溫度對材料介質損耗和介電常數的影響及變化規律

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律，本文將使用硅烷偶聯劑處理過的70um, 5um和1.5um球形氧化鋁按照6:2:2的質量比進行混合，構成高導熱填料體系，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。實驗測量數據如表1所示。

圖1介電常數/介質損耗實物連接圖

表1溫度對介電常數的影響

    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，復合材料的相對介電常數由6.02升高至7.83，升高了30.1%;當填料的摻雜含量為90%時，復合材料的相對介電常數由7.54升高至8.81，升高了16.8%。復合材料相對介電常數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，熱界面復合材料的介電常數呈不斷增大的趨勢。研究表明，以硅橡膠為基體的復合材料，其介電常數隨溫度的變化率明顯小于環氧樹脂等材料，這對于硅橡膠復合材料電性能的研究具有重要意義。溫度對熱界面復合材料的取向極化現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弱，偶極子容易發生轉向，極化過程增強，導致介電常數增大，表現為正溫度系數;另一方面，溫度越高，材料內分子間熱運動越劇烈，不易建立偶極取向，極化過程減弱，介電常數降低，表現為負溫度系數。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，分子熱運動發揮的作用越來越大，極化現象減弱，介電常數的增長速率減慢，但仍表現為正的溫度系數。

    另外在同一溫度下，相對介電常數的值隨著熱界面復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是4.22，摻雜含量為80%的熱界面復合材料的相對介電常數是6.02，摻雜含量為90%的熱界面復合材料的相對介電常數為7.54，填料參雜含量由80%升高至90%，其相對介電常數提高了25.2% 。之所以熱界面復合材料的相對介電常數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大于硅橡膠基體本身的介電常數;其次，填料含量越高，基體與填料之間的接觸界面越多，界面效應會導致界面極化的加強，從而使介電常數升高。因此，填加有高導熱填料體系的復合材料其介電常數高于純硅膠，且隨著填料含量的增加，復合材料的介電常數不斷增大，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，制得的復合材料更容易出現氣孔、表面凹凸不平等缺陷，由于空氣的介電常數小于氧化鋁的介電常數，因此，高填充含量下，測得的復合材料的介電常數會出現小于理論值的情況。

表2溫度對材料介質損耗的影響

圖3不同溫度下熱界面復合材料介質損耗的變化趨勢

    材料的介質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，材料的介質損耗逐漸增大。由表2可知，20℃下，純硅膠的介質損耗角正切值是0.00001，摻雜含量為80%的熱界面復合材料的介質損耗角正切值是0.0177，摻雜含量為90%的熱界面復合材料的介質損耗角正切值為0.0313，填料摻雜含量由80%升高至90%，介質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，熱界面復合材料的介質損耗呈逐漸增大趨勢:實驗溫度由200C升至160℃的過程中，純硅膠的介質損耗角正切值由0.00001升高至0.00155;當摻雜含量為80%時，復合材料的介質損耗值由0.0177升高至0.0634，升高了2.58倍;當參雜含量為90%時，復合材料的介電常數由0.0313升高至0.0812，升高了1.59倍。隨著溫度升高，材料內分子的熱運動逐漸加劇，松弛損耗和電導損耗逐步增加，介質損耗值增大。在材料制備過程中，不可避免的會引入少量的雜質，隨著溫度的升高，材料中雜質粒子的電導開始逐步增強，產生的電導損耗不斷增加，最終導致復合材料的介質損耗值急劇上升，變化速率隨溫度的升高而增大。

二、結論：

     實驗表明，同一摻雜含量下，介電常數和介質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，復合材料的相對介電常數由6.02升高至7.83，升高了30.1%;介質損耗值由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，使介電常數和介質損耗增大。同一溫度下，介電常數和介質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為4.22，摻雜含量為90%的熱界面復合材料的介電常數是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大于純硅膠;20℃下，純硅膠的介質損耗角正切值為0.00001，摻雜含量為90%的熱界面復合材料的介質損耗角正切值是0.0313，相對于純硅膠，其值升高了3129倍。