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1、第六章 其它功能特性第一节 介电性能 在人类对电认识和应用的开始阶段，电介质材在人类对电认识和应用的开始阶段，电介质材料就问世了。然而，当时的电介质仅作为分隔电流料就问世了。然而，当时的电介质仅作为分隔电流的绝缘材料来应用。为了改进电绝缘材料的性能，的绝缘材料来应用。为了改进电绝缘材料的性能，以适应日益发展的电气工程和无线电工程的需要，以适应日益发展的电气工程和无线电工程的需要，围绕不同的电介质在不同频率、不同场强的电场作围绕不同的电介质在不同频率、不同场强的电场作用下所出现的现象进行科学研究，并总是以绝缘体用下所出现的现象进行科学研究，并总是以绝缘体的介电常数、损耗、电导和击穿等所谓四大参数
2、为的介电常数、损耗、电导和击穿等所谓四大参数为其主要内容。其主要内容。 随着电子技术、激光、红外、声学以及其它新随着电子技术、激光、红外、声学以及其它新技术的出现和发展，电介质已远不是仅作绝缘材料技术的出现和发展，电介质已远不是仅作绝缘材料来应用了。特别是极性电介质的出现和被广泛应用来应用了。特别是极性电介质的出现和被广泛应用、使得人们对电介质的理解及其范畴和过去大不相、使得人们对电介质的理解及其范畴和过去大不相同。同。引言引言 以绝缘体的四大参数为主要内容也逐步演变为以研究物质内部电极化过程。 固态电介质分布很广，而且往往具有许多可供利用的性质。例如电致伸缩、压电性、热释电性、铁电性等，从而
3、引起了广泛的研究。实际上，这些性质是与晶体的内在结构、其中的束缚原子(或离子)以及束缚电子的运动等都有密切的关系。现在，固态电介质物理与固体物理、晶体光学有着许多交迭的领域。特别是在激光出现以后，研究晶态电介质与激光的相互作用又构成为固态激光光谱学、固态非线性光学。6.1 介质的极化与损耗介质的极化与损耗6.1.1 介质极化相关物理量介质极化相关物理量电容电容 ：两个临近导体加上电压后存储：两个临近导体加上电压后存储电荷能力的量度。是电荷能力的量度。是表征电容器容表征电容器容纳电荷的本领的物理量纳电荷的本领的物理量 电容的单位是法拉，简称法，符号是电容的单位是法拉，简称法，符号是F, 毫法毫法
4、(mF)、微法、微法(F)、纳法、纳法(nF) 和皮和皮法法(pF)介电常数介电常数1 1）材料因素：）材料因素： 材料在电场中被极化的能力材料在电场中被极化的能力 2 2）尺寸因素：）尺寸因素： d d 和和A A ：平板间的距离和面积：平板间的距离和面积平行板电容器在真空平行板电容器在真空：在平行板电容器间放置某些材料，会使电容器存储电荷的能力增加，在平行板电容器间放置某些材料，会使电容器存储电荷的能力增加，CCCC0 0真空介电常数真空介电常数：0 0 =8.85 =8.851010-12-12 F. m F. m-1-1( (法拉法拉/ /米米) ) 相对介电常数相对介电常数：r r介
5、电常数（电容率）：介电常数（电容率）： = = 0 0 r r( (F/m)F/m)介电常数是描述某种材料放入电容器中增加电容器存储电荷能力的物理量。介电常数是描述某种材料放入电容器中增加电容器存储电荷能力的物理量。dAVQC/0000CCrdACCrr/00材料频率范围/Hz相对介电常数二氧化硅玻璃102-10106.78金刚石直流6.6-SiC直流9.70多晶ZnS直流8.7聚乙烯602.28聚氯乙烯606.0聚甲基丙烯酸甲酯606.5钛酸钡1066000刚玉609介电材料：介电材料：放在平板电容器中增加电容的材料放在平板电容器中增加电容的材料电介质：电介质：在电场作用下能建立极化的物质。
