在許多技術(shù)文獻和科普文章中，常常看到類似“介電常數(shù)越高，材料絕緣性能越好”的說法。然而，介電常數(shù)與材料的絕緣性能之間并沒有直接的必然關(guān)系，下面一起來探討一下相關(guān)的話題。

一、電介質(zhì)--夠被電極化的絕緣性材料

介電質(zhì)（英語：dielectric，又稱電介質(zhì)）是一類能夠被電極化的絕緣性材料。電介質(zhì)的中文“介”字表明的是隔離電流之意，早年主要是指電路中用于分隔電流作用的絕緣材料，但是隨后的研究表明，電介質(zhì)除了絕緣性能以外，也可以在電場的作用下產(chǎn)生極化，并能夠貯存電荷。

電介質(zhì)的極化示意圖：①無極分子-電子位移極化；②有極分子-主要是取向極化

在外電場的作用下，電介質(zhì)和外電場垂直的兩個端面會出現(xiàn)等量異號的極化電荷。極化電荷在介質(zhì)內(nèi)將形成一個與外電場方向相反的電場，使外電場受到削弱。介質(zhì)的極化能力越強，其形成的反向電場越大，對原電場對削弱程度就越大。極化電荷與導(dǎo)體中的自由電荷不同,它們不能離開電介質(zhì)而轉(zhuǎn)移到其他帶電體上，也不能在電介質(zhì)內(nèi)部自由運動，故也稱為束縛電荷。束縛電荷在外電場中只能作有限位移，因此電介質(zhì)也是絕緣體。

極化：介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生電場的過程

國標(biāo)定義絕緣材料是用于防止導(dǎo)電元件之間導(dǎo)電的材料，即能起“絕緣”作用的材料，電工、電子設(shè)備用絕緣材料隔離不同電位的導(dǎo)體限制電流流向，這時就是利用其電絕緣性^【1】。絕緣材料的電氣性能主要表現(xiàn)在電場作用下材料的導(dǎo)電性能、介電性能及絕緣強度，主要包括以下四個方面：相對介電常數(shù)、介電損耗、電導(dǎo)率（或電阻率）及介電強度。

1、相對介電常數(shù)（ε?）。也叫做介電常數(shù)比，是一個無量綱的物理量，其值始終大于1，表示某種材料的絕對介電常數(shù)ε與真空（或空氣）的介電常數(shù)（ε?）之比。它用來描述材料在電場中的極化能力。介電常數(shù)越大，電介質(zhì)的極化能力越強，能夠產(chǎn)生更多的束縛電荷，從而更有效地削弱外加電場，并在單位電場下儲存更多的電能。它與介質(zhì)分子的極性強弱有關(guān)，還受到溫度、外加電場頻率等因素的影響。高的介電常數(shù), 意味著具有更好的儲存電能和均勻電場的性能^[【2】。

2、介電損耗。在電場作用下沒有能量損耗的理想介質(zhì)是不存在的,實際電介質(zhì)中總有一定的能量損耗，包括由電導(dǎo)引起的損耗和某些有損極化引起的損耗,總稱為介電損耗。電介質(zhì)在有外部電場的作用下會發(fā)生極化，即會產(chǎn)生一個內(nèi)部電場。在交變電場中，當(dāng)外部電場方向不斷變化時，內(nèi)部電場也必然會隨之變化。內(nèi)部電場的激發(fā)實質(zhì)上是帶電微粒的定向運動或定向偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)過程中，需要消耗能量，轉(zhuǎn)換成熱，這種現(xiàn)象叫做極化損耗。介質(zhì)在直流電壓作用下，僅有電導(dǎo)損耗和電離損耗，在交流電壓作用下，介質(zhì)除電導(dǎo)損耗外，還產(chǎn)生周期性極化引起的極化損耗。介質(zhì)損耗掉的能量（電能）變成了熱能，使電介質(zhì)溫度升高。當(dāng)外部電場方向變化速率加快時，這種損耗會增大^【3】。

如果電介質(zhì)損耗很大，會使電介質(zhì)溫度升高，促使材料發(fā)生老化（發(fā)脆、分解等）；如果介質(zhì)溫度不斷上升，甚至?xí)央娊橘|(zhì)熔化、燒焦，喪失絕緣能力，導(dǎo)致熱擊穿。因此，電介質(zhì)損耗是衡量絕緣介質(zhì)電性能的一項重要指標(biāo)^【4】。

3、電導(dǎo)率。任何電介質(zhì)都不可能是理想的絕緣體，它們內(nèi)部總是或多或少地具有一些帶電粒子(載流子)，例如可以遷移的正、負(fù)離子以及電子、空穴和帶電的分子團。在外電場的作用下，某些聯(lián)系較弱的載流子會產(chǎn)生定向漂移而形成傳導(dǎo)電流（電導(dǎo)電流或泄漏電流）。換言之，任何電介質(zhì)都不同程度地具有一定的導(dǎo)電性能，只不過其電導(dǎo)率很小而已，而表征電介質(zhì)導(dǎo)電性能的主要物理量即為電導(dǎo)率γ或其倒數(shù)--電阻率ρ^【5】。電阻率越大，材料絕緣性能越好。

