电子工程用塑料绝缘材料如何选材

简介

绝缘零件是隔离电流的一种零件。属于这类零件的有:线骨架、电容器塑料薄膜、微波元件、天线、天关和接插件等。决定绝缘零件用塑料的介电性能主要指标有:绝缘电阻系数、相对介电常数、介电损耗角正切和介电强度。

绝缘电阻系数

绝缘电阻是表示绝缘材料好坏的主要指标。衡量绝缘电阻R的大小，是施加在绝缘材料上的电压U和绝缘材料所泄漏电流I的比值。为了比较各种绝缘材料的绝缘电阻，用绝缘电阻系数(又称比电阻)来表示。一般绝缘材料的绝缘电阻系数都在108Ω·cm以上。

表示泄漏电流通过绝缘材料内部的绝缘电阻系数，称为体积电阻系数；表示泄漏电流从绝缘材料表面通过的，称为表面电阻系数。层压绝缘塑料还用内电阻系数来表示绝缘材料内部泄漏电流的大小。塑料的绝缘电阻高低与其特性和吸湿性等因素有关。

常用塑料的绝缘电阻系数见图1。从图1中可知，一般热塑性塑料比热固性塑料的绝缘电阻系数高。其中聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯和聚四氟乙烯的绝缘电阻系数最高，以木粉为填料的酚醛塑料粉的绝缘电阻系数最一低，这是因为这一类塑料为极性材料，在外加电场的作用下，其内部产生离子式导电，而聚乙烯这类塑料属于非极性或弱极性材料，在外加电场的作用下，只有极微量的泄漏电流。

图1 常用塑料的绝缘电阻系数

(1)吸湿性对塑料体积电阻的影响

塑料的吸湿性除与外界相对湿度有关外，也与塑料的特性有关。木粉填料酚醛塑料粉、通孔型泡沫塑料、尼龙、有机玻璃、ABS塑料、增强涤纶等吸湿性塑料和多孔性塑料，随着外界相对湿度的增加，它的体积电阻迅速下降。如果水分贯通这些塑料的整体，则对其体积电阻的影响更加明显。聚乙烯和聚四氟乙烯等塑料本身不吸水，故对其体积电阻影响很小。

吸湿性对塑料表面电阻的影响。塑料的吸湿性除与外界相对湿度有关外，也与塑料的特性和表面状况有关。木粉填料酚醛塑料粉和尼龙等吸湿性塑料属于极性材料。水分易浸润材料表面，形成一层水膜。聚四氟乙烯等不吸湿性塑料属于非极性材料的浸润性，用边缘润湿角θ来表示(见图2)。边缘润湿角小于90°，为可浸润材料；边缘润湿角大于90°，为不可浸润材料。木粉填料酚醛塑料粉和尼龙等塑料为可浸润材料，它的表面电阻低。聚四氟乙烯等塑料为不可浸润材料，它的表面电阻高。

图2 材料的边缘湿润角

(2)塑料的表面电阻与其表面状况的关系

凡是塑料件表面粗糙、多孔，表面沾有灰尘以及沾有酸、碱、盐等物质，其表面电阻低。所以，要提高塑料件的表面电阻，除了设法避免塑料件表面被灰尘、酸、碱、盐等物质污染外，还必须提高塑料件的表面光洁度以及在其表面涂绝缘清漆等。

水分之所以会降低塑料的绝缘电阻。一方面是水本身的绝缘性差；另一方面是水容易溶解酸、碱、盐等物质，产生电离性导电。

完一全纯净的水，绝缘电阻系数为107Ω·cm，还称不上绝缘材料。如果易电离的物质溶解于水中，则使水具有高导电的特性。

相对介电常数

介电常数是衡量绝缘材料极化程度的一个物理量。现以简单的平板电容器为例，说明极化和介电常数的物理意义。

图3 平板电容器

绝缘材料放入电场中，在电容器极板间产生的电荷，比无绝缘材料情况下产生的电荷多，这种现象称为绝缘材料的极化。增多的电荷称为感应电荷。表示放入绝缘材料前后电容器极板上电荷量的比值，称为相对介电常数。在一定电压下，电容量和集聚的电荷量成正比，常用下式表示。

