高聚合物介电常数介质损耗仪

高聚合物介电常数介质损耗仪

型号及参数

高聚合物介电常数介质损耗仪技术参数

型号：ZJD-C

信号源：DDS数字合成信号

频率范围：100KHZ-160MHZ

Q分辨率：4位有效数，分辨率0.1

电感测量范围：1nH～140mH,；分辨率0.1     

信号源频率精度： 3×10-5 ±1个字,6位有效数

Q值测量范围： 1～1023自动/手动量程

Q值量程分档： 30、100、300、1000、自动换档或手动换档

信号源频率覆盖比：16000:1       

采样精度：12BIT   

Q测量工作误差：＜5%

电感测量误差：＜3%

电容直接测量范围：1pF～2.5uF    

调谐电容误差分辨率：±1pF或＜1%

主电容调节范围：17～540pF  

谐振点搜索：自动扫描

自身残余电感扣除功能：有

大电容值直接显示功能：有

介质损耗系数精度：万分之一

介质损耗测试范围：0.0001-1             

介电常数测试范围：0-1000

环境温度：0℃～+40℃

消耗功率：约25W

LCD显示参数：F,L,C,Q,LT,CT,波段等

Q合格预置范围： 5～1000声光提示

电源：220V±22V，50Hz±2.5Hz

材料测试厚度： 0.1-10mm

夹具插头间距： 25mm±0.01mm

夹具损耗正切值：≤4×10－4 （1MHz）

测微杆分辨率：0.001mm

准确度：150pF以下±1pF；150pF以上±1%

测试极片：材料测量直径Φ38mm或50mm（二选一），厚度可调 ≥ 15mm

高介电材料具有良好的储能和均匀电场作用，拥有非常广阔的应用空间，在埋入式电容元件、高能存储器、电缆、电活性物质等领域有着极为重要的应用，开发易加工、介电常数（D_ｋ）高、介电损耗（D_ｆ）低等综合性能优越的新型电子材料成为研究的热点。

聚合物在外场（包括电，力温度等）作用下，电介质分子或者其中某些基团中电荷分布发生相应变化，可以产生极化现象。在外电场作用下，由于分子极化将引起电能的储存盒损耗，这种性能称为介电性。电介质的特征是以正、负电荷重心不重合的电极化方式传递、存储和记录电的作用和影响。电介质在电场下最主要的电特性是电导和极化,极化是电介质中电荷(束缚在分子或局部空间中不能WANQUAN自由运动的电荷及自由电荷) 在电场中作微小位移(自由电荷移至界面与电极表面) 或受限的大尺度位移,而在电介质表面(或界面) 产生束缚电荷的物理过程 。

在微观上,电介质的极化主要有3 种基本形式:(1) 材料中原子核外电子云畸变产生的电子极化; (2)分子中正负离子相对位移造成的离子极化; (3) 分子固有电矩在外电场作用下转动导致的转向极化^[1] 。此外,还有空间电荷极化、带有电矩的基团极化以及界面极化。

高介电材料制备的器件尺寸仅为传统振荡器和介质相的

高介电材料具有良好的储能和均匀电场作用，拥有非常广阔的应用空间，在埋入式电容元件、高能存储器、电缆、电活性物质等领域有着极为重要的应用，开发易加工、介电常数（D_ｋ）高、介电损耗（D_ｆ）低等综合性能优越的新型电子材料成为研究的热点。

聚合物在外场（包括电，力温度等）作用下，电介质分子或者其中某些基团中电荷分布发生相应变化，可以产生极化现象。在外电场作用下，由于分子极化将引起电能的储存盒损耗，这种性能称为介电性。电介质的特征是以正、负电荷重心不重合的电极化方式传递、存储和记录电的作用和影响。电介质在电场下最主要的电特性是电导和极化,极化是电介质中电荷(束缚在分子或局部空间中不能WANQUAN自由运动的电荷及自由电荷) 在电场中作微小位移(自由电荷移至界面与电极表面) 或受限的大尺度位移,而在电介质表面(或界面) 产生束缚电荷的物理过程。

在微观上,电介质的极化主要有3 种基本形式:(1) 材料中原子核外电子云畸变产生的电子极化; (2)分子中正负离子相对位移造成的离子极化; (3) 分子固有电矩在外电场作用下转动导致的转向极化。此外,还有空间电荷极化、带有电矩的基团极化以及界面极化。

