電介質材料是電子器件和電力裝備中不可或缺的基礎材料，涉及從能源到國防、從工業(yè)到民用的廣泛領域。器件和裝備的功能性、高效性、穩(wěn)定性和可靠性歸根結底取決于其內部使用的材料種類及性能。傳統(tǒng)電介質材料一般可用于電子器件封裝、電力設備絕緣等，其優(yōu)良的電、熱、機械性能是保障器件和裝備安全可靠運行的重要基礎； 電介質材料也可用于基礎電子元器件中，例如薄膜電容器，在換流閥、逆變器等核心電能轉換裝備中，電容器是僅次于絕緣柵雙極晶體管等功率半導體器件的核心電力元件。
近年來，隨著新型電力系統(tǒng)的提出與加速建設，智能、清潔、安全、高效等已成為電網的主要發(fā)展目標。提高電力設備的可靠性和使用壽命是當前的研究重點。為應對電力設備實際運行中的潛在風險，提出構建智能電網感知系統(tǒng)，通過安裝振動、超聲、溫度等傳感器，實時采集并處理現(xiàn)場信息，實現(xiàn)對電網及設備運行狀態(tài)的在線監(jiān)測與防護。若進一步將環(huán)境中的機械能、熱能等能量進行有效收集并轉換為電能，實現(xiàn)監(jiān)測元件的自供電，則可保證傳感器的長期自主穩(wěn)定工作，提高電網安全性。從另一角度，實現(xiàn)電力設備本身對損傷的主動規(guī)避、預警與修復同樣對保證電網的可靠供電有著重要意義。而上述發(fā)展趨勢下的一系列變革與挑戰(zhàn)，無不對電力裝備與電子器件中使用的電介質材料提出了更高的要求。
功能電介質，如鐵電材料、壓電材料、熱釋電材料、介電彈性體、納米復合材料等，可實現(xiàn)光、電、熱、磁、力等不同形式能量的交互與轉換或能對光、電、熱、磁、力等外部激勵產生響應。這些特性使其不只局限于用作傳統(tǒng)絕緣介質，而且在能量收集與轉換、傳感、致動、制冷等領域都具有廣泛的應用潛力。此外，仿照生命系統(tǒng)設計的智能響應介電材料（自適應、自診斷、自修復材料）能夠有效避免、診斷或修復電氣或機械損傷，提高電力設備本身的可靠性和耐用性，進而大幅降低電力系統(tǒng)災難性故障發(fā)生的風險。
目前，工程學科相關課程使用的教材在對電介質的闡述部分，基本聚焦在傳統(tǒng)電介質極化、損耗、擊穿等性能，主要關注材料在絕緣方面的應用。為了適應工程學科及對應行業(yè)的發(fā)展要求，需及時完善和補充功能電介質的專業(yè)教材。在此背景下，本書系統(tǒng)介紹了鐵電材料、壓電材料、熱釋電材料、介電彈性體、納米復合電介質材料、智能響應材料等功能性電介質知識體系，涵蓋基本原理、材料體系、典型應用等多個方面。全書共11章，第1章簡述電介質的相關基本概念和經典理論，第2、3、4章為鐵電材料部分，第5、6章為壓電材料部分，第7、8章為熱釋電材料部分，第9章為介電彈性體部分，第10章為介電聚合物納米復合材料部分，第11章為智能響應介電絕緣材料部分。書中行文力圖深入淺出，每種功能材料均先從物理/化學理論基礎、材料種類進行概述，隨后介紹其發(fā)展現(xiàn)狀，并最終落腳于其具體應用場景。
本書主要面向高等院校工程學科領域無材料學、電介質物理學理論基礎或基礎較薄弱的本科生，可幫助初學者建立對功能電介質領域的全面認知體系，并了解當前該領域的前沿研究現(xiàn)狀和應用前景。因此，書中的理論部分在沿用相關經典教材（如《電介質物理學（第二版）》）（殷之文主編）和Dielectric Phenomena in Solids: with Emphasis on Physical Concepts of Electronic Processes（Kwan Chi Kao））結構框架的基礎上，又根據(jù)本書的讀者群體進行了調整和補充。此外，本書在介紹功能電介質具體應用的過程中更多地選用了近年來最新的研究進展，因此也可作為從事功能電介質相關工作的研究生和科研人員的參考讀物。在此，對相關教材和文獻的作者一并表達誠摯的謝意！
功能電介質領域涉及面廣泛，近年來發(fā)展十分迅速，新的研究成果不斷涌現(xiàn)。由于作者水平有限，時間倉促，書中難免存在錯誤和疏漏之處，懇請讀者提出寶貴意見。
李琦
2024年11月于清華園
李琦，清華大學長聘副教授，博士生導師，國家海外高層次引進人才，國家優(yōu)青項目獲得者；長期圍繞介電高分子及其復合材料開展關鍵基礎及應用技術研究；主持國家自然科學基金重大研究計劃重點項目和國家重點研發(fā)計劃項目課題；在Nature、Nature Materials、Nature Nanotechnology等期刊發(fā)表SCI論文150余篇，連續(xù)5年入選美國斯坦福大學/Elsevier發(fā)布的全球前2％頂尖科學家榜單；科研成果獲北京市自然科學獎一等獎、中國機械工業(yè)科學技術獎二等獎、國內外發(fā)明展覽會金獎；個人獲IEEE介電絕緣學會青年學者成就獎、中國新銳科技人物卓越影響獎、電子元器件關鍵材料與技術青年才俊獎等榮譽。
第1章電介質理論基礎
1.1介電現(xiàn)象的發(fā)展歷史和基本概念
1.1.1介電現(xiàn)象
1.1.2電介質的基本特性
1.2靜電場中的電極化