6、在电场作用下能建立极化的物质。感应电荷（束缚电荷）：感应电荷（束缚电荷）：在真空平板电容器中嵌入在真空平板电容器中嵌入一块电解质加入外电场时，在整机附近的介质表面一块电解质加入外电场时，在整机附近的介质表面感应出的负电荷，负极板附件的介质表面感应出的感应出的负电荷，负极板附件的介质表面感应出的正电荷。正电荷。极化：极化：电介质在电场作用下产生束缚电荷的现象。电介质在电场作用下产生束缚电荷的现象。极化电荷：极化电荷：电介质在外电场的作用下，在和外电场相电介质在外电场的作用下，在和外电场相垂直的电介质表面分别出现正、负电荷。这些电荷不垂直的电介质表面分别出现正、负电荷。这些电荷不能自由移动，也不能
7、离开，总保持中性。能自由移动，也不能离开，总保持中性。电解质的分类：电解质的分类：极性分子电解质和非极性分子电解极性分子电解质和非极性分子电解质质-分子的正负电荷统计重心是否重合，是否有点分子的正负电荷统计重心是否重合，是否有点偶极子？偶极子？Q：所含电量；：所含电量；l：正负电荷重心距离：正负电荷重心距离电介质在外电场作用下，无极性分子的正负电荷重电介质在外电场作用下，无极性分子的正负电荷重心重合将产生分离，产生电偶极矩。心重合将产生分离，产生电偶极矩。据分子的电结构，电介质可分为：据分子的电结构，电介质可分为：极性分子电介质：极性分子电介质：H2O;CO（有）（有）非极性分子电介质：非极性
8、分子电介质：CH4;He电极化强度（电极化强度（P P） ：电解质极化程度的量度电解质极化程度的量度（C/mC/m2 2）. .P=/V：电介质中所有电偶极矩的矢量和：电介质中所有电偶极矩的矢量和V： 所有电偶极矩所在空间的体积所有电偶极矩所在空间的体积6.1.2 6.1.2 极化类型极化类型电子位移极化，离子位移极化，转向极化电子位移极化，离子位移极化，转向极化，空间电荷极化，分别对应电子、原子、，空间电荷极化，分别对应电子、原子、分子和空间电荷情况。分子和空间电荷情况。 位移极化，由电子或离子位位移极化，由电子或离子位移产生电偶极矩而产生的极化。移产生电偶极矩而产生的极化。分为电子位移极化
9、和离子位移极分为电子位移极化和离子位移极化。化。（1 1）电子位移极化）电子位移极化 材料在外电场的作用下，分子或原子中的正负材料在外电场的作用下，分子或原子中的正负电荷产生相对位移，中性分就变成偶极子。电荷产生相对位移，中性分就变成偶极子。 这种极化可以在光频下进行，这种极化可以在光频下进行，1010-15-15s s； 弹性，可逆；弹性，可逆； 与温度无关；与温度无关； 产生于所有材料中；产生于所有材料中； 电子极化率的大小与原子电子极化率的大小与原子( (离子离子) )的半径有关的半径有关E-+d+-3034Re（2 2）离子位移极化：）离子位移极化： 外电场作用下，负离子和正离子相对于
10、它们的正常位置发外电场作用下，负离子和正离子相对于它们的正常位置发生生位移位移，形成一个感生偶极矩。，形成一个感生偶极矩。 反应时间为反应时间为1010-13-13S S 可逆可逆; ; 温度升高，极化增强温度升高，极化增强； 产生于离子结构电介质中产生于离子结构电介质中离子位移极化率：离子位移极化率：式中：式中：a a为晶格常数；为晶格常数；n n为电子层斥力指数，为电子层斥力指数， 对于离子晶体对于离子晶体n n为为7-117-11 0341naa（3 3）驰豫极化）驰豫极化 外加电场作用于弱束缚荷电粒子造成，与外加电场作用于弱束缚荷电粒子造成，与带电质点的热运动密切相关。热运动使这些质带
