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第一节　介质的极化与损耗
介质极化相关物理量
在平行板电容器中，若在两板间插入固体电介质，则在外加电场作用下，固体介质中原来彼此中和的正、负电荷产生位移，形成电矩，使介质表面出现束缚电荷，极板上电荷增多，造成电容量增大。
平行板电容器在真空中的电容量为：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
极板间插入固体电介质后，电容量为：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
式中：d为平板间距(m)；A为面积(m2)，V为平板上电压(V)，为相对介电常数，为介电材料的电容率，或称介电常数(dielectric
constant)(单位为F/m)。
放在平板电容器中增加电容的材料称为介电材料。显然它属于电介质。电介质（dielectrics）就是指在电场作用下能建立极化的物质。如上所述，在真空平板电容间嵌入一块电介质，当加上外电场时，则在正极板附近的介质表面上感应出负电荷，负极板附近的介质表面感应出正电荷。这种感应出的表面电荷称为感应电荷，亦称束缚电荷，如图6-1所示。电介质在电场作用下产生束缚电荷的现象称为电介质的极化（polarize）。正是这种极化的结果，使电容器增加电荷的存储能力。
（6-1）
式中：Q为所含的电量，l为正负电荷重心距离。
电介质在外电场作用下，无极性分子的正、负电荷重心将产生分离，产生电偶极矩。所谓极化电荷，是指和外电场强度相垂直的电介质表面分别出现的正、负电荷，这些电荷不能自由移动，也不能离开，总值保持中性。平板电容器中电介质表面电荷就是这种状态。为了定量描述电介质这种性质，人们引入极化强度、介电常数等参数。
极化强度P（polarization）是电介质极化程度的量度，其定义式为
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
式中：为电介质中所有电偶极矩的矢量和；为电偶极矩所在空间的体积；P的单位已经证明，电极化强度等于分子表面电荷密度。
陶瓷、玻璃、聚合物都是常用的电介质，表6-1中列出了一些玻璃、陶瓷和聚合物在室温下的相对介电常数。值得注意的是，使用电场的频率对一些电介质的介电常数是有影响的，特别是陶瓷类电介质。
陶瓷、玻璃、聚合物的相对介电常数
频率范围/HZ
相对介电常数
二氧化硅玻璃
60（106,108）
2.28(2.28)
聚甲基苯希酸甲酯
60（106）60
6.1.2 &极化类型
电介质在外加电场作用下产生宏观的电极化强度，实际上是电介质微观上各种极化机制贡献的结果，它包括电子的极化、离子的极化、电偶极子取向极化、空间电荷极化。
（1）电子位移极化
没有受电场作用时，组成电介质的分子或原子所带正负电荷中心重合，对外呈中性。受电场作用时，正、负电荷中心产生相对位移(电子云发生了变化而使正、负电荷中心分离的物理过程)，中性分子则转化为偶极子，从而产生了电子位移极化或电子形变极化。
图6-2(a)形象地表示了正、负电荷重心分离的物理过程。因为电子很轻，它们对电场的反应很快，光频跟随外电场变化。根据玻尔原子模型，经典理论可以计算出电子的平均极化率
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
式中:为真空介电常数；R为原于(离子)的半径。由式(6-5)可见，电子极化率的大小与原子（离子）的半径有关。
不随频率变化；
具有弹性，当外电场去掉时，作用中心又马上会重合而整个呈现非极性，故电子式极化没有能量损耗。
温度对电子式极化影响不大。温度升高时介质略有膨胀，单位体积内的分子数减少，引起略为下降，即具有不大的负温度系数。
(2)&离子位移极化&
离子晶体中，无电场作用时，离子处在正常结点位置并对外保持电中性，但在电场作用下，正、负离子产生相对位移，破坏了原先呈电中性分布的状态，电荷重新分布，相当于从中性分子转变为偶极子产生离子位移极化。
离子在电场作用下偏移平衡位置的移动，相当于形成一个感生偶极矩；也可以理解为离子晶体在电场作用下离子间的键合被拉长，例如碱卤化物晶体就是如此。图6-2(b)所示是离子位移极化的简化模型。根据经典弹性振动理论可以估计出离子位移极化率
