认识介电性能（1）——介电常数介质损耗
时间：2024-08-07 阅读：1460
介电常数作为描述介电材料储能性能的主要参数之一，理解其对介电材料开发十分重要。”
介电性能是材料在电场作用下表现出的一系列物理特性，主要包括以下几个方面： 介电常数（Dielectric Constant）：也称为电容率或相对电容率，表示材料存储电荷能力的量度。它是材料在电场中极化程度的表征，影响电容器的储能能力。
介质损耗（Dielectric Loss）：在交流电场中，材料极化跟不上电场变化导致的能量损耗。介质损耗通常与介电常数一起用来描述材料的介电性能。
介电强度（Dielectric Strength）：材料能够承受的最大电场强度而不发生击穿或导电的性能。高介电强度意味着材料具有更好的绝缘特性。
介电弛豫（Dielectric Relaxation）：材料在电场作用下极化过程的时间依赖性，涉及极化和去极化的时间常数。
击穿电压（Breakdown Voltage）：材料开始导电的临界电压，是介电强度的量度。
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概述
介电性能是指在电场作用下，表现出对静电能的储蓄和损耗的性质，通常用介电常数和介质损耗来表示。介电材料是放在平板电容器中增加电容的材料（图1）。介电材料根据其分子或原子的电荷分布特性，可以分为极性介电材料和非极性介电材料。极性介电材料中，正粒子的质心与负粒子的质心不重合，存在偶极矩，分子形状不对称。非极性介电材料中，正粒子和负粒子的质心重合，分子中没有偶极矩，分子形状是对称的。介电常数是描述某种材料放入电容器中增加电容器存储电荷能力的物理量。 根据物质的介电常数可以判别高分子材料的极性大小。通常，相对介电常数大于3.6的物质为极性物质；相对介电常数在2.8~3.6范围内的物质为弱极性物质；相对介电常数小于2.8为非极性物质。如果有高介电常数的材料放在电场中，电场的强度会在电介质内有可观的下降。 
图1电解质与储能原理
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定义及物理意义
介电材料的介电常数，也称为电容率或相对电容率，是表征电介质或绝缘材料电性能的一个重要参数。它用来描述材料在电场中存储静电能的相对能力。介电常数定义为在同一电容器中，使用该介电材料作为介质时的电容与在真空中作为介质时的电容的比值。 具体来说，介电常数表示为： εr=ε介质/ε真空
其中，ε介质是使用特定介电材料时电容器的电容，而ε真空是相同条件下真空作为介质时的电容。 介电常数的大小受分子偶极矩和可极化性的影响，它随着这些性质的增大而增大。在实际应用中，高介电常数的材料可以更有效地增强电容器的电荷存储能力，因此它们通常被用来制作高储能密度的电容器。
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分子极性：分子的极性越强，其分子间作用力也越强，从而导致介电常数的增加。
偶极矩：分子极性通常由分子的偶极矩来表征，即正负电荷中心不重合导致的电荷分布不均匀。具有较大偶极矩的分子在外加电场中更容易被极化，从而增加材料的介电常数。 极化机制：极性分子在电场中会发生电子云的位移，导致分子的极化。这种极化包括电子极化、原子极化和取向极化，它们共同贡献于材料的整体极化，从而影响介电常数。 分子间作用力：极性分子间的相互作用力（如偶极-偶极相互作用）通常比非极性分子间的相互作用力强。这种较强的分子间作用力可以增强分子间的耦合作用，进而提高介电常数。 介电饱和：极性分子在电场中取向的能力会导致介电常数随电场强度增加而增加，但当所有分子尽可能与电场方向一致时，将达到饱和，此时增加电场强度不再显著增加介电常数。
分子大小：分子越大，其电子云分布也越广，极化程度越高，介电常数也越高。
偶极矩：分子极性通常由分子的偶极矩来表征，即正负电荷中心不重合导致的电荷分布不均匀。具有较大偶极矩的分子在外加电场中更容易被极化，从而增加材料的介电常数。
极化机制：极性分子在电场中会发生电子云的位移，导致分子的极化。这种极化包括电子极化、原子极化和取向极化，它们共同贡献于材料的整体极化，从而影响介电常数。
