成這種極化需要一定的時間，屬于非彈性極化，定的時間，屬于非彈性極化，極化過程需要消極化過程需要消耗一定的能量耗一定的能量，電子松弛極化和離子松弛極化，電子松弛極化和離子松弛極化屬于這種類型。屬于這種類型。二、極化的基本形式1、位移極化、位移極化 電子松弛極化由弱束縛電子引起的。晶格的熱電子松弛極化由弱束縛電子引起的。晶格的熱振動、晶格缺陷、雜質(zhì)、化學成分的局部改變等振動、晶格缺陷、雜質(zhì)、化學成分的局部改變等因素，都能使電子能態(tài)發(fā)生變化，出現(xiàn)位于禁帶因素，都能使電子能態(tài)發(fā)生變化，出現(xiàn)位于禁帶中的局部能級，形成弱束縛電子。中的局部能級，形成弱束縛電子。電子松弛極化過程伴隨有能量的損耗，松弛極電子松弛極化過程伴隨有能量的損耗，松弛極化建立的時間約為化建立的時間約為10-9s，當電場頻率高于，當電場頻率高于109Hz時，時，這種極化形式就消失。這種極化形式就消失。松弛極化還與粒子的熱運動有關(guān)，是不可逆過程。松弛極化還與粒子的熱運動有關(guān)，是不可逆過程。二、極化的基本形式2、松弛極化、松弛極化 離離子子松松弛弛極極化化是是由由弱弱聯(lián)聯(lián)系系離離子子產(chǎn)產(chǎn)生生的的。在在玻玻璃璃態(tài)態(tài)材材料料、結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)松松散散的的離離子子晶晶體體中中以以及及晶晶體體的的缺缺陷陷和和雜雜質(zhì)質(zhì)區(qū)區(qū)域域，離離子子本本身身能能量量較較高高，易易被被活活化化遷遷移移，稱稱為為弱弱聯(lián)聯(lián)系離子。系離子。與離子電導不同：松弛極化粒子僅作有限距離的與離子電導不同：松弛極化粒子僅作有限距離的遷移，它只能在結(jié)構(gòu)松散區(qū)或缺陷區(qū)附近移動。遷移，它只能在結(jié)構(gòu)松散區(qū)或缺陷區(qū)附近移動。二、極化的基本形式2、松弛極化、松弛極化 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向向極極化化主主要要發(fā)發(fā)生生在在極極性性分分子子介介質(zhì)質(zhì)中中。當當外外電電場場作作用用時時，偶偶極極子子發(fā)發(fā)生生轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向向，趨趨于于和和外外電電場場一一致致。但但熱熱運運動動抵抵抗抗這這種種趨趨勢勢，所所以以體體系系最最后后建建立立一一個個新新的的平平衡衡。在在這這種種狀狀態(tài)態(tài)下下，沿沿外外場場方方向向取取向向的的偶偶極極子子比比和和它它反反向向的的偶偶極極子子的的數(shù)數(shù)目目多多，所所以以整整個介質(zhì)出現(xiàn)宏觀偶極矩。個介質(zhì)出現(xiàn)宏觀偶極矩。轉(zhuǎn)向極化一般需要較長時間，約為轉(zhuǎn)向極化一般需要較長時間，約為10-2s10-10s。二、極化的基本形式3、轉(zhuǎn)向極化、轉(zhuǎn)向極化介介質(zhì)質(zhì)極極化化行行為為的的一一個個宏宏觀觀參參量量，它它表表示示電電容容器器在在有有介介質(zhì)質(zhì)時時的的電電容容與與在在真真空空狀狀態(tài)態(tài)時時的的電電容容相相比比較較時時的的增增長長倍倍數(shù)數(shù)。由由于于介介質(zhì)質(zhì)的的極極化化使使電電容器兩板間的電位差比真空時要低。