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溫度對材料介質(zhì)損耗和介電常數(shù)的影響及變化規(guī)律
閱讀：5262發(fā)布時間：2023-3-13
一,、實驗過程：
為探究材料在不同溫度及不同摻雜含量下的介電特性變化規(guī)律，本文將使用硅烷偶聯(lián)劑處理過的70um, 5um和1.5um球形氧化鋁按照6:2:2的質(zhì)量比進行混合,，構(gòu)成高導(dǎo)熱填料體系,，再將其添加到硅橡膠基體中，制備出不同填料添加含量下的熱界面復(fù)合材料樣品,，該樣品呈圓形,，其直徑為100mm、厚度為2mm,。實物連接圖如圖1所示,。實驗測量數(shù)據(jù)如表1所示。
圖1介電常數(shù)/介質(zhì)損耗實物連接圖
表1溫度對介電常數(shù)的影響
由表2可知,，實驗溫度由20℃升至160℃的過程中,，純硅橡膠的相對介電常數(shù)由4.22上升至4.68，升高了10.9%;當填料的摻雜含量為80%時,，復(fù)合材料的相對介電常數(shù)由6.02升高至7.83,，升高了30.1%;當填料的摻雜含量為90%時，復(fù)合材料的相對介電常數(shù)由7.54升高至8.81,，升高了16.8%,。復(fù)合材料相對介電常數(shù)隨溫度的變化趨勢圖2所示。
圖2不同溫度下材料介電常數(shù)的變化趨勢
從圖2可以看出,，在同一填充含量下,，隨著溫度的升高，熱界面復(fù)合材料的介電常數(shù)呈不斷增大的趨勢,。研究表明,，以硅橡膠為基體的復(fù)合材料，其介電常數(shù)隨溫度的變化率明顯小于環(huán)氧樹脂等材料,，這對于硅橡膠復(fù)合材料電性能的研究具有重要意義,。溫度對熱界面復(fù)合材料的取向極化現(xiàn)象有兩種截然相反的作用:一方面，隨著溫度的升高,，材料分子間的相互作用變?nèi)?，偶極子容易發(fā)生轉(zhuǎn)向，極化過程增強,，導(dǎo)致介電常數(shù)增大,，表現(xiàn)為正溫度系數(shù);另一方面，溫度越高,，材料內(nèi)分子間熱運動越劇烈,，不易建立偶極取向,，極化過程減弱，介電常數(shù)降低,，表現(xiàn)為負溫度系數(shù),。當溫度較低時，分子熱運動較弱,，對偶極取向的影響較小,，偶極取向容易建立，所以介電常數(shù)溫度的升高而不斷增大,。隨著溫度的進一步升高,，分子熱運動發(fā)揮的作用越來越大，極化現(xiàn)象減弱,，介電常數(shù)的增長速率減慢,，但仍表現(xiàn)為正的溫度系數(shù)。
另外在同一溫度下,，相對介電常數(shù)的值隨著熱界面復(fù)合材料中填料摻雜含量的增大而增大,。20℃下，純硅膠的相對介電常數(shù)是4.22,，摻雜含量為80%的熱界面復(fù)合材料的相對介電常數(shù)是6.02,，摻雜含量為90%的熱界面復(fù)合材料的相對介電常數(shù)為7.54，填料參雜含量由80%升高至90%,，其相對介電常數(shù)提高了25.2% ,。之所以熱界面復(fù)合材料的相對介電常數(shù)會隨著填料摻雜含量的增加而增大，首先是因為氧化鋁填料的介電常數(shù)大于硅橡膠基體本身的介電常數(shù);其次,，填料含量越高，基體與填料之間的接觸界面越多,，界面效應(yīng)會導(dǎo)致界面極化的加強,，從而使介電常數(shù)升高。因此,，填加有高導(dǎo)熱填料體系的復(fù)合材料其介電常數(shù)高于純硅膠,，且隨著填料含量的增加，復(fù)合材料的介電常數(shù)不斷增大,，介電性能逐步減弱,。