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
式中：a为晶格常数；n为电子层斥力指数，离子晶体n为7～11。&&&
离子式极化主要存在于具有离子式结构的固体无机化合物中，如云母、陶瓷材料等，它具有如下特点：
形成极化所需时间极短，约为10-13s，故在一般的频率范围内，可以认为与频率无关；
b) &属弹性极化，几乎没有能量损耗。
离子位移极化的影响，存在两个相反的因素：温度升高时离子间的结合力降低，使极化程度增加，但离子的密度随温度升高而减小，使极化程度降低。通常，前一种因素影响较大，故εr一般具有正的温度系数，即温度升高，而出现极化程度增强趋势的特征。
（3）弛豫(松弛)极化
这种极化机制也是由外加电场造成的，但与带电质点的热运动状态密切相关。例如，当材料中存在着弱联系的电子、离子和偶极子等弛豫质点时，温度造成的热运动使这些质点分布混乱，而电场使它们有序分布，平衡时建立了极化状态。这种极化具有统计性质，称为热弛豫(松弛)极化。极化造成带电质点的运动距离可与分子大小相比拟，甚至更大。由于是一种弛豫过程，建立平衡极化时间约为10-2～10-3s，并且由于创建平衡要克服一定的位垒，故吸收一定能量，因此，与位移极化不同，弛豫极化是一种非可逆过程。弛豫极化包括电子弛豫极化、离子弛豫极化、偶极子弛豫极化。它多发生在聚合物分子晶体缺陷区或玻璃体内。
a) 电子弛豫极化
由于晶格的热振动、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，出现位于禁带中的局部能级形成所谓弱束缚电子。例如色心点缺陷之一的“F-心”就是由一个负离子空位俘获了一个电子所形成的。“F-心”的弱束缚电子为周围结点上的阳离子所共有，在晶格热震动下所共有，在晶格热振动下，可以吸收一定能量由较低的局部能级跃迁到较高的能级而处于激发态，连续地由一个阳离子结点转移到另一个阳离子结点，类似于弱联系离子的迁移。外加电场使弱束缚电子的运动具有方向性，这就形成了极化状态，称之为电子弛豫极化。它与电子位移极化不同，是一种不可逆过程。
由于这些电子是弱束缚状态，因此，电子可作短距离运动。由此可知，具有电子弛豫极化的介质往往具有电子电导特性。这种极化建立的时间约为l0-2～l0-9s，在电场频率高于109Hz时，这种极化就不存在了。
电子弛豫极化多出现在以铌、铋、镍、钛氧化物为基的陶瓷介质中。
b）离子弛豫极化
和晶体中存在弱束缚电子类似，在晶体中也存在弱联系离子。在完整离子晶体中，离子处于正常结点，能量最低最稳定，称之为强联系离子。它们在极化状态时，只能产生弹性位移，离子仍处于平衡位置附近。而在玻璃态物质中，结构松散的离子晶体或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，这些离子称弱联系离子。
弱离子极化时，可以从一平衡位置移动到另一平衡位置。但当外电场去掉后离子不能回到原来的平衡位置，这种迁移是不可逆的，迁移的距离可达到晶格常数数量级，比离子位移极化时产生的弹性位移要大得多。然而需要注意的是，弱离子弛豫极化不同于离子电导，因为后者迁移距离属远程运动，而前者运动距离是有限的，它只能在结构松散或缺陷区附近运动，越过势垒到新的平衡位置。
根据弱联系离子在有效电场作用下的运动，以及对弱离子运动位垒计算，可以得到离子热弛豫极化率的大小
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
式中：q为离子荷电量；δ为弱离子电场作用下的迁移；T为热力学温度(K)；k为玻尔兹曼常数。
由(6-7)式可见，温度升高，热运动对弱离子规则运动阻碍越大，因此下降。离子弛豫极化率比位移极化率大一个数量级，因此，电介质的介电常数较大。应注意的是，温度升高，则减小了极化建立所需要的时间，因此，在一定温度下，热弛豫极化的电极化强度达到最大值。
离子弛豫极化的时间在10-2～10-5s之间，故当频率在无线电频率106Hz以上时，则无离子弛豫极化对电极化强度的贡献。
(4) 转向极化 &
