絕緣材料的介電性能 (第一期)

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今天的主題是絕緣材料的介電性能。一般理解的絕緣材料是指加上電場以後不能導電的材料，其中存在一些值得深入思考的問題，借這個機會提出來，和大家一起來進行討論。

1、絕緣材料為什麼不能導電？2、既然它不能導電，加上電場以後就不會有電流，低電場時絕緣材料內部溫度變化也不大，也沒有放電，那麼絕緣材料內部究竟發生了什麼？3、絕緣材料的四大參數及其物理本質是什麼？最後一點，我想簡單的提一下，如何能夠提高絕緣材料的介電性能？

基於上述問題，我將從以下四個方面來進行介紹。首先，介紹絕緣材料的分類和的特點；其次，介紹一下絕緣材料的介電性能有哪些；第三點，簡單介紹一下我們研究絕緣材料的實例；最後，做一個小結和展望。

首先是絕緣材料的分類和特點，在此之前我想提一下絕緣材料的重要性。電力能源系統是國家經濟發展的命脈，且電力能源系統的物質基礎是電力裝備，而電力裝備的基礎是絕緣材料，所以絕緣材料在整個電力工業發展中都具有非常重要的位置。另外，電力設備中絕緣材料的應用是非常廣泛的，比如變壓器、電機、電力電容器。值得一提的是，在今年5月份結束的第12屆IEEE國際材料性能及其應用國際會議（簡稱ICPADM）中的一個熱點話題就是電力設備中所涉及到的絕緣材料。所以總體而言，我國電力設備的研究中，絕緣材料的研究是一個非常重要的環節。不僅如此，絕緣材料還被應用到很多其他的領域，比如電磁彈射系統，衛星系統，還有微電子器件，電力電子器件等非傳統電力設備中。在這些應用中，對絕緣材料的要求也是不一樣的，比如電磁彈射系統中，需要考慮絕緣材料的抗彎強度、壓縮強度、彈性模量、玻璃化轉變溫度點和導熱性能等等，這些要求其實是一種極端條件下對絕緣材料性能的要求。而在同步軌道衛星中間要求的絕緣材料要具有優異的耐表面放電特性和耐受高、低溫循環的穩定性。而在微電子電力電子器件中，因為它的體積比較小，絕緣材料的厚度也比較小，所以要求絕緣材料具有高的擊穿場強和高導熱性。因此我們可以看到，絕緣材料的研究雖然是起源於電力設備的需求，但是從目前的情況來看，對絕緣材料的研究已經從電學擴展到了電，熱，力等多方面研究。

圖1 絕緣材料的分類（按照物態分）

圖1所示是絕緣材料根據物態的分類情況。可以把它分成氣體、液體和固體三種不同狀態的絕緣材料。從形式上來說，人造材料性能更加優異，應用範圍會更多一點。但近些年來，由於對材料的環境友好性提出了更高的要求，所以也有一些情況是使用更加環保的天然材料替代人造材料，比如六氟化硫氣體的替代，以及在變壓器絕緣裡面傳統的變壓器油替換為植物油等，都是非常前沿的研究方向。

圖2 絕緣材料的分類（按照耐熱等級分）

如圖2所示，這是IEC標準中對絕緣材料的耐熱等級的區分。實際上是根據絕緣材料不同的耐熱等級，把它分成了不同的區間。我們可以看到，在200℃以上的高溫環境下，無機絕緣材料在耐熱方面有比較大的優勢，比如絕緣電阻、擊穿場強、介電常數、介電損耗等。但是從應用角度來說，僅有這樣的介電性能是不夠的，我們還要從熱學性能、機械性能，還要從物理性能、化學性能等各個不同的角度來進行分析和提高。否則介電性能再好，如果加工性能不好，老化性能不好，也沒有辦法運用到實際工程中去。 

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       西安交通大學電氣學院教授、教育部新世紀優秀人才、西安交通大學「騰飛人才計劃」特聘教授、中國電工技術學會工程電介質專委會副秘書長，IEEE Senior member，英文期刊High Voltage編委。1989年考入西安交大，1999年獲得博士學位。2001-2002年赴英國南安普敦大學訪問研究。長期承擔國家精品課程「電介質物理學」的教學工作。從事工程電介質理論及其應用、電氣絕緣技術、絕緣材料的研究，完成多項國家自然科學基金、霍英東基金等項目。多次在國際會議做特邀報告，在Appl. Phys. Lett.、IEEE TDEI等學術刊物上發表SCI收錄論文40餘篇，出版專著/手冊1部，獲授權國家發明專利8項，獲國家科技進步二等獎1項，省部級一等獎2項。

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