電介質介電性能的影響因素

電介質介電性能的影響因素 

         電介質的介電性能并不是固定不變的，而是和電介質所處的環境有關。常見影響材料介電性能的參數有溫度和電場頻率。介電性能是電介質在電場下微觀極化的宏觀反應，因此，外界因素對介電性能的影響，本質就是對電介質的微觀極化的影響。 

        電介質的微觀極化在宏觀參數的表現形式為介電常數，在實驗中用儀器測得的材料介電常數是所有極化的綜合表現。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。當交變電場的頻率大于松弛頻率時，材料的該種極化則跟不上電場的變化，基本消失，也不再會對介電常數產生貢獻，因此，隨頻率的增大，介電常數在松弛頻率附近通常都會有一個臺階式的下降，如圖 1.4 所示。而且該種極化在所有極化中占的比重越大，相對應的介電常數下降越多。極化是一個松弛過程，不是瞬間完成的。在松弛頻率附近，電介質的極化滯后于電場變化，介電損耗迅速增加，在松弛頻率附近形成一個尖峰，如圖 1.4 所示。

      溫度對電介質的影響非常復雜。對于晶體而言，還涉及晶型轉變等復雜的過程，比如，偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物在 70 oC 左右會發生鐵電體和順電體之間的轉變，介電常數達到最大值。這種轉變和各種晶體的自身結構有關，這里就不再詳述。這里討論的溫度對聚合物電介質介電性能的影響，不涉及聚合物晶型轉變。溫度的變化會改變某一固定頻率的介電性能，變化趨勢和頻率有關。比如 Xu 等在研究尼龍 610 的介電性能的過程中發現，材料的介電性能在不同頻率下隨溫度的變化趨勢是不同的，如圖 1.5 所示。從圖中可以看出，在 100  Hz時，介電常數和損耗因子隨溫度增加而迅速增大；而在 1  MHz 時，介電常數隨溫度變大而變大的趨勢減弱，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，溫度的影響與時溫等效有點類似，隨溫度的升高，載流子和偶極的活動性都會增大，使得極化松弛時間變短，相當于頻譜的形狀沒有變化而位置卻向高頻移動Fattoum 等在研究聚苯胺/聚甲基丙烯酸甲酯（PAni/PMMA）復合體系的介電松弛時發現，該材料電模量虛部的松弛峰隨溫度的提高而向高頻移動，但形狀幾乎沒有變化，如圖 1.6 所示。

      溫度對松弛的影響因松弛機理的不同而不同。有些松弛峰值頻率和溫度呈阿倫尼烏斯關系（公式 1.9 所示），如聚甲基丙烯酸甲酯的側鏈松弛和界面極化松弛。對于這種松弛，我們可以測不同溫度下的松弛頻譜，然后用 lnf 對溫度的倒數作圖，依據斜率計算出該松弛的活化能，深入研究松弛機理。有些松弛與溫度的關系則是符合 Vogel-Fulcher 方程（公式 1.10），  這些松弛多與聚合物的玻璃化轉變有關，可以利用松弛時間來估算聚合物的玻璃化轉變溫度：