介质损耗测试仪器：评估材料在高频电场中能量损耗特性的核心指标

介质损耗测试仪器：评估材料在高频电场中能量损耗特性的核心指标

引用

网易

1.

https://www.163.com/dy/article/JOC3E4NS05566VZY.html

介质损耗是评估材料在高频电场中能量损耗特性的核心指标，在电容器、绝缘材料和微波器件设计中具有重要意义。本文将系统性地介绍介质损耗测试仪器的相关概念、测试方法、标准、关键步骤、误差来源、影响因素以及应用场景等。

核心概念与定义

• 介质损耗（DielectricLoss）：材料在交变电场中因极化弛豫、电导等机制将部分电能转化为热能的现象。
• 介质损耗因数（DielectricLossFactor,ε''）：复数介电常数虚部（ε''），直接表征材料单位体积的损耗功率。
• 介质损耗角正切值（tanδ）：损耗因数与介电常数实部（ε'）的比值，反映材料储能效率，tanδ越小，能量损耗越低。

测试方法

1. 平行板电容器法（低频测试）

• 适用频率：1kHz-1MHz
• 原理：通过LCR表测量电容（C）和损耗角正切（tanδ），计算ε''和tanδ。
• 注意事项：
• 消除电极接触电阻影响（如使用溅射电极或导电银胶）。
• 控制样品厚度均匀性，避免边缘效应（加保护环）。

2. 同轴探头法（高频测试）

• 适用频率：100MHz-10GHz
• 优点：非接触式，适用于液体、软材料或薄膜。
• 步骤：探头接触样品表面，通过反射系数计算ε'和ε''。

3. 谐振腔法（微波频段）

• 适用频率：GHz以上（如5G、雷达频段）。
• 原理：材料插入谐振腔后，通过谐振频率偏移和品质因数（Q值）变化计算tanδ。

4. 传输线法（宽带测试）

• 适用场景：通过S参数（散射参数）分析材料的反射/透射特性，提取ε'和ε''。

测试标准

• ASTMD150：固体电绝缘材料的介电常数和tanδ测试标准。
• IEC60250：国际电工委员会关于介质损耗测量的通用规范。
• IPCTM-6502.5.5.5：高频电路板材料的tanδ测试方法。

关键测试步骤

1. 样品制备：

• 固体：加工成平整薄片（厚度≤1mm），表面清洁无污染。
• 液体：避免气泡，使用专用测试池（如平行板或同轴圆筒）。

2. 电极选择：

• 接触式电极：蒸镀金/银层或导电胶。
• 非接触式电极：适用于易变形材料（如弹性体）。

3. 环境控制：

• 恒温（±1℃），湿度<50%RH（避免表面漏电）。

4. 仪器校准：

• 使用标准样品（如聚四氟乙烯，tanδ≈0.0002）校准仪器。
• 开路/短路校准消除系统误差。

误差来源与解决方案

影响因素分析

1. 频率依赖性：

• 低频（<1MHz）：界面极化主导，tanδ较高。
• 高频（>1GHz）：偶极子极化弛豫，可能出现损耗峰。

2. 温度影响：

• 温度升高→极化响应加快→tanδ峰向高频移动（Arrhenius行为）。
• 高温可能引发离子电导，显著增加损耗。

3. 材料微观结构：

• 多孔材料：孔隙中气体或水分导致额外损耗。
• 结晶度：非晶区极化弛豫更显著，tanδ较高。

应用场景

1. 电容器：tanδ决定发热和效率（如MLCC要求tanδ<0.01）。
2. 高频电路基板：低tanδ材料（如PTFE,tanδ≈0.001）减少信号衰减。
3. 绝缘材料：高tanδ预示老化或受潮风险（如变压器油监测）。

测试报告内容

• 必须包含：

• 测试频率、温度、湿度。

• 样品厚度和电极类型。

• ε'、ε''、tanδ的实测值与误差范围。

• 可选补充：

• 频率/温度扫描曲线（分析弛豫特性）。

• 与行业标准材料的对比数据。

总结

介质损耗参数测试需结合材料特性、频率范围及应用场景选择方法，严格控制环境条件和校准流程。高频测试需关注谐振腔或传输线法的系统误差，低频测试则需优化电极接触。通过多频率点扫描和温度依赖性分析，可深入理解材料极化机制，为电子器件设计提供关键数据支持。