极性电介质中，存在固有偶极矩。无外电场时，混乱排列，而使，在外电场时，偶极转向，成定向排列，从而使电介质极化。偶极子正负电荷中心不重合，好象分子的一端带正电荷，而另一端带负电荷，因而形成一个永久的偶极矩。在电场作用下，原来混乱分布的极性分子顺电场方向排列，因而显示出极性。
转向极化是极性电介质的一种极化方式。组成电介质的极性分子在电场作用下，除贡献电子极化和离子极化外，其固有的电偶极矩沿外电场方向有序化(见图6-2(c)、(d))。在这种状态下的极性分子的相互作用是一种长程作用。尽管固体中极性分子不能像液态和气态电介质中的极性分子那样自由转动，但取向极化在固态电介质中的贡献是不能忽略的。对于离子晶体，由于空位的存在，电场可导致离子位置的跃迁．如玻璃中的Na+可能以跳跃方式使偶极子趋向有序化。
转向极化过程中，热运动(温度作用)和外电场是使偶极子运动的两个矛盾方面。偶极子沿外电场方向有序化将降低系统能量，但热运动破坏这种有序化。在二者平衡条件下、可以计算出温度不是很低(如室温)、外电场不是很高时材料的取向极化率：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
式中：&&为无外电场时的均方偶极矩，k为玻尔兹曼常数，T为热力学温度(K)。
转向极化具有如下特点：
a)&极化是非弹性的，消耗的电场能在复原时不可能收回。
b)&形成极化所需时间较长，故其与电源频率有较大的关系，频率很高时，偶极子来不及转动，因而其减小。
温度对极性介质的有很大的影响。温度高时，分子热运动加剧，妨碍它们沿电场方向取向，使极化减弱，故极性气体介质常具有负的温度系数，但对液体、固体介质则情况有所不同，温度过低时，由于分子间联系紧(例如液体介质的粘度很大)，分子难以转向，也变小(只有电子式极化)，所以极性液体、固体的在低温下先随温度的升高而增加，当热运动变得较强烈时，又随温度的上升而减小。
(5)&空间电荷极化
非均匀介质中，在电场作用下，原先混乱排布的正、负自由电荷发生了趋向有规则的运动过程，从而使正极板附近积聚了较多的负电荷，空间电荷的重新分布，实际形成了介质极化。
空间电荷极化常发生在不均匀介质中。在电场作用下，不均匀介质内部的正、负离子分别向负、正极移动引起瓷体内各点离子的密度发生变化，即出现电偶极矩。这种极化即称为空间电荷极化（图6-2(e)、(f)）。在电极附近积聚的电荷就是空间电荷。实际上，晶面、相界、晶格畸变、杂质等缺陷区都可成为自由电荷运动的障碍。在这些障碍处，自由电荷的积聚，形成空间电荷极化。宏观不均匀性，例如，夹层、气泡也可形成空间电荷极化，这种极化称为界面极化。由于空间电荷的积聚，可形成很高的与外电场方向相反的电场，故又称为高压式极化。空间电荷极化具有如下特点：
a)&其时间约为几秒钟到数十分钟，甚至数十余小时。
b)&属非弹性极化，有能量损耗。
随温度的升高而下降。因为，温度升高，离子运动加剧，离子扩散就很容易，因而空间电荷的积聚就会减小。
与电源的频率有关，主要存在于低频至超低频阶段，高频时，因空间电荷来不及移动，就没有或很少有这种极化现象。
以上介绍的极化都是由于外加电场作用的结果，而有一种极性晶体在无外电场作用是自身已经存在极化，这种极化称自发极化。表6-2
总结了电介质可能发生的极化形式，可能发生的频率范围，与温度的关系等。
晶体电介质极化机制小结
极化机制存在的电解质
极化存在的频率范围
温度的作用
弹性位移极化
发生在一切电介质中
直流到光频
钛质瓷，以高价金属氧化物为基的陶瓷
直流到超高频
随温度变化有极大值
弹性位移极化
离子结构电解质
直流到红外
温度升高，极化增强
存在弱束缚离子的玻璃、晶体陶瓷
直流到超高频
随温度变化有极大值
存在固有电偶极矩的高分子电解质，以及极性晶体陶瓷
直流到高频
随温度变化有极大值
空间电荷极化
结构不均匀的陶瓷电解质
直流直到103Hz
随温度升高而减弱
温度低于Tc的铁电材料
与频率无关
随温度变化有最大值
宏观极化强度与微观极化率的关系
