首先系统地研究了钙钛矿结构钛酸锶钡微晶玻璃和钨青铜结构铌酸锶钡微晶玻璃的析晶动力学过程，揭示了铁电相的形核、生长机制，并根据实验结果优化了析晶工艺制度，分别采用整体析晶法和烧结法成功制备了一系列钙钛矿结构和钨青铜结构的铁电微晶玻璃样品，获得了高度致密、晶相分布均匀的微晶玻璃电介质。其次，系统地研究了铁电微晶玻璃微观结构优化方法和工艺，探索了铁电微晶玻璃材料的可控制备方法，成功实现了微晶玻璃微观结构的可调控性。并优选了性能稳定的微晶玻璃组成，制备了具有高介电常数、高击穿场强的铁电微晶玻璃电介质材料。再者，借助宏观电性能测试设备和微观表征手段，系统研究了微晶玻璃电介质的介电性能随晶粒尺寸及形状、玻璃相含量的变化规律，揭示了相关工艺参数对微晶玻璃电介质的界面极化与储能密度的影响规律，深入研究了微晶玻璃微观结构与储能特性的关系。另外，针对微晶玻璃电介质界面极化严重影响储能密度这一基本科学问题，结合热激退极化电流测量、阻抗谱分析、电滞回线分析方法，从微观与宏观相结合的角度，开展了微晶玻璃材料界面极化的表征工作，探索了微晶玻璃击穿场强与界面极化的关系，确认了材料内部的界面极化强度大小也是影响击穿性能的一个重要因素。建立了微观结构与界面极化、宏观储能特性之间的内在联系，揭示了复合电介质材料界面极化的机理，为高储能密度元器件的微小型化提供了技术与理论依据。

本项目针对脉冲功率技术所急需的高储能密度电介质，以新型微晶玻璃电介质作为研究对象，以进一步提高电介质的储能密度为目标，重点解决微晶玻璃电介质材料测试和表征技术中存在的共性问题和关键科学问题。基于电工学科和材料学科的交叉结合，对电介质复相材料的微观构型（主晶相与玻璃相的连通特性）和宏观性能参数（介电常数和击穿场强）进行一体化、最优化的创新设计，进而实现微晶玻璃介电性能的有效调控。通过微观显微分析和宏观测量相结合，对微晶玻璃电介质的击穿及其充放电特性进行研究，并结合微晶玻璃复相电介质的界面极化与储能密度的表征与测量，提出改善微晶玻璃电介质储能密度的科学方法，为脉冲功率源的微小型化提供强有力的材料支持。

不同电介质的极化程度是不一样的。为了分析电介质极化的宏观效应，常引入极化强度P这一物理量来表征电介质的极化特性。极化强度是一个矢量，定义单位体积内电偶极子电矩的矢量和为极化强度。

无极分子无极分子的位移极化

加上外电场后，在电场力作用下电介质分子的正负电荷中心不再重合，形成一个电偶极子，它们的等效电偶极矩P的方向都沿着电场的方向。

电介质的两个和外电场强度 相垂直的表面层里，将分别出现正电荷和负电荷。这些电荷不能离开介质，也不能在电介质中自由移动，我们称之为极化电荷。这种在外电场作用下，在电介质中出现极化电荷的现象叫做电介质的极化。

由于无极分子的极化在于正、负电荷中心的相对位移，所以常叫做位移极化。

无极分子有极分子的取向极化

无外电场时，有极分子电偶极矩取向不同，整个介质不带电。

在外电场中有极分子的固有电矩要受到一个力矩作用，电矩方向转向和外电场方向趋于一致。

有极分子的极化就是等效电偶极子转向外电场的方向，所以叫做取向极化。

一般来说，分子在取向极化的同时还会产生位移极化，但是，对于有极分子电介质来说，在静电场作用下，取向极化的效应比位移极化的效应强得多，所以有极分子的极化机理是取向极化。

上面从分子的结构出发，说明了两类不同的电介质的极化过程，这两类电介质极化的微观过程虽然不同，但宏观的效果却是相同的，都是在电介质的两个相对表面上出现了异号的极化电荷，在电介质内部有沿电场方向的电偶极矩。

电介质极化电子、离子位移极化

1. 电子位移极化在外电场作用下，原子外围的电子轨道相对于原子核发生位移，原子中的正、负电荷重心产生相对位移。这种极化称为电子位移极化(也称电子形变极化)。

2. 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。根据经典弹性振动理论可以估计出离子位移极化率。

电介质极化电介质极化弛豫极化

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101~102s，并且由于创建平衡要克服一定的位能，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。

电介质极化取向极化

沿外场方向取向的偶极子数大于与外场反向的偶极子数，因此电介质整体出现宏观偶极矩，这种极化称为取向极化。

这是极性电介质的一种极化方式。在无外电场时，由于分子的热运动，偶极矩的取向是无序的，所以总的平均偶极矩较小，甚至为0。而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。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，如玻璃中的钠离子可能以跳跃方式使偶极子趋向有序化。

电介质极化电介质极化空间电荷极化

众所周知，离子多晶体的晶界处存在空间电荷。实际上不仅晶界处存在空间电荷，其他二维、三维缺陷皆可引入空间电荷，可以说空间电荷极化常常发生在不均匀介质中。这些混乱分布的空间电荷，在外电场作用下，趋向于有序化，即空间电荷的正、负电荷质点分别向外电场的负、正极方向移动，从而表现为极化。

宏观不均匀性，例如夹层、气泡等也可形成空间电荷极化，因此，这种极化又称界面极化。由于空间电荷的积聚，可形成很高的与外场方向相反的电场，故而有时又称这种极化为高压式极化。

空问电荷极化随温度升高而下降。这是因为温度升高，离子运动加剧，离子容易扩散，因而空间电荷减小。空间电荷极化需要较长时间，大约几秒到数十分钟，甚至数十小时，因此空间电荷极化只对直流和低频下的极化强度有贡献。 2100433B