11、电质点的热运动密切相关。热运动使这些质点分布混乱，而电场使它们有序分布，平衡时点分布混乱，而电场使它们有序分布，平衡时建立了极化状态。为非可逆过程。建立了极化状态。为非可逆过程。电子驰豫极化电子驰豫极化 由于晶格的热运动，晶格缺陷，杂质引入，由于晶格的热运动，晶格缺陷，杂质引入，化学成分局部改变等因素，使电子能态发生改变，化学成分局部改变等因素，使电子能态发生改变，导致位于禁带中的局部能级中出现弱束缚电子，导致位于禁带中的局部能级中出现弱束缚电子，在热运动和电场作用下建立相应的极化状态。在热运动和电场作用下建立相应的极化状态。 不可逆；反应时间为不可逆；反应时间为1010-9-91010-2-
12、2S S；产生于；产生于NbNb、BiBi、TiTi为基的氧化物陶瓷中，随温度升高变化有为基的氧化物陶瓷中，随温度升高变化有极大值。极大值。离子驰豫极化：离子驰豫极化： 弱联系离子：在玻璃状态的物质、结构松弱联系离子：在玻璃状态的物质、结构松散的离子晶体、晶体中的杂质或缺陷区域，离子散的离子晶体、晶体中的杂质或缺陷区域，离子自身能量较高，易于活化迁移，这些离子称为弱自身能量较高，易于活化迁移，这些离子称为弱联系离子。由弱联系离子在电场和热作用下建立联系离子。由弱联系离子在电场和热作用下建立的极化为离子弛豫极化。的极化为离子弛豫极化。 不可逆；反应时间为不可逆；反应时间为 1010-5-5101
13、0-2-2S S；随温度随温度变化有极大值。变化有极大值。 T Ta a极化率极化率 ；q q为离子荷电量；为离子荷电量； 为弱离子电场作用下的迁移；为弱离子电场作用下的迁移；kTqaT1222（4 4）转向极化）转向极化 存在固有偶极矩，无外电场时，混乱排列，使总极存在固有偶极矩，无外电场时，混乱排列，使总极矩矩=0=0，有外电场作用时，偶极转向，成定向排列，从，有外电场作用时，偶极转向，成定向排列，从而产生介质极化。而产生介质极化。 为无外电场时的均方偶极矩。为无外电场时的均方偶极矩。 kTd320特点：特点：非弹性的，不可逆；非弹性的，不可逆；形成极化时间较长；形成极化时间较长；温度对介
14、电常数有很大影响。温度对介电常数有很大影响。（5) 5) 空间电荷极化空间电荷极化 非均匀介质中，非均匀介质中，正负离子正负离子分别向负、正极移动，产生电分别向负、正极移动，产生电偶极矩，即空间电荷极化，在偶极矩，即空间电荷极化，在电极附近积聚的就是空间电荷。电极附近积聚的就是空间电荷。 在物理阻碍：晶界，相界，在物理阻碍：晶界，相界，自由表面，缺陷等处，自由电自由表面，缺陷等处，自由电荷积聚就可形成空间电荷极化荷积聚就可形成空间电荷极化。在夹层、气泡处形成的称为界在夹层、气泡处形成的称为界面极化。面极化。 特点：特点：反应时间很长，几秒到数十分钟；反应时间很长，几秒到数十分钟；随温度升高而减
15、弱；随温度升高而减弱；存在于结构不均匀的陶瓷电介质中；存在于结构不均匀的陶瓷电介质中；非弹性极化；非弹性极化；小结：（1）总的极化强度是上述各种机制作用的总和。（2）材料的组织结构影响极化机制。（3） 外电场的频率：某种机制都是在不同的时间量级内发生的，只有在某个领域频率范围内才有显著的贡献。离子、转向极化原子种类和键合类型空间电荷极化面缺陷 各种极化形式的比较各种极化形式的比较极化形式极化形式极化的电介极化的电介质种类质种类极化的频率极化的频率范围范围与温度的关与温度的关系系能量消耗能量消耗电子位移极电子位移极化化一切陶瓷一切陶瓷直流直流光光频频无关无关无无离子位移极离子位移极化化离子结构离