另外，隨著填料含量的增加,，填料在基體中的分散性越來越差,，制得的復(fù)合材料更容易出現(xiàn)氣孔、表面凹凸不平等缺陷,，由于空氣的介電常數(shù)小于氧化鋁的介電常數(shù),，因此,，高填充含量下，測得的復(fù)合材料的介電常數(shù)會出現(xiàn)小于理論值的情況,。
表2溫度對材料介質(zhì)損耗的影響
圖3不同溫度下熱界面復(fù)合材料介質(zhì)損耗的變化趨勢
材料的介質(zhì)損耗在不同溫度下的值如表2所示,，其值隨摻雜含量和溫度的變化趨勢如圖3所示。由圖3可看出,，隨著填料摻雜含量的增多,，材料的介質(zhì)損耗逐漸增大。由表2可知,，20℃下,，純硅膠的介質(zhì)損耗角正切值是0.00001，摻雜含量為80%的熱界面復(fù)合材料的介質(zhì)損耗角正切值是0.0177,，摻雜含量為90%的熱界面復(fù)合材料的介質(zhì)損耗角正切值為0.0313,，填料摻雜含量由80%升高至90%，介質(zhì)損耗角正切值提高了76.8%,。因此,，無機填料的加入，使得硅橡膠的介電性能變差,，且填料的摻雜含量越高,，對熱界面復(fù)合材料的介電性能影響越大，電氣絕緣性能隨摻雜含量的增大而減小,。
隨溫度的升高,，熱界面復(fù)合材料的介質(zhì)損耗呈逐漸增大趨勢:實驗溫度由200C升至160℃的過程中，純硅膠的介質(zhì)損耗角正切值由0.00001升高至0.00155;當摻雜含量為80%時,，復(fù)合材料的介質(zhì)損耗值由0.0177升高至0.0634,，升高了2.58倍;當參雜含量為90%時，復(fù)合材料的介電常數(shù)由0.0313升高至0.0812,，升高了1.59倍,。隨著溫度升高，材料內(nèi)分子的熱運動逐漸加劇,，松弛損耗和電導(dǎo)損耗逐步增加,，介質(zhì)損耗值增大。在材料制備過程中,，不可避免的會引入少量的雜質(zhì),，隨著溫度的升高，材料中雜質(zhì)粒子的電導(dǎo)開始逐步增強,，產(chǎn)生的電導(dǎo)損耗不斷增加,，最終導(dǎo)致復(fù)合材料的介質(zhì)損耗值急劇上升，變化速率隨溫度的升高而增大。
二,、結(jié)論：
實驗表明,，同一摻雜含量下，介電常數(shù)和介質(zhì)損耗隨著溫度的升高而升高,，當摻雜含量為80%時,，實驗溫度由20℃升至160℃的過程中，復(fù)合材料的相對介電常數(shù)由6.02升高至7.83,，升高了30.1%;介質(zhì)損耗值由0.0177升高至0.0634,，升高了2.58倍。因為溫度升高造成分子鏈段運動,，利于偶極子的取向,，使介電常數(shù)和介質(zhì)損耗增大。同一溫度下,，介電常數(shù)和介質(zhì)損耗隨著摻雜含量的增大而增大:20℃下,，純硅膠的相對介電常數(shù)為4.22，摻雜含量為90%的熱界面復(fù)合材料的介電常數(shù)是7.54,相對于純硅膠,，其值升高了78.7%,，因為氧化鋁填料本身的介電常數(shù)大于純硅膠;20℃下，純硅膠的介質(zhì)損耗角正切值為0.00001,，摻雜含量為90%的熱界面復(fù)合材料的介質(zhì)損耗角正切值是0.0313,，相對于純硅膠，其值升高了3129倍,。
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