电介质材料是电子器件和电力装备中不可或缺的基础材料，涉及从能源到国防、从工业到民用的广泛领域。器件和装备的功能性、高效性、稳定性和可靠性归根结底取决于其内部使用的材料种类及性能。传统电介质材料一般可用于电子器件封装、电力设备绝缘等，其优良的电、热、机械性能是保障器件和装备安全可靠运行的重要基础； 电介质材料也可用于基础电子元器件中，例如薄膜电容器，在换流阀、逆变器等核心电能转换装备中，电容器是仅次于绝缘栅双极晶体管等功率半导体器件的核心电力元件。
近年来，随着新型电力系统的提出与加速建设，智能、清洁、安全、高效等已成为电网的主要发展目标。提高电力设备的可靠性和使用寿命是当前的研究重点。为应对电力设备实际运行中的潜在风险，提出构建智能电网感知系统，通过安装振动、超声、温度等传感器，实时采集并处理现场信息，实现对电网及设备运行状态的在线监测与防护。若进一步将环境中的机械能、热能等能量进行有效收集并转换为电能，实现监测元件的自供电，则可保证传感器的长期自主稳定工作，提高电网安全性。从另一角度，实现电力设备本身对损伤的主动规避、预警与修复同样对保证电网的可靠供电有着重要意义。而上述发展趋势下的一系列变革与挑战，无不对电力装备与电子器件中使用的电介质材料提出了更高的要求。
功能电介质，如铁电材料、压电材料、热释电材料、介电弹性体、纳米复合材料等，可实现光、电、热、磁、力等不同形式能量的交互与转换或能对光、电、热、磁、力等外部激励产生响应。这些特性使其不只局限于用作传统绝缘介质，而且在能量收集与转换、传感、致动、制冷等领域都具有广泛的应用潜力。此外，仿照生命系统设计的智能响应介电材料（自适应、自诊断、自修复材料）能够有效避免、诊断或修复电气或机械损伤，提高电力设备本身的可靠性和耐用性，进而大幅降低电力系统灾难性故障发生的风险。
目前，工程学科相关课程使用的教材在对电介质的阐述部分，基本聚焦在传统电介质极化、损耗、击穿等性能，主要关注材料在绝缘方面的应用。为了适应工程学科及对应行业的发展要求，需及时完善和补充功能电介质的专业教材。在此背景下，本书系统介绍了铁电材料、压电材料、热释电材料、介电弹性体、纳米复合电介质材料、智能响应材料等功能性电介质知识体系，涵盖基本原理、材料体系、典型应用等多个方面。全书共11章，第1章简述电介质的相关基本概念和经典理论，第2、3、4章为铁电材料部分，第5、6章为压电材料部分，第7、8章为热释电材料部分，第9章为介电弹性体部分，第10章为介电聚合物纳米复合材料部分，第11章为智能响应介电绝缘材料部分。书中行文力图深入浅出，每种功能材料均先从物理/化学理论基础、材料种类进行概述，随后介绍其发展现状，并最终落脚于其具体应用场景。
本书主要面向高等院校工程学科领域无材料学、电介质物理学理论基础或基础较薄弱的本科生，可帮助初学者建立对功能电介质领域的全面认知体系，并了解当前该领域的前沿研究现状和应用前景。因此，书中的理论部分在沿用相关经典教材（如《电介质物理学（第二版）》）（殷之文主编）和Dielectric Phenomena in Solids: with Emphasis on Physical Concepts of Electronic Processes（Kwan Chi Kao））结构框架的基础上，又根据本书的读者群体进行了调整和补充。此外，本书在介绍功能电介质具体应用的过程中更多地选用了近年来最新的研究进展，因此也可作为从事功能电介质相关工作的研究生和科研人员的参考读物。在此，对相关教材和文献的作者一并表达诚挚的谢意！
功能电介质领域涉及面广泛，近年来发展十分迅速，新的研究成果不断涌现。由于作者水平有限，时间仓促，书中难免存在错误和疏漏之处，恳请读者提出宝贵意见。
李琦
2024年11月于清华园
李琦，清华大学长聘副教授，博士生导师，国家海外高层次引进人才，国家优青项目获得者；长期围绕介电高分子及其复合材料开展关键基础及应用技术研究；主持国家自然科学基金重大研究计划重点项目和国家重点研发计划项目课题；在Nature、Nature Materials、Nature Nanotechnology等期刊发表SCI论文150余篇，连续5年入选美国斯坦福大学/Elsevier发布的全球前2％顶尖科学家榜单；科研成果获北京市自然科学奖一等奖、中国机械工业科学技术奖二等奖、国内外发明展览会金奖；个人获IEEE介电绝缘学会青年学者成就奖、中国新锐科技人物卓越影响奖、电子元器件关键材料与技术青年才俊奖等荣誉。
第1章电介质理论基础
1.1介电现象的发展历史和基本概念
1.1.1介电现象
1.1.2电介质的基本特性
1.2静电场中的电极化
1.2.1极化强度
1.2.2介电常数
1.3电极化的机理
1.3.1电子极化
1.3.2离子极化
1.3.3偶极极化
1.3.4空间电荷极化
1.3.5电介质材料分类
1.3.6各种极化的对比