16、子结构直流直流红红外外温度升高极温度升高极化增强化增强很弱很弱离子松弛极离子松弛极化化离子不紧密离子不紧密的材料的材料直流直流超超高频高频随温度变化随温度变化有极大值有极大值有有电子位移松电子位移松弛极化弛极化高价金属氧高价金属氧化物化物直流直流超超高频高频随温度变化随温度变化有极大值有极大值有有转向极化转向极化有机有机直流直流超超高频高频随温度变化随温度变化有极大值有极大值有有空间电荷极空间电荷极化化结构不均匀结构不均匀的材料的材料直流直流高高频频随温度升高随温度升高而减小而减小有有6.1.3 6.1.3 宏观极化强度和微观极化率的关系宏观极化强度和微观极化率的关系(1) 有效电场：作用于分
17、子、原子上的有效电场外加电场E0电介质极化形成的退极化场Ed周围的荷电质点作用形成Ei+ +- -E0EdEi03/PEEloc宏dEEE0宏观（2）克劳修斯-莫索堤方程极化强度P可以写为单位体积电介质在实际电场作用下所有电偶极矩的总和iiNP单位体积第i种偶极子数目第i种偶极子平均偶极矩lociiE荷电质点的平均偶极矩正比于作用于质点上的局部电场局部电场lociiENP第i种偶极子电极化率idlocEEEE003PEi) 1)(00rdEEPiiirrN03121iiirrN03121相对介电常相对介电常数数偶极子种偶极子种类类极化率极化率偶极子数偶极子数目目宏观介电常宏观介电常数数微观介电
18、机微观介电机制制)(3121443322110NNNNirr电子位电子位移极化移极化离子位离子位移极化移极化取向取向极化极化空间电空间电荷极化荷极化 上式表明，研制高介电常数的方向，应选择大的极化率的离子，同时选择单位体积内极化质点多的电介质。损耗的形式损耗的形式 介质损耗的表示方法介质损耗的表示方法 介质损耗和频率、温度的关系介质损耗和频率、温度的关系 电导损耗：电导损耗：在电场作用下，介质中会有在电场作用下，介质中会有泄漏电流泄漏电流流过，流过，引起电导损耗。引起电导损耗。 极化损耗：极化损耗：只有缓慢极化过程才会引起只有缓慢极化过程才会引起能量能量损耗，如损耗，如偶极子的极化损耗。偶极子
19、的极化损耗。 游离损耗：游离损耗：气体间隙中的气体间隙中的电晕损耗电晕损耗和液、固绝缘体中和液、固绝缘体中局部放电局部放电引起的功率损耗称为游离损耗。引起的功率损耗称为游离损耗。当容量为当容量为C0= 0A/d的平板电容器上加一交变电压的平板电容器上加一交变电压U=U0eiwt。则：则：电容器极板间为真空介质时，电容上的电流为电容器极板间为真空介质时，电容上的电流为：UCidtdQI00电容器极板间为非极性绝缘材料时，电容上的电流为：电容器极板间为非极性绝缘材料时，电容上的电流为：UCUidtdQIr0定义复电导率由 Eji定义复介电常数由 Eijii电容项损耗项定义损耗角tg 损耗角正切的倒
20、数Q就表示电介质的品质因数，希望它的值高。（3 3）频率的影响）频率的影响r，tg，p与与的关系的关系rsm1 在 下，损耗角正切值达最大值，即可得m（2 2）温度的影响）温度的影响r r、tgtg、P P与与T T的关系的关系 介质吸潮后，介电常数会增加，但比电导的增介质吸潮后，介电常数会增加，但比电导的增加要慢，由于电导损耗增大以及松驰极化损耗加要慢，由于电导损耗增大以及松驰极化损耗增加，而使增加，而使tgtg增大。增大。 对于极性电介质或多孔材料来说，这种影响特对于极性电介质或多孔材料来说，这种影响特别突出，如，纸内水分含量从别突出，如，纸内水分含量从4 4增加到增加到1010时，时，其
