材料的介电常数测试
材料的介电常数和磁导率的测量
无机材料的介电常数及磁导率的测定、实验目的1. 掌握无机材料介电常数及磁导率的测试原理及测试方法。
2. 学会使用Agilent4991A 射频阻抗分析仪的各种功能及操作方法。
3. 分析影响介电常数和磁导率的的因素。
二、实验原理1. 介电性能介电材料(又称电介质)是一类具有电极化能力的功能材料，它是以正负电荷重心不重合的 电极化方式来传递和储存电的作用。
极化指在外加电场作用下，构成电介质材料的内部微观粒子， 如原子，离子和分子这些微观粒子的正负电荷中心发生分离，并沿着外部电场的方向在一定的范围 内做短距离移动，从而形成偶极子的过程。
极化现象和频率密切相关，在特定的的频率范围主要有 四种极化机制：电子极化(electronicpolarization ， 1015Hz)，离子极化(ionic polarization ， 10 〜10 Hz)，转向极化(orientation polarization , 10 〜10 Hz)和空间电荷极化(space charge polarizati on , 103Hz)。
这些极化的基本形式又分为位移极化和松弛极化，位移极化是弹性的，不 需要消耗时间，也无能量消耗，如电子位移极化和离子位移极化。
而松弛极化与质点的热运动密切 相关，极化的建立需要消耗一定的时间，也通常伴随有能量的消耗，如电子松弛极化和离子松弛极 化。
相对介电常数(£),简称为介电常数，是表征电介质材料介电性能的最重要的基本参数， 它反映了电介质材料在电场作用下的极化程度。
& 的数值等于以该材料为介质所作的电容器的电 容量与以真空为介质所作的同样形状的电容器的电容量之比值。
表达式如下：式中C 为含有电介质材料的电容器的电容量； G 为相同情况下真空电容器的电容量；A 为电极极板 面积；d 为电极间距离；& 0为真空介电常数，等于8.85 X 10-12F/m 。
另外一个表征材料的介电性能的重要参数是介电损耗，一般用损耗角的正切(tan S)表示。
介电常数测试方法国标
介电常数测试方法国标
介电常数是描述物质对电场的响应能力的物理量，也是一种重要的材
料参数。
它的测试方法在国际上已经标准化，以确保测试结果的准确性和
可比性。
接下来将介绍介电常数的测试方法国标，包括ASTM标准和IEC
标准，并对其进行比较和分析。
ASTMD150标准是用于固态绝缘材料介电常数测量的标准方法。
首先，样品被切割为规定的几何形状，如圆盘、片状或柱状。
然后，使用特定频
率的交流电场在样品上施加电压。
根据外加电场引起的样品极化程度来测
量介电常数。
ASTMD150还规定了测试条件、测试设备和测试结果的计算
方法。
对于这两个标准，有几个方面需要注意。
首先是测试频率的选择。
不
同频率下，材料的介电常数可能会有所不同。
因此，在进行介电常数测试时，需要在规定的频率范围内选择适当的频率。
其次是测试温度的影响。
温度对材料的介电常数也会有影响，因此需要在规定的温度下进行测试，
并校正温度的影响。
另外还有一些其他的介电常数测试方法，如微波谐振腔法、差分电容
法和电容测量法等。
这些方法在特定情况下可能更为精确或适用于特定材料。
国际上也有一些相关标准，如ASTMD2520和ASTMD1169，用于特定材
料的介电常数测试。
介电常数的测试方法
介电常数的测试方法介电常数是衡量物质对电场的响应程度的物理量。
在物理和化学实验中，有几种常见的方法来测试物质的介电常数。
以下是几种常用的测试方法：1. 平行板电容器法：平行板电容器法是最常见的一种测试介电常数的方法。
这种方法使用一对平行的金属板或电介质板来构成一个电容器，将待测物质放置在两个电容板之间，并施加所需电场。
