电学性能外文翻译资料

 2022-01-18 09:01

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1.电学性能

1.1电介质材料

许多陶瓷和聚合物被用作绝缘体和/或电容器。许多陶瓷，包括玻璃、瓷器、滑石和云母，介电常数在6到10之间。这些材料还表现出高度的尺寸稳定性和机械强度。典型的应用包括电力线和电气绝缘、开关底座和光插座。二氧化钛(TiO2)和钛酸盐陶瓷，例如钛酸钡具有极高的介电常数，这使得它们在某些电容器的应用中特别有用。

大多数聚合物的介电常数的大小小于陶瓷，因为后者可能表现出更大的偶极矩:聚合物的介电常数值一般在2到5之间。这些材料通常用于电线、电缆、电机、发电机等的绝缘，此外，还用于一些电容器。表3.4给出了部分绝缘子的介电性能。

将介电材料置于振幅为E、频率为f的循环电场中，得到功率P被耗散，场也相应地衰减。单位体积耗散的功率为：

L为损耗因子(即损耗正切乘以介电常数)。这种能量以热的形式出现，并通过材料的体积均匀地产生。因此，频率或场强越高，损耗系数越大，加热和能量损耗越大。

当你在微波炉里烹饪一些食物，例如鸡肉，你使用的是介电损耗，因为它的优点是烹饪时间快。微波加热在工业上也得到了广泛的应用，例如在高级陶瓷的烧结中。

雷达的工作原理是发射由路径上的物体反射回来的射频波。雷达天线测量反射回来所需的时间，然后计算出物体的距离和速度。例如，金属制成的飞机是一种优秀的雷达反射器，它的曲线形状使它能够向各个方向反射。这对安全的空中交通管制至关重要。为了避免检测，反射必须最小化。通过以下三种方式实现隐形技术最大限度地减少反射:

（1）将雷达信号从探测器反射出去，形成平面形状。

（2）使用非金属结构材料，如对微波半透明的复合材料。

（3）飞机表面涂有雷达吸收材料（RAM）以吸收微波而不是反射它们。 RAM使用介电损耗。铁电材料的表面层具有较大的损耗系数，可以衰减入射波，减小反射信号。

在某些情况下，必须避免介质损耗，例如天线罩的材料。天线罩的作用是保护微波天线不受风和天气的不利影响，同时尽量不影响它所发送和接收的信号。然而，在超音速飞行的情况下，天线罩必须承受由穹顶内外压差和高温引起的结构载荷。这与隐身涂料的情况正好相反。低损耗系数、高强度、高熔点的材料有利于达到这一目的。这些材料是陶瓷，如硅，氧化铝和氮化硅。此外，如果不用于高温应用，可以使用玻璃纤维增强塑料(GFRPs)。

电容器(或电容器)是一种电子设备，它可以在一对间距很近的导体(称为“板”)之间的电场中存储能量。当电压加在电容器上时，大小相等但极性相反的电荷就会在每个极板上积聚起来。它们在电路中用作储能装置。它们还可以用来区分高频和低频信号，这使得它们在电子滤波器中很有用。

这有几种类型的电容器。金属薄膜是用优质聚合物箔(聚碳酸酯、聚酯(聚酯)、聚苯乙烯和聚丙烯)在材料表面沉积的一层金属，用于制作高质量、稳定性好的电容器。这些电容器适用于定时器电路和高频。改变金属和陶瓷层的陶瓷芯片具有高的耗散系数、高频耗散系数。主要用于一般的低精度耦合和滤波应用，适用于高频。云母类似于金属薄膜。它常用于高压，适用于高频，但价格昂贵。电解电容器用铝电极极化来蚀刻，获得更高的表面，介质用液体电解质浸泡。他们的特点是高耐受性，高不稳定性，特别是受热时容量逐渐丧失，有很高的泄漏量。超级电容器由碳气凝胶、碳纳米管或多孔电极材料制成。它们具有极高的容量，可以在一些应用中代替可充电电池。

采用电容器进行功率因数校正，消除电流分布不均匀的现象。通常，这些电容器的值不是以法拉来表示的，而是以伏安(VAR)的无功功率来表示的。其目的是抵消来自电动机和荧光灯的感应负载，使负载看起来主要是电阻性的。由于电容器在充电到所施加的直流电压时，通过交流但阻断直流信号，因此它们通常用于分离信号的交流和直流分量，称为交流耦合。电容器也可与高压断路器的中断单元并联使用，以便在这些单元之间平均分配电压。在这种情况下，它们被称为分级电容器。

电容器和电感器一起应用于调谐电路中，以选择特定频段的信息。例如，无线电接收器依靠可变电容来调节电台频率。扬声器使用无源模拟交叉器，模拟均衡器使用电容选择不同的音频波段。在收音机等调谐电路中，所选频率是电感(L)和电容(C)的串联函数，由:

