簡介

絕緣零件是隔離電流的一種零件。屬于這類零件的有:線骨架、電容器塑料薄膜、微波元件、天線、天關和接插件等。決定絕緣零件用塑料的介電性能主要指標有:絕緣電阻系數、相對介電常數、介電損耗角正切和介電強度。

絕緣電阻系數

絕緣電阻是表示絕緣材料好壞的主要指標。衡量絕緣電阻R的大小，是施加在絕緣材料上的電壓U和絕緣材料所泄漏電流I的比值。為了比較各種絕緣材料的絕緣電阻，用絕緣電阻系數(又稱比電阻)來表示。一般絕緣材料的絕緣電阻系數都在108Ω·cm以上。

表示泄漏電流通過絕緣材料內部的絕緣電阻系數，稱為體積電阻系數；表示泄漏電流從絕緣材料表面通過的，稱為表面電阻系數。層壓絕緣塑料還用內電阻系數來表示絕緣材料內部泄漏電流的大小。塑料的絕緣電阻高低與其特性和吸濕性等因素有關。

常用塑料的絕緣電阻系數見圖1。從圖1中可知，一般熱塑性塑料比熱固性塑料的絕緣電阻系數高。其中聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯和聚四氟乙烯的絕緣電阻系數最高，以木粉為填料的酚醛塑料粉的絕緣電阻系數最一低，這是因為這一類塑料為極性材料，在外加電場的作用下，其內部產生離子式導電，而聚乙烯這類塑料屬于非極性或弱極性材料，在外加電場的作用下，只有極微量的泄漏電流。

圖1 常用塑料的絕緣電阻系數

(1)吸濕性對塑料體積電阻的影響

塑料的吸濕性除與外界相對濕度有關外，也與塑料的特性有關。木粉填料酚醛塑料粉、通孔型泡沫塑料、尼龍、有機玻璃、ABS塑料、增強滌綸等吸濕性塑料和多孔性塑料，隨著外界相對濕度的增加，它的體積電阻迅速下降。如果水分貫通這些塑料的整體，則對其體積電阻的影響更加明顯。聚乙烯和聚四氟乙烯等塑料本身不吸水，故對其體積電阻影響很小。

吸濕性對塑料表面電阻的影響。塑料的吸濕性除與外界相對濕度有關外，也與塑料的特性和表面狀況有關。木粉填料酚醛塑料粉和尼龍等吸濕性塑料屬于極性材料。水分易浸潤材料表面，形成一層水膜。聚四氟乙烯等不吸濕性塑料屬于非極性材料的浸潤性，用邊緣潤濕角θ來表示(見圖2)。邊緣潤濕角小于90°，為可浸潤材料；邊緣潤濕角大于90°，為不可浸潤材料。木粉填料酚醛塑料粉和尼龍等塑料為可浸潤材料，它的表面電阻低。聚四氟乙烯等塑料為不可浸潤材料，它的表面電阻高。

圖2 材料的邊緣濕潤角

(2)塑料的表面電阻與其表面狀況的關系

凡是塑料件表面粗糙、多孔，表面沾有灰塵以及沾有酸、堿、鹽等物質，其表面電阻低。所以，要提高塑料件的表面電阻，除了設法避免塑料件表面被灰塵、酸、堿、鹽等物質污染外，還必須提高塑料件的表面光潔度以及在其表面涂絕緣清漆等。

水分之所以會降低塑料的絕緣電阻。一方面是水本身的絕緣性差；另一方面是水容易溶解酸、堿、鹽等物質，產生電離性導電。

完一全純凈的水，絕緣電阻系數為107Ω·cm，還稱不上絕緣材料。如果易電離的物質溶解于水中，則使水具有高導電的特性。

相對介電常數

介電常數是衡量絕緣材料極化程度的一個物理量。現以簡單的平板電容器為例，說明極化和介電常數的物理意義。

圖3 平板電容器

絕緣材料放入電場中，在電容器極板間產生的電荷，比無絕緣材料情況下產生的電荷多，這種現象稱為絕緣材料的極化。增多的電荷稱為感應電荷。表示放入絕緣材料前后電容器極板上電荷量的比值，稱為相對介電常數。在一定電壓下，電容量和集聚的電荷量成正比，常用下式表示。