21、其tgtg可增加可增加100100倍。倍。(1)(1)无机材料的损耗形式主要有：无机材料的损耗形式主要有： 电离损耗电离损耗 结构损耗结构损耗电离损耗电离损耗主要发生在含有气相的材料中。含有主要发生在含有气相的材料中。含有气孔的固体介质在外电场强度超过了气孔内气气孔的固体介质在外电场强度超过了气孔内气体电离所需要的电场强度时，由于气体电离而体电离所需要的电场强度时，由于气体电离而吸收能量，造成损耗，即电离损耗。其损耗功吸收能量，造成损耗，即电离损耗。其损耗功率可以用下式近似计算：率可以用下式近似计算：20UUAPwU为外施加电压；为外施加电压；U0为气体的电离电压为气体的电离电压结构损耗结构损
22、耗是在高频、低温下，与介质内部结构是在高频、低温下，与介质内部结构的紧密程度密切相关的介质损耗。结构损耗与温的紧密程度密切相关的介质损耗。结构损耗与温度的关系很小，损耗功率随频率升高而增大，但度的关系很小，损耗功率随频率升高而增大，但tgtg则和频率无关。则和频率无关。一般材料，在高温、低频下，主要为电导损耗；在常温、高频下，主要为松弛极化损耗；在低温、高频下主要为结构损耗。v 离子晶体可以分为结构紧密的晶体和结构不离子晶体可以分为结构紧密的晶体和结构不紧密的离子晶体。紧密的离子晶体。v 结构紧密的晶体离子都堆积得十分紧密，排结构紧密的晶体离子都堆积得十分紧密，排列很有规则，离子键强度比较大，
23、无极化损列很有规则，离子键强度比较大，无极化损耗。耗。v 结构不紧密的离子晶体的内部有较大的空隙结构不紧密的离子晶体的内部有较大的空隙或晶格畸变，含有缺陷或较多的杂质，离子或晶格畸变，含有缺陷或较多的杂质，离子的活动范围扩大，损耗较大。的活动范围扩大，损耗较大。复杂玻璃中的介质损耗主要包括三个部分：复杂玻璃中的介质损耗主要包括三个部分：电导损耗、松弛损耗和结构损耗。电导损耗、松弛损耗和结构损耗。哪一种损耗占优势，决定于外界因素哪一种损耗占优势，决定于外界因素温度和外加电压的频率温度和外加电压的频率。 玻璃的玻璃的tg与温度的关系与温度的关系1、结构损耗；、结构损耗； 2、松弛损耗、松弛损耗3、
24、电导损耗；、电导损耗； 4、总、总 损损 耗耗Na2OK2OB2O3玻璃玻璃的的tg与组成的关系与组成的关系 主要是电导损耗、松弛质点的极化损耗及结主要是电导损耗、松弛质点的极化损耗及结构损耗。构损耗。 表面气孔吸附水分、油污及灰尘等造成表面表面气孔吸附水分、油污及灰尘等造成表面电导也会引起较大的损耗。电导也会引起较大的损耗。 大多数电工陶瓷的离子松弛极化损耗较大，大多数电工陶瓷的离子松弛极化损耗较大，主要原因是：主晶相结构松散，生成了缺陷主要原因是：主晶相结构松散，生成了缺陷固溶体，多晶形转变等。固溶体，多晶形转变等。6.1.6降低材料的介质损耗的方法降低材料的介质损耗的方法选择合适的主晶相
25、。选择合适的主晶相。改善主晶相性能时，尽量避免产生缺位固溶改善主晶相性能时，尽量避免产生缺位固溶体或填隙固溶体，最好形成连续固溶体。体或填隙固溶体，最好形成连续固溶体。尽量减少玻璃相。尽量减少玻璃相。防止产生多晶转变。防止产生多晶转变。注意焙烧气氛。注意焙烧气氛。控制好最终烧结温度控制好最终烧结温度讨论介质损耗的意义讨论介质损耗的意义v绝缘结构设计时必须注意到绝缘材料的绝缘结构设计时必须注意到绝缘材料的tg tg v用于冲击测量的连接电缆，其绝缘的用于冲击测量的连接电缆，其绝缘的tgtg必须必须很小很小v在绝缘预防性试验中，在绝缘预防性试验中，tgtg是一项基本测试项是一项基本测试项目，当绝缘
