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(jì)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(duì)于一些高分子材料，在研究其介電性能隨頻率的變化時(shí)，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(jì)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(duì)諧振腔諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)的影響，計(jì)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(duì)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(duì)于低損耗材料，其測量精度較高，一般用于對(duì)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(hào)通過探頭入射到被測材料，此時(shí)探頭接收到的由被測材料反射的信號(hào)（反射特性 S11）將會(huì)因?yàn)椴牧系慕殡姵?shù)而發(fā)生變化。通過網(wǎng)絡(luò)分析儀測得 S11 就可以計(jì)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(duì)被測材料無破壞，但對(duì)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(duì)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(duì)比

執(zhí)行差異焦點(diǎn)：

• 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(yàn)證機(jī)制：EN 61620要求電導(dǎo)率與損耗因子交叉驗(yàn)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(shí)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(jí)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(shí)：tgδ從0.02緩升至0.03（分子鏈輕度解纏）

• 2000小時(shí)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(hào)完整性的“核心控制項(xiàng)”

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(hào)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(chǔ)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(chǔ)存能量的能力強(qiáng)，但同時(shí)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(chǔ)存能量能力弱，但介電損耗系數(shù)也可能較低。在實(shí)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(duì)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(duì)較低，因?yàn)椴牧现锌晒O化和損耗的自由電荷較少。但這種關(guān)系并非絕對(duì)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(shí)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(duì)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(jì)和選擇絕緣材料時(shí)，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(shí)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(jì)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(jì)（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(dòng)<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(jí)

• 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(shí)域譜：0.5~5THz頻段解析納米尺度極化機(jī)制