電介質(zhì)材料的儲能特性分析概述目錄TOC\o"1-3"\h\u5380電介質(zhì)材料的儲能特性分析概述 1241811.1儲能密度 1209981.2介電常數(shù)與介電損耗 2221031.3擊穿場強 41.1儲能密度儲能密度（J）是電介質(zhì)單位體積儲存的能量，它的公式定義為：J=式（1.1）中，E為外加電場，Dmax為在最大電場下Emax（即擊穿場強）的電位移，由于電介質(zhì)的介電常數(shù)ε=dD/dE，所以儲能密度的表達式可以表示為：J=0由式（1.2）可知，電介質(zhì)的儲能密度與擊穿場強和介電常數(shù)相關(guān)。對于線性電介質(zhì)而言，由于其介電常數(shù)與電場無關(guān)，所以式（1.2）可以簡化為：J=一般的，電介質(zhì)材料的介電性能用相對介電常數(shù)εr來衡量。相對介電常數(shù)??rε=式（1.4）中，??0為真空中的介電常數(shù)，ε0=8.85×10-12F/m。所以，式（1.4）可進一步表達為：J=由式（1.5）可知，線性電介質(zhì)的儲能密度與相對介電常數(shù)成正相關(guān)。僅從介電常數(shù)方面來看，選擇高介電常數(shù)的介電材料來制作電介質(zhì)電容器，得到的電容器儲能密度會更高，所以應(yīng)當(dāng)選用鐵電體、弛豫鐵電體以及反鐵電體這些具有較高的介電常數(shù)的電介質(zhì)作為電容器的介質(zhì)材料。但是，這幾種材料的介電常數(shù)與電場是非線性關(guān)系，所以介電常數(shù)與儲能密度也呈非線性關(guān)系，所以就無法像對待線性電介質(zhì)那通過介電常數(shù)的高低來簡單地判斷其儲能密度的大小。這幾種材料中由于極化強度P非常大，D≈P，所以在計算這幾種電介質(zhì)時，其儲能密度計算公式可由式（1.1）變形為：J=由式（1.6）可知，這些材料的儲能密度即電場對極化強度的積分，即圖1.3中的陰影部分的面積。而且從圖1.3可以看出，最大電場強度、飽和極化強度??max、剩余極化強度??r和閉合曲線的面積（即介電損耗）是影響儲能密度的主要因素。具有大的最大極化強度和小的剩余極化強度的電介質(zhì)材料能儲存的能量更多。理論上，反鐵電體的剩余極化強度為0，這代表著反鐵電體在儲能應(yīng)用方面有著比鐵電體和弛豫鐵電體更有潛力。如果反鐵電體能擁有一個大的飽和極化強度，和小的介電損耗，那么便能得到儲能密度更大的電介質(zhì)材料。但在實際應(yīng)用上，要想提高電介質(zhì)的儲能密度是比較困難的，因為電介質(zhì)的儲能密度與最大極化強度、剩余極化強度、矯頑場強、介電常數(shù)、介電損耗以及擊穿場強的關(guān)系往往是非常復(fù)雜的，而無機晶體的擊穿場強又是隨著介電常數(shù)的增大而減小的[3,16]。即使在假定擊穿場強不變的情況下，也不是介電常數(shù)越高，儲能密度就越大，還要考慮到電感應(yīng)強度矢量的飽和。所以儲能密度高的電介質(zhì)材料往往是那些具有適中的介電常數(shù)以及適中的擊穿場強的材料。僅僅提高其中的一個參數(shù)，作用是很小的，很難得到高儲能密度的電介質(zhì)材料。圖1.3電位移、介電常數(shù)與電場的關(guān)系1.2介電常數(shù)與介電損耗電容作為電子設(shè)備中使用最多的電子元件之一，在電路中的耦合、能量轉(zhuǎn)換、控制和調(diào)諧回路等有著非常廣泛的應(yīng)用。以平行電容器的儲能過程為例，在外電場的作用下，電荷從極板的一邊運動至另一邊，通過電荷的移動進行能量的轉(zhuǎn)移，在這個過程中不會產(chǎn)生化學(xué)變化，電能以電荷的形式儲存在兩個極板間。這就是平行電容器的儲能過程。圖SEQ圖\*ARABIC\s11.4平行電容器電極化過程電容可用于衡量電容器容納電荷的能力。如圖1.4，C0為真空下的電容值，C為有電介質(zhì)下下的電容值。電容器的電容C與外加電壓V、積累的電荷Q的關(guān)系式為：C= 介電常數(shù)ε，是材料的本征參數(shù)，用來表征電介質(zhì)材料儲存電荷的能力。有電介質(zhì)下的電容值與真空下的電容值之比即為介電常數(shù)，表達式為：ε真空下，電容與真空介電常數(shù)有關(guān)，關(guān)系式為：C其中，d為板間距，S為極板面積。