温度对材料介质损耗和介电常数的影响及变化规律

一、实验过程：

    为探究材料在不同温度及不同掺杂含量下的介电特性变化规律，本文将使用硅烷偶联剂处理过的70um, 5um和1.5um球形氧化铝按照6:2:2的质量比进行混合，构成高导热填料体系，再将其添加到硅橡胶基体中，制备出不同填料添加含量下的热界面复合材料样品，该样品呈圆形，其直径为100mm、厚度为2mm。实物连接图如图1所示。实验测量数据如表1所示。

图1介电常数/介质损耗实物连接图

表1温度对介电常数的影响

    由表2可知，实验温度由20℃升至160℃的过程中，纯硅橡胶的相对介电常数由4.22上升至4.68，升高了10.9%;当填料的掺杂含量为80%时，复合材料的相对介电常数由6.02升高至7.83，升高了30.1%;当填料的掺杂含量为90%时，复合材料的相对介电常数由7.54升高至8.81，升高了16.8%。复合材料相对介电常数随温度的变化趋势图2所示。

图2不同温度下材料介电常数的变化趋势

    从图2可以看出，在同一填充含量下，随着温度的升高，热界面复合材料的介电常数呈不断增大的趋势。研究表明，以硅橡胶为基体的复合材料，其介电常数随温度的变化率明显小于环氧树脂等材料，这对于硅橡胶复合材料电性能的研究具有重要意义。温度对热界面复合材料的取向极化现象有两种截然相反的作用:一方面，随着温度的升高，材料分子间的相互作用变弱，偶极子容易发生转向，极化过程增强，导致介电常数增大，表现为正温度系数;另一方面，温度越高，材料内分子间热运动越剧烈，不易建立偶极取向，极化过程减弱，介电常数降低，表现为负温度系数。当温度较低时，分子热运动较弱，对偶极取向的影响较小，偶极取向容易建立，所以介电常数温度的升高而不断增大。随着温度的进一步升高，分子热运动发挥的作用越来越大，极化现象减弱，介电常数的增长速率减慢，但仍表现为正的温度系数。

    另外在同一温度下，相对介电常数的值随着热界面复合材料中填料掺杂含量的增大而增大。20℃下，纯硅胶的相对介电常数是4.22，掺杂含量为80%的热界面复合材料的相对介电常数是6.02，掺杂含量为90%的热界面复合材料的相对介电常数为7.54，填料参杂含量由80%升高至90%，其相对介电常数提高了25.2% 。之所以热界面复合材料的相对介电常数会随着填料掺杂含量的增加而增大，首先是因为氧化铝填料的介电常数大于硅橡胶基体本身的介电常数;其次，填料含量越高，基体与填料之间的接触界面越多，界面效应会导致界面极化的加强，从而使介电常数升高。因此，填加有高导热填料体系的复合材料其介电常数高于纯硅胶，且随着填料含量的增加，复合材料的介电常数不断增大，介电性能逐步减弱。

    另外，随着填料含量的增加，填料在基体中的分散性越来越差，制得的复合材料更容易出现气孔、表面凹凸不平等缺陷，由于空气的介电常数小于氧化铝的介电常数，因此，高填充含量下，测得的复合材料的介电常数会出现小于理论值的情况。

表2温度对材料介质损耗的影响

图3不同温度下热界面复合材料介质损耗的变化趋势

    材料的介质损耗在不同温度下的值如表2所示，其值随掺杂含量和温度的变化趋势如图3所示。由图3可看出，随着填料掺杂含量的增多，材料的介质损耗逐渐增大。由表2可知，20℃下，纯硅胶的介质损耗角正切值是0.00001，掺杂含量为80%的热界面复合材料的介质损耗角正切值是0.0177，掺杂含量为90%的热界面复合材料的介质损耗角正切值为0.0313，填料掺杂含量由80%升高至90%，介质损耗角正切值提高了76.8%。因此，无机填料的加入，使得硅橡胶的介电性能变差，且填料的掺杂含量越高，对热界面复合材料的介电性能影响越大，电气绝缘性能随掺杂含量的增大而减小。

    随温度的升高，热界面复合材料的介质损耗呈逐渐增大趋势:实验温度由200C升至160℃的过程中，纯硅胶的介质损耗角正切值由0.00001升高至0.00155;当掺杂含量为80%时，复合材料的介质损耗值由0.0177升高至0.0634，升高了2.58倍;当参杂含量为90%时，复合材料的介电常数由0.0313升高至0.0812，升高了1.59倍。随着温度升高，材料内分子的热运动逐渐加剧，松弛损耗和电导损耗逐步增加，介质损耗值增大。在材料制备过程中，不可避免的会引入少量的杂质，随着温度的升高，材料中杂质粒子的电导开始逐步增强，产生的电导损耗不断增加，最终导致复合材料的介质损耗值急剧上升，变化速率随温度的升高而增大。

二、结论：

     实验表明，同一掺杂含量下，介电常数和介质损耗随着温度的升高而升高，当掺杂含量为80%时，实验温度由20℃升至160℃的过程中，复合材料的相对介电常数由6.02升高至7.83，升高了30.1%;介质损耗值由0.0177升高至0.0634，升高了2.58倍。因为温度升高造成分子链段运动，利于偶极子的取向，使介电常数和介质损耗增大。同一温度下，介电常数和介质损耗随着掺杂含量的增大而增大:20℃下，纯硅胶的相对介电常数为4.22，掺杂含量为90%的热界面复合材料的介电常数是7.54,相对于纯硅胶，其值升高了78.7%，因为氧化铝填料本身的介电常数大于纯硅胶;20℃下，纯硅胶的介质损耗角正切值为0.00001，掺杂含量为90%的热界面复合材料的介质损耗角正切值是0.0313，相对于纯硅胶，其值升高了3129倍。