对一个分子来说，它总与除它自身以外的其它分子相隔开，同时又总与其周围分子相互作用，即使没有外部电场作用，介质中每一分子也处在周围分子的作用之下；当外部施加电场时，由于感应作用，分子发生极化，并产生感应偶极矩，从而成为偶极分子，它们又转而作用于被考察分子，从而改变了原来分子间的相互作用。因此，作用在被考察分子上的有效电场就与宏观电场不同，它是外加宏观电场与周围极化了的分子对被考察分子相互作用电场之和，即作用在分子、原子上的有效电场与外加电场E0，电介质极化形成的退极化场Ed，还有分子或原子与周围的带电质点的相互作用有关。克劳修斯-莫索堤方程表述了宏观点极化强度与微观分子（原子）极化率的关系。
（1）有效电场
当电介质极化后，在其表面形成了束缚电荷。这些束缚电荷形成一个新的电场，由于与极化电场方向相反，故称为退极化场Ed。根据静电学原理，由均匀极化所产生的电场等于分布在物体表面上的束缚电荷在真空中产生的电场，一个椭圆形样品可形成均匀极化并产生一个退极化场。因此外加电场E0和退极化场Ed的共同作用才是宏观电场E宏，即
&&&&&&&&&&&
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&（6-9）
莫索堤导出了极化的球形腔内局部电场Eloc表达式
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
克劳修斯-莫索堤方程（Clausius-Mosotti
equation）
电极化强度P可以表示为单位体积电介质在实际电场作用下所有偶极矩的总和，即
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&（6-11）
式中，Ni为第i种偶极子数目，为第i种偶极子平均偶极矩。
带电质点的平均偶极矩正比于作用在质点上的局部电场Eloc。即
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
式中：是第i种偶极子电极化率，则总的电极化强度为
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
将（6-10）式代入到（6-13）式中得
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
已经证明，电极化强度不仅与外加电场有关，且与极化电荷产生的电场有关，可以表示为
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
考虑（6-15）式，式（6-14）可化为
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
式（6-17）描述了电介质的相对介电常数与偶极子种类、数目和极化率之间的关系。它提示人们，研制高介电常数的介电材料的方向，即为获得高介电常数，应选择大的极化率的离子，此外还应选择单位体积内极化质点多得电介质。
介质损耗分析
由于导电或交变场中极化弛豫过程在电介质中引起的能量损耗，由电能转变为其它形式的能，如热能、光能等，统称为介质损耗(dielectric
loss)。它是导致电介质发生热击穿的根源。电介质在单位时间内消耗的能量称为电介质损耗功率，简称电介质损耗。
损耗的形式
a）电导损耗：在电场作用下，介质中会有泄漏电流流过，引起电导损耗。气体的电导损耗很小，而液体、固体中的电导损耗则与它们的结构有关。非极性的液体电介质、无机晶体和非极性有机电介质的介质损耗主要是电导损耗。而在极性电介质及结构不紧密的离子固体电介质中，则主要由极化损耗和电导损耗组成。它们的介质损耗较大，并在一定温度和频率上出现峰值。
电导损耗，实质是相当于交流、直流电流流过电阻做功，故在这两种条件下都有电导损耗。绝缘好时，液、固电介质在工作电压下的电导损耗是很小的，与电导一样，是随温度的增加而急剧增加的。
b）极化损耗：只有缓慢极化过程才会引起能量损耗，如偶极子的极化损耗。它与温度有关，也与电场的频率有关。极化损耗与温度、电场频率有关。在某种温度或某种频率下，损耗都有最大值。
c）游离损耗：气体间隙中的电晕损耗和液、固绝缘体中局部放电引起的功率损耗称为游离损耗。电晕是在空气间隙中或固体绝缘体表面气体的局部放电现象。但这种放电现象不同于液、固体介质内部发生的局部放电。即局部放电是指液、固体绝缘间隙中，导体间的绝缘材料局部形成“桥路”的一种电气放电，这种局部放电可能与导体接触或不接触。这种损耗称为电晕损耗。