分子间作用力：极性分子间的相互作用力（如偶极-偶极相互作用）通常比非极性分子间的相互作用力强。这种较强的分子间作用力可以增强分子间的耦合作用，进而提高介电常数。
介电饱和：极性分子在电场中取向的能力会导致介电常数随电场强度增加而增加，但当所有分子尽可能与电场方向一致时，将达到饱和，此时增加电场强度不再显著增加介电常数。
频率：介电常数随着频率的增加而变化，对于多数材料而言，频率升高时介电常数会降低。
取向极化：在低频电场中，极性分子有足够的时间响应电场的变化并重新排列，导致较高的介电常数。随着频率的增加，分子取向跟不上电场的变化，导致介电常数降低。
电子极化和原子极化：这些极化机制的响应时间非常快，几乎可以瞬间响应电场的变化，因此它们对频率的变化不太敏感。
界面极化：在复合材料中，界面极化（如空间电荷极化）可能会在频率较高时变得不那么有效，因为电荷的积累和松弛过程跟不上电场的快速变化。
松弛过程：许多材料的介电响应涉及松弛过程，如聚合物链的重排或离子的迁移。这些过程在低频下可以充分发生，但在高频下可能被抑制。
介电弛豫：材料可能包含多个不同的极化机制，每个机制都有其特定的松弛时间和相应的频率响应。在这些频率附近，介电常数可能会出现显著的变化。
德拜弛豫：对于具有德拜弛豫（一种特殊的极化弛豫过程）的材料，介电常数会随着频率的增加而降低，且在德拜弛豫频率处有一个明显的下降。
温度：温度的变化会影响分子的热运动，进而改变介电常数。例如，在纯溶剂体系中，随着温度的升高，分子运动加快、排布更加无序，体系偶极矩减小，从而介电常数越小。
分子运动增加：随着温度的升高，分子的运动增加，导致分子间的相互作用减弱，这可能会减少材料的极化能力，从而降低介电常数。
结构转变：某些材料在特定的温度下会发生相变，如从结晶态到非晶态的转变，这可能会显著改变其介电常数。
极化机制的变化：温度的升高可能会激活或抑制某些极化机制。例如，偶极取向极化可能随着温度的升高而减少，因为分子的热运动使得它们难以与电场对齐。
电子极化的变化：在某些材料中，电子极化对温度非常敏感，温度的升高会增加电子的热运动，可能会增加或减少介电常数，这取决于材料的具体电子结构。
离子导电性：在离子导电材料中，温度的升高会增加离子的移动性，从而增加材料的电导率，这可能会通过电极化过程间接影响介电常数。
填料的介电常数：在聚合物基复合材料中，添加不同介电常数的填料会改变复合材料的介电性能。高介电常数的填料有助于提高复合材料的介电常数，但同时也可能降低其击穿强度和增加介电损耗。
介电常数提升：向聚合物基体中添加具有高介电常数的填料是提高复合材料介电常数的主要策略。高介电常数填料的添加可以增加材料的整体极化能力，从而提升复合材料的介电常数。
击穿强度和介电损耗的权衡：虽然高介电常数填料可以提升介电常数，但同时也可能降低复合材料的击穿强度并增加介电损耗。这是因为高介电常数填料可能会在填料与聚合物界面间形成漏电流路径。
界面极化效应：填料的介电常数影响其与聚合物基体之间的界面极化。高介电常数填料有助于增强界面极化，从而提升复合材料的介电常数，尤其是当填料的介电常数远高于基体聚合物时。
界面极化：在复合材料中，填料与聚合物基体之间的界面极化对低介电常数填料的影响更为明显。
极化机制：界面极化是材料在电场作用下，由于界面处电荷分离而产生的极化现象。这种极化与材料的微观结构和界面特性密切相关。
界面面积增加：当填料粒径减小到纳米尺度时，填料与聚合物基体之间的界面面积显著增加，导致更多的电子在界面上聚集，从而增强了界面极化，提升了复合材料的介电常数。
界面缺陷：填料和聚合物基体之间的界面缺陷，如空隙和微裂纹，可能会增加局部电场强度，从而增强界面极化，但这也可能增加介电损耗。
聚合物结晶度：聚合物的结晶度会影响其介电性能，因为结晶区域和非结晶区域的极化能力不同.
分子链排列：结晶区域中的聚合物分子链比非结晶区域更加有序排列，这种有序性可能会限制分子的取向极化，从而影响介电常数。
极化能力：结晶区域的分子链运动受到限制，导致其极化能力降低。因此，结晶度较高的聚合物通常表现出比非结晶聚合物更低的介电常数。
自由体积：结晶度的增加可能会减少聚合物中的自由体积，从而限制分子链的移动和旋转，这也可能降低聚合物的极化能力。
介电各向异性：结晶聚合物通常表现出介电各向异性，即在不同方向上的介电常数不同。结晶区域的有序性可能导致特定方向上的介电常数增加。