测量物质中的电容和电场的关系，并根据电容公式计算出介电常数。
2. 微波谐振腔法：微波谐振腔法是一种用于测试固体和液体介电常数的方法。
它包括将待测样品放置在微波谐振腔中，并通过测量腔体频率的变化来计算介电常数。
该方法适用于高频率下的测试，并且可以用于非常小的样品。
3. 反射法：反射法是一种通过测量从待测介质表面反射出的电磁波的相位和振幅来测试介电常数的方法。
这种方法可用于各种频率范围内的测试，并且对于不同形状的样品也具有较好的适应性。
反射法还可以通过变换电磁波的入射角度来测量材料对极化过程的响应。
4. 感抗法：感抗法是一种用于测量液体介电常数的方法。
该方法使用感抗元件，如感抗液体电容器或感抗液体电感器，测量材料中的感抗。
通过测量元件的电感或电容来计算出材料的介电常数。
这种方法尤其适用于具有较高介电常数和电导率的液体。
5. 时间域反射法：时间域反射法是一种通过测量电磁脉冲在介质中传播的速度和幅度来测试介电常数的方法。
该方法利用电磁波在介质中传播过程中产生的反射和折射效应来计算介电常数。
时间域反射法在广泛的频率范围内都可适用，并且对于非常复杂的材料也具有较好的适应性。
除了上述方法外，还有许多其他测试介电常数的方法，如横截面波导法、石英晶体共振法、电感耦合等离子体法等。
每种方法都有其特定的适用范围和优缺点。
在实际应用中，选择合适的测试方法取决于待测物质的性质、测试频率范围和所需的精度等因素。
总的来说，通过使用适当的测试方法，可以准确地测量物质的介电常数。
这些测试方法在科学研究、工程设计和材料开发中具有重要的应用价值，可以帮助我们更好地理解和利用材料的电学性质。
材料介电常数和磁导率测试
材料介电常数和磁导率测试材料的介电常数和磁导率是材料的重要物理性质，对于电磁波的传播和材料的电磁性能有着重要影响。
本文将介绍介电常数和磁导率的定义、测量方法以及其在材料科学与工程中的应用。
一、介电常数的定义和测量方法介电常数是描述材料对电场响应的物理量，通常用ε来表示。
介电常数可以分为静态介电常数和复介电常数两种。
静态介电常数（ε0）是指在频率为零的情况下材料对电场的响应。
它是介电常数在低频时的极限值，通常用εr来表示。
静态介电常数可以通过测量材料在直流电场下的电容来得到。
实验中，通过将材料制成平行板电容器，测量电容C，再根据电容与介电常数之间的关系C=ε0S/d（其中S为电容板的面积，d为电容板间的距离），计算出静态介电常数。
复介电常数（ε*）是介电常数随频率变化的情况。
它可以分为实部ε'和虚部ε''两部分，分别表示介质的电容和电阻。
复介电常数可以通过测量材料在不同频率下的电容和介电损耗角正切（tanδ）来得到。
实验中，通过在交流电场下测量电容C和材料中的电导率σ，再根据复介电常数与电容、电导率之间的关系ε* = ε0(ε' - jε'') = ε0(1 + jσ/ωε0)（其中j为虚数单位，ω为角频率），计算出复介电常数。
二、磁导率的定义和测量方法磁导率是描述材料对磁场响应的物理量，通常用μ来表示。
磁导率可以分为静态磁导率和复磁导率两种。
静态磁导率（μ0）是指在频率为零的情况下材料对磁场的响应。
它是磁导率在低频时的极限值，通常用μr来表示。
静态磁导率可以通过测量材料在直流磁场下的磁感应强度和磁场强度之间的关系来得到。
实验中，通过将材料制成螺线管，测量磁感应强度B和电流I，再根据磁感应强度和磁场强度之间的关系 B = μ0μrI，计算出静态磁导率。
复磁导率（μ*）是磁导率随频率变化的情况。
它可以分为实部μ'和虚部μ''两部分，分别表示材料的磁感应强度和磁阻。
材料介电常数测试方法