容器兩板間的電位差比真空時要低。電位移電位移D：在靜電場中，電容器極板上的自：在靜電場中，電容器極板上的自由電荷面密度，其方向從自由正電荷指向自由電荷面密度，其方向從自由正電荷指向自由負電荷。由負電荷。三、介電常數(shù)三、介電常數(shù) 為電介質(zhì)材料的極化率，對于均勻的電介為電介質(zhì)材料的極化率，對于均勻的電介質(zhì)材料，質(zhì)材料，是個常數(shù)，它定量地表示出材料是個常數(shù)，它定量地表示出材料被電場極化的能力。被電場極化的能力。三、介電常數(shù)真空狀態(tài)下：真空狀態(tài)下：存在電介質(zhì)時：存在電介質(zhì)時：極化強度：極化強度：幾種幾種常用電介質(zhì)的常用電介質(zhì)的相對介電常數(shù)相對介電常數(shù)材料相對介電常數(shù)普通玻璃7石英玻璃4.2乙醇26氯丁橡膠8.3聚四氟乙烯2.0橡膠3.3聚乙烯2.3瓷5.5環(huán)氧樹脂4.65.295陶瓷13空氣1TiO類1001、極化類型的影響、極化類型的影響2、溫度的影響、溫度的影響（1）介電常數(shù)與溫度成非線性關(guān)系）介電常數(shù)與溫度成非線性關(guān)系（2）介電常數(shù)與溫度成線性關(guān)系）介電常數(shù)與溫度成線性關(guān)系介電常數(shù)很大的材料其介電常數(shù)很大的材料其TK為負值為負值介電常數(shù)較小的材料其介電常數(shù)較小的材料其TK為正值為正值3、頻率、電場強度的影響、頻率、電場強度的影響四、影響介電常數(shù)的因素四、影響介電常數(shù)的因素兩類兩類介質(zhì)損耗：電介質(zhì)在電場作用下，在單位時間介質(zhì)損耗：電介質(zhì)在電場作用下，在單位時間內(nèi)因發(fā)熱而消耗的能量。內(nèi)因發(fā)熱而消耗的能量。第五節(jié)第五節(jié) 電介質(zhì)的介質(zhì)損耗電介質(zhì)的介質(zhì)損耗一、電介質(zhì)損耗的基本概念一、電介質(zhì)損耗的基本概念漏導電流：在外電場作用下，一些帶電粒子發(fā)生漏導電流：在外電場作用下，一些帶電粒子發(fā)生移動而引起的微小電流。移動而引起的微小電流。漏導損耗漏導損耗：由漏導電流流經(jīng)介質(zhì)時使介質(zhì)發(fā)熱而：由漏導電流流經(jīng)介質(zhì)時使介質(zhì)發(fā)熱而損耗的能量。損耗的能量。極化損耗極化損耗：在極化：在極化(如松弛極化如松弛極化)緩慢建立的過程緩慢建立的過程中因克服阻力而引起能量的損耗。中因克服阻力而引起能量的損耗。1、電導、電導(或漏導或漏導)損耗損耗 弱聯(lián)系帶電粒子弱聯(lián)系帶電粒子(或空位或空位)引起。引起。2、極化損耗、極化損耗松弛極化所造成的介質(zhì)損耗比較大。松弛極化所造成的介質(zhì)損耗比較大。造成損耗原因：松弛極化建立的時間較長，電造成損耗原因：松弛極化建立的時間較長，電矩滯后于外加電場引起。矩滯后于外加電場引起。低頻率，不產(chǎn)生極化損耗；高頻率，低頻率，不產(chǎn)生極化損耗；高頻率，產(chǎn)生極化產(chǎn)生極化損耗。損耗。二、介質(zhì)的損耗形式二、介質(zhì)的損耗形式3、電離損耗、電離損耗 由氣體電離由氣體電離吸收能量所引起。吸收能量所引起。在正常條件下氣體的耐受電壓能力一般比固態(tài)在正常條件下氣體的耐受電壓能力一般比固態(tài)絕緣物的低。氣體電離產(chǎn)生電介質(zhì)損耗發(fā)熱膨絕緣物的低。