式中Q0，C0--无绝缘材料的电荷量和电容量；

Q，C--有绝缘材料的电荷量和电容量。

众所一周知，分子是由原子组成，原子是由带正、负电荷的原子核和电子所组成的。根据它们在运动过程中正、负电荷电中心重合与否，分为非极性和极性分了。电中心重合的称为非极性分子，电中心不重合的称为极性分子。在外加电场作用下，非极性分子正、负电荷产生弹性的反向位移；极性分子(偶极分子)沿电场相反应方向排列。它们均可出现感应电荷。这就是绝缘材料极化的内在原因。

图4 非极性和极性分子在外加作用前后的极化情况(a)电场作用前；(b)电场作用后

介电常数在电子工业中有重要意义。例如，电容器采用介电常数大的塑料以有机薄膜的形式使用，则在电容量不变的情况下，电容器的体积小，或者说，在相同体积的情况下，电容器的电容量大。对高频接插件和高频线圈骨架等零件，所用的绝缘材料，要求介电常数越小越好，以减少分布电容对性能的影响。

从下图中可以看出，各种塑料的介电常数不同。聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯和聚四氟乙烯这一类塑料的介电常数在1.8~2.2之间，是实体塑料中介电常数最小的。这是因为它们属于非极性或弱极性材料的缘故。在外加电场的作用下，一般只产生电子式极化，即材料内电子随交变电场作弹性位移。由于电子质量很小，运动速度极一高，弹性位移在10-15~10-16s内完成。所以，基本不消耗外加电场能量。当外加电场取消后，分子中正、负电荷相重合，不产生极性。

图5 常用塑料的介电常数

这类塑料的介电常数随外加电场频率变化很小，即使频率为毫米波范围内，介电常数变化仍很小。见图6和图7。这类塑料在软化前，介电常数随温度变化很小。例如，聚四氟乙烯在200℃内，介电常数几乎无变化；聚乙烯和弱极性的聚苯乙烯在100℃以内，介电常数变化也很小。所以，这类塑料是很好的高频绝缘材料。泡沫塑料、蜂窝夹层结构塑料和射频同轴电缆中空气-塑料绝缘层，其介电常数很小，这是由于这些塑料内有大量的气体(气体介电常数几乎等于1)。所以，它们是制作天线罩和电缆绝缘层之类零件的很好材料。

图6 非极性材料ξ、tanδ与频率及温度的关系

图7 弱极性材料ξ、tanδ与频率及温度的关系

这类塑料的介电常数随频率变化而变化。一般说来，在某一频段上塑料的介电常数有明显地下降。这类塑料的介电常数随温度变化而变化，图8示出聚氯乙烯的介电常数与温度之间的关系。

具有不同介电常数和绝缘性能的绝缘材料，在外加电场作用下，会出现交界极化(或称界面极化和夹层极化)。例如两种以上不同的绝缘材料以及有导电性杂质的绝缘材料，都会增大其介电常数和介电损耗角正切。

图8 聚氯乙烯在频率为1MHz时的ξ、tanδ与温度之间的关系

介质损耗角正切

与温度之间的关系处在交变电场中工作的绝缘材料，总有能量损耗。表面绝缘材料损耗大小的指标，称为介电损耗角正切，以tanδ表示。介电损耗角正切tanδ表示绝缘材料有功电流Ig和无功电流Ic的比值(见图9)。

图 9绝缘材料的介电损耗角正切

式中 ω——角频率；

CR--绝缘材料的电容量；

R--绝缘材料的绝缘电阻；

Q--绝缘材料的品质因数。

绝缘材料的介电损耗越大，表示外加电场的电能转变为热能越多，其品质因数低；反之亦然。电阻器、电容器、线圈、接插件和天线罩中所用的绝缘材料，一般要求介电损耗小，在超高频条件下工作的绝缘材料，要求介电损耗更要小。相反，微波元件中的吸收材料，要求介电损耗角正切大，以便将大量电磁能量吸收后，转变为热能而散发掉。

介电损耗角正切大小主要取决于绝缘材料的特性，同时与温度、频率和吸水性有关。从图10中可知，聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯和聚苯乙烯这类非极性或弱极性材料，介电损耗角正切小，tanδ小于5x10-3。这是因为它们一般只有电子式极化，基本不消耗外加电场能量，只有泄漏电流所引起的损耗。这种损耗与温度、频率无明显关系，只有温度高至绝缘材料不能使用的温度，介电损耗角正切才有明显的增加。例如，聚乙烯在100℃以上长期加热显著氧化，引起介电损耗角正切增加；聚苯乙烯在130℃时才具有最大介电损耗角正切(见图6 和图7)。