（2）介质损耗的表示方法
在一平板理想真空电容器中，，其电容量，如在该电容器上加上角频率的交流电压
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则在电极上出现电荷，其回路电流为
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
由式（6-19）可见，电容电流Ic超前电压U相位90°。
如果在极板间充填相对介电常数为εr的理想介电材料，则其电容量C=εrC0，其电流的相位，仍超前电压U相位90°。但实际介电材料不是这样，在实际的电介质中，因为它们总有漏电，或者是极性电介质，或者兼而有之，这时除了有电容性电流Ic外，还有与电压同相位的电导分切量GU，总电流应为这两部分的矢量和(见图6-3)。由于GU分量，电压与电流强度不成90&。此时，合成电流为：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
式中：σ为电导率；A为极板面积；d为电解质厚度。
&&& 将G和C带入式（6-19）中，经简化得
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定义：为复电导率（complex
conducitivity）。
，也可以定义复介电常数或复相对介电常数。即
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
这样可以借用来描述前面分析的总电流：
则 Q=CU=C0U&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&&&&&&&&&&&&&&
由此可知，总电流可以分为二项，其中第一项是电容充电放电过程，没有能量损耗，它就是经常讲的相对介电常数&(相应于复电容率的实数部分)，而第二项的电流是与电压同相位。对应于能量损耗部分，它由复介电常数的虚部描述，故称之为介质相对损耗因子。
定义损耗角正切
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损耗角正切tanδ表示为获得给定的存储电荷要消耗的能量的大小，可以称之为“利率”，是电介质作为绝缘材料使用评价的参数。为了减少绝缘材料使用的能量损耗，希望材料具有小的介电常数和更小的损耗角正切。损耗角正切的倒数Q＝(tanδ)-1在高频绝缘应用条件下称为电介质的品质因数，希望它的值要高。
在介电加热应用时，电介质的关键参数是介电常数和介质电导率。
频率的影响
频率与介质损耗的关系，在德拜方程中有所体现，现分析如下,如图6-4所示。
a）当外加电场频率很低，即ω→0时，介质的各种极化都能跟上外加电场的变化，此时不存在极化损耗，介电常数达最大值。介电损耗主要由漏导引起，Pw和频率无关。，则当ω→0时，tanδ→∞。随着ω的升高，tanδ减小。
b）当外加电场频率逐渐升高时，松弛极化在某一频率开始跟不上外电场的变化，松弛极化对介电常数的贡献逐渐减小，因而εr随ω升高而减少。在这一频率范围内，由于，故tanδ随ω升高而增大，同时Pw也增大。
c)当ω很高时，εr→ε∞，介电常数仅由位移极化决定，εr趋于最小值。此时由于，此时tanδ随ω升高而减小。ω→∞时，tanδ→0。
从图6-3可看出，在ωm下，tanδ达最大值，ωm可由下式求出：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
式中：εrs为静态或低频下的相对介电常数；εr∞为光频下的相对介电常数。tanδ的最大值主要由松弛过程决定。如果介质电导显著变大，则tanδ的最大值变得平坦，最后在很大的电导下，tanδ无最大值。
，&，&，故在此温度范围内，随温度上升，τ减小，εr、tanδ和Pw上升。
b）当温度较高时，τ较小，此时&，因此，随温度上升τ减小，tanδ减小。这时电导上升并不明显，
Pw主要决定于极化过程，所以Pw也随温度上升而减小。由此看出，在某一温度Tm下，Pw和tanδ有极大值，如图6-5所示。