式中Q0，C0--無絕緣材料的電荷量和電容量；

Q，C--有絕緣材料的電荷量和電容量。

眾所一周知，分子是由原子組成，原子是由帶正、負電荷的原子核和電子所組成的。根據它們在運動過程中正、負電荷電中心重合與否，分為非極性和極性分了。電中心重合的稱為非極性分子，電中心不重合的稱為極性分子。在外加電場作用下，非極性分子正、負電荷產生彈性的反向位移；極性分子(偶極分子)沿電場相反應方向排列。它們均可出現感應電荷。這就是絕緣材料極化的內在原因。

圖4 非極性和極性分子在外加作用前后的極化情況(a)電場作用前；(b)電場作用后

介電常數在電子工業中有重要意義。例如，電容器采用介電常數大的塑料以有機薄膜的形式使用，則在電容量不變的情況下，電容器的體積小，或者說，在相同體積的情況下，電容器的電容量大。對高頻接插件和高頻線圈骨架等零件，所用的絕緣材料，要求介電常數越小越好，以減少分布電容對性能的影響。

從下圖中可以看出，各種塑料的介電常數不同。聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯和聚四氟乙烯這一類塑料的介電常數在1.8~2.2之間，是實體塑料中介電常數最小的。這是因為它們屬于非極性或弱極性材料的緣故。在外加電場的作用下，一般只產生電子式極化，即材料內電子隨交變電場作彈性位移。由于電子質量很小，運動速度極一高，彈性位移在10-15~10-16s內完成。所以，基本不消耗外加電場能量。當外加電場取消后，分子中正、負電荷相重合，不產生極性。

圖5 常用塑料的介電常數

這類塑料的介電常數隨外加電場頻率變化很小，即使頻率為毫米波范圍內，介電常數變化仍很小。見圖6和圖7。這類塑料在軟化前，介電常數隨溫度變化很小。例如，聚四氟乙烯在200℃內，介電常數幾乎無變化；聚乙烯和弱極性的聚苯乙烯在100℃以內，介電常數變化也很小。所以，這類塑料是很好的高頻絕緣材料。泡沫塑料、蜂窩夾層結構塑料和射頻同軸電纜中空氣-塑料絕緣層，其介電常數很小，這是由于這些塑料內有大量的氣體(氣體介電常數幾乎等于1)。所以，它們是制作天線罩和電纜絕緣層之類零件的很好材料。

圖6 非極性材料ξ、tanδ與頻率及溫度的關系

圖7 弱極性材料ξ、tanδ與頻率及溫度的關系

這類塑料的介電常數隨頻率變化而變化。一般說來，在某一頻段上塑料的介電常數有明顯地下降。這類塑料的介電常數隨溫度變化而變化，圖8示出聚氯乙烯的介電常數與溫度之間的關系。

具有不同介電常數和絕緣性能的絕緣材料，在外加電場作用下，會出現交界極化(或稱界面極化和夾層極化)。例如兩種以上不同的絕緣材料以及有導電性雜質的絕緣材料，都會增大其介電常數和介電損耗角正切。

圖8 聚氯乙烯在頻率為1MHz時的ξ、tanδ與溫度之間的關系

介質損耗角正切

與溫度之間的關系處在交變電場中工作的絕緣材料，總有能量損耗。表面絕緣材料損耗大小的指標，稱為介電損耗角正切，以tanδ表示。介電損耗角正切tanδ表示絕緣材料有功電流Ig和無功電流Ic的比值(見圖9)。

圖 9絕緣材料的介電損耗角正切

式中 ω——角頻率；

CR--絕緣材料的電容量；

R--絕緣材料的絕緣電阻；

Q--絕緣材料的品質因數。

絕緣材料的介電損耗越大，表示外加電場的電能轉變為熱能越多，其品質因數低；反之亦然。電阻器、電容器、線圈、接插件和天線罩中所用的絕緣材料，一般要求介電損耗小，在超高頻條件下工作的絕緣材料，要求介電損耗更要小。相反，微波元件中的吸收材料，要求介電損耗角正切大，以便將大量電磁能量吸收后，轉變為熱能而散發掉。

介電損耗角正切大小主要取決于絕緣材料的特性，同時與溫度、頻率和吸水性有關。從圖10中可知，聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯和聚苯乙烯這類非極性或弱極性材料，介電損耗角正切小，tanδ小于5x10-3。這是因為它們一般只有電子式極化，基本不消耗外加電場能量，只有泄漏電流所引起的損耗。這種損耗與溫度、頻率無明顯關系，只有溫度高至絕緣材料不能使用的溫度，介電損耗角正切才有明顯的增加。例如，聚乙烯在100℃以上長期加熱顯著氧化，引起介電損耗角正切增加；聚苯乙烯在130℃時才具有最大介電損耗角正切(見圖6 和圖7)。