材料介电常数测试方法材料介电常数测试方法通常涉及使用电感耦合等离子体(ICP)方法或磁电耦合等离子体(MCNP)方法。
以下是两种常用的介电常数测试方法:1. 电感耦合等离子体(ICP)测试方法该方法的基本流程是,将待测材料放置在一个等离子体源中,利用等离子体与电子的作用生成带电粒子,这些带电粒子会在磁场的作用下被束缚在材料表面,从而测量出材料表面的电场和磁场分布。
根据材料表面的电场和磁场分布可以计算出其介电常数。
具体来说,ICP测试方法通常包括以下步骤:材料处理:将待测材料放置在一个等离子体源中,使其表面形成充分的电导。
等离子体生成:利用高能量脉冲等离子体源产生等离子体,通常使用Oxy-CdTe等离子体室来获得高质量的等离子体。
带电粒子注入:向等离子体中注入带电粒子,通常是以电子的形式注入。
磁场控制:使用磁场控制系统控制带电粒子的路径,从而测量材料表面的电场和磁场分布。
数据分析:根据测量结果,可以计算出材料的介电常数。
2. 磁电耦合等离子体(MCNP)测试方法与ICP测试方法类似,MCNP测试方法也涉及等离子体与电子的作用生成带电粒子,但与ICP测试方法不同的是,MCNP测试方法使用磁电耦合等离子体技术,利用磁场和电场的相互作用来测量材料表面的电学性质。
具体来说,MCNP测试方法通常包括以下步骤:材料处理:将待测材料放置在一个磁场源中,使其表面形成充分的电导。
等离子体生成:使用电子束等离子体源产生等离子体,并利用磁场控制系统控制等离子体中电子的束流方向,从而生成带电粒子。
磁场控制:在材料表面形成磁场,并使用控制系统控制带电粒子的路径。
数据分析:根据测量结果,可以计算出材料的介电常数。
两种测试方法可以互相补充,交替使用,以获得更准确和可靠的介电常数测量结果。
铝基电路板材料介电常数测试实验
映了材料对电场的响应 能量转化效率。
稳定性。
提供了参考依据。 综合评价，为材料选择
能力。
提供了依据。
06
实验结论
铝基电路板材料的介电常数测试结果
铝基电路板材料的介电常数平均值：通过测试，
不同频率下的介电常数变化：实验结果显示，
01 我们得到了铝基电路板材料的介电常数平均值
02 铝基电路板材料的介电常数随着测试频率的增
03 频率与介电常数的关系呈正相关
04
频率与介电常数的关系受材料特性影响
介电常数与温度的关系
实验数据：在不同温度下， 测量得到的介电常数值
温度对介电常数的影响：随 着温度的升高，介电常数逐 渐减小
理论分析：温度对介电常数 的影响机制
实际应用：如何利用温度来 控制介电常数，提高电路性
能
不同铝基电路板材料的介电性能比较
在铝基电路板材料中，介电 常数的测试对于评估材料的 电磁性能和优化设计具有重
要意义。
介电常数测试的基本原理和方法
01
介电常数定义：介电常数是描述材料在电场
中存储电能能力的物理量。
02
测试原理：通过测量材料在电场中的电容和
几何尺寸，计算得到介电常数。
测试方法：常用的有谐振法、电容法、传输
03 线法等，其中电容法因操作简单、精度较高
从而评估材料的电气性能。
介电常数与电磁波传播的关系
添加 标题
添加 标题
添加 标题
添加 标题
介电常数影响电磁波的传播 速度，介电常数越大，电磁
波传播速度越慢。
介电常数决定了电磁波在材 料中的穿透深度，影响电磁
波与材料的相互作用。
介电常数与材料的导电性、 极化等性质有关，对电磁波 的传播和散射有重要影响。
材料的介电常数和磁导率的测量
材料的介电常数和磁导率的测量首先我们来介绍介电常数的测量方法。
介电常数是材料对电场的响应程度的度量，它描述了材料中电荷的极化程度。
介电常数的测量方法可以分为静态方法和动态方法两大类。
