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改性塑料的绝缘特性及表征

改性塑料在5G时代可用于设备的外框、键盘、后盖、中框、支架等部件,具有外壳包覆、装饰、支撑和连接等作用。常见的改性塑料树脂如图1所示。

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图1 改性塑料用高分子树脂

电工中一般认为电阻率超过1010·cm的、在电场中以感应而并非传导的方式呈现其电学性能的物质为电介质,通俗称之为绝缘材料。绝大多数高分子树脂是由碳、氢、氧、氮、硫为主通过共价键按照特定的序列和立体构型连接起来的大分子量合成材料,分子中没有可移动的自由电子,即使在外加电压的情况下,也不能形成电子的定向移动,同时,绝大多数高分子树脂不含有对电磁波吸收、反射的金属元素或分子结构;而高分子树脂是改性塑料最重要的、占比例最高的基材,因此我们默认绝大多数改性塑料为绝缘性材料。

改性塑料的绝缘性一般通过体积电阻率介电常数介电损耗、击穿电压三项表示。

体积电阻率,是材料每单位体积对电流的阻抗,用来表征材料的电性质。通常体积电阻率越高,材料用做电绝缘部件的效能就越高。通常所说的电阻率即为体积电阻率。

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式中,h是试样的厚度(即两极之间的距离);S是电极的面积,ρv的单位是Ω·m(欧姆·米)。高分子材料的体积电阻率一般在108-1018Ω·m。

介电常数(dielectric constant)是表征电介质的最基本的参量。表征材料极化并储存电荷能力的物理量称为介电常数,用ε表示,无量纲。

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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;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。

介电损耗(tgδ):指电介质材料在外电场作用下发热而损耗的那部分能量。介质损耗通常是指交流损耗。常将电介质在电场作用下,单位时间消耗的电能叫介质损耗。工程中,常将介电损耗用介质损耗角正切tgδ来表示。tgδ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

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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

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。

击穿电压和击穿电场强度是表征某种材料绝缘性能最重要参数。击穿电场强度也称为介电强度。两者的关系为:

击穿电场强度  

E=V/h

式中:V—击穿电压;h —材料厚度;单位为kv/mm。

表1给出了部分高分子树脂的介电性能典型参考值。

表1 部分高分子树脂的介电性能典型参考值

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介电常数ε与材料分子的极化能力息息相关。高分子树脂的ε由主链结构中的键的特性和排列所决定。非极性材料的极化能力小,ε和tg都较小,例如HDPE、PP、PS和PTFE的ε均在3以下;极性材料分子结构中含有极性较强的酯键、酰胺键、羰基等,导致分子在电场中极化能力较强,ε和tg越大,它们的介电常数普遍在3-5之间;极性取代基团影响更大,且其数目越多, ε和tg越大,例如离子聚合物、磺酸盐、马来酸酐共聚物等。

典型改性塑料是以高分子树脂为基材,添加了纤维、助剂和填充剂并经过高温挤出造粒过程制得的成分复杂的复合材料,介电常数ε的影响因素更多,不仅与高分子树脂基材的介电常数有关,也与其中添加的纤维、助剂及造粒过程中它们彼此发生物理化学反应过程形成的微观形态结构密切相关。

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