26、受潮或劣化时，目，当绝缘受潮或劣化时，tgtg急剧上升。急剧上升。v介质损耗引起的发热有时也可以利用介质损耗引起的发热有时也可以利用6.2 介电强度介电强度概述：固体电介质的击穿就是在电场作用下伴随着热固体电介质的击穿就是在电场作用下伴随着热、化学、力等等的作用而丧失其绝缘性能的现象。、化学、力等等的作用而丧失其绝缘性能的现象。击穿后在材料中留下有不能恢复的痕迹，如烧焦或击穿后在材料中留下有不能恢复的痕迹，如烧焦或溶化的通道、裂缝等溶化的通道、裂缝等 ，去掉外施电压，去掉外施电压 ，不能自行，不能自行恢复绝缘性能。恢复绝缘性能。 击穿场强击穿场强电介质所能承受的不被击穿的最大场强。电介质所能承
27、受的不被击穿的最大场强。击穿电压击穿电压电介质（或电容器）击穿时两极板的电压。电介质（或电容器）击穿时两极板的电压。电介质的击穿电介质的击穿 一般外电场不太强时，电介质只被极化，一般外电场不太强时，电介质只被极化，不影响其绝缘性能。当其处在很强的外电场中时，电介质不影响其绝缘性能。当其处在很强的外电场中时，电介质分子的正负电荷中心被拉开，甚至脱离约束而成为自由电分子的正负电荷中心被拉开，甚至脱离约束而成为自由电荷，荷，电介质变为导电材料电介质变为导电材料。当施加在电介质上的电压增大当施加在电介质上的电压增大到一定值时，使电介质失去绝缘性的现象称为到一定值时，使电介质失去绝缘性的现象称为击穿击穿
28、(breakdown)(breakdown)。相应的临界电场强度称为介电强度，也称击相应的临界电场强度称为介电强度，也称击穿场强。穿场强。Al2O3 (0.03mm) 7.0 BaTiO3 (0.02cm，单晶）0.04Al2O3 (0.6mm)1.5 BaTiO3 (0.02cm，多晶）0.12Al2O3 (0.63cm)0.18环氧树脂160-200云母 (0.002cm)10.1聚苯乙烯160云母 (0.006cm)9.7硅橡胶220 一些电介质的介电强度 单位：106V/cm固体电介质击穿的类型 电击穿电击穿 热击穿热击穿 局部放电击穿局部放电击穿 其他击穿机制（树枝化击穿、电其他击穿
29、机制（树枝化击穿、电-机械击穿机械击穿、沿面击穿等）、沿面击穿等）6.2.2 电介质的击穿电介质的击穿 与气体和液体电介质相比，固体电介质击穿有以下几个特点： 固体介质的击穿强度比气体和液体介质高，约比气体高固体介质的击穿强度比气体和液体介质高，约比气体高两个数量级，比液体高一个数量级左右；两个数量级，比液体高一个数量级左右； 固体通常总是在气体或液体环境媒质中，因此对固体进固体通常总是在气体或液体环境媒质中，因此对固体进行击穿试验时，击穿往往发生在击穿强度比较低的气体行击穿试验时，击穿往往发生在击穿强度比较低的气体或液体媒质中，这种现象称为或液体媒质中，这种现象称为边缘效应边缘效应。（试验时
30、必须。（试验时必须尽可能排除）尽可能排除） 固体电介质的击穿一般是破坏性的，击穿后在试样中留固体电介质的击穿一般是破坏性的，击穿后在试样中留下贯穿的孔道、裂纹等不可恢复的伤痕。下贯穿的孔道、裂纹等不可恢复的伤痕。（1）电击穿）电击穿 当施加于电介质上的电场强度或电压增大到一定程度时，电介质就由介电状态变为导电状态，这个过程就是电击穿电击穿。 发生击穿时的电场强度称为击穿电场强度击穿电场强度( (介介电强度）电强度），用Eb表示，此时所加电压称为击穿电击穿电压压，用Ub表示。即： 陶瓷材料的击穿强度一般在460kV/mm。bbUEd 电击穿是指电场直接作用下，介质中载流子电击穿是指电场直接作用下