图10 常用塑料的介电损耗角正切

泡沫塑料和蜂窝夹层结构塑料内有大量气体，因为气体介电损耗角正切极小，所以这些塑料的介电损耗角正切也是很小的。

聚氯乙烯、尼龙和ABS塑料这类极性材料，除包括泄漏电流引起的损耗外，在交变电场作用下，主要起作用的是偶极损耗。其损耗数值大，而且与温度、频率有密切的关系。图8是聚氯乙烯的介电损耗角正切与温度的关系。这类极性材料处于玻璃态时，它的单独原子团或侧基的运动，引起的最大损耗，称为侧基偶极损耗；处于高弹态时的损耗，称为高弹偶极损耗。总的说来，这类塑料随着频率的增高，介电损耗角正切增加。绝缘塑料内部结构不均匀，也会引起介电损耗角正切。例如，酚醛塑料粉中树脂和填料，增强塑料中玻璃纤维和塑料，着色塑料中炭黑等颜料、染料和塑料以及塑料内杂质等都会引起介电损耗的增加。在高电压作用下塑料内气泡也会出现游离损耗。

水分能明显地增大塑料的介电常数和介电损耗角正切。例如，非极性材料聚乙烯，当含4%水分时，介电损耗角正切也会明显地增大(见图11)。极性材料吸水后，介电常数和介电损耗角正切增大更为明显。

图11聚乙烯吸水前后介电损耗角正切与频率的关系

1--不含水分的聚乙烯；2-含4%水分的聚乙烯

众所一周知，水分是强极性材料，在室温时，其介电常数为81，比一般塑料大十倍以上。在频率为50Hz时，纯水的介电损耗角正切为∞；在频率为107Hz时，它的介电损耗角正切为0.2-0.5；在频率为109Hz时，它的介电损耗角正切为0.01~0.03。不难看出，纯水本身的介电常数和介电损耗角正切很大，当有易电离的物质溶解在水中，它的介电常数和介电损耗角正切就更大了。

介电强度

在高电压作用下，绝缘塑料内部会受到破坏，失去绝缘性能，产生大量电流，这一状态称为击穿现象。固体绝缘塑料的击穿状况分为电击穿、热击穿和游离击穿三种类型。电击穿的特点是发生击穿时间极短(10-7~10-8s)，介电强度值很高。热击穿是由于绝缘塑料温度增高而产生的击穿现象，此时，介电强度值不算太高，发生击穿的时间较缓慢。另外，还有一种称为游离击穿，在较低电压作用下，绝缘塑料内部产生化学变质，所引起的一种击穿现象。表示绝缘塑料被击穿时的电压，称为击穿电压；单位厚度的击穿电压，称为介电强度。介电强度与材料特性、所含杂质及工作状态有关。常用塑料的介电强度见图12。一般说来，绝缘材料的介电损耗角正切越大，绝缘电阻越低，它的介电强度也越低。另外，介电强度与塑料的结晶有关。介电强度比较高的塑料有:聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯和聚酰亚胺等。

图12常用塑料的介电强度

介电强度与塑料内所含杂质，尤其是导电杂质有密切关系。一般塑料介电强度均在10kV/mm以上。如果混入导电杂质，它的介电强度就会明显地降低。所以，生产过程中要严格防止导电杂质的混人。对于要求高的塑料件，需在整洁的工作环境中进行生产。

介电强度与塑料件工作条件有关。也就是说，与塑料件工作环境内的相对度、度空气压力和工作频率有关。介电强度一般随塑料件吸湿性增加而降低；随塑料件工作温度增高而降低；随工作频率的变化而不同；随空气压力变化而变化。在低气压时的空气介电强度比正常气压下的介电强度低得多。这虽不属于塑料等绝缘材料的问题，但在设计低气压工作(如高空作业)的接插件等电子元件时，必须充分考虑这一点。

选材示例

根据上述绝缘零件用塑料主要指标的分析，在兼顾其他使用要求及工艺性能的条件下将电子工程中绝缘零件常用塑料列于下表。