電介質(zhì)材料的電導(dǎo)率分為體積電導(dǎo)率與表面電導(dǎo)率。流過材料內(nèi)部的電流由體積電導(dǎo)率決定，流經(jīng)表面的電流由表面電導(dǎo)率決定。體積電導(dǎo)率主要取決于電介質(zhì)材料的結(jié)構(gòu)、組成和雜質(zhì)含量。此外，工作環(huán)境，如氣壓、溫度、輻射等，對體積電導(dǎo)率也有一定的影響。表面電導(dǎo)率受到外界環(huán)境的影響較大，諸如表面的水汽、灰塵等都會使得表面電導(dǎo)率發(fā)生較大變化，甚至跨越多個數(shù)量級。

4、介電強度（擊穿場強）。在一般情況下電介質(zhì)就是絕緣體。當(dāng)外加電場不太強時，使電介質(zhì)發(fā)生電極化現(xiàn)象，但不破壞其絕緣性能。如果外電場很強，電介質(zhì)分子中的正、負(fù)電荷有可能完全分離，使部分電子變成能自由移動的電荷，從而使電介質(zhì)的絕緣性能遭到明顯破壞而變成導(dǎo)體，這種現(xiàn)象叫做電介質(zhì)的擊穿。一種電介質(zhì)材料所能承受的不被擊穿的最大電場強度，叫做這種電介質(zhì)的介電強度，也稱為擊穿場強^【5】。因此，介電強度是最基本的絕緣特性參數(shù)，物質(zhì)的介電強度越大，材料絕緣性能越好。

對于無機材料而言，介電強度受材料的微觀結(jié)構(gòu)、雜質(zhì)與缺陷、介質(zhì)厚度、溫度、頻率、材料吸濕性和電場分布等多種因素的綜合影響。對于高性能絕緣材料，通常需要通過優(yōu)化材料純度、減少缺陷和調(diào)整微觀結(jié)構(gòu)來提升其介電強度。電介質(zhì)的介電擊穿過程及擊穿電壓的大小不但取決于電介質(zhì)的性能，而且還與電場分布、周同溫度、散熱條件、周圍介質(zhì)的性質(zhì)、加壓速度和電壓作的持續(xù)性等有關(guān)。

絕緣電阻更多的是衡量材料在低電壓下的絕緣性能。有時候，一個材料可能具有很高的絕緣電阻，但在高電壓下卻無法承受，這就說明它的介電強度并不高。因此，在設(shè)計電子器件或選擇絕緣材料時，我們不能只看絕緣電阻，還要考慮介電強度。在高壓應(yīng)用領(lǐng)域，介電強度的重要性更是不言而喻。

二、介電常數(shù)對絕緣材料的應(yīng)用影響

絕緣能力的核心在于材料的介電強度和電阻，而介電常數(shù)本身主要影響的是電場的傳播、能量儲存，而不是直接限制電流的流動。介電常數(shù)大小與材料的絕緣性并沒有什么直接關(guān)系。那在實際應(yīng)用中，介電常數(shù)對絕緣材料的應(yīng)用有什么影響呢？

1、電容器應(yīng)用

在電容器中，電介質(zhì)的作用是儲存電能。在這種情況下，介電常數(shù)越大，電容器的電容量越大。這是因為高介電常數(shù)的材料能夠儲存更多的電荷。因此，電容器中的電介質(zhì)一般要求具有較高的介電常數(shù)。

電容器

電介質(zhì)材料的儲能密度正比于其介電常數(shù)和擊穿場強。理想上，高介電常數(shù)與高擊穿場強我們都想要，然而事實上事與愿違，高介電常數(shù)與高擊穿場往往互為矛盾關(guān)系。介電常數(shù)高往往意味著介電損耗增大且擊穿電壓降低，與巨介電常數(shù)如影相隨的高介電損耗對材料的絕緣性能明顯是起了反向作用。

2、高頻電路基材

高頻電路需要高的信號傳輸速度，而信號傳輸速度。與材料的介電常數(shù)是有著密切關(guān)系的，介電常數(shù)越高，信號的延遲時間就越長。因此要實現(xiàn)快速的信號傳輸，必須選擇介電常數(shù)低的基材。

此外，高頻下介電常數(shù)的波動會導(dǎo)致阻抗不穩(wěn)定、相位失真和信號損耗。為了減少介電常數(shù)波動的影響，高頻電路需要選用介電常數(shù)隨頻率、溫度和濕度變化小的材料。例如聚四氟乙烯、氧化鋁、氮化鋁，這些材料在高頻下的低介電常數(shù)、低介電損耗和高穩(wěn)定性，能夠有效提升電路的性能和可靠性。

參考資料：

[1]王建華編. 電氣工程師手冊 第4版[M]. 北京：機械工業(yè)出版社, 2024.02.

[2]蘇崎,虞益軍.高介電常數(shù)硅橡膠復(fù)合材料的制備研究[J].世界橡膠工業(yè),2009

[3]陳繼良編著. 從零開始學(xué)散熱[M]. 北京：機械工業(yè)出版社, 2020.10.

[4]陸國俊，王勇主編. 高壓設(shè)備電氣試驗技能培訓(xùn)教程[M]. 廣州：華南理工大學(xué)出版社, 2012.10.

[5]徐送寧，石愛民，王雅紅主編；孫麗媛，趙星，馬學(xué)軍等副主編. 大學(xué)物理[M]. 北京：北京理工大學(xué)出版社, 2014.01.

編輯整理：粉體圈 Alpha