材料科学实验讲义(一级实验指导书）250f5y00东华大学材料科学与工程中心实验室汇编
0 (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(s）及介质损耗角正切(tg8)，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（s)：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Cx与同样大小的介质为真空的电容器的电容量Co之比值，被称为该电介质材料的相对介电常数。C6=Co式中：C一电容器两极板充满介质时的电容：Co一电容器两极板为真空时的电容：一电容量增加的倍数，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&要小，特别是用于高压绝缘时。在制造高电容器时，则要求6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)：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1
1 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() 及介质损耗角正切(tg)，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()：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 Cx 与同样大小的介质为真空的电容器的电容量 Co 之比值，被称 为该电介质材料的相对介电常数。 o x C C = 式中：Cx —电容器两极板充满介质时的电容； C —电容器两极板为真空时的电容； —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， 要小，特别是用于高压绝缘时。在制造高电容器时，则要求要大，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)：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tg8来表示。tg8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。1tgo=-ORC式中：一电源角频率：R一并联等效交流电阻；C一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：tg8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s和tg8。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一L一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：V-OLO=VR式中：L一回路电感：R一回路电阻：Vc一电容器C两端电压：V一回路两端电压：12IR图1Q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一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2
2 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来表示。tg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 1 = 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和 tg。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 = = 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； ～ A V C Vc L R 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CBI、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CBI指在定位线上时，Ri两端得到约1OmV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。充频低阻分压器LO压电源接入试样BB高频信号发生器1图2Q表测量电路图经推导(1)介电常数：(C1-C2)dXB(1)@2式中：C1一标准状态下的电容量；C2一样品测试的电容量：d一试样的厚度(cm);Φ一试样的直径(cm)：β一修正值：11.3(倍);(2）介质损耗角正切：C1Q1-Q2(2)tgo=C1-C2Q1xQ2式中：Q1一标准状态下的Q值：Q2一样品测试的Q值：(3)Q值：Q1×Q2C1-C21(3)Q=CItgoQ1-Q23
3 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。 C L 高频信号 发生器 稳压电源 CB2 CB1 Ri 接入试样 宽频低阻分压器 图 2 Q 表测量电路图 经推导(1) 介电常数： 2 ( 1 2) − = C C d x β (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)； β—修正值：11.3(倍)； (2) 介质损耗角正切： 1 2 1 2 1 2 1 Q Q Q Q C C C tg − − = (2) 式中：Q1—标准状态下的 Q 值； Q2—样品测试的 Q 值； (3) Q 值： 1 1 2 1 2 1 1 2 C C C Q Q Q Q tg Q − − = = (3)
三、实验仪器及设备1、仪器设备：(1)STD一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0.2±0.05cm，直径为Φ3.0±0.1cm。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、和tgo测定记录：实验数据按表要求填写。序号12345试样厚度试样直径C1测试C2数Q1据Q2计6算tgo结平均值果tgi=6=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。4
4 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 0.2±0.05cm，直径为Φ3.0±0.1cm。 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、和 tg测定记录： 实验数据按表要求填写。 序 号 1 2 3 4 5 试样厚度 试样直径 测 试 数 据 C1 C2 Q1 Q2 计 算 结 果 tg 平均值 = tg= 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tg8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tg8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，“本体一屏蔽”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？5
5 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？