高聚合物介電常數(shù)介質(zhì)損耗儀

型號及參數(shù)

高聚合物介電常數(shù)介質(zhì)損耗儀技術(shù)參數(shù)

型號：ZJD-C

信號源：DDS數(shù)字合成信號

頻率范圍：100KHZ-160MHZ

Q分辨率：4位有效數(shù)，分辨率0.1

電感測量范圍：1nH～140mH,；分辨率0.1     

信號源頻率精度： 3×10-5 ±1個字,6位有效數(shù)

Q值測量范圍： 1～1023自動/手動量程

Q值量程分檔： 30、100、300、1000、自動換檔或手動換檔

信號源頻率覆蓋比：16000:1       

采樣精度：12BIT   

Q測量工作誤差：＜5%

電感測量誤差：＜3%

電容直接測量范圍：1pF～2.5uF    

調(diào)諧電容誤差分辨率：±1pF或＜1%

主電容調(diào)節(jié)范圍：17～540pF  

諧振點搜索：自動掃描

自身殘余電感扣除功能：有

大電容值直接顯示功能：有

介質(zhì)損耗系數(shù)精度：萬分之一

介質(zhì)損耗測試范圍：0.0001-1             

介電常數(shù)測試范圍：0-1000

環(huán)境溫度：0℃～+40℃

消耗功率：約25W

LCD顯示參數(shù)：F,L,C,Q,LT,CT,波段等

Q合格預(yù)置范圍： 5～1000聲光提示

電源：220V±22V，50Hz±2.5Hz

材料測試厚度： 0.1-10mm

夾具插頭間距： 25mm±0.01mm

夾具損耗正切值：≤4×10－4 （1MHz）

測微桿分辨率：0.001mm

準確度：150pF以下±1pF；150pF以上±1%

測試極片：材料測量直徑Φ38mm或50mm（二選一），厚度可調(diào) ≥ 15mm

高介電材料具有良好的儲能和均勻電場作用，擁有非常廣闊的應(yīng)用空間，在埋入式電容元件、高能存儲器、電纜、電活性物質(zhì)等領(lǐng)域有著極為重要的應(yīng)用，開發(fā)易加工、介電常數(shù)（D_ｋ）高、介電損耗（D_ｆ）低等綜合性能*的新型電子材料成為研究的熱點。

聚合物在外場（包括電，力溫度等）作用下，電介質(zhì)分子或者其中某些基團中電荷分布發(fā)生相應(yīng)變化，可以產(chǎn)生極化現(xiàn)象。在外電場作用下，由于分子極化將引起電能的儲存盒損耗，這種性能稱為介電性。電介質(zhì)的特征是以正、負電荷重心不重合的電極化方式傳遞、存儲和記錄電的作用和影響。電介質(zhì)在電場下最主要的電特性是電導(dǎo)和極化,極化是電介質(zhì)中電荷(束縛在分子或局部空間中不能WANQUAN自由運動的電荷及自由電荷) 在電場中作微小位移(自由電荷移至界面與電極表面) 或受限的大尺度位移,而在電介質(zhì)表面(或界面) 產(chǎn)生束縛電荷的物理過程 。

在微觀上,電介質(zhì)的極化主要有3 種基本形式:(1) 材料中原子核外電子云畸變產(chǎn)生的電子極化; (2)分子中正負離子相對位移造成的離子極化; (3) 分子固有電矩在外電場作用下轉(zhuǎn)動導(dǎo)致的轉(zhuǎn)向極化^[1] 。此外,還有空間電荷極化、帶有電矩的基團極化以及界面極化。

高介電材料制備的器件尺寸僅為傳統(tǒng)振蕩器和介質(zhì)相的

高介電材料具有良好的儲能和均勻電場作用，擁有非常廣闊的應(yīng)用空間，在埋入式電容元件、高能存儲器、電纜、電活性物質(zhì)等領(lǐng)域有著極為重要的應(yīng)用，開發(fā)易加工、介電常數(shù)（D_ｋ）高、介電損耗（D_ｆ）低等綜合性能*的新型電子材料成為研究的熱點。

