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GBT 29306.1-2012 绝缘材料在300 MHz以上频率下介电性能测定方法 第1部分：总则PDF文本

ICs29.035.01K15中华人民共和国国家标准GB/T29306.1—2012绝缘材料在300MHz以上频率下介电性能测定方法第部分：总则CRecommended methods for the determination of the dielectric propertiesof insulating materials at frequencies above 300 MHz-Part 1:General(IEC60377-1:1973,MOD)2012-12-31发布2013-06-01实施中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中国国家标准化管理委员会发布罚素前网ZC
GB/T29306.1-2012目次前言…Ⅲ1范围12规范性引用文件3目的…*14术语和定义………25影响介质材料介电性能的因素36测量方法的概述………47试验步骤78试验报告7J.NEZ.Z0
GB/T29306.1-2012前言GB/T29306《绝缘材料在300MHz以上频率下介电性能测定方法》分为以下几个部分：一第1部分：总则；—第2部分：谐振法。本部分为GB/T29306的第1部分。本部分按照GB/T1.1一2009给出的规则起草。本部分使用重新起草法修改采用IEC60377-1:1973《绝缘材料在300MHz以上频率下介电性能测定方法第1部分：总则》。本部分与IEC60377-1:1973相比存在技术性差异，这些差异涉及的条款已通过在其外侧页边空白位置的垂直单线(|)进行了标示。主要技术变化如下：一增加了第2章的规范性引用文件，并将IEC60250:1969替换为GB/T1409-一2006；增加了第2章后，章条号已相应做了修改；一别除了EC60377-1:1973中涉及的IEC60377-3和IEC60377-4(IEC无原文)。本部分由中国电器工业协会提出。本部分由全国电气绝缘材料与绝缘系统评定标准化技术委员会(SAC/T℃301)归。本部分起草单位桂林电器科学研究所，西安交通大学、机械工业北京电工技术经济研究所。本部分主要起草人：王先锋、曹晓珑、刘亚丽、李卫、罗哲、郭丽平。蜀素村网Z.ZC.WET
GB/T29306.1-2012绝缘材料在300MHz以上频率下介电性能测定方法第1部分：总则1范围GB/T29306的本部分规定了绝缘材料介电性能的试验方法。本部分适用于测定微波频率范围（即从约300MHz一直到光频）中介质材料的相对电容率、介质损耗因数和与此有关的量，如损耗指数。2规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T1409一2006测量电气绝缘材料在工频、音频、高频（包括米波波长在内）下电容率和介质损耗因数的推荐方法(IEC60250:1969,MOD)GB/T29306,22012绝缘材料在300MHz以上频率下介电性能测定方法第2部分：谐振法(IEC60377-2:1977,MOD)3目的绝缘材料介电性能的测定方法大致可分为两类：1)当外施电磁场的波长比试样尺寸大时，则可以采用集中参数法。这些比较简单的方法在GB/T1409一2006中已规定，其频率范围为工频至300MHz。2)当试样周围电磁场的空间变化不能忽略时应采用分布参数法。其频率范围为300MHz至光频。在300MHz这个“临界”频率（如图1斜线区所示）附近的狭窄频率范围内，究竟可以采用哪一组方法，这主要根据试样的尺寸和电容率来确定。本部分规定的试验方法与较低频率（见GB/T1409一2006）下所采用的试验方法不同，本部分采用的试样和试验装置尺寸大于或相当于试验频率的电磁场波长。理论上，本部分只适用于具有绝对真空磁导率的材料，对于反磁和顺磁材料（所谓非磁性材料），通常能得到好的近似值，而对于亚铁和铁磁材料，必须选用一些特殊方法将介电性能和磁性能分开。但是，这些方法已超出了本部分的范围。注：磁性能一若磁导率被一个有足够磁场强度的直流磁偏场所饱和，则呈现磁性能的试样可以按照本部分来试验。采取特殊措施，使用合适设计的测量池，用本部分规定的方法也能与固体材料一样进行液体和熔融材料的测量。测量值取决于一些物理条件，例如频率、温度、湿度，并且在特殊情况下还决定于场强。本部分的所有测量和计算均基于角频率ω=2π∫的正弦波。1蜀素荷网Z.Z沁
