《材料性能學(xué)》第2版全套PPT課件

《材料性能學(xué)》第2版全套PPT課件,材料性能學(xué),材料,性能,全套,PPT,課件 介質(zhì)在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生感應(yīng)電荷的現(xiàn)象介質(zhì)在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生感應(yīng)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(wú)極分子無(wú)極分子：無(wú)極分子在沒有外電場(chǎng)時(shí)，分子正、負(fù)電荷中心重合。：無(wú)極分子在沒有外電場(chǎng)時(shí)，分子正、負(fù)電荷中心重合。但在外電場(chǎng)作用下，分子正、負(fù)電荷中心產(chǎn)生位移，形成取向外電場(chǎng)但在外電場(chǎng)作用下，分子正、負(fù)電荷中心產(chǎn)生位移，形成取向外電場(chǎng)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(chǎng)方向與外電場(chǎng)方向相反。電荷產(chǎn)生的附加電場(chǎng)方向與外電場(chǎng)方向相反。靜電場(chǎng)中的電介質(zhì)有極分子有極分子：無(wú)外電場(chǎng)時(shí)，分子正、負(fù)電荷中心不重合，每：無(wú)外電場(chǎng)時(shí)，分子正、負(fù)電荷中心不重合，每 一個(gè)分子相當(dāng)于一個(gè)電偶極子。一個(gè)分子相當(dāng)于一個(gè)電偶極子。單位電場(chǎng)強(qiáng)度下，介質(zhì)粒子的電偶極矩單位電場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)作用下，電偶極分子存在固有電偶極矩；在外電場(chǎng)作用下，電偶極矩轉(zhuǎn)向外電場(chǎng)方向；外電場(chǎng)越強(qiáng)，電極化的程度越矩轉(zhuǎn)向外電場(chǎng)方向；外電場(chǎng)越強(qiáng)，電極化的程度越高。高。一、極化的基本概念極化強(qiáng)度：表征介質(zhì)在電場(chǎng)作用下極化程度。極化強(qiáng)度：表征介質(zhì)在電場(chǎng)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(shí)完成的位移式極化是一種彈性的、瞬時(shí)完成的極化，極化，極化過(guò)程不消耗能量極化過(guò)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(chǎng)作用下原子外圍電子云電子位移極化：在外電場(chǎng)作用下原子外圍電子云相對(duì)于原子核發(fā)生位移，電子極化率依賴于頻率、相對(duì)于原子核發(fā)生位移，電子極化率依賴于頻率、與溫度無(wú)關(guān)。與溫度無(wú)關(guān)。離子位移極化：離子在電場(chǎng)作用下偏移平衡位置離子位移極化：離子在電場(chǎng)作用下偏移平衡位置松弛極化與熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)，完成這種極化需要一松弛極化與熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)，完成這種極化需要一定的時(shí)間，屬于非彈性極化，定的時(shí)間，屬于非彈性極化，極化過(guò)程需要消極化過(guò)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(dòng)、晶格缺陷、雜質(zhì)、化學(xué)成分的局部改變等振動(dòng)、晶格缺陷、雜質(zhì)、化學(xué)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(jí)，形成弱束縛電子。中的局部能級(jí)，形成弱束縛電子。電子松弛極化過(guò)程伴隨有能量的損耗，松弛極電子松弛極化過(guò)程伴隨有能量的損耗，松弛極化建立的時(shí)間約為化建立的時(shí)間約為10-9s，當(dāng)電場(chǎng)頻率高于，當(dāng)電場(chǎng)頻率高于109Hz時(shí)，時(shí)，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(yùn)動(dòng)有關(guān)，是不可逆過(guò)程。松弛極化還與粒子的熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)，是不可逆過(guò)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(dǎo)不同：松弛極化粒子僅作有限距離的與離子電導(dǎo)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(dòng)。遷移，它只能在結(jié)構(gòu)松散區(qū)或缺陷區(qū)附近移動(dòng)。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(dāng)當(dāng)外外電電場(chǎng)場(chǎng)作作用用時(shí)時(shí)，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(chǎng)場(chǎng)一一致致。但但熱熱運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)抵抵抗抗這這種種趨趨勢(shì)勢(shì)，所所以以體體系系最最后后建建立立一一個(gè)個(gè)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(chǎng)場(chǎng)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(gè)介質(zhì)出現(xiàn)宏觀偶極矩。