聚合物在外場（包括電，力溫度等）作用下，電介質(zhì)分子或者其中某些基團中電荷分布發(fā)生相應(yīng)變化，可以產(chǎn)生極化現(xiàn)象。在外電場作用下，由于分子極化將引起電能的儲存盒損耗，這種性能稱為介電性。電介質(zhì)的特征是以正、負電荷重心不重合的電極化方式傳遞、存儲和記錄電的作用和影響。電介質(zhì)在電場下最主要的電特性是電導(dǎo)和極化,極化是電介質(zhì)中電荷(束縛在分子或局部空間中不能WANQUAN自由運動的電荷及自由電荷) 在電場中作微小位移(自由電荷移至界面與電極表面) 或受限的大尺度位移,而在電介質(zhì)表面(或界面) 產(chǎn)生束縛電荷的物理過程。

在微觀上,電介質(zhì)的極化主要有3 種基本形式:(1) 材料中原子核外電子云畸變產(chǎn)生的電子極化; (2)分子中正負離子相對位移造成的離子極化; (3) 分子固有電矩在外電場作用下轉(zhuǎn)動導(dǎo)致的轉(zhuǎn)向極化。此外,還有空間電荷極化、帶有電矩的基團極化以及界面極化。

1.高介電聚合物基復(fù)合材料的應(yīng)用

1.1在無源電容器中的應(yīng)用

隨著集成電路朝著超大規(guī)模、超高速、高密度、大功率、高精度多功能的方向迅速發(fā)展，被動元件的嵌入化是提高系統(tǒng)集成度和小型化的一種有效途徑和研究熱點。被動原件中電容器約占電路板組裝無源器件總數(shù)的４０％～７０％，因而埋容技術(shù)受到更加特別的關(guān)注。

埋容技術(shù)要求材料具有高D_ｋ值、低D_ｆ值、低加工溫度、低的滲漏電流以及高的擊穿電壓等。制備高介電聚合物基復(fù)合材料（ＨＤＰＣｓ）是一種很有前景的方法，也被認為是埋入電容器應(yīng)用中最有前途的材料之一。

1.2 在高儲能電容器中的應(yīng)用

在高儲能電容器中的應(yīng)用ＨＤＰＣｓ在高儲能電容器上有非常重要的應(yīng)用。在交流電壓作用下,電介質(zhì)要消耗部分電能將其轉(zhuǎn)化為熱能而產(chǎn)生損耗,這種能量損耗叫作電介質(zhì)的損耗,即介質(zhì)損耗角正切(ｔａｎδ) 。電容器的發(fā)熱主要是由介電損耗引起的,在電壓的作用下,電容器的溫度逐步升高,一段時間后,當產(chǎn)品的發(fā)熱量與其散熱量相等時,便達到了熱平衡狀態(tài)^[5] 即:            

P = 2πf CU/ｔａｎδ

在相同的交流電壓頻率ｆ、電壓Ｕ、電容Ｃ 下，電容器的散熱性決定于介質(zhì)損耗ｔａｎδ，所以,高儲能電容器要求介電常數(shù)盡量高,而其介電損耗要盡量低。

1.3在電纜行業(yè)中的應(yīng)用

　在電纜行業(yè)中的應(yīng)用電纜中間接頭和終端的電場具有極不均勻性，由于高Ｄ_ｋ值材料在外電場的作用下可以產(chǎn)生很強的與外電場方向相反的附加電場，該附加電場的電場強度會隨著外電場的增大而增大，從而具有好的均勻電場的作用，在電纜終端和接頭中具有廣泛的應(yīng)用。另外，電纜接頭和終端也要求散熱性好，因此要求這種材料的介質(zhì)損耗也要盡可能低。

此外，由于ＨＤＰＣｓ綜合性能優(yōu)異，在微波吸收隱身材料、生物工程研究等領(lǐng)域也得到了廣泛的研究。

2.高介電聚合物基復(fù)合材料的介電機理

精確求解復(fù)合體系介電常數(shù)是一件非常困難的事情，各個部分的介電常數(shù)、填料分散性、界面之間的作用等都會影響復(fù)合材料的介電常數(shù)?；诮?jīng)驗結(jié)果和理論，研究人員提出了大量的模型來預(yù)測聚合物－填料體系的介電常數(shù)。

　 2.1串并聯(lián)模型

Newnham等^［6］對雙組元復(fù)合材料的微觀機制提出了兩種理想模型：并聯(lián)和串聯(lián)排列模型，如圖２所示。串聯(lián)排列和并聯(lián)排列模型的介電常數(shù)如式（1）、（2）所示。