1.高介电聚合物基复合材料的应用

1.1在无源电容器中的应用

随着集成电路朝着超大规模、超高速、高密度、大功率、高精度多功能的方向迅速发展，被动元件的嵌入化是提高系统集成度和小型化的一种有效途径和研究热点。被动原件中电容器约占电路板组装无源器件总数的４０％～７０％，因而埋容技术受到更加特别的关注。

埋容技术要求材料具有高D_ｋ值、低D_ｆ值、低加工温度、低的渗漏电流以及高的击穿电压等。制备高介电聚合物基复合材料（ＨＤＰＣｓ）是一种很有前景的方法，也被认为是埋入电容器应用中最有前途的材料之一。

1.2 在高储能电容器中的应用

在高储能电容器中的应用ＨＤＰＣｓ在高储能电容器上有非常重要的应用。在交流电压作用下,电介质要消耗部分电能将其转化为热能而产生损耗,这种能量损耗叫作电介质的损耗,即介质损耗角正切(ｔａｎδ) 。电容器的发热主要是由介电损耗引起的,在电压的作用下,电容器的温度逐步升高,一段时间后,当产品的发热量与其散热量相等时,便达到了热平衡状态^[5] 即:            

P = 2πf CU/ｔａｎδ

在相同的交流电压频率ｆ、电压Ｕ、电容Ｃ 下，电容器的散热性决定于介质损耗ｔａｎδ，所以,高储能电容器要求介电常数尽量高,而其介电损耗要尽量低。

1.3在电缆行业中的应用

　在电缆行业中的应用电缆中间接头和终端的电场具有极不均匀性，由于高Ｄ_ｋ值材料在外电场的作用下可以产生很强的与外电场方向相反的附加电场，该附加电场的电场强度会随着外电场的增大而增大，从而具有好的均匀电场的作用，在电缆终端和接头中具有广泛的应用。另外，电缆接头和终端也要求散热性好，因此要求这种材料的介质损耗也要尽可能低。

此外，由于ＨＤＰＣｓ综合性能优异，在微波吸收隐身材料、生物工程研究等领域也得到了广泛的研究。

2.高介电聚合物基复合材料的介电机理

精确求解复合体系介电常数是一件非常困难的事情，各个部分的介电常数、填料分散性、界面之间的作用等都会影响复合材料的介电常数。基于经验结果和理论，研究人员提出了大量的模型来预测聚合物－填料体系的介电常数。

　 2.1串并联模型

Newnham等^［6］对双组元复合材料的微观机制提出了两种理想模型：并联和串联排列模型，如图２所示。串联排列和并联排列模型的介电常数如式（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分别为复合材料、聚合物、填料的介电常数；v_ｐ、v_ｆ分别为聚合物、填料的体积分数。

串联排列和并联排列为复合材料的两种情况，大多情况下可认为是两相的混联排列，如式（3）所示。

ε^ｎ ＝v_ｐε_ｐ^ｎ＋v_ｆε_ｆ^ｎ           （3）

式中：n为常数，串联时为－１，并联时为＋１。

2.2 Lichtenecker对数模型

对于混联排列，当n 趋于零时，ε_ｘ^ｎ 趋于1＋nlogε_ｘ（x 代表p或f），由此可得Lichtenecker对数方程，如式（４）所示。

logε＝ｖ_ｐlogε_ｐ＋ｖ_ｆlogε_ｆ                    （4）

　式中：ε、ε_ｐ、ε_ｆ分别为复合材料、聚合物、填料的介电常数；v_ｐ、v_ｆ分别为聚合物、填料的体积分数。

Lichtenecker对数方程将复合体系作为一个近球形的随机混合来考虑，没有考虑相界面之间的作用，在低含量条件下预测介电常数是有效的。随着填料含量的增加，分散性变差、空隙增多，预测结果偏差增大。修正的Lichtenecker方程（式（5））引入了相界面作用的拟合常数k（　Fitting Factor，0.3左右），但高填充条件下，仍旧没有解决空隙和分散性问题，且拟合常数ｋ对不同的聚合物、填料很敏感。

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

三相复合模型

2.3 Maxwell 介质方程

对于由球形颗粒(分散相) 均匀分散在另一相(基相) 的两相混合体系,其复合介电常数与各相的介电常数及体积分数有关。Maxwell^[10] 导出了一个计算混合介质介电常数ε的公式:

