介電損耗系數(shù)英文為Dissipation Factor，通常用tgδ表示，其是指電介質(zhì)材料(硅膠）在交變電場作用下，由于極化、電導(dǎo)等過程的滯后效應(yīng)，導(dǎo)致部分電能轉(zhuǎn)化為熱能而損耗的現(xiàn)象。它是衡量材料在電場中損耗能量能力的指標(biāo)，與材料的分子結(jié)構(gòu)、極化機(jī)制等因素密切相關(guān)。本文將介紹這一參數(shù)在硅膠材料的應(yīng)用。

一、介電損耗系數(shù)測試方法 

1.阻抗分析法

通過阻抗分析儀，在一定頻率范圍內(nèi)施加交變電壓，測量材料的阻抗等參數(shù)，進(jìn)而計算出介電損耗系數(shù)。這種方法適用于多種固體、液體和粉末材料，測試精度較高，頻率范圍一般可達(dá) 10MHz 至 1GHz 左右。例如，對于一些高分子材料，在研究其介電性能隨頻率的變化時，阻抗分析法能夠提供詳細(xì)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

2.網(wǎng)絡(luò)分析法

利用網(wǎng)絡(luò)分析儀，根據(jù)傳輸反射原理，測量材料的散射參數(shù)（如 S11、S21 等），再通過相應(yīng)公式計算介電損耗系數(shù)。它適用于薄膜、厚膜等材料的測試，頻率范圍較寬，可從幾 GHz 至幾十 GHz 甚至更高。在毫米波頻段材料介電特性研究中，網(wǎng)絡(luò)分析法發(fā)揮著重要作用，能夠有效測量低損耗材料的介電損耗系數(shù)，助力高頻高速電路材料的研發(fā)和應(yīng)用。

3.諧振法

包括腔體諧振法和懸掛在微帶線或帶狀線諧振法等。腔體諧振法通過測量材料對諧振腔諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)的影響，計算介電損耗系數(shù)；懸掛在微帶線或帶狀線諧振法則是利用材料對諧振電路特性的影響來進(jìn)行測量。諧振法適用于高精度的介電損耗系數(shù)測量，尤其對于低損耗材料，其測量精度較高，一般用于對材料介電性能要求嚴(yán)格的場景，如高頻電子器件、天線等領(lǐng)域的材料測試。

4.同軸探針法

同軸探針法利用開路式的同軸探頭，將其浸入到液體、生物組織或者接觸光滑固體平面，將高頻信號通過探頭入射到被測材料，此時探頭接收到的由被測材料反射的信號（反射特性 S11）將會因為材料的介電常數(shù)而發(fā)生變化。通過網(wǎng)絡(luò)分析儀測得 S11 就可以計算出被測材料的介電常數(shù)與損耗角正切等參數(shù)。該方法具有很寬的頻率測試范圍，易于使用，對被測材料無破壞，但對被測材料厚度有一定要求，不適合介電損耗 tanδ 太小的材料，且不能測試磁性材料

二、中美歐測試標(biāo)準(zhǔn)體系對比

全球主要工業(yè)地區(qū)已建立系統(tǒng)的介電損耗測試標(biāo)準(zhǔn)，側(cè)重不同應(yīng)用場景：

表：介電損耗系數(shù)測試標(biāo)準(zhǔn)對比

執(zhí)行差異焦點：

• 頻率適應(yīng)性：歐洲標(biāo)準(zhǔn)IEC 60250覆蓋高頻段（達(dá)300MHz），優(yōu)于中美標(biāo)準(zhǔn)（通常≤1MHz）

• 驗證機(jī)制：EN 61620要求電導(dǎo)率與損耗因子交叉驗證，避免單參數(shù)誤差

• 溫度范圍：ASTM D924支持-40℃~200℃溫變測試，更適合寬溫域材料如硅膠

三、介電損耗系數(shù)在硅膠應(yīng)用中的關(guān)鍵意義

1. 電力設(shè)備：絕緣老化的“預(yù)警指標(biāo)”

諧波污染環(huán)境下（如變頻器輸出的電纜終端），硅橡膠的tgδ隨運(yùn)行時間顯著上升：

• 初始值：0.05%~0.1%（新料狀態(tài)）

• 老化后：低頻區(qū)（0.1Hz）可激增至初始值的3~5倍7

機(jī)理：諧波導(dǎo)致陷阱能級變淺→載流子遷移率上升→電導(dǎo)損耗主導(dǎo)介電損耗→最終絕緣失效。

2. 電子封裝：熱管理可靠性的“隱形守護(hù)者”