c）当温度继续升高，达到很大值时，离子热运动能量很大，离子在电场作用下的定向迁移受到热运动的阻碍，因而极化减弱，εr下降。此时电导损耗剧烈上升，tanδ也随温度上升急剧上升。
根据以上分析可以看出，如果电介质的电导很小，则松弛极化介质损耗的特征是：在εr和tanδ在与频率、温度的关系曲线中出现极大值。
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&（6-28）
式中A为常数，ω为频率，U为外施电压，U0为气体的电离电压。该式只有在U&U0时才适用，此时，当U&U0，tanδ剧烈增大。
固体电介质内气孔引起的电离损耗，可能导致整个介质的热破坏和化学破坏，应尽量避免。
b) 结构损耗
结构损耗是在高频、低温下，与介质内部结构的紧密程度密切相关的介质损耗。结构损耗与温度的关系很小，损耗功率随频率升高而增大，但tanδ则和频率无关。实验表明，结构紧密的晶体或玻璃体的结构损耗都是很小的，但是当某些原因（如杂质的掺入，试样经淬火急冷的热处理等）使它的内部结构变松散了，会使结构损耗大为提高。
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，在高频、低温下主要为结构损耗。
离子晶体的损耗
根据内部结构的紧密程度，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。
前者离子都堆积得十分紧密，排列很有规则，离子键强度比较大，如α-Al2O3、镁橄榄石晶体，在外电场作用下很难发生离子松弛极化（除非有严重的点缺陷存在），只有电子式和离子式的弹性位移极化，所以无极化损耗，仅有的一点损耗是由漏导引起（包括本征电导和少量杂质引起的杂质电导）。在常温下热缺陷很少，因而损耗也很小。这类晶体的介质损耗功率与频率无关。tanδ随频率的升高而降低。因此以这类晶体为主晶相的陶瓷往往用在高频的场合。如刚玉瓷、滑石瓷、金红石瓷、镁橄榄石瓷等，它们的tanδ随温度的变化呈现出电导损耗的特征。
后者如电瓷中的莫来石（3Al2O3?2SiO2)、耐热性瓷中的堇青石（2MgO?2Al2O3?5SiO2）等，这类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，离子的活动范围扩大。在外电场作用下，晶体中的弱联系离子有可能贯穿电极运动（包括接力式的运动）,产生电导损耗。弱联系离子也可能在一定范围内来回运动，形成热离子松弛，出现极化损耗。所以这类晶体的损耗较大，由这类晶体作主晶相的陶瓷材料不适用于高频，只能应用于低频。
另外，如果两种晶体生成固溶体，则因或多或少带来各种点阵畸变和结构缺陷，通常有较大的损耗，并且有可能在某一比例时达到很大的数值，远远超过两种原始组分的损耗。例如ZrO2和MgO的原始性能都很好，但将两者混合烧结，MgO溶进ZrO2中生成氧离子不足的缺位固溶体后，使损耗大大增加，当MgO含量约为25mol%时，损耗有极大值。
玻璃的损耗
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。哪一种损耗占优势，决定于外界因素DD温度和外加电压的频率。高频和高温下，电导损耗占优势；在高频下，主要的是由联系弱的离子在有限范围内的移动造成的松弛损耗；在高频和低温下，主要是结构损耗，其损耗机理目前还不清楚，大概与结构的紧密程度有关。
&Na2O-K2O-B2O3系玻璃的tanδ与组成的关系
&一般简单纯玻璃的损耗都是很小的，这是因为简单玻璃中的“分子”接近规则的排列，结构紧密，没有联系弱的松弛离子。在纯玻璃中加入碱金属氧化物后，介质损耗大大增加，并且损耗随碱性氧化物浓度的增大按指数增大。这是因为碱性氧化物进入玻璃的点阵结构后，使离子所在处点阵受到破坏。因此，玻璃中碱性氧化物浓度愈大，玻璃结构就愈疏松，离子就有可能发生移动，造成电导损耗和松弛损耗，使总的损耗增大。
在玻璃电导中出现的“双碱效应”（中和效应）和“压碱效应”（压抑效应）在玻璃的介质损耗方面也同样存在，即当碱离子的总浓度不变时，由两种碱性氧化物组成的玻璃，tanδ大大降低，而且有一最佳的比值。
