材料的介电性能及其测试方法
文章来源:BALAB | 作者:编辑部 | 发布时间:2017-03-29 | 4378 次浏览 | 分享到:

介电性是材料对外加电场的一种反应。介电材料内的电荷在外加电场的作用 下会发生位移,导致正、负电荷中心不重合,从而发生电极化、在介质表面形成束缚电荷,并在宏观上表现为电容及介电常数。介电常数是表征材料介电性能的物理量,定义为电位移与外加电场之间的比值。出于方便的考虑,常用相对介电常数εr(即介电常数与真空介电常数的比值,ε/ε0)来表示。有时也称相对介电常数为介电常数。

电极化的微观单元称为电偶极子,而不同的电偶极子则对应不同的极化机制,如转向极化、空间电荷极化、松驰极化、自发极化、离子极化、电子极化等。极化的过程对应电偶极子的重新排布,这需要一定时间来完成。因此,极化对外加电场在时间上有一定的滞后,即材料的介电常数应为一复数,表示为ε=ε'-jε",而介电损耗则定义为tanδ =ε"/ε'。介电常数与介电损耗放在一起时,通常指介电常数的实部。介电损耗也可理解为电场作用在材料上时由于偶极子的重新排布受到阻碍使得一部分电能以热量的形式损失掉。同时,由于极化过程需要一定时间来完成,故介电常数和介电损耗对外加电场的频率有着明显的依赖性。又由于温度的改变影响着电偶极子的活跃程度,因此介电性能对温度也有着依赖性。

铁电体是一类特殊的介电材料,存在着可反转的自发极化,即在无外加电场的情况下也存在电极化。铁电性及自发极化的产生源于铁电体特殊的结构(要求为非中心对称的极性晶体),如钙钛矿结构BaTiO3的铁电性源于中心Ti4+离子偏离中心位置。在宏观性能上,铁电体的极化随着外加电场强度的改变出现回线形状的曲线,称为电滞回线,同时其介电常数随温度的变化出现极大值,对应居里温度和居里峰。

根据测试频率范围及原理的不同,材料介电性能的测试方法可分为很多种。一般情况下,人们比较关注材料在1MHz以下的介电性能。在此频率范围,试样通常做成片状,并在两端镀上金属电极。这样,试样即可看作一平板电容,通过测试试样的电容即可计算得到其介电性能。而1MHz以下电容的测试则可用阻阬分析法或电桥法。前者在试样两端施加一交流电压,通过测量通过试样的电流得到试样的复阻抗,并由此求出电容和介电损耗。而电桥法则是将试样置于由两个臂组成的电桥的一个臂上,通过调节电桥上的电容、电感及电阻使电桥达到平衡,此时两个臂上的阻抗相同,通过已知的其它电容、电感及电阻的值即可计算得到试样的电容和介电损耗。阻抗分析法和电桥法均有成套的仪器可供直接使用,分别为阻抗分析仪和LCR仪(L、C、R分别为英文电感、电容、电阻的首字母)。

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