这是LC电路中共振发生的频率。

电容器的结构可以由一些因素改变，如物理和/或电气特性，从而导致电容的变化。所以电容器可以用作传感器。具有外露多孔介质的电容器可用于测量空气中的湿度。电容器被用来精确地测量飞机的燃油水平。带有柔性板的电容器可用于测量应变或压力。电容作为电容麦克风的传感器，在气压作用下，其中一个板相对于另一个板的固定位置移动。

电容式压力传感器(CPS)最常用的基本结构包括连接到刚性环和基片上的圆形的边缘夹紧的膜片。压力引起的薄膜偏转改变了电极之间的距离，从而改变了传感结构的电容。膜片式电容陶瓷压力传感器测量相对气体压力的原理图如图3.16所示。

图1膜片式电容式压力传感器原理。

一组大的、特殊构造的、低电感的高压电容器(电容器组)被用来为许多脉冲电源应用提供巨大的电流脉冲，包括电磁成形、马克思发生器和脉冲激光器。大型电容器组是核武器及其他特种武器爆炸桥丝雷管或片状雷管的能量来源。使用电容器组作为电磁装甲和电磁轨道炮或线圈炮的电源的实验工作正在进行中。

1.2铁电性

铁电材料是一组能自发极化的介电材料，在没有电场的情况下的极化。这种材料必须含有永久性电偶极子。这种铁电行为与温度有关。居里温度以上铁电行为消失。由于所有的偶极子都是自发排列的，所以材料将具有饱和极化(Ps)。极化方向可以随外加电场的方向而改变。这类材料的极化与外加电场的关系类似于铁磁材料，具有磁滞现象。这些材料的剩余极化(PS)和矫顽力(Ec)取决于加工和热处理。

部分铁电材料如钛酸钡(BaTiO3)在居里温度(48.9℃)下，其结构由扭曲的四方结构转变为正常的立方钙钛矿结构，所有离子在立方单位胞内呈对称位置;该材料现在呈钙钛矿晶体结构时，铁电行为停止。铁电材料表现出类似于永久磁性的铁磁性材料。

这些材料在相对较低的外加电场频率下具有极高的介电常数。钛酸钡(BaTiO3)就是这样一种材料，它存在于它的四方晶体结构中。在这个结构中它也是压电的。铁电材料制成的电容器由于介电常数高，因而体积小得多。也有需要介电常数较低(le;3) 的材料用于涂料、薄膜、矩阵树脂,纤维,特别是在电子工业和航空航天工业。现在已经研制出一种低介电常数的聚酰亚胺纤维，可能用于印刷电路板和飞机复合材料。这种纤维具有与标准纺织纤维相似的高热稳定性和良好的拉伸性能。

1.3压电材料

外力的作用改变了非中心对称介质的极化方向。由于应力引起偶极子取向的微小变化而产生净极化。这叫做压电行为。相反，电场的作用会在材料中产生应变。这就是所谓的逆压电行为。压电效应又称压力电:在外力作用下，产生极化，在试件上形成电场。把外力的符号(从拉力到压缩)倒转，就使场的方向相反。这种性能的材料有alpha;-石英(二氧化硅)、磷酸二氢钾(KH2PO4),等等。压电效应如图2所示。

(a)颗粒的排列 (b)压缩应力下的排列 (c)拉伸应力下的排列

图2压电晶体的尺寸随着外加电场的变化而变化。

相反，施加的电压改变偶极子并产生可测量的尺寸变化。注意带负电荷的离子被吸引到正极;同样，正离子及其电荷中心向负极移动，从而增加了变化中心的分离(增加偶极长度)。如果端子的极性相反，所产生的变形就会向相反的方向扭曲(膨胀)。当交流电压作用在晶体上时，会导致晶体在驱动频率(共振时的最大振幅)上膨胀和收缩(振荡)，这可以作为声波能量传播到周围的介质中。换句话说，交流电产生的电势会使晶体振动。

综上所述，如果一个机械应力作用于一个晶体的两个相反的端(机械能供应)，晶体的其余端被充电(电能输出)。如果向晶体的一组面提供电压，则晶体的另两组面变形(或收缩或膨胀);如果提供交流电势，则输出驱动频率下的晶体振荡，晶体振荡可以以恒定波长的声能传输到周围介质中。压电晶体被称为传感器，因为它不仅将能量从一个系统传输到另一个系统，而且将能量从一种形式转换到另一种形式。

压电材料用于换能器，换能器是一种将电能转换为机械应变的装置，反之亦然。使用压电的其他一些常见应用包括留声机墨盒、麦克风、扬声器、声音警报和超声波成像。在留声机的唱机匣中，当唱针穿过唱片上的凹槽时，位于唱机匣内的压电材料就会受到压力变化的影响，压电材料随后被转换成电信号，在进入扬声器之前被放大。