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

式中: ε为混合介质的介电常数, ε1 、ε2 分别为基相和分散相的介电常数, ；v_ｄ为分散相的体积分数。该式适用于低填充且两相介电常数相差不大的情形。

Maxwell 介质方程建立后, Rayleigh ( 1892) 、Clausius (1894) 、Maxwell-Garnett (1904) 、Wiener (1912) 、Lorentz (1916) 、Wagner (1924) 等发展了Maxwell 的理论,扩展了Maxwell 介质方程的应用范围。

基于Maxwell理论，Vo和Shi^［11］提出了一个填充物－界面－基体三相模型，认为复合体系的介电常数不但与分散相和基相的尺寸、浓度有关，还与界面相的相互作用程度有关，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分别为复合材料、基相、界面相的的介电常数，j、m 和h 与复合材料本身的性质有关，b、c分别为分散相被包裹后的界面相、基相半径。Vo－Shi模型及方程的物理意义清楚，但是参数较多且不易确定。

通过研究对数混合法则中的正负偏差，王庭慰等^［12］也认为基相－分散相形成的相界层会影响复合材料的介电常数，根据对数混合法则，得到式（8）。

lnε＝v_plnε_p＋v_ilnε_i＋v_flnε_f                               （8）

式中：ε、ε_p、ε_i、ε_f分别为复合材料、高聚物、相界层和填料的介电常数；v_p、v_i、v_f分别为高聚物、相界层和填料的体积分数。

　2.3有效介质模型

1935年Bruuggeman提出了对称有效介质模型^［13］，把对称有效介质看成是由球形颗粒无规混合并充满整个空间、各相拓扑等价的体系，其模型为一种均匀有效的介质理论，根据3个基本假设推导出其模型的自洽条件（式（9））

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

式中：ε1是第一相球形颗粒的介电常数，ε2是第二相的介电常数，f 是第一相的体积分数。

2.4金属颗粒提高介电常数的相关理论

许多绝缘材料中填入导电粒子后，其介电常数会明显提高，当导电粒子加入量达到一定值时，相应的集结簇增多，材料由介电体变为导电体，此时填料颗粒的加入量为渗流阈值。

通过引入“排斥体积”的概念，渗流阈值f_c如式（10）所示。

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

式中：v是颗粒的体积，〈V_ex 〉是颗粒平均排斥体积，B_c是每个位置上平均的键数（对于球形颗粒（3D）B_c＝2.7，对于碟形颗粒（2D）B_c＝4.5）。渗流阈值与填料颗粒的形状和尺寸有密切的关系。

3.高介电聚合物基复合材料的研究现况

ＨＤＰＣｓ所使用的基体包括通用高分子和特种高分子，如环氧树脂（ＥＰ）、聚偏氟乙烯（ＰＶＤＦ）、聚苯乙烯、聚酰亚胺（ＰＩ）等，使用的纳米颗粒包括高介电陶瓷、导电粒子，如钛酸钡（ＢＴＯ）粒子、Ａｇ粒子、炭黑、碳纳米管（ＣＮＴ）等。

　高介电聚合物/ 陶瓷复合材料

目前很多高介电材料是聚合物/ 铁电陶瓷复合介电材料。通常这类复合材料所用的聚合物有很好的耐高温特性,软化温度要高于100 ℃;具有高温绝缘电阻大、介电常数温度稳定性好、高温收缩率小、高温时介质的损耗低等特性。如由联苯二酐和对苯二胺合成的PI ,热分解温度可达600 ℃,可以在333 ℃以下长期使用,在- 269 ℃下仍不会脆裂;机械强度高,联苯型PI 薄膜的抗拉强度可以达到400MPa ,介电性能优异。常用的此类聚合物有聚酰胺、PI、PVDF、PVC、聚酯(PET) 、PMMA、PIFE、TMPTA、环氧树脂及用极性基团修饰过的聚硅氧烷等。复合材料中所选用的无机介电相主要有:BaTiO₃ 、PZT(锆钛酸铅) 、TiO₂ 、金属粉末、碳黑、碳纳米管、CdO 等。这些不同类型的填充料颗粒分散在聚合物基体中,彼此不连通,主要靠颗粒的分散特性来改善复合材料的介电性能。具有代表性的高介电复合材料有: CCTO/P(VDF-TrFE) ^{[ 17 ]} 、BTO-CCTO 、BaTiO₃ / 聚合物^{[ 19 ]} 以及陶瓷粒子/ PTFE^{[ 20 ]} 复合材料等。