Дипломная работа: Диэлектрические композиты на основе модифицированного субмикронного титаната бария и цианового эфира ПВС

Электронная поляризуемость a_e возникает в результате смещения электронных орбиталей атомов относительно ядер и присуща всем твердым телам. У некоторых твердых веществ, например алмаза, _e - единственная составляющая поляризуемости; a_i - связана с относительным смещением или разделением катионов и анионов в твердом теле (определяет поляризацию в ионных кристаллах); a_d - возникает в веществах, имеющих постоянные электрические диполи (H₂ O, HCl ), которые могут удлиняться или менять ориентацию под действием поля.

Соотношение между ионной и электронной поляризацией характеризует меру упорядоченности электронов относительно ионов кристаллической решетки:

(2)

По вкладу в величину поляризации и диэлектрическую проницаемость a_s > a_d > a_i >a_e . Эти составляющие поляризуемости находят из емкостных, микроволновых и оптических измерений в широком интервале частот (f) (рисунок 1).

Поляризуемость и диэлектрическая проницаемость диэлектриков сильно зависят от частоты прилагаемого электрического поля f.

При f <10³ Гц все составляющие  дают вклад в величину p . При f>10⁶ объемный заряд не успевает образоваться у большинства ионных кристаллов. При f>10⁹ (микроволновая область) - нет поляризации диполей. Область f >10¹² (оптическая), где единственная составляющей поляризации является a_e . В оптической области n² = e'_¥ (показатель преломления в видимой области спектра).

Общий вид зависимости диэлектрической проницаемости от частоты приведен на рисунке 1.

Рисунок 1 - Зависимость диэлектрической проницаемости от частоты

В области междуидиэлектрическую проницаемость представляют в виде комплексной величины e* = e' - je", где e` - вещественная составляющая, а

где w = 2p f (угловая частота), t - время релаксации (сейчас для описания сложных процессов поляризации в диэлектриках вводится понятие "распределение времен релаксации").

2. Тангенс угла диэлектрических потерь ( tgδ ) – безразмерная величина, характеризующая рассеяние электрической энергии в конденсаторе, связанное с переходом этой энергии в тепловую (нагревом конденсатора) и рассеянием в окружающей среде. δ – угол потерь, дополняющий до 90 угол сдвига между током и напряжением в цепи конденсатора и отличный от нуля в силу наличия у реального диэлектрика конечного, а у обкладок – отличного от нуля сопротивления постоянному току и запаздывания поляризации диэлектрика по отношению к изменению внешнего поля. Значения tgδ при заданных внешних условиях зависит от свойств диэлектрика (на не слишком высоких частотах) и материала обкладок. Определяющими величину tgδ процессами в диэлектрике являются его электропроводность и релаксационная поляризация.

Тангенс диэлектрических потерь определяется соотношением:

"/` = tg (4)

Величина tgd для высококачественных диэлектриков составляет порядка 0,001. Например для керамических конденсаторов номиналом (емкостью С) 10...50 пФ tgd не превышает 1,5(150/С+7)^. 10^-4 . Для конденсаторов номиналом С > 50 пФ tgd не выше 0,0015. Для конденсаторов с емкостью порядка 0,01 мкФ tg ~ 0,035.

Характеристики диэлектриков определяют с использованием вольт-емкостных (C-V) или вольт-фарадных (ВФХ) методов [15].

1.2.4 Факторы, влияющие на свойства диэлектрических материалов

Одним из важнейших факторов, определяющим диэлектрические свойства материалов, является характер остаточной поляризации после прекращения действия внешних электрических, механических и тепловых полей.

В отсутствии внешнего электрического поля сегнетоэлектрики, как правило, имеют доменную структуру, то есть разбиваются на микроскопические области, обладающие спонтанной поляризацией.

Сегнетоэлектрики обладают высокой ` и остаточной поляризацией, что определяет высокую емкость изготавливаемых на их основе конденсаторов. Зависимость между величиной поляризации (Р , Кл/см<sup>2</sup> ) и напряженностью электрического поля характеризуется гистерезисом. Форма гистерезиса определяет величину остаточной поляризации (Р <sub>R</sub> ) и коэрцитивного поля (Н <sub>с</sub> ), которое снимает поляризацию. Например, для BaTiO<sub>3</sub> P <sub>s</sub> = 0,26 Кл/см<sup>2</sup> при 23 С. Зависимость ` от Т достигает максимума при температуре Кюри-Вeйсса (Т_с ) .

Под действием электрического поля могут происходить следующие процессы: изменение направления поляризации доменов; возрастание поляризации в пределах домена, если не все октаэдры имели одно направление поляризации; движение "стенок" доменов, т.е. изменение их размеров (рисунок 2) .

В антисегнетоэлектриках спонтанная поляризация P_s = 0, отсутствует гистерезис, но вблизи Т _c также наблюдается максимальная e ' .

Рисунок 2 - Схема ориентации вектора поляризации структурных единиц в сегнетоэлектриках

Величина напряженности электрического поля может влиять на фазовые переходы второго рода в сегнетоэлектриках (рисунок 3).

Рисунок 3 - Влияние температуры на ориентационные фазовые переходы типа порядок-беспорядок в PbZrO₃

Поскольку максимальная диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков достигается при T_c , то необходимо приблизить Т_с к рабочей температуре (обычно около25 С).