介電常數(shù)測試儀采用ZJD-C（北京智德創(chuàng)新公司），頻率最高達(dá)到160Mhz。

介電常數(shù)研究：

電介質(zhì)材料的介電常數(shù)是表征在交流電場下介質(zhì)極化程度的一個參數(shù)。這個反映宏觀性能的參數(shù)與頻率的關(guān)系有：

是電介質(zhì)的相對介電系數(shù)，真空介電系數(shù)，是頻率無窮大時的介電常數(shù)是靜電場下的介電常數(shù)是頻率是松弛時間。從式可以看出，隨著頻率的增大，復(fù)合材料的介電常數(shù)是逐漸下降的。極化需要一定的時間，當(dāng)存在松弛極化時，電場頻率增高到某種極化來不及形成，則這種極化形式在此頻率上對極化的貢獻(xiàn)減少。因此，隨著電場頻率增高而逐級下降。

      圖2.23是在不同納米顆粒含量下，環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的介電常數(shù)隨頻率的變化曲線圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)不管是純的環(huán)氧樹脂還是環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的介電常數(shù)都是隨著頻率的增大，實際介電常數(shù)都是逐漸減小的，這符合上述公式描述的規(guī)律。這也是極性聚合物典型的特征，在環(huán)氧樹脂體系中，其介電常數(shù)由體系中定向偶極子的數(shù)量及其電場的定向能力決定的。在低頻的時候，環(huán)氧分子鏈中自由基偶極官能團(tuán)發(fā)生極化，結(jié)果就導(dǎo)致了高的介電常數(shù)。而隨著交流電頻率的增加，較大的偶極官能團(tuán)極化跟不上頻率的變化，導(dǎo)致環(huán)氧樹脂的介電常數(shù)在靠近高頻的時候就會逐漸下降。

       圖2.23為環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在室溫下的介電常數(shù)隨頻率的變化關(guān)系。從圖中可以看出，在時純環(huán)氧樹脂的介電常數(shù)為左右，納米顆粒的含量為時，試樣的介電常數(shù)隨頻率變化的曲線幾乎與純環(huán)氧樹脂的曲線重疊，而且在高頻下環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的介電常數(shù)還略低與純環(huán)氧樹脂的介電常數(shù)。其它含量下的復(fù)合材料隨著納米顆粒的含量的增加復(fù)合材料的介電常數(shù)增大，而且都高于純環(huán)氧樹脂的介電常數(shù)。所以可以總結(jié)為在測試頻率范圍內(nèi)（），環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的介電常數(shù)隨著納米顆粒的含量的增加，先減少后增大。在一般情況下，無機(jī)粒子填充聚合物都會引起介電常數(shù)的增加，其主要原因是無機(jī)粒子本身的介電常數(shù)比聚合物要高和界面極化的結(jié)果。但是，復(fù)合材料的介電常數(shù)比純的基體的介電常數(shù)低的現(xiàn)象也確實在一些納米復(fù)合材料中是有報道過的，例如：環(huán)氧樹脂和環(huán)氧樹脂氧化鋅等復(fù)合材料。在這些復(fù)合體系中，不僅填充粒子本身的介電常數(shù)比基體樹脂要高，而且界面極化也確實存在。因此，應(yīng)該提出合理的機(jī)理來解釋復(fù)合材料中這種添加微量或者低含量的納米顆粒降低材料的介電常數(shù)的現(xiàn)象。目前關(guān)于復(fù)合材料的介電常數(shù)的降低的解釋主要有兩種：分子動態(tài)模擬仿真和自由體積理論。前者的模擬結(jié)果顯示，納米摻雜能提高聚合物基體的分子鏈間的相互纏繞作用，阻礙分子鏈的運動，使得聚合物基體的極化率降低，從而表現(xiàn)出介電常數(shù)的降低。后者是學(xué)者提出的，他通過實驗發(fā)現(xiàn)，納米顆粒的摻雜能有效地提高環(huán)氧樹脂基納米復(fù)合材料的自由體積，從而引起介電常數(shù)的降低。從前面玻璃化轉(zhuǎn)變溫度實驗結(jié)果的討論中可以知道，納米顆粒摻雜使得復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度降低。因此分子動態(tài)模擬仿真的解釋不適合環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，而自由體積理論更有說服力。未表面改性的納米顆粒的引入可能引起自由體積和空洞的增加。而自由體積的和空洞的增加是由于原子空間體積增加和納米粒子團(tuán)聚的結(jié)果。這從復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)（圖）也得到了驗證。