IGBT模塊用硅凝膠在熱老化過程中：

• 前1000小時：tgδ從0.02緩升至0.03（分子鏈輕度解纏）

• 2000小時后：tgδ躍升至>0.05（主鏈斷裂，極性基團(tuán)暴露）
  高tgδ引發(fā)局部過熱，形成“熱損耗-老化加速”惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致模塊炸裂。

3. 高頻器件：信號完整性的“核心控制項”

5G基站半磁環(huán)用浸滲膠要求：

• tgδ ≤0.001（28GHz頻段）
  否則電磁能轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致互調(diào)失真增加15dB。
  優(yōu)化方案：氟碳改性浸滲膠使tgδ降低30%，信號穩(wěn)定性提升40%。

四、介電損耗系數(shù)與其他參數(shù)的關(guān)系

1.與介電常數(shù)的關(guān)系

介電常數(shù)反映了材料儲存電能的能力，而介電損耗系數(shù)體現(xiàn)了材料在電場中的損耗特性。二者共同決定了材料的介電性能。一般來說，介電常數(shù)較高的材料，在電場中儲存能量的能力強(qiáng)，但同時也可能伴隨著較大的介電損耗系數(shù)；而介電常數(shù)較低的材料，儲存能量能力弱，但介電損耗系數(shù)也可能較低。在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的使用要求，在介電常數(shù)和介電損耗系數(shù)之間進(jìn)行平衡和優(yōu)化選擇，以達(dá)到最佳的電學(xué)性能。

2.與電阻率的關(guān)系

電阻率是衡量材料導(dǎo)電性能的指標(biāo)。對于絕緣材料硅膠而言，電阻率越高，其導(dǎo)電性越差，絕緣性能越好。介電損耗系數(shù)與電阻率存在一定關(guān)聯(lián)，在一定程度上，電阻率較高的硅膠材料，其介電損耗系數(shù)可能相對較低，因為材料中可供極化和損耗的自由電荷較少。但這種關(guān)系并非絕對的線性關(guān)系，還受到材料的分子結(jié)構(gòu)、極化機(jī)制等多種因素的綜合影響。

3.與介電強(qiáng)度的關(guān)系

介電強(qiáng)度是指材料在電場中被擊穿時的臨界電場強(qiáng)度，是衡量材料絕緣性能的重要指標(biāo)之一。介電損耗系數(shù)對介電強(qiáng)度有一定的影響，過高的介電損耗系數(shù)可能導(dǎo)致材料在電場中產(chǎn)生過多的熱量，加速材料的老化和擊穿過程，從而降低材料的介電強(qiáng)度。因此，在設(shè)計和選擇絕緣材料時，需要綜合考慮介電損耗系數(shù)和介電強(qiáng)度，確保材料在實際使用中的安全性和可靠性。

五、硅膠材料優(yōu)化策略與行業(yè)前沿

1. 配方設(shè)計四原則

1. 基膠選擇：苯基硅橡膠替代甲基乙烯基膠，tgδ降幅達(dá)50%（極性基團(tuán)減少）

2. 填料改性：

   • 憎水處理白炭黑：抑制離子遷移，電導(dǎo)損耗↓

   • 氮化硼導(dǎo)熱填料：雙重功能（降tgδ + 提導(dǎo)熱）

3. 交聯(lián)調(diào)控：鉑金硫化體系比過氧化物體系tgδ低0.01~0.03

4. 結(jié)構(gòu)屏蔽：多層復(fù)合設(shè)計（高tgδ內(nèi)層+低tgδ表層）

2. 工藝創(chuàng)新

• 浸滲膠紫外固化：365nm光照30秒固化，避免熱引發(fā)副反應(yīng)，tgδ波動<5%

• 磁控濺射阻隔層：100nm氧化鋁鍍膜使硅膠表面tgδ降至本體值的1/3

3. 檢測技術(shù)升級

• 振蕩波法（DAC）：適用于電纜現(xiàn)場檢測，抗干擾性強(qiáng)

• 太赫茲時域譜：0.5~5THz頻段解析納米尺度極化機(jī)制