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

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(dāng)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(dāng)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)酰紭O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(fù)溫度系數(shù)。當(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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。