      圖2.23和分別為環(huán)氧樹脂復(fù)合材料和環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在室溫下的介電常數(shù)隨頻率的變化關(guān)系。與環(huán)氧樹脂復(fù)合材料不同，這兩種復(fù)合材料的介電常數(shù)隨著納米顆粒含量的增加呈有規(guī)律的增大。這除了前面提到過的高介電常數(shù)納米顆粒填充到聚合物中會引起介電常數(shù)的增加外，還可能有如下的原因。一方面，經(jīng)表面改性過后的和納米顆粒表面帶有大量的氨基官能團(tuán)，與環(huán)氧樹脂的環(huán)氧基團(tuán)能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而連接在一起，使得極性基團(tuán)的偶極距增長，因此導(dǎo)致復(fù)合材料介電常數(shù)的增加；另一方面，納米顆粒的表面改性也會使材料中的雜質(zhì)極性分子增多，在電場作用下極化增大。另外，納米顆粒特殊的表面效應(yīng)也有可能會在納米顆粒與環(huán)氧樹脂的界面上產(chǎn)生特殊的界面極化。以上的因素的綜合影響，隨著納米顆粒含量的增加，復(fù)合材料的介電常數(shù)逐漸增大。雖然介電常數(shù)隨著納米顆粒含量增加而增大，但從圖中可以看出，在最大納米顆粒的含量時所有復(fù)合材料的介電常數(shù)為左右，保持了相對較低的介電常數(shù)，這在保證信號傳輸?shù)目煽啃苑矫婢哂袧撛诘膽?yīng)用前景。

介電損耗研究：

      圖為環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在室溫下的介電損耗角正切與頻率的變化關(guān)系。從圖中可以看出：純環(huán)氧樹脂和復(fù)合材料的在頻率測試范圍內(nèi)，值先隨著頻率的升高而增加，當(dāng)?shù)搅藭r，值隨著頻率的升高而降低，存在一個大而寬的損耗峰；環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的值隨納米顆粒含量的變化都是先升高后降低，都存在一個臨界含量。對于不同的復(fù)合材料其臨界含量的值是不一樣的，對于環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，其值在納米顆粒含量到達(dá)最高，如圖所示；而對于環(huán)氧樹脂復(fù)合材料和環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，其最高值都是納米顆粒含量為時，見圖和。根據(jù)介電理論可以很好地解釋這些復(fù)合材料的的變化情況：交流電場下的介電損耗來源于材料中自由離子的電導(dǎo)損耗和偶極子的松弛損耗，如下式所示：

      其中，是真空介電常數(shù)，和分別是靜態(tài)介電常數(shù)和光學(xué)介電常數(shù)，是離子電導(dǎo)，是電壓的角頻率，是偶極子的松弛時間。由于環(huán)氧樹脂聚合物的運動單元具有多重性，在一定溫度下，不同的運動單元具有不同的松弛時間，特別是界面極化是典型的松弛極化，在某頻率會出現(xiàn)松弛極化的損耗峰，值會出現(xiàn)一個極大值，這就是復(fù)合材料出現(xiàn)一個大而寬的損耗峰的根本原因。當(dāng)電介質(zhì)被置于頻率低于的電場中時，因電場頻率太低（趨于直流電場），電介質(zhì)中偶極子的運動非常慢，可以認(rèn)為在電場下的其取向狀態(tài)被電場“凍結(jié)”。這樣導(dǎo)致偶極子松弛損耗很小，可以忽略不計。由于電場頻率極低，，所以等式可以近似為：

      很顯然，電場頻率越低，通過電介質(zhì)的離子電流越大。根據(jù)式分析可知，在交變電場中，復(fù)合材料的的值除了與電場頻率密切相關(guān)外，還與電導(dǎo)率及聚合物分子鏈的松弛時間有關(guān)。因為在所有的復(fù)合材料的基體都是環(huán)氧樹脂基體，環(huán)氧樹脂是一種高絕緣材料，具有很高的電阻率，因此電導(dǎo)損耗很小。雖然環(huán)氧樹脂帶有一些極性基團(tuán)，但是在固化的過程中形成了分子量很大的三維交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，分子間相互作用較強，限制了極性基團(tuán)的極化取向的進(jìn)行。所以對于不同的復(fù)合材料的介電損耗變化，存在不同的臨界值，主要是因為添加不同表面特性的納米顆粒的緣故。從圖中還可以看出，所有復(fù)合材料的值在測試頻率范圍都小于。復(fù)合材料所具備的低損耗的性能，在電子封裝材料和印刷電路板的介電層的應(yīng)用具有很好的發(fā)展的前景。