静态方法主要包括电容法和阻抗法。
电容法是通过测量材料电容器的电容值来确定其介电常数。
通常，所使用的电容器是平板结构或圆柱结构的，它们的结构和尺寸可以根据具体的测量需求进行设计。
电容法的原理是通过在电场中测量电容器的电容值来计算介电常数，具体计算公式为：ε=C/(ε0·A/d)其中，ε为介电常数，C为电容值，ε0为真空介电常数，A为电容器的交叉面积，d为电容器的间距。
阻抗法是通过测量材料电容器的阻抗来计算介电常数。
通过在电场中给电容器施加交变电压，测量电容器的电流和电压幅值，然后使用以下公式计算介电常数：Z=1/(2πfC)其中，Z为电容器的阻抗，f为交变电压的频率。
动态方法主要包括时域反射法和频域反射法。
时域反射法是通过将脉冲信号发送到材料中，然后测量脉冲信号的反射系数和传播速度来计算介电常数。
时域反射法的优点是适用于宽频带的测量，但对测量设备的性能要求较高。
频域反射法是通过测量材料的频率响应来计算介电常数。
通常，通过将材料置于一对电极之间，然后测量电极间的电容和电感，进而计算介电常数。
接下来我们来介绍磁导率的测量方法。
磁导率是材料对磁场的响应程度的度量，它描述了材料中磁性物质的含量和分布。
磁导率的测量方法主要有磁化曲线法和磁化电流法。
磁化曲线法是通过测量材料在外加磁场下得到的磁化曲线来计算磁导率。
测量时，材料样品被放置在电磁铁中，然后在外加磁场的作用下，测量材料的磁化强度和磁场强度，计算得到磁化曲线。
根据磁化曲线的特征，可以计算出材料的磁导率。
磁化电流法是通过通过在材料中施加交变电流，测量材料的磁场分布和电压分布，并计算得到磁导率。
磁化电流法适用于广泛的频率范围，并且可以用于不同形状和尺寸的样品。
介电常数和磁导率的测量方法在很多领域都有广泛的应用。
电介质材料的介电性能测试
电介质材料的介电性能测试电介质材料在电子器件和电力系统中具有重要的应用，其介电性能是评价材料质量和可靠性的重要指标。
介电性能测试是通过一系列测试方法和仪器来评估电介质材料在电场作用下的性能，包括介电常数、介质损耗、绝缘电阻等参数。
本文将简要介绍电介质材料的介电性能测试方法及其应用。
一、介电性能测试方法1. 介电常数测试介电常数是描述电介质材料在电场作用下储存和传输电能能力的重要参数。
常用的测试方法有：（1）并行板法：该方法通过测量电容器的电容值来计算电介质材料的介电常数。
具体步骤是将待测介质固定在两块平行金属板之间，然后测量电容器的电容值。
（2）回波法：该方法基于微波信号在电介质中传播的速度，通过测量信号的传输时间来计算介电常数。
测试时需要利用衰减器和定频放大器等设备，以确保测试结果的准确性。
2. 介质损耗测试介质损耗是指电介质材料在电场作用下吸收和转化电能为热能的能力。
常用的测试方法有：（1）三角法：该方法通过测量电介质材料在高频电场下的导体损耗和介质损耗之比来计算介质损耗的值。
具体步骤是将待测介质固定在电容器之间, 通过改变电容器的频率来测量两种损耗的值。
（2）传输线法：该方法利用特制的传输线测量电介质材料在特定频率下的损耗。
测试时需使用网络分析仪等仪器，通过测量信号的功率损耗来计算介质损耗的值。
3. 绝缘电阻测试绝缘电阻是指电介质材料在电场作用下抵抗漏电流流动的能力。
常用的测试方法有：（1）绝缘电阻表法：该方法通过将待测电介质样品与电极相连，用绝缘电阻表测量电介质材料的绝缘电阻值。
测试需在规定的电压和温度条件下进行。
（2）恒压法：该方法通过给待测电介质样品施加较高的电压来测量绝缘电阻值。
测试时需使用电压源和电流表等设备，以实现电介质样品上常态电流的测量。
二、介电性能测试的应用1. 电子器件领域介电性能测试在电子器件领域中具有重要应用。