1.2.1極化強度
1.2.2介電常數(shù)
1.3電極化的機理
1.3.1電子極化
1.3.2離子極化
1.3.3偶極極化
1.3.4空間電荷極化
1.3.5電介質材料分類
1.3.6各種極化的對比
1.4局域場
1.4.1非極性材料的局域場
1.4.2克勞修斯莫索提方程
1.5時變電場下的介電響應
1.5.1復介電常數(shù)
1.5.2時變電場下的電極化
1.6介電弛豫現(xiàn)象
1.6.1弛豫時間近似方法
1.6.2德拜弛豫模型
1.6.3Cole-Cole圖
1.6.4雙勢阱弛豫模型
習題
第2章鐵電現(xiàn)象及特性
2.1鐵電體的發(fā)現(xiàn)
2.2鐵電體的結構特征
2.2.1晶體結構基礎
2.2.2鐵電疇的結構特點
2.3鐵電體的極化特性
2.3.1鐵電疇的極化反轉
2.3.2鐵電體的電滯回線
2.3.3缺陷對極化的影響
2.4鐵電相變
2.4.1相變基礎
2.4.2鐵電相變的基本特征
2.4.3鐵電相變的熱力學方法
2.4.4弛豫鐵電體
2.4.5誘導鐵電相變
2.4.6反鐵電體
習題
參考文獻
第3章鐵電材料
3.1鐵電材料分類
3.1.1鐵電晶體
3.1.2鐵電液晶
3.1.3鐵電高分子
3.2鈦酸鋇基鐵電晶體
3.2.1鈦酸鋇
3.2.2摻雜鈦酸鋇
3.3鋯酸鉛基反鐵電晶體
3.3.1鋯鈦酸鉛
3.3.2鋯酸鉛
3.3.3摻雜鋯酸鉛
3.4鈮鎂酸鉛基弛豫鐵電晶體
3.4.1鈮鎂酸鉛
3.4.2鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛
3.5聚偏氟乙烯
3.5.1聚偏氟乙烯的鏈結構
3.5.2聚偏氟乙烯的聚集態(tài)結構
3.5.3鐵電相聚偏氟乙烯的制備
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交聯(lián)聚偏氟乙烯
習題
參考文獻
第4章鐵電材料的應用
4.1熱自穩(wěn)定非線性介質元件
4.2鐵電存儲器
4.3高能電脈沖發(fā)生器
4.4電介質電容器
4.4.1多層陶瓷電容器
4.4.2薄膜電容器
習題
參考文獻
第5章壓電效應
5.1壓電原理
5.1.1壓電產生機理
5.1.2蝴蝶曲線
5.1.3電致伸縮效應
5.2壓電系數(shù)
5.3壓電陶瓷
5.3.1PZT壓電陶瓷
5.3.2弛豫鐵電體-鐵電體壓電陶瓷
5.3.3無鉛壓電陶瓷
5.4單晶壓電體
5.5壓電聚合物
5.5.1PVDF及其共聚物
5.5.2PVDF壓電性的來源
5.5.3生物大分子的壓電性
習題
參考文獻
第6章壓電材料的應用
6.1壓電超聲換能器
6.2壓電傳感器
6.3壓電致動器
6.4壓電發(fā)電裝置
6.5壓電聲電元件
6.6其他應用
習題
參考文獻
第7章熱釋電效應
7.1熱釋電原理
7.1.1熱釋電系數(shù)
7.1.2熱釋電系數(shù)的測量
7.2熱釋電材料
7.2.1有機小分子熱釋電材料
7.2.2無機晶體熱釋電材料
7.2.3有機聚合物熱釋電材料
7.3熱釋電的逆效應電卡效應
7.4電卡材料
習題
參考文獻
第8章熱釋電與電卡材料的應用
8.1熱釋電傳感
8.1.1熱釋電輻射探測器
8.1.2熱釋電紅外熱像儀
8.2熱釋電能量收集
8.2.1熱釋電能量收集原理與循環(huán)模式
8.2.2熱釋電能量收集器件
8.3電卡制冷
8.3.1電卡制冷原理與循環(huán)模式
8.3.2電卡制冷器件
習題
參考文獻
第9章介電彈性體的特性及應用
9.1彈性體的定義
9.2彈性體的結構特點
9.3典型的介電彈性體材料
9.3.1天然橡膠
9.3.2硅橡膠
9.3.3丙烯酸酯彈性體
9.4介電彈性體傳感器
9.5介電彈性體電能收集
9.6介電彈性體致動器
習題
參考文獻
第10章介電聚合物納米復合材料
10.1介電聚合物納米復合材料簡述
10.2聚合物/納米粒子的界面理論
10.3基于宏觀體系的界面表征
10.3.1界面組成結構研究
10.3.2界面動力學研究
10.3.3界面電荷輸運研究
10.4基于原位微區(qū)的界面表征
10.4.1界面微區(qū)的電極化
10.4.2界面微區(qū)的電荷特性
10.4.3界面微區(qū)的化學結構分析
10.5介電聚合物納米復合材料的應用
10.5.1電介質電容器
10.5.2壓電能量收集
10.5.3熱釋電能量收集與電卡制冷
習題
參考文獻
第11章智能響應介電絕緣材料
11.1智能響應介電絕緣材料研究背景
11.2自適應電介質材料
11.2.1傳統(tǒng)均壓技術
11.2.2自適應電介質材料設計
11.2.3自適應電介質材料性能及應用
11.3自診斷電介質材料
11.3.1傳統(tǒng)絕緣材料老化監(jiān)測技術
11.3.2自診斷電介質材料設計
11.3.3自診斷效果及應用
11.4自修復電介質材料
11.4.1自修復電介質材料研究背景
11.4.2自修復電介質材料設計
11.4.3自修復效果及應用
習題
參考文獻
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