圖10 常用塑料的介電損耗角正切

泡沫塑料和蜂窩夾層結構塑料內有大量氣體，因為氣體介電損耗角正切極小，所以這些塑料的介電損耗角正切也是很小的。

聚氯乙烯、尼龍和ABS塑料這類極性材料，除包括泄漏電流引起的損耗外，在交變電場作用下，主要起作用的是偶極損耗。其損耗數值大，而且與溫度、頻率有密切的關系。圖8是聚氯乙烯的介電損耗角正切與溫度的關系。這類極性材料處于玻璃態時，它的單獨原子團或側基的運動，引起的最大損耗，稱為側基偶極損耗；處于高彈態時的損耗，稱為高彈偶極損耗。總的說來，這類塑料隨著頻率的增高，介電損耗角正切增加。絕緣塑料內部結構不均勻，也會引起介電損耗角正切。例如，酚醛塑料粉中樹脂和填料，增強塑料中玻璃纖維和塑料，著色塑料中炭黑等顏料、染料和塑料以及塑料內雜質等都會引起介電損耗的增加。在高電壓作用下塑料內氣泡也會出現游離損耗。

水分能明顯地增大塑料的介電常數和介電損耗角正切。例如，非極性材料聚乙烯，當含4%水分時，介電損耗角正切也會明顯地增大(見圖11)。極性材料吸水后，介電常數和介電損耗角正切增大更為明顯。

圖11聚乙烯吸水前后介電損耗角正切與頻率的關系

1--不含水分的聚乙烯；2-含4%水分的聚乙烯

眾所一周知，水分是強極性材料，在室溫時，其介電常數為81，比一般塑料大十倍以上。在頻率為50Hz時，純水的介電損耗角正切為∞；在頻率為107Hz時，它的介電損耗角正切為0.2-0.5；在頻率為109Hz時，它的介電損耗角正切為0.01~0.03。不難看出，純水本身的介電常數和介電損耗角正切很大，當有易電離的物質溶解在水中，它的介電常數和介電損耗角正切就更大了。

介電強度

在高電壓作用下，絕緣塑料內部會受到破壞，失去絕緣性能，產生大量電流，這一狀態稱為擊穿現象。固體絕緣塑料的擊穿狀況分為電擊穿、熱擊穿和游離擊穿三種類型。電擊穿的特點是發生擊穿時間極短(10-7~10-8s)，介電強度值很高。熱擊穿是由于絕緣塑料溫度增高而產生的擊穿現象，此時，介電強度值不算太高，發生擊穿的時間較緩慢。另外，還有一種稱為游離擊穿，在較低電壓作用下，絕緣塑料內部產生化學變質，所引起的一種擊穿現象。表示絕緣塑料被擊穿時的電壓，稱為擊穿電壓；單位厚度的擊穿電壓，稱為介電強度。介電強度與材料特性、所含雜質及工作狀態有關。常用塑料的介電強度見圖12。一般說來，絕緣材料的介電損耗角正切越大，絕緣電阻越低，它的介電強度也越低。另外，介電強度與塑料的結晶有關。介電強度比較高的塑料有:聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯和聚酰亞胺等。

圖12常用塑料的介電強度

介電強度與塑料內所含雜質，尤其是導電雜質有密切關系。一般塑料介電強度均在10kV/mm以上。如果混入導電雜質，它的介電強度就會明顯地降低。所以，生產過程中要嚴格防止導電雜質的混人。對于要求高的塑料件，需在整潔的工作環境中進行生產。

介電強度與塑料件工作條件有關。也就是說，與塑料件工作環境內的相對度、度空氣壓力和工作頻率有關。介電強度一般隨塑料件吸濕性增加而降低；隨塑料件工作溫度增高而降低；隨工作頻率的變化而不同；隨空氣壓力變化而變化。在低氣壓時的空氣介電強度比正常氣壓下的介電強度低得多。這雖不屬于塑料等絕緣材料的問題，但在設計低氣壓工作(如高空作業)的接插件等電子元件時，必須充分考慮這一點。

選材示例

根據上述絕緣零件用塑料主要指標的分析，在兼顧其他使用要求及工藝性能的條件下將電子工程中絕緣零件常用塑料列于下表。