Na2O-K2O-B2O3系玻璃的tanδ与组成的关系，其中B2O3数量为100，N＋离子和K＋离子的总量为60。当两种碱同时存在时，tanδ总是降低，而最佳比值约为等分子比。这可能是两种碱性氧化物加入后，在玻璃中形成微晶结构，玻璃由不同结构的微晶所组成。可以设想，在碱性氧化物的一定比值下，形成的化合物中，离子与主体结构较强地固定着，实际上不参加引起介质损耗的过程；在离开最佳比值的情况下，一部分碱金属离子位于微晶的外面，即在结构的不紧密处，使介质损耗增大。
在含碱玻璃中加入二价金属氧化物，特别是重金属氧化物时，压抑效应特别明显。因为二价离子有二个键能使松弛的碱玻璃的结构网巩固起来，减少松弛极化作用，因而使tanδ降低。例如含有大量PbO及BaO，少量碱的电容器玻璃，在1×106赫时，tanδ为6×10-4～9×10-4。制造玻璃釉电容器的玻璃含有大量PbO和BaO，tanδ可降低到4×10-4，并且可使用到250℃的高温。
陶瓷材料的损耗
主要是电导损耗、松弛质点的极化损耗及结构损耗。此外，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。
以结构紧密的离子晶体为主晶相的陶瓷材料，损耗主要来源于玻璃相。为了改善某些陶瓷的工艺性能，往往在配方中引入一些易熔物质（如粘土），形成玻璃相，这样就使损耗增大。如滑石瓷、尖晶石瓷随粘土含量的增大，其损耗也增大。因而一般高频瓷，如氧化铝瓷、金红石等很少含有玻璃相。
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，生成了缺陷固溶体，多晶形转变等。
如果陶瓷材料中含有可变价离子，如含钛陶瓷，往往具有显著的电子松弛极化损耗。因此，陶瓷材料的介质损耗是不能只按照瓷料成分中纯化合物的性能来推测的。在陶瓷烧结过程中，除了基本物理化学过程外，还会形成玻璃相和各种固溶体。固溶体的电性能可能不亚于，也可能不如各组成成分。这是在估计陶瓷材料的损耗时必须考虑的。
总之，介质损耗是介质的电导和松弛极化引起的电导和极化过程中带电质点（弱束缚电子和弱联系离子，并包括空穴和缺位）移动时，将它在电场中所吸收的能量部分地传给周围“分子”，使电磁场能量转变为“分子”的热振动，能量消耗在使电介质发热效应上。
表6-3和表6-4分别给出了一些陶瓷的损耗因子。表6-5为电工陶瓷介质损耗的分类，供读者参考。
常用陶瓷的tanδ
（×10-4）
电容器瓷的tanδ（f=106Hz，T=293±5K）
（×10-4）
电工陶瓷介质损耗分类
损耗的主要机构
损耗的种类
引起该类损耗的条件
极化介质损耗
离子弛豫损耗
（1）具有松散晶格的单体化合物晶体，如堇青石、绿宝石
（2）缺陷固溶体
（3）玻璃相中，特别是存在碱性氧化物
电子弛豫损耗
破坏了化学组成的电子半导体晶格
频率接近离子（或电子）固有振动频率
自发极化损耗
温度低于居里点的铁电晶体
表面电导损耗
制品表面污秽，空气湿度高
体积电导损耗
材料受热温度高，毛细管吸湿
不均匀结构介质损耗
存在闭口孔隙和高电场强度
由杂质引起的极化和漏导损耗
存在吸附水分、开口孔隙吸潮以及半导体杂质等
降低材料介质损耗的方法
降低材料的介质损耗应从考虑降低材料的电导损耗和极化损耗入手。
（1）选择合适的主晶相：尽量选择结构紧密的晶体作为主晶相。
（2）改善主晶相性能时，尽量避免产生缺位固溶体或间隙固溶体，最好形成连续固溶体。这样弱联系离子少，可避免损耗显著增大。
尽量减少玻璃相。有较多玻璃相时，应采用“中和效应”和“压抑效应”，以降低玻璃相的损耗。
(4）防止产生多晶转变，因为多晶转变时晶格缺陷多，电性能下降，损耗增加。如滑石转变为原顽辉石时析出游离方石英
Mg3（Si4O10）(OH2)→3（MgO?SiO2）＋SiO2十H2O
游离方石英在高温下会发生晶形转变产生体积效应，使材料不稳定，损耗增大。因此往往加入少量(1%)的Al2O3，使Al2O3和SiO2生成硅线石（Al2O3?SiO2）来提高产品的机电性能。
(5）注意焙烧气氛。含钛陶瓷不宜在还原气氛中焙烧。烧成过程中升温速度要合适，防止产品急冷急热。
(6)控制好最终烧结温度，使产品“正烧”，防止“生烧”和“过烧”以减少气孔率。
此外，在工艺过程中应防止杂质的混入，坯体要致密。
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