31、，介质中载流子迅速增殖造成的击穿。迅速增殖造成的击穿。这个过程约在10-7s完成，击穿是突然发生的。击穿电场强度较高，约为106107V/cm。 一般认为，电击穿的发生是由于晶体能带在强电场作用下发生变化，电子直接由满带跃迁到空带发生电离所致。 通常，当电场强度升高至接近击穿强度时，材料中流过的大电流主要是电子型的。 引起导电电子倍增的方式，也即击穿的机制主要有碰撞电离理论碰撞电离理论和雪崩理论雪崩理论，此外有时也可能发生齐纳击穿（或称隧道击穿）。 当晶体的温度高于绝对零度时，晶格的微小振动形成格波，其能量量子即声子，在碰撞电离理论中，碰撞机制一般应考虑电子和声子的碰撞，同时也应该包括杂质和缺
32、陷对自由电子的散射。若外加电场足够高，当自由电子在电场中获得当自由电子在电场中获得的能量超过失去的能量时，自由电子便可在每次的能量超过失去的能量时，自由电子便可在每次碰撞后积累起能量，最后发生电击穿。碰撞后积累起能量，最后发生电击穿。 雪崩理论是在电场足够高时，自由电子从电场中获得能量在每次碰撞后都能产生一个自由电子。因此在n次碰撞后就有2n个自由电子，形成雪崩或倍增效应雪崩或倍增效应。当雪崩或倍增效应贯穿两电极时，则出现击穿。 若电介质中的场强很大，电介质分子的正负电若电介质中的场强很大，电介质分子的正负电荷有可能被拉开而变成可自由移动的电荷。大量荷有可能被拉开而变成可自由移动的电荷。大量自
33、由电荷的产生，使电介质的绝缘性能破坏而成自由电荷的产生，使电介质的绝缘性能破坏而成为导体。为导体。规律：固体介质的击穿电场强度往往取决于材料的固体介质的击穿电场强度往往取决于材料的均均匀性匀性；大部分材料在交变电场下的击穿强度低于直流大部分材料在交变电场下的击穿强度低于直流下的击穿电场强度，下的击穿电场强度，在高频下由于局部放电的在高频下由于局部放电的加剧，使得击穿电场强度下降得更厉害，并且加剧，使得击穿电场强度下降得更厉害，并且材料的介电常数越大，击穿电场强度下降得越材料的介电常数越大，击穿电场强度下降得越多；多；无机电介质在高频下的击穿往往无机电介质在高频下的击穿往往具有热的特征具有热的特
34、征，发生纯粹电击穿的情况并不多见；，发生纯粹电击穿的情况并不多见； 在室温附近，高分子电介质的击穿电场强在室温附近，高分子电介质的击穿电场强度往往比陶瓷等无机材料要大，并且极性度往往比陶瓷等无机材料要大，并且极性大高聚物的击穿电场强度常常要比非极性大高聚物的击穿电场强度常常要比非极性的大；的大； 在软化温度附近，热塑性高聚物的击穿电在软化温度附近，热塑性高聚物的击穿电场强度急剧下降。场强度急剧下降。 当固体电介质在电场作用下，由当固体电介质在电场作用下，由电导电导和和介质介质损耗损耗产生的热量超过试样通过传导、对流和辐射产生的热量超过试样通过传导、对流和辐射所能散发的热量时，试样中的热平衡就被
35、破坏，所能散发的热量时，试样中的热平衡就被破坏，试样温度不断上升，最终造成介质试样温度不断上升，最终造成介质永久性的热破永久性的热破坏坏，这就是，这就是热击穿热击穿。 热击穿有一个热量积累过程，不像电击穿那热击穿有一个热量积累过程，不像电击穿那样迅速。热击穿电场强度较低，一般约为样迅速。热击穿电场强度较低，一般约为110kV/mm。 介质中所产生的热量，一方面使试样本身的介质中所产生的热量，一方面使试样本身的温度升高，另一方面通过热传导和热对流向周围温度升高，另一方面通过热传导和热对流向周围散发热量。散发热量。 在电场作用下，如试样的发热功率为在电场作用下，如试样的发热功率为W1，散热功率为散