1.4局域场
1.4.1非极性材料的局域场
1.4.2克劳修斯莫索提方程
1.5时变电场下的介电响应
1.5.1复介电常数
1.5.2时变电场下的电极化
1.6介电弛豫现象
1.6.1弛豫时间近似方法
1.6.2德拜弛豫模型
1.6.3Cole-Cole图
1.6.4双势阱弛豫模型
习题
第2章铁电现象及特性
2.1铁电体的发现
2.2铁电体的结构特征
2.2.1晶体结构基础
2.2.2铁电畴的结构特点
2.3铁电体的极化特性
2.3.1铁电畴的极化反转
2.3.2铁电体的电滞回线
2.3.3缺陷对极化的影响
2.4铁电相变
2.4.1相变基础
2.4.2铁电相变的基本特征
2.4.3铁电相变的热力学方法
2.4.4弛豫铁电体
2.4.5诱导铁电相变
2.4.6反铁电体
习题
参考文献
第3章铁电材料
3.1铁电材料分类
3.1.1铁电晶体
3.1.2铁电液晶
3.1.3铁电高分子
3.2钛酸钡基铁电晶体
3.2.1钛酸钡
3.2.2掺杂钛酸钡
3.3锆酸铅基反铁电晶体
3.3.1锆钛酸铅
3.3.2锆酸铅
3.3.3掺杂锆酸铅
3.4铌镁酸铅基弛豫铁电晶体
3.4.1铌镁酸铅
3.4.2铌镁酸铅-钛酸铅
3.5聚偏氟乙烯
3.5.1聚偏氟乙烯的链结构
3.5.2聚偏氟乙烯的聚集态结构
3.5.3铁电相聚偏氟乙烯的制备
3.6聚偏氟乙烯的二元共聚物
3.6.1偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物
3.6.2偏氟乙烯-三氟氯乙烯共聚物
3.6.3偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物
3.7聚偏氟乙烯的三元共聚物
3.8聚偏氟乙烯的接枝共聚物
3.9交联聚偏氟乙烯
习题
参考文献
第4章铁电材料的应用
4.1热自稳定非线性介质元件
4.2铁电存储器
4.3高能电脉冲发生器
4.4电介质电容器
4.4.1多层陶瓷电容器
4.4.2薄膜电容器
习题
参考文献
第5章压电效应
5.1压电原理
5.1.1压电产生机理
5.1.2蝴蝶曲线
5.1.3电致伸缩效应
5.2压电系数
5.3压电陶瓷
5.3.1PZT压电陶瓷
5.3.2弛豫铁电体-铁电体压电陶瓷
5.3.3无铅压电陶瓷
5.4单晶压电体
5.5压电聚合物
5.5.1PVDF及其共聚物
5.5.2PVDF压电性的来源
5.5.3生物大分子的压电性
习题
参考文献
第6章压电材料的应用
6.1压电超声换能器
6.2压电传感器
6.3压电致动器
6.4压电发电装置
6.5压电声电元件
6.6其他应用
习题
参考文献
第7章热释电效应
7.1热释电原理
7.1.1热释电系数
7.1.2热释电系数的测量
7.2热释电材料
7.2.1有机小分子热释电材料
7.2.2无机晶体热释电材料
7.2.3有机聚合物热释电材料
7.3热释电的逆效应电卡效应
7.4电卡材料
习题
参考文献
第8章热释电与电卡材料的应用
8.1热释电传感
8.1.1热释电辐射探测器
8.1.2热释电红外热像仪
8.2热释电能量收集
8.2.1热释电能量收集原理与循环模式
8.2.2热释电能量收集器件
8.3电卡制冷
8.3.1电卡制冷原理与循环模式
8.3.2电卡制冷器件
习题
参考文献
第9章介电弹性体的特性及应用
9.1弹性体的定义
9.2弹性体的结构特点
9.3典型的介电弹性体材料
9.3.1天然橡胶
9.3.2硅橡胶
9.3.3丙烯酸酯弹性体
9.4介电弹性体传感器
9.5介电弹性体电能收集
9.6介电弹性体致动器
习题
参考文献
第10章介电聚合物纳米复合材料
10.1介电聚合物纳米复合材料简述
10.2聚合物/纳米粒子的界面理论
10.3基于宏观体系的界面表征
10.3.1界面组成结构研究
10.3.2界面动力学研究
10.3.3界面电荷输运研究
10.4基于原位微区的界面表征
10.4.1界面微区的电极化
10.4.2界面微区的电荷特性
10.4.3界面微区的化学结构分析
10.5介电聚合物纳米复合材料的应用
10.5.1电介质电容器
10.5.2压电能量收集
10.5.3热释电能量收集与电卡制冷
习题
参考文献
第11章智能响应介电绝缘材料
11.1智能响应介电绝缘材料研究背景
11.2自适应电介质材料
11.2.1传统均压技术
11.2.2自适应电介质材料设计
11.2.3自适应电介质材料性能及应用
11.3自诊断电介质材料
11.3.1传统绝缘材料老化监测技术
11.3.2自诊断电介质材料设计
11.3.3自诊断效果及应用
11.4自修复电介质材料
11.4.1自修复电介质材料研究背景
11.4.2自修复电介质材料设计
11.4.3自修复效果及应用
习题
参考文献
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