例如，在电容器的制造过程中，通过测试介质材料的介电常数和介质损耗，可以评估电容器的质量和性能稳定性。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
材料科学实验讲义
(一级实验指导书)
东华大学材料科学与工程中心实验室汇编
2009年7月
一、实验目的
介电特性是电介质材料极其重要的性质。
在实际应用中，电介质材料的介电系数和介质损耗是非常重要的参数。
例如，制造电容器的材料要求介电系数尽量大，而介质损耗尽量小。
相反地，制造仪表绝缘器件的材料则要求介电系数和介质损耗都尽量小。
而在某些特殊情况下，则要求材料的介质损耗较大。
所以，通过测定介电常数(ε)及介质损耗角正切(tg δ)，可进一步了解影响介质损耗和介电常数的各种因素，为提高材料的性能提供依据。
本实验的目的：
1、探讨介质极化与介电常数、介质损耗的关系；
2、了解高频Q 表的工作原理；
3、掌握室温下用高频Q 表测定材料的介电常数和介质损耗角正切值。
二、实验原理
按照物质电结构的观点，任何物质都是由不同的电荷构成，而在电介质中存在原子、分子和离子等。
当固体电介质置于电场中后会显示出一定的极性，这个过程称为极化。
对不同的材料、温度和频率，各种极化过程的影响不同。
1、介电常数(ε)：某一电介质(如硅酸盐、高分子材料)组成的电容器在一定电压作用下所得到的电容量C x 与同样大小的介质为真空的电容器的电容量C o 之比值，被称为该电介质材料的相对介电常数。
o
x
C C =
ε 式中：C x —电容器两极板充满介质时的电容；
C ο —电容器两极板为真空时的电容； ε —电容量增加的倍数，即相对介电常数
介电常数的大小表示该介质中空间电荷互相作用减弱的程度。
作为高频绝缘材料，ε要小，特别是用于高压绝缘时。
在制造高电容器时，则要求ε要大，特别是小型电容器。
在绝缘技术中，特别是选择绝缘材料或介质贮能材料时，都需要考虑电介质的介电常数。
此外，由于介电常数取决于极化，而极化又取决于电介质的分子结构和分子运动的形式。
所以，通过介电常数随电场强度、频率和温度变化规律的研究，还可以推断绝缘材料的分子结构。
2．介电损耗(tg δ)：指电介质材料在外电场作用下发热而损耗的那部分能量。
在直流电场作用下，介质没有周期性损耗，基本上是稳态电流造成的损耗；在交流电场作用下，介质损耗除了稳态电流损耗外，还有各种交流损耗。
由于电场的频繁转向，电介质中的损耗要比直流电场作用时大许多(有时达到几千倍)，因此介质损耗通常是指交流损耗。
在工程中，常将介电损耗用介质损耗角正切tg δ来表示。
tg δ是绝缘体的无效消耗
的能量对有效输入的比例，它表示材料在一周期内热功率损耗与贮存之比，是衡量材料损耗程度的物理量。
RC
tg ωδ1
=
tg 式中：ω —电源角频率；
R —并联等效交流电阻； C —并联等效交流电容器
凡是体积电阻率小的，其介电损耗就大。
介质损耗对于用在高压装置、高频设备，特别是用在高压、高频等地方的材料和器件具有特别重要的意义，介质损耗过大，不仅降低整机的性能，甚至会造成绝缘材料的热击穿。
3、Q 值：tg δ的倒数称为品质因素，或称Q 值。
Q 值大，介电损失小，说明品质好。
所以在选用电介质前，必须首先测定它们的ε和tg δ。
而这两者的测定是分不开的。
通常测量材料介电常数和介质损耗角正切的方法有二种：交流电桥法和Q 表测量法，其中Q 表测量法在测量时由于操作与计算比较简便而广泛采用。
本实验主要采用的是Q 表测量法。
Q 表的测量回路是一个简单的R —L —C 回路，如图1所示。