36、热功率为W2，临界热平衡方程即为：，临界热平衡方程即为： 12()()mmW TW T （1 1）介质的不均匀性：）介质的不均匀性： 无机材料常常为不均匀介质，有晶相、玻璃相和气孔存在，这使无机无机材料常常为不均匀介质，有晶相、玻璃相和气孔存在，这使无机材料的击穿性质与均匀材料不同。材料的击穿性质与均匀材料不同。 不均匀介质最简单的情况是双层介质。设双层介质具有各不相同的电性不均匀介质最简单的情况是双层介质。设双层介质具有各不相同的电性质，质， 1 1， 1 1，d d1 1和和 2 2， 2 2，d d2 2 分别代表第一层、第二层的介电常数、电导分别代表第一层、第二层的介电常数、电导率、厚
37、度。率、厚度。 若在此系统上加直流电压若在此系统上加直流电压U U，则各层内的电场强度，则各层内的电场强度E E1 1，E E2 2，为：，为：6.2.3 6.2.3 影响无机材料击穿强度的各种因素影响无机材料击穿强度的各种因素 上式表明：电导率小的介质承受场强高，电导率大上式表明：电导率小的介质承受场强高，电导率大的介质承受场强低。在交流电压下也有类似的关系。的介质承受场强低。在交流电压下也有类似的关系。 如果如果 1 1和和 2 2 相差甚大，则必然其中一层的电场强度相差甚大，则必然其中一层的电场强度将大于平均场强将大于平均场强E E，这一层可能首先达到击穿强度而被击，这一层可能首先达到击
38、穿强度而被击穿。一层击穿以后，增加了另一层的电压，且电场因此大穿。一层击穿以后，增加了另一层的电压，且电场因此大大畸变，结果另一层也随之击穿。由此可见，材料的不均大畸变，结果另一层也随之击穿。由此可见，材料的不均匀性可能引起击穿场强的降低。匀性可能引起击穿场强的降低。 陶瓷中的晶相和玻璃相的分布可看成多层介质的申联陶瓷中的晶相和玻璃相的分布可看成多层介质的申联和并联，上述的分析方法同样适用。和并联，上述的分析方法同样适用。（2） 材料中气泡的作用：材料中气泡的作用： 材料中含有气泡时，气泡的及很小，因此加上电压后气泡上的电场较高。而气泡本身的抗电强度比固体介质要低得多(一般空气的Eb33kv/
39、cm，而陶瓷的Eb80kv/cm )，所以首先气泡击穿，引起气体放电(电离)，产生大量的热，容易引起整个介质击穿。由于在产生热量的同时，形成相当高的内应力，材料也易丧失机械强度而被破坏，这种击穿称为电机械热击穿。 （1）固体介质的表面放电 固体介质的表面放电属于气体放电。固体介质常处于周围气体媒质中，击穿时，常发现介质本身并未击穿，但有火花掠过它的表面，这就是表面放电。 a: 固体介质材料不同，表面放电电压也不同。陶瓷介质由于介电常数大、表面吸湿等原因，引起空间电荷极化，使表面电场畸变，降低表面击穿电压。 b: 固体介质与电极接触不好，则表面击穿电压降低。 c: 电场的频率不同，表面击穿电压也
40、不同。频率升高，击穿电压降低。（3） 材料表面状态及边缘电场 （2 2）边缘电场：）边缘电场： 电极边缘常常发生电场畸变，使边缘局部电场强电极边缘常常发生电场畸变，使边缘局部电场强度升高，导致击穿电压的下降。度升高，导致击穿电压的下降。 影响因素：影响因素： a: a: 电极周围媒质电极周围媒质 b: b: 电场的分布电场的分布( (电极的形状、相互位置电极的形状、相互位置) ) c: c: 材料的介电系数、电导率材料的介电系数、电导率 小结 介质击穿强度是绝缘材料和介电材料的一项重要指标。电介质失效表现就是介电击穿。产生失效的机制有本征击穿、热击穿和雪崩式击穿以及三种准击穿：放电击穿、机械击穿和电化学击穿等。 实际使用时原因十分复杂，难于分清哪种机制。