超声波在医学上的应用包括利用高频声音产生回波图像。声纳(声音导航和测距)利用低频声音在水中进行长距离的航行。陶瓷纺丝技术正在为美国海军制造用于声学元件的压电复合材料，这使得声纳更加通用，因为这些新纤维可以弯曲以适应曲面，从而产生更清晰的信号。

压电材料包括钡和铅的钛酸盐、锆酸铅(PbZrO3)、磷酸二氢铵(NH4H2PO4)和石英。这种性质的特点是材料具有复杂的晶体结构和较低的对称性。多晶试样的压电行为可以通过加热到居里温度以上，然后在强电场中冷却到室温来改善。

具有压电特性的石英晶体(SiO2)是天然存在的，并且是商业化种植的。当电流通过石英晶体时，它每秒振动32768次。今天的电子表包括一块电池、一台微型电脑和一块石英晶体。

喷墨打印机的打印头是一种压电材料。施加在压电材料圆盘上的电场向振动板传递一个脉冲，产生一个压力脉冲，从喷嘴喷出一滴墨水。在放松的时候，更多的墨水被吸入来代替它。由于压电技术的优势，控制锐度和持续时间，可以实现更大的分辨率和彩色分级印刷作品。

2. 热力学性质

2.1 热力学性质

产生电流和携带热能之间的相互作用产生了三种效应：塞贝克效应、汤姆逊效应和珀尔帖效应。这些效应只可能在具有自由带电粒子的金属和半导体中产生。

当一种材料的一端被加热，另一端保持冷却时，就会发生塞贝克效应。由于温度梯度的存在，热端带电粒子将流向冷端，使热端为正冷端为负。这样就形成了电场。热电偶是根据这一原理工作的，用于测量相对于标准冷端温度的温度。金属合金通常以金属丝的形式用于此应用。

当两种不同的材料在外加电位下结合在一起时，会产生珀尔帖效应。电流流过这两种材料，在连接处的电子要么放热，要么吸收热量。如果电流的方向相反，则会在结处产生相反的效果。珀尔帖热是指单位时间单位电流在结处产生的可逆热。由p和n型半导体制成的热电偶中的珀尔帖效应可用于热电冰箱和热电发电机。

2.2 热膨胀

几乎所有固体材料在加热时膨胀，冷却时收缩。各向同性材料在各个方向上均匀地膨胀或收缩。这种温度变形是由于热能的变化而引起的相邻原子间距离变化。线性热膨胀系数（alpha;）描述了单位热应变或者单位形变与温度变化的关系，式子如下图所示：

式中△L为某一尺寸的长度变化，l0为该尺寸的原始长度，△T为温度变化，alpha;为比例常数，即线性热膨胀系数。在表示热膨胀系数时，术语alpha; (℃)-1 系数用每摄氏度表示。

层状复合材料的热膨胀系数（CTE）必须与组成材料的热膨胀系数（CTE）密切匹配，否则复合材料会在界面处分层。

在金属中，系数（alpha;）与熔点（Tm）之间有密切的相关性。系数越低，Tm值越高。知道Tm值则可以判断结合力的强度。双金属片举例说明了热膨胀系数在温度控制继电器中的应用。随着温度的变化，两种结合在一起并具有不同系数的金属会弯曲，与开关产生电接触。如果两种金属A和B很薄，膨胀差产生的感应应力将导致金属条弯曲，如图3所示。由于金属A的热膨胀系数比金属B高，当温度从t0升高到t1时，A的变形大于B的变形，整个双金属片都会弯曲到金属B的侧面。金属A称为活性层，B称为被动层。活性层的主要材料是锰镍铜、镍铬铁和镍锰铁合金。被动层材料主要为镍铁合金，镍含量为34～50%。使用由这两种材料制成的双金属线圈可以放大弯曲程度。当所控制的变量达到所需的水平（如温度）时，线圈的膨胀可用于断开或形成电路。双金属片也被制成温度计来测量高温。

图3 双金属片在不同温度下的形势，在T1下保持一段时间后发生弯曲（alpha;Agt;alpha;B）。

在材料系统的设计中，必须考虑温度引起的变形。温度的变化是热传递的迹象。在这种情况下，比如在两种不同材料的复合结构中，这两种材料的膨胀系数可能有过大的差异。聚合物具有较小的键合力（范德华键），因此比金属具有更大的膨胀系数。总之，共价和离子键合材料的系数最低（键合最强），聚合物的系数最高（键合最弱），金属介于这些极限之间。

3. 磁性

3.1材料的磁性

在磁路中，可以将材料的磁导率（mu;）与电路中的导电率进行比较。磁导率是材料建立磁场的容易程度的量度。磁场（用符号H表示，单位为安培/米，A/m）对应于电压或电位降。磁通密度、磁感应或磁场（B），以韦伯每平方米（Wb/m2）表示，与电流相对应。B与H（B/H）之比为（Wb/A·m）。电路和磁路的一个重要区

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