当回路两瑞加上电压V 后，电容器C 的两端电压为Vc ，调节电容器C 使回路谐振后，回路的品质因数Q 就可以用下式表示：
R
L
V V Q c ω=
=
式中：L —回路电感；
R —回路电阻；
Vc —电容器C 两端电压； V —回路两端电压；
图1 Q 表测量原理图
由上式可知，当输入电压V 不变时，则Q 与Vc 成正比。
因此在一定输入下，Vc
值可直接标示为Q 值。
Q 值表即根据这一原理来制造。
4、STD －A 陶瓷介质损耗角正切及介电常数测试仪：它由稳压电源、高频信号发生器、定位电压表CBl 、Q 值电压表CB2、宽频低阻分压器以及标准可调电容器等组成(图2)。
工作原理如下：高频信导发生器的输出信号，通过低阻抗耦合线圈将信号馈
送至宽频低阻抗分压器。
输出信号幅度的调节是通过控制振荡器的帘栅极电压来实现。
当调节定位电压表CBl 指在定位线上时，Ri 两端得到约l0mV 的电压(Vi)。
当Vi 调节在一定数值(10mV)后，可以使测量Vc 的电压表CB2直接以Q 值刻度，即可直接的读出Q 值，而不必计算。
另外，电路中采用宽频低阻分压器的原因是：如果直接测量Vi 必须增加大量电子组件才能测量出高频低电压信号，成本较高。
若使用宽频低阻分压器后则可用普通电压表达到同样的目的。
图2 Q 表测量电路图
经推导(1) 介电常数：
2
)21(Φ-=
d
C C ε
(1)
式中：C1—标准状态下的电容量；
C2—样品测试的电容量； d —试样的厚度(cm)； Φ—试样的直径(cm)； (2) 介质损耗角正切：
2
12
1211Q Q Q Q C C C tg ⨯-⨯
-=
δ (2)
式中：Q1—标准状态下的Q 值；
Q2—样品测试的Q 值；
(3) Q 值：
1
2
121211C C C Q Q Q Q tg Q -⨯
-⨯==
δ (3)
三、实验仪器及设备
1、仪器设备：
(1) STD－A型测试仪、电感箱、样品夹具等；
(2) 千分游标卡尺；
(3) 特种铅笔或导电银浆；
2、样品要求：圆形片：厚度2±0.5mm，直径为Φ38±1mm。
四、实验步骤
1、本仪器适用于110V/220V，50Hz交流电，使用前要检查电压情况，以保证测试条件的稳定。
2、开机预热15分钟，使仪器恢复正常状态后才能开始测试。
3、按部件标准制备好的测试样品，两面用特种铅笔或导电银浆涂覆，使样品两面都各自导电，但南面之间不能导通，备用。
4、选择适当的辅助线圈插入电感接线柱。
根据需要选择振荡器频率，调节测试电路电容器使电路谐振。
假定谐振时电容为C1，品质因素为Q1。
5、将被测样品接在Cx接线柱上。
6、再调节测试电路电容器使电路谐振，这时电容为C2，可以直接读出Q2。
7、用游标卡尺量出试样的直径Φ和厚度d(分别在不同位置测得两个数据，再取其平均值)。
五、结果处理
1、ε和tgδ测定记录：
2、计算：
根据表格中测得的数据，按公式(1)、(2)分别计算各个数值。
3、注意事项：
(1) 电压或频率的剧烈波动常使电桥不能达到良好的平衡，所以测定时，电压和频率要求稳定，电压变动不得大于1%，频率变动不得大于0.5%。
(2) 电极与试样的接触情况，对tgδ的测试结果有很大影响，因此涂银导电层电极要求接触良好、均匀，而厚度合适。
(3) 试样吸湿后，测得的tgδ值增大，影响测量精度，应当严格避免试样吸潮。
(4) 在测量过程中，注意随时电桥本体屏蔽的情况，当电桥真正达到平衡，“本体－屏蔽”开关置于任何一边时，检查计光带均应最小，而无大变化。
六、思考题
1、测试环境对材料的介电常数和介质损耗角正切值有何影响，为什么？
2、试样厚度对介电常数的测量有何影响，为什么？
3、电场频率对极化、介电常数和介质损耗有何影响，为什么？。