個(gè)介質(zhì)出現(xiàn)宏觀偶極矩。轉(zhuǎn)向極化一般需要較長(zhǎng)時(shí)間，約為轉(zhuǎn)向極化一般需要較長(zhǎng)時(shí)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(gè)個(gè)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(shí)時(shí)的的電電容容與與在在真真空空狀狀態(tài)態(tài)時(shí)時(shí)的的電電容容相相比比較較時(shí)時(shí)的的增增長(zhǎng)長(zhǎng)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(shí)要低。容器兩板間的電位差比真空時(shí)要低。電位移電位移D：在靜電場(chǎng)中，電容器極板上的自：在靜電場(chǎng)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(fù)電荷。由負(fù)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(duì)于均勻的電介為電介質(zhì)材料的極化率，對(duì)于均勻的電介質(zhì)材料，質(zhì)材料，是個(gè)常數(shù)，它定量地表示出材料是個(gè)常數(shù)，它定量地表示出材料被電場(chǎng)極化的能力。被電場(chǎng)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(shí)：存在電介質(zhì)時(shí)：極化強(qiáng)度：極化強(qiáng)度：幾種幾種常用電介質(zhì)的常用電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)相對(duì)介電常數(shù)材料相對(duì)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(fù)值為負(fù)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(chǎng)強(qiáng)度的影響、頻率、電場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)作用下，在單位時(shí)間介質(zhì)損耗：電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下，在單位時(shí)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(dǎo)電流：在外電場(chǎng)作用下，一些帶電粒子發(fā)生漏導(dǎo)電流：在外電場(chǎng)作用下，一些帶電粒子發(fā)生移動(dòng)而引起的微小電流。移動(dòng)而引起的微小電流。漏導(dǎo)損耗漏導(dǎo)損耗：由漏導(dǎo)電流流經(jīng)介質(zhì)時(shí)使介質(zhì)發(fā)熱而：由漏導(dǎo)電流流經(jīng)介質(zhì)時(shí)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(guò)程緩慢建立的過(guò)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(dǎo)、電導(dǎo)(或漏導(dǎo)或漏導(dǎo))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(shí)間較長(zhǎng)，電造成損耗原因：松弛極化建立的時(shí)間較長(zhǎng)，電矩滯后于外加電場(chǎng)引起。矩滯后于外加電場(chǎng)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(dǎo)致整個(gè)固態(tài)絕緣物的熱破壞和造成脹，可能導(dǎo)致整個(gè)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(duì)漏導(dǎo)（電導(dǎo)）損耗的影響對(duì)漏導(dǎo)（電導(dǎo)）損耗的影響：只與溫度有關(guān)。：只與溫度有關(guān)。對(duì)極化損耗的影響：快極化無(wú)損耗，緩慢極化對(duì)極化損耗的影響：快極化無(wú)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(dāng)外電場(chǎng)頻率很高時(shí)，僅由起產(chǎn)生極化損耗。當(dāng)外電場(chǎng)頻率很高時(shí)，僅由起始電導(dǎo)率決定損耗始電導(dǎo)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(shí)，溫度很低時(shí)，松弛時(shí)間很長(zhǎng)，松弛極化松弛時(shí)間很長(zhǎng)，松弛極化完全來(lái)不及建立，損耗很小。完全來(lái)不及建立，損耗很小。隨著溫度升高隨著溫度升高，松弛時(shí)間縮短，產(chǎn)生松弛極化，松弛時(shí)間縮短，產(chǎn)生松弛極化，損耗損耗增大。增大。