ε＝v_ｐ/ε_ｐ＋ｖ_ｆ/ε_ｆ                        （1）

ε＝v_ｐε_ｐ＋ｖ_ｆε_ｆ               （2）

式中：ε、ε_ｐ、ε_ｆ分別為復(fù)合材料、聚合物、填料的介電常數(shù)；v_ｐ、v_ｆ分別為聚合物、填料的體積分數(shù)。

串聯(lián)排列和并聯(lián)排列為復(fù)合材料的兩種情況，大多情況下可認為是兩相的混聯(lián)排列，如式（3）所示。

ε^ｎ ＝v_ｐε_ｐ^ｎ＋v_ｆε_ｆ^ｎ           （3）

式中：n為常數(shù)，串聯(lián)時為－１，并聯(lián)時為＋１。

2.2 Lichtenecker對數(shù)模型

對于混聯(lián)排列，當n 趨于零時，ε_ｘ^ｎ 趨于1＋nlogε_ｘ（x 代表p或f），由此可得Lichtenecker對數(shù)方程，如式（４）所示。

logε＝ｖ_ｐlogε_ｐ＋ｖ_ｆlogε_ｆ                    （4）

　式中：ε、ε_ｐ、ε_ｆ分別為復(fù)合材料、聚合物、填料的介電常數(shù)；v_ｐ、v_ｆ分別為聚合物、填料的體積分數(shù)。

Lichtenecker對數(shù)方程將復(fù)合體系作為一個近球形的隨機混合來考慮，沒有考慮相界面之間的作用，在低含量條件下預(yù)測介電常數(shù)是有效的。隨著填料含量的增加，分散性變差、空隙增多，預(yù)測結(jié)果偏差增大。修正的Lichtenecker方程（式（5））引入了相界面作用的擬合常數(shù)k（　Fitting Factor，0.3左右），但高填充條件下，仍舊沒有解決空隙和分散性問題，且擬合常數(shù)ｋ對不同的聚合物、填料很敏感。

logε＝logε_ｐ＋v_ｆ（1-k）log(ε_ｆ/ε_ｐ)      （5）

三相復(fù)合模型

2.3 Maxwell 介質(zhì)方程

對于由球形顆粒(分散相) 均勻分散在另一相(基相) 的兩相混合體系,其復(fù)合介電常數(shù)與各相的介電常數(shù)及體積分數(shù)有關(guān)。Maxwell^[10] 導(dǎo)出了一個計算混合介質(zhì)介電常數(shù)ε的公式:

ε = ε₁ { 1+3ｖ_ｄ (ε₂ -ε₁)/[2 ε₁ + ε₂ –ｖ_ｄ(ε₂ -ε₁)]}   （6）

式中: ε為混合介質(zhì)的介電常數(shù), ε1 、ε2 分別為基相和分散相的介電常數(shù), ；v_ｄ為分散相的體積分數(shù)。該式適用于低填充且兩相介電常數(shù)相差不大的情形。

Maxwell 介質(zhì)方程建立后, Rayleigh ( 1892) 、Clausius (1894) 、Maxwell-Garnett (1904) 、Wiener (1912) 、Lorentz (1916) 、Wagner (1924) 等發(fā)展了Maxwell 的理論,擴展了Maxwell 介質(zhì)方程的應(yīng)用范圍。

基于Maxwell理論，Vo和Shi^［11］提出了一個填充物－界面－基體三相模型，認為復(fù)合體系的介電常數(shù)不但與分散相和基相的尺寸、濃度有關(guān)，還與界面相的相互作用程度有關(guān)，如式（7）所示。

(ε-1)/(ε+2)＝ [(ε_m-1）/(ε_m＋2)j-（2ε_m+1）mb^３/(εｍ＋2)(2εｍ＋ε_i）c^３］1/h                                                        （7）

式中：ε、ε_m、ε_i分別為復(fù)合材料、基相、界面相的的介電常數(shù)，j、m 和h 與復(fù)合材料本身的性質(zhì)有關(guān)，b、c分別為分散相被包裹后的界面相、基相半徑。Vo－Shi模型及方程的物理意義清楚，但是參數(shù)較多且不易確定。