氣體電離產(chǎn)生電介質(zhì)損耗發(fā)熱膨脹，可能導致整個固態(tài)絕緣物的熱破壞和造成脹，可能導致整個固態(tài)絕緣物的熱破壞和造成老化，盡量減少介質(zhì)中的氣孔。老化，盡量減少介質(zhì)中的氣孔。4、結(jié)構(gòu)損耗、結(jié)構(gòu)損耗 與溫度關(guān)系不大，隨頻率升高而增大與溫度關(guān)系不大，隨頻率升高而增大（雜質(zhì)）（雜質(zhì)）5、宏觀結(jié)構(gòu)不均勻的介質(zhì)損耗、宏觀結(jié)構(gòu)不均勻的介質(zhì)損耗 工程介質(zhì)材料大多數(shù)是不均勻介質(zhì)工程介質(zhì)材料大多數(shù)是不均勻介質(zhì)。二、介質(zhì)的損耗形式對漏導（電導）損耗的影響對漏導（電導）損耗的影響：只與溫度有關(guān)。：只與溫度有關(guān)。對極化損耗的影響：快極化無損耗，緩慢極化對極化損耗的影響：快極化無損耗，緩慢極化產(chǎn)生損耗。低頻率，不產(chǎn)生極化損耗；高頻率，產(chǎn)生損耗。低頻率，不產(chǎn)生極化損耗；高頻率，產(chǎn)生極化損耗。當外電場頻率很高時，僅由起產(chǎn)生極化損耗。當外電場頻率很高時，僅由起始電導率決定損耗始電導率決定損耗。三、影響材料介電損耗的因素三、影響材料介電損耗的因素外在因素：溫度和頻率外在因素：溫度和頻率W=W0eat 溫度很低時，溫度很低時，松弛時間很長，松弛極化松弛時間很長，松弛極化完全來不及建立，損耗很小。完全來不及建立，損耗很小。隨著溫度升高隨著溫度升高，松弛時間縮短，產(chǎn)生松弛極化，松弛時間縮短，產(chǎn)生松弛極化，損耗損耗增大。增大。當當隨溫度的隨溫度的繼續(xù)升高，損耗出現(xiàn)極大值。繼續(xù)升高，損耗出現(xiàn)極大值。在一般使用的介質(zhì)中，電導損耗往往與在一般使用的介質(zhì)中，電導損耗往往與松弛極化損耗同時存在松弛極化損耗同時存在，頻率、溫度等因素，頻率、溫度等因素對損對損耗的影響也是它們綜合作用的結(jié)果耗的影響也是它們綜合作用的結(jié)果。三、影響材料介電損耗的因素第六節(jié)第六節(jié) 絕緣材料的抗電強度絕緣材料的抗電強度一、強電場作用下絕緣材料的破壞一、強電場作用下絕緣材料的破壞 固體介質(zhì)的擊穿是不可逆過程，氣體及固體介質(zhì)的擊穿是不可逆過程，氣體及液體介質(zhì)的擊穿是可逆過程。液體介質(zhì)的擊穿是可逆過程。材料的擊穿電壓除與材料本身的性質(zhì)有關(guān)材料的擊穿電壓除與材料本身的性質(zhì)有關(guān)外，還與一系列的外界因素有關(guān)外，還與一系列的外界因素有關(guān)，如試樣和，如試樣和電極的形狀、外界的媒質(zhì)、溫度、壓力等，電極的形狀、外界的媒質(zhì)、溫度、壓力等，因此因此E穿穿不僅表示材質(zhì)的優(yōu)劣，同時也反映材不僅表示材質(zhì)的優(yōu)劣，同時也反映材料進行擊穿試驗時的條件。料進行擊穿試驗時的條件。電介質(zhì)的擊穿形式有電擊穿、熱擊穿和化電介質(zhì)的擊穿形式有電擊穿、熱擊穿和化學擊穿學擊穿3種。種。介質(zhì)在電場中擊穿現(xiàn)象相當復雜，介質(zhì)在電場中擊穿現(xiàn)象相當復雜，一個器件的擊穿可能有多種擊穿形式，但往一個器件的擊穿可能有多種擊穿形式，但往往有一種是主要、決定的形式。往有一種是主要、決定的形式。