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電介質(zhì)介電性能的影響因素
閱讀：2514發(fā)布時(shí)間：2022-10-13
電介質(zhì)介電性能的影響因素
電介質(zhì)的介電性能并不是固定不變的，而是和電介質(zhì)所處的環(huán)境有關(guān)。常見(jiàn)影響材料介電性能的參數(shù)有溫度和電場(chǎng)頻率。介電性能是電介質(zhì)在電場(chǎng)下微觀極化的宏觀反應(yīng)，因此，外界因素對(duì)介電性能的影響，本質(zhì)就是對(duì)電介質(zhì)的微觀極化的影響。
電介質(zhì)的微觀極化在宏觀參數(shù)的表現(xiàn)形式為介電常數(shù)，在實(shí)驗(yàn)中用儀器測(cè)得的材料介電常數(shù)是所有極化的綜合表現(xiàn)。每種極化形式都有一特定的松弛頻率，不同的極化松弛頻率不同。當(dāng)交變電場(chǎng)的頻率大于松弛頻率時(shí)，材料的該種極化則跟不上電場(chǎng)的變化，基本消失，也不再會(huì)對(duì)介電常數(shù)產(chǎn)生貢獻(xiàn)，因此，隨頻率的增大，介電常數(shù)在松弛頻率附近通常都會(huì)有一個(gè)臺(tái)階式的下降，如圖 1.4 所示。而且該種極化在所有極化中占的比重越大，相對(duì)應(yīng)的介電常數(shù)下降越多。極化是一個(gè)松弛過(guò)程，不是瞬間完成的。在松弛頻率附近，電介質(zhì)的極化滯后于電場(chǎng)變化，介電損耗迅速增加，在松弛頻率附近形成一個(gè)尖峰，如圖 1.4 所示。
溫度對(duì)電介質(zhì)的影響非常復(fù)雜。對(duì)于晶體而言，還涉及晶型轉(zhuǎn)變等復(fù)雜的過(guò)程，比如，偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物在 70 oC 左右會(huì)發(fā)生鐵電體和順電體之間的轉(zhuǎn)變，介電常數(shù)達(dá)到最大值。這種轉(zhuǎn)變和各種晶體的自身結(jié)構(gòu)有關(guān)，這里就不再詳述。這里討論的溫度對(duì)聚合物電介質(zhì)介電性能的影響，不涉及聚合物晶型轉(zhuǎn)變。溫度的變化會(huì)改變某一固定頻率的介電性能，變化趨勢(shì)和頻率有關(guān)。比如 Xu 等在研究尼龍 610 的介電性能的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，材料的介電性能在不同頻率下隨溫度的變化趨勢(shì)是不同的，如圖 1.5 所示。從圖中可以看出，在 100 Hz時(shí)，介電常數(shù)和損耗因子隨溫度增加而迅速增大；而在 1 MHz 時(shí)，介電常數(shù)隨溫度變大而變大的趨勢(shì)減弱，損耗因子隨溫度增大先增大后減小。為了便于深入研究溫度的影響，人們通常把溫度和頻率一起研究。在聚合物基體中，溫度的影響與時(shí)溫等效有點(diǎn)類似，隨溫度的升高，載流子和偶極的活動(dòng)性都會(huì)增大，使得極化松弛時(shí)間變短，相當(dāng)于頻譜的形狀沒(méi)有變化而位置卻向高頻移動(dòng)Fattoum 等在研究聚苯胺/聚甲基丙烯酸甲酯（PAni/PMMA）復(fù)合體系的介電松弛時(shí)發(fā)現(xiàn)，該材料電模量虛部的松弛峰隨溫度的提高而向高頻移動(dòng)，但形狀幾乎沒(méi)有變化，如圖 1.6 所示。
溫度對(duì)松弛的影響因松弛機(jī)理的不同而不同。有些松弛峰值頻率和溫度呈阿倫尼烏斯關(guān)系（公式 1.9 所示），如聚甲基丙烯酸甲酯的側(cè)鏈松弛和界面極化松弛。對(duì)于這種松弛，我們可以測(cè)不同溫度下的松弛頻譜，然后用 lnf 對(duì)溫度的倒數(shù)作圖，依據(jù)斜率計(jì)算出該松弛的活化能，深入研究松弛機(jī)理。有些松弛與溫度的關(guān)系則是符合 Vogel-Fulcher 方程（公式 1.10）， 這些松弛多與聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變有關(guān)，可以利用松弛時(shí)間來(lái)估算聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度：
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