通過研究對數(shù)混合法則中的正負偏差，王庭慰等^［12］也認為基相－分散相形成的相界層會影響復(fù)合材料的介電常數(shù)，根據(jù)對數(shù)混合法則，得到式（8）。

lnε＝v_plnε_p＋v_ilnε_i＋v_flnε_f                               （8）

式中：ε、ε_p、ε_i、ε_f分別為復(fù)合材料、高聚物、相界層和填料的介電常數(shù)；v_p、v_i、v_f分別為高聚物、相界層和填料的體積分數(shù)。

　2.3有效介質(zhì)模型

1935年Bruuggeman提出了對稱有效介質(zhì)模型^［13］，把對稱有效介質(zhì)看成是由球形顆粒無規(guī)混合并充滿整個空間、各相拓撲等價的體系，其模型為一種均勻有效的介質(zhì)理論，根據(jù)3個基本假設(shè)推導(dǎo)出其模型的自洽條件（式（9））

f(ε₁－ε)/(ε₁＋2ε)+(1-f）(ε₂－ε)/(ε₂＋2ε)＝0        （9）

式中：ε1是第一相球形顆粒的介電常數(shù)，ε2是第二相的介電常數(shù)，f 是第一相的體積分數(shù)。

2.4金屬顆粒提高介電常數(shù)的相關(guān)理論

許多絕緣材料中填入導(dǎo)電粒子后，其介電常數(shù)會明顯提高，當導(dǎo)電粒子加入量達到一定值時，相應(yīng)的集結(jié)簇增多，材料由介電體變?yōu)閷?dǎo)電體，此時填料顆粒的加入量為滲流閾值。

通過引入“排斥體積”的概念，滲流閾值f_c如式（10）所示。

f_c＝１－exp(-B_cV/〈V_ex 〉)            （10）

式中：v是顆粒的體積，〈V_ex 〉是顆粒平均排斥體積，B_c是每個位置上平均的鍵數(shù)（對于球形顆粒（3D）B_c＝2.7，對于碟形顆粒（2D）B_c＝4.5）。滲流閾值與填料顆粒的形狀和尺寸有密切的關(guān)系。

3.高介電聚合物基復(fù)合材料的研究現(xiàn)況

ＨＤＰＣｓ所使用的基體包括通用高分子和特種高分子，如環(huán)氧樹脂（ＥＰ）、聚偏氟乙烯（ＰＶＤＦ）、聚苯乙烯、聚酰亞胺（ＰＩ）等，使用的納米顆粒包括高介電陶瓷、導(dǎo)電粒子，如鈦酸鋇（ＢＴＯ）粒子、Ａｇ粒子、炭黑、碳納米管（ＣＮＴ）等。

　高介電聚合物/ 陶瓷復(fù)合材料

目前很多高介電材料是聚合物/ 鐵電陶瓷復(fù)合介電材料。通常這類復(fù)合材料所用的聚合物有很好的耐高溫特性,軟化溫度要高于100 ℃;具有高溫絕緣電阻大、介電常數(shù)溫度穩(wěn)定性好、高溫收縮率小、高溫時介質(zhì)的損耗低等特性。如由聯(lián)苯二酐和對苯二胺合成的PI ,熱分解溫度可達600 ℃,可以在333 ℃以下長期使用,在- 269 ℃下仍不會脆裂;機械強度高,聯(lián)苯型PI 薄膜的抗拉強度可以達到400MPa ,介電性能優(yōu)異。常用的此類聚合物有聚酰胺、PI、PVDF、PVC、聚酯(PET) 、PMMA、PIFE、TMPTA、環(huán)氧樹脂及用極性基團修飾過的聚硅氧烷等。復(fù)合材料中所選用的無機介電相主要有:BaTiO₃ 、PZT(鋯鈦酸鉛) 、TiO₂ 、金屬粉末、碳黑、碳納米管、CdO 等。這些不同類型的填充料顆粒分散在聚合物基體中,彼此不連通,主要靠顆粒的分散特性來改善復(fù)合材料的介電性能。具有代表性的高介電復(fù)合材料有: CCTO/P(VDF-TrFE) ^{[ 17 ]} 、BTO-CCTO 、BaTiO₃ / 聚合物^{[ 19 ]} 以及陶瓷粒子/ PTFE^{[ 20 ]} 復(fù)合材料等。