高聚合物介電常數介質損耗儀

型號及參數

高聚合物介電常數介質損耗儀技術參數

型號：ZJD-C

信號源：DDS數字合成信號

頻率范圍：100KHZ-160MHZ

Q分辨率：4位有效數，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

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    

調諧電容誤差分辨率：±1pF或＜1%

主電容調節范圍：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

介質損耗系數精度：萬分之一

介質損耗測試范圍：0.0001-1             

介電常數測試范圍：0-1000

環境溫度：0℃～+40℃

消耗功率：約25W

LCD顯示參數：F,L,C,Q,LT,CT,波段等

Q合格預置范圍： 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 ≥ 15mm

高介電材料具有良好的儲能和均勻電場作用，擁有非常廣闊的應用空間，在埋入式電容元件、高能存儲器、電纜、電活性物質等領域有著極為重要的應用，開發易加工、介電常數（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，電介質分子或者其中某些基團中電荷分布發生相應變化，可以產生極化現象。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。電介質在電場下最主要的電特性是電導和極化,極化是電介質中電荷(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,而在電介質表面(或界面) 產生束縛電荷的物理過程 。

在微觀上,電介質的極化主要有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動導致的轉向極化^[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振蕩器和介質相的

高介電材料具有良好的儲能和均勻電場作用，擁有非常廣闊的應用空間，在埋入式電容元件、高能存儲器、電纜、電活性物質等領域有著極為重要的應用，開發易加工、介電常數（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，電介質分子或者其中某些基團中電荷分布發生相應變化，可以產生極化現象。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。電介質在電場下最主要的電特性是電導和極化,極化是電介質中電荷(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,而在電介質表面(或界面) 產生束縛電荷的物理過程。

在微觀上,電介質的極化主要有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動導致的轉向極化。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.高介電聚合物基復合材料的應用

1.1在無源電容器中的應用

隨著集成電路朝著超大規模、超高速、高密度、大功率、高精度多功能的方向迅速發展，被動元件的嵌入化是提高系統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的４０％～７０％，因而埋容技術受到更加特別的關注。

埋容技術要求材料具有高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用中最有前途的材料之一。

1.2 在高儲能電容器中的應用

在高儲能電容器中的應用ＨＤＰＣｓ在高儲能電容器上有非常重要的應用。在交流電壓作用下,電介質要消耗部分電能將其轉化為熱能而產生損耗,這種能量損耗叫作電介質的損耗,即介質損耗角正切(ｔａｎδ) 。電容器的發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,當產品的發熱量與其散熱量相等時,便達到了熱平衡狀態^[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損耗ｔａｎδ，所以,高儲能電容器要求介電常數盡量高,而其介電損耗要盡量低。

1.3在電纜行業中的應用

　在電纜行業中的應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損耗也要盡可能低。

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

2.高介電聚合物基復合材料的介電機理

精確求解復合體系介電常數是一件非常困難的事情，各個部分的介電常數、填料分散性、界面之間的作用等都會影響復合材料的介電常數。基于經驗結果和理論，研究人員提出了大量的模型來預測聚合物－填料體系的介電常數。

　 2.1串并聯模型

Newnham等^［6］對雙組元復合材料的微觀機制提出了兩種理想模型：并聯和串聯排列模型，如圖２所示。串聯排列和并聯排列模型的介電常數如式（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分別為復合材料、聚合物、填料的介電常數；v_ｐ、v_ｆ分別為聚合物、填料的體積分數。

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

ε^ｎ ＝v_ｐε_ｐ^ｎ＋v_ｆε_ｆ^ｎ           （3）

式中：n為常數，串聯時為－１，并聯時為＋１。

2.2 Lichtenecker對數模型

對于混聯排列，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分別為復合材料、聚合物、填料的介電常數；v_ｐ、v_ｆ分別為聚合物、填料的體積分數。

Lichtenecker對數方程將復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，在低含量條件下預測介電常數是有效的。隨著填料含量的增加，分散性變差、空隙增多，預測結果偏差增大。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）

三相復合模型

2.3 Maxwell 介質方程

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,其復合介電常數與各相的介電常數及體積分數有關。Maxwell^[10] 導出了一個計算混合介質介電常數ε的公式:

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

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

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

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，認為復合體系的介電常數不但與分散相和基相的尺寸、濃度有關，還與界面相的相互作用程度有關，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分別為復合材料、基相、界面相的的介電常數，j、m 和h 與復合材料本身的性質有關，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，但是參數較多且不易確定。

通過研究對數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合材料的介電常數，根據對數混合法則，得到式（8）。

lnε＝v_plnε_p＋v_ilnε_i＋v_flnε_f                               （8）

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

　2.3有效介質模型

1935年Bruuggeman提出了對稱有效介質模型^［13］，把對稱有效介質看成是由球形顆粒無規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理論，根據3個基本假設推導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，ε2是第二相的介電常數，f 是第一相的體積分數。

2.4金屬顆粒提高介電常數的相關理論

許多絕緣材料中填入導電粒子后，其介電常數會明顯提高，當導電粒子加入量達到一定值時，相應的集結簇增多，材料由介電體變為導電體，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（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系。

3.高介電聚合物基復合材料的研究現況

ＨＤＰＣｓ所使用的基體包括通用高分子和特種高分子，如環氧樹脂（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/ 陶瓷復合材料

目前很多高介電材料是聚合物/ 鐵電陶瓷復合介電材料。通常這類復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、介電常數溫度穩定性好、高溫收縮率小、高溫時介質的損耗低等特性。如由聯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,聯苯型PI 薄膜的抗拉強度可以達到400MPa ,介電性能優異。常用的此類聚合物有聚酰胺、PI、PVDF、PVC、聚酯(PET) 、PMMA、PIFE、TMPTA、環氧樹脂及用極性基團修飾過的聚硅氧烷等。復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合材料的介電性能。具有代表性的高介電復合材料有: CCTO/P(VDF-TrFE) ^{[ 17 ]} 、BTO-CCTO 、BaTiO₃ / 聚合物^{[ 19 ]} 以及陶瓷粒子/ PTFE^{[ 20 ]} 復合材料等。