當(dāng)當(dāng)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(dǎo)損耗往往與在一般使用的介質(zhì)中，電導(dǎo)損耗往往與松弛極化損耗同時(shí)存在松弛極化損耗同時(shí)存在，頻率、溫度等因素，頻率、溫度等因素對(duì)損對(duì)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(qiáng)度絕緣材料的抗電強(qiáng)度一、強(qiáng)電場(chǎng)作用下絕緣材料的破壞一、強(qiáng)電場(chǎng)作用下絕緣材料的破壞 固體介質(zhì)的擊穿是不可逆過(guò)程，氣體及固體介質(zhì)的擊穿是不可逆過(guò)程，氣體及液體介質(zhì)的擊穿是可逆過(guò)程。液體介質(zhì)的擊穿是可逆過(guò)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(shí)也反映材不僅表示材質(zhì)的優(yōu)劣，同時(shí)也反映材料進(jìn)行擊穿試驗(yàn)時(shí)的條件。料進(jìn)行擊穿試驗(yàn)時(shí)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(xué)擊穿學(xué)擊穿3種。種。介質(zhì)在電場(chǎng)中擊穿現(xiàn)象相當(dāng)復(fù)雜，介質(zhì)在電場(chǎng)中擊穿現(xiàn)象相當(dāng)復(fù)雜，一個(gè)器件的擊穿可能有多種擊穿形式，但往一個(gè)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(qiáng)電場(chǎng)作用下絕緣材料的破壞1、電擊穿、電擊穿 電過(guò)程，僅有電子參與電過(guò)程，僅有電子參與。（1）“雪崩雪崩”電擊穿理論電擊穿理論 強(qiáng)電場(chǎng)強(qiáng)電場(chǎng)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(jí)電子次級(jí)電子撞擊出第三級(jí)電子，撞擊出第三級(jí)電子，連鎖反應(yīng)，形成連鎖反應(yīng)，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(chǎng)強(qiáng)度增大，電子獲得足夠能量越過(guò)禁帶而電場(chǎng)強(qiáng)度增大，電子獲得足夠能量越過(guò)禁帶而進(jìn)入上層導(dǎo)帶，絕緣材料就會(huì)被擊穿而導(dǎo)電。進(jìn)入上層導(dǎo)帶，絕緣材料就會(huì)被擊穿而導(dǎo)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(chǎng)下工作時(shí)由于各種形式絕緣材料在電場(chǎng)下工作時(shí)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(dāng)溫度超過(guò)一定限。當(dāng)溫度超過(guò)一定限度時(shí)介質(zhì)會(huì)出現(xiàn)燒裂、熔度時(shí)介質(zhì)會(huì)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(xué)擊穿、化學(xué)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(dǎo)致?lián)舸?。逐漸老化，導(dǎo)致?lián)舸?。機(jī)理：機(jī)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(dǎo)導(dǎo)引引起起電電解解，發(fā)發(fā)生生電電還還原原反反應(yīng)應(yīng)，電電導(dǎo)導(dǎo)損損耗耗上上升升，強(qiáng)強(qiáng)烈烈發(fā)發(fā)熱導(dǎo)致?lián)舸?。熱?dǎo)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(dǎo)大大增加材料電子式電導(dǎo)大大增加強(qiáng)烈發(fā)熱導(dǎo)致?lián)舸?。?qiáng)烈發(fā)熱導(dǎo)致?lián)舸６?、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(duì)電擊穿影響不大）對(duì)電擊穿影響不大 （2）對(duì)熱擊穿影響較大）對(duì)熱擊穿影響較大 （3）對(duì)化學(xué)擊穿加快）對(duì)化學(xué)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(jìn)而對(duì)熱擊穿影響很大，影響介質(zhì)損耗，進(jìn)而對(duì)熱擊穿影響很大，擊穿場(chǎng)強(qiáng)與頻率的平方根成反比擊穿場(chǎng)強(qiáng)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(duì)擊穿有很大的影響對(duì)擊穿有很大的影響。三、影響抗電強(qiáng)度的因素三、影響抗電強(qiáng)度的因素 國(guó)標(biāo)國(guó)標(biāo)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(chǎng)強(qiáng)和耐電壓的實(shí)驗(yàn)方法擊穿電壓、擊穿場(chǎng)強(qiáng)和耐電壓的實(shí)驗(yàn)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(jí)升壓法一分鐘逐級(jí)升壓法 對(duì)固體介質(zhì)抗電強(qiáng)度是破壞性實(shí)驗(yàn)對(duì)固體介質(zhì)抗電強(qiáng)度是破壞性實(shí)驗(yàn) 對(duì)產(chǎn)品檢驗(yàn)常用耐電壓實(shí)驗(yàn)對(duì)產(chǎn)品檢驗(yàn)常用耐電壓實(shí)驗(yàn) 四、抗電強(qiáng)度的測(cè)量與應(yīng)用四、抗電強(qiáng)度的測(cè)量與應(yīng)用