由式（1.8）和（1.9）可得：ε在交變電場下，材料的有效介電常數(shù)需要用復(fù)數(shù)形式表示：ε=在外加電場作用下，電介質(zhì)中會有一部分能量轉(zhuǎn)化為熱能，這就是介電損耗。介電損耗會造成電介質(zhì)溫度升高。介電損耗引起線路上的附加衰減，還會使電路中的元器件發(fā)熱，這可能會破壞元器件正常工作的環(huán)境，對于電路和元器件十分有害。通常情況下，產(chǎn)生介質(zhì)損耗的主要原因有電導(dǎo)損耗、松弛極化損耗和諧振損耗。電導(dǎo)損耗：在實際應(yīng)用中，電介質(zhì)并不是理想情況下的完美絕緣體，其中總會存在著一些缺陷，使得會有一些帶電粒子和空位存在。這些載流子在電場下作用下做定向移動，形成傳導(dǎo)電流，電流流經(jīng)介質(zhì)產(chǎn)生熱能，造成能量的損耗。這種通過傳導(dǎo)電流產(chǎn)生熱能的而造成的損耗，稱之為電導(dǎo)損耗。傳導(dǎo)電流的大小由電介質(zhì)材料的電導(dǎo)率和電場強度所決定。當(dāng)電場為直流電場時，介電損耗只有電導(dǎo)損耗。單位體積損耗功率P的表達式為：P=σ其中σ為電介質(zhì)的電導(dǎo)率，E為電場強度。松弛極化損耗：當(dāng)外電場的大小與方向改變時，由于空間電荷極化、離子松弛極化等慢極化從建立極化到穩(wěn)定的過程其所需時間比較長，當(dāng)外交變電場的頻率比較高時，這些極化無法在電場變化周期內(nèi)建立完成，無法跟上電場的周期性變化，產(chǎn)生松弛現(xiàn)象，從而使電介質(zhì)的極化強度P滯后于電場強度E，帶電粒子需克服熱運動而產(chǎn)生能量的損耗。而且隨著外電場頻率的升高，電介質(zhì)的介電常數(shù)下降。這種損耗稱之為松弛極化損耗。當(dāng)電場頻率足夠高時，這些慢極化將完全落后于電場的周期性變化，由這類極化形式提供的介電常數(shù)將隨著外電場頻率的升高而減小。當(dāng)減小至零時，這些慢極化將不再提供電介質(zhì)的介電常數(shù)，并趨于光頻介電常數(shù)。在直流電壓下，松弛極化損耗可忽略不計。而在高頻及超高頻中，松弛極化損耗將占據(jù)損耗的主體，甚至?xí)哂陔妼?dǎo)損耗。諧振損耗：根據(jù)電磁場理論可以知道，色散現(xiàn)象會伴隨著能量的損耗。在紅外到紫外頻率范圍內(nèi)，電介質(zhì)內(nèi)原子、電子、離子振動或轉(zhuǎn)動會產(chǎn)生共振效應(yīng)并形成色散現(xiàn)象，從而造成能量的損耗。這種損耗稱之為諧振損耗。當(dāng)處于振子的固有頻率時，色散現(xiàn)象最為嚴重，損耗的能量最多。介電損耗通常用tanδ表示，δ為介電損耗角。介電損耗的計算公式為：tanδ=介電損耗的大小與材料的幾何形狀和尺寸無關(guān)，只與材料本身性質(zhì)有關(guān)，是材料的本征屬性。tanδ的值可以通過實驗測定。1.3擊穿場強當(dāng)外加電場增加到某個臨界值時，電介質(zhì)的電導(dǎo)率驟然劇增，電介質(zhì)喪失其絕緣性，變?yōu)閷?dǎo)體，作為電介質(zhì)的特性被破壞，這種現(xiàn)象即為電介質(zhì)的擊穿，此時對應(yīng)的電場強度就成為擊穿場強。電介質(zhì)的擊穿形式根據(jù)電介質(zhì)的絕緣性能被破壞的原因一般可分成三類，熱擊穿、電擊穿和電化學(xué)擊穿。熱擊穿：在外加電場作用下，電介質(zhì)不可避免地會產(chǎn)生介電損耗，介電損耗產(chǎn)生的熱量在正常情況下可以全部散發(fā)出去，不對電介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生影響。而當(dāng)外加電場的強度不斷增強時，當(dāng)?shù)竭_某個臨界值后，電介質(zhì)內(nèi)的熱量無法全部散發(fā)出去，介質(zhì)內(nèi)部熱平衡被破壞，電介質(zhì)溫度升高，從而導(dǎo)致電導(dǎo)率增加，電介質(zhì)的電流也隨之增加，使得介質(zhì)損耗增大。而損耗增加又會導(dǎo)致電介質(zhì)發(fā)熱量更大，電介質(zhì)內(nèi)的熱量積累的越來越多，當(dāng)電介質(zhì)無法承受其內(nèi)部的熱量而被破壞時，電介質(zhì)的性質(zhì)被改變，不再是絕緣體，這種擊穿稱之為熱擊穿。電擊穿：電介質(zhì)在強電場作用下通過離子和電子導(dǎo)電，當(dāng)這些載流子劇烈運動時