一、強電場作用下絕緣材料的破壞1、電擊穿、電擊穿 電過程，僅有電子參與電過程，僅有電子參與。（1）“雪崩雪崩”電擊穿理論電擊穿理論 強電場強電場自由電子自由電子撞擊介質(zhì)內(nèi)的離子撞擊介質(zhì)內(nèi)的離子 新的電子新的電子次級電子次級電子撞擊出第三級電子，撞擊出第三級電子，連鎖反應，形成連鎖反應，形成 “電子潮電子潮”。電擊穿往往是瞬息完成的電擊穿往往是瞬息完成的（2）能帶理論解釋擊穿現(xiàn)象）能帶理論解釋擊穿現(xiàn)象 電場強度增大，電子獲得足夠能量越過禁帶而電場強度增大，電子獲得足夠能量越過禁帶而進入上層導帶，絕緣材料就會被擊穿而導電。進入上層導帶，絕緣材料就會被擊穿而導電。二、擊穿形式二、擊穿形式2、熱擊穿熱擊穿 絕緣材料在電場下工作時由于各種形式絕緣材料在電場下工作時由于各種形式的損耗，部分電能轉(zhuǎn)變成熱能，若器件內(nèi)的損耗，部分電能轉(zhuǎn)變成熱能，若器件內(nèi)部產(chǎn)生的熱量大于器件散發(fā)出去的熱量，部產(chǎn)生的熱量大于器件散發(fā)出去的熱量，使器件溫度不斷上升使器件溫度不斷上升。當溫度超過一定限。當溫度超過一定限度時介質(zhì)會出現(xiàn)燒裂、熔度時介質(zhì)會出現(xiàn)燒裂、熔融等現(xiàn)象而完全融等現(xiàn)象而完全喪失絕緣能力，這就是介質(zhì)的熱擊穿喪失絕緣能力，這就是介質(zhì)的熱擊穿。二、擊穿形式3、化學擊穿、化學擊穿 在高溫、潮濕、高電壓或腐蝕性氣體環(huán)境中，在高溫、潮濕、高電壓或腐蝕性氣體環(huán)境中，絕緣材料內(nèi)部產(chǎn)生電解、腐蝕、氧化、還原等，絕緣材料內(nèi)部產(chǎn)生電解、腐蝕、氧化、還原等，逐漸老化，導致?lián)舸?。逐漸老化，導致?lián)舸?。機理：機理：1）在在直直流流和和低低頻頻交交變變電電壓壓下下，離離子子式式電電導導引引起起電電解解，發(fā)發(fā)生生電電還還原原反反應應，電電導導損損耗耗上上升升，強強烈烈發(fā)發(fā)熱導致?lián)舸?。熱導致?lián)舸?）材料中存在封閉氣孔）材料中存在封閉氣孔氣體的游離放出熱量氣體的游離放出熱量材料電子式電導大大增加材料電子式電導大大增加強烈發(fā)熱導致?lián)舸娏野l(fā)熱導致?lián)舸?。二、擊穿形?材料的組成與結(jié)構(gòu)材料的組成與結(jié)構(gòu) 1、溫度的影響、溫度的影響 （1）對電擊穿影響不大）對電擊穿影響不大 （2）對熱擊穿影響較大）對熱擊穿影響較大 （3）對化學擊穿加快）對化學擊穿加快 2、頻率的影響、頻率的影響 頻率頻率影響介質(zhì)損耗，進而對熱擊穿影響很大，影響介質(zhì)損耗，進而對熱擊穿影響很大，擊穿場強與頻率的平方根成反比擊穿場強與頻率的平方根成反比。另外，另外，器件的大小和形狀、散熱條件都器件的大小和形狀、散熱條件都 對擊穿有很大的影響對擊穿有很大的影響。三、影響抗電強度的因素三、影響抗電強度的因素 國標國標GB140894規(guī)定了固體電工材料工頻規(guī)定了固體電工材料工頻 擊穿電壓、擊穿場強和耐電壓的實驗方法擊穿電壓、擊穿場強和耐電壓的實驗方法 試樣的尺寸試樣的尺寸 電極形狀電極形狀 加壓方式加壓方式 連續(xù)均勻升壓法連續(xù)均勻升壓法 一分鐘逐級升壓法一分鐘逐級升壓法 對固體介質(zhì)抗電強度是破壞性實驗對固體介質(zhì)抗電強度是破壞性實驗 對產(chǎn)品檢驗常用耐電壓實驗對產(chǎn)品檢驗常用耐電壓實驗 四、抗電強度的測量與應用四、抗電強度的測量與應用