GB/T29306.1-20124术语和定义下列术语和定义适用于本文件。注1：所有定义只适用于具有绝对真空磁导率的介质材料。注2：本部分中所采用一些关于波传输的名词定义可参考IEC60050-111和IEC60050-726。4.1相对复电容率relative complex permittivityEr介质材料的相对复电容率εr见式(1)：ei =e',-je',=Co………………(1)式中：e:一相对电容率；e”—损耗指数；Cx一表示小尺寸”电容器的两个电极之间和电极周围的空间全部并且只充以被试介质材料时的复电容；C。一同样构型的电极在绝对真空中的电容。注1：电容器的复电容定义见式(2)：juC=Y=Gx+juCx…(2)式中：C,该电容指的发骑：的实交花电导而C是患部(SC随着频率的增加，外施电磁场的波长接近于所用的试样尺寸，整个试样上电场（和磁场）参数的变化已不能忽略，因此，为了对测出的数据作正确的解释，必须从集中回路分析转到波分析和传输线理论。这也表示试样不均匀性和各向异性对结果的灵敏性增大了。因此，介质材料的相对复电容率，·与电磁波在介质材料中的复数传输系数Y=α十邛对电磁波在绝对真空中的复数传输系数Y。=j讽的比值的平方成比例，见式(3)：=()+()……**…(3)式中：入。一自由空间波长；λc一一所用波形的临界波长（或者为截波长）。注2：对于平面波或TEM波，Ac=∞。注3：在293K和标准大气压下，没有二氧化碳的干燥空气的相对电容率e,等于1.00053，所以实际上采用空气中所测出的值C,G,和Y,来代替在绝对真空中所测出的值C。、。和%，以此确定的固体和液体的相对电容率具有足够的精度。注4：介质材料的复电容率（绝对电容率）是其相对复电容率ε，与电常数（或绝对真空电容率）。的乘积，见式(4)：e'=e0·er中*05**0(4）在SI制中，绝对电容率的单位为法拉每米(F/);而电常数e。具有下列数值，见式(5)：002≈8.854X10-12≈，1·10-9F/m…(5)36π1)小于电介质的波长。2蜀素前网Z.JZC.WET
GB/T29306.1-20124.2相对电容率relative permittivity介质材料的相对电容率ε是4.1中所定义的相对复电容率的实部，根据式(1)和式(3)，得式(6)：4-会-[+]17注：若介质量表示为实数，即e,和tan6(见4.4)代替了e.和e:,则素数可略去，见式(7)：***…(7)4.3损耗指数loss indexε”介质材料的损耗指数ε”是4.1中所定义的相对复电容率的虚部，根据式(1)和式(3)，得式(8)：……………(8)4.4介质损耗因数dielectric dissipation factortans介质材料的介质损耗因数”ta8是外施场强E和在绝缘材料内导致的介质位移D之间相角（损耗角)的正切。E、D两者随着时间以一个相同的角频率ω=2πf按正弦波变化。因为介质内电场分量E和D一般是不太容易被测出的，对一个给定体积的介质材料，可测出其介质损耗因数为电能量损耗对每半个振荡周期中贮存在那个体积内的能量倒数的2π倍之比。这个比值也相当于式(9)所示：可毛小风系个闪∠.U.N仁门tand=e……(9)e损耗因数tan6的倒数称为品质因数(Q值)，见式(10)：1tand=Q5影响介质材料介电性能的因素对一给定的介质材料，所测出的电容率和介质损耗因数由试样产生的介质极化来确定。各种外界的和内在的物理参数，例如频率、温度、电场强度、离子辐射、湿度和其他杂质、化学结构、均匀性和各向同性(“物理和化学结构”)等都影响测试数据。为了解释由试验所得出的结果，必须要知道试样的状态并控制前面所提到的所有参数。下面分别讨论频率、温度、湿度和其他杂质、物理和化学结构以及电场强度对所测出的介电性能的影响。注：在本部分所包括的颜率范围内，测出的电容率和介质损耗因数大多是来源于极化分子产生的偶极极化。5.1频率由于工程材料在整个宽广的频率范围内，e,和ta6并不是常数，这就必须测量该介质材料在其被使用的那些频率下的介质损耗因数和电容率。由于对几个频率下所测出的数据之间作了精确的内插，有可能得到一条符合整个吸收区域的拜德曲线；同样，可以有效地使用cole-cole图。2)某些国家是指损耗角正切优先于介质损耗因数，因为损耗的测量结果当作损耗角正切报告。3罚素前网Z.Z沁.ET
GB/T29306.1-20125.2温度介质材料的极化率也受它所处的温度的影响。出现损耗指数最大值（和相应的介质损耗因数）的频率随温度而变化。通常，损耗指数的温度系数可以是正的，也可以是负的，这决定于测量频率和试验温度有关的损耗指数最大值的位置。特别注意的是被研究材料介电性能可能在短的时间内发生不可逆变化，例如在升高温度情况下进行测量。关于这种情况，见5.3和5.4。5.3湿度和其他杂质极化率由于水的吸收或介质表面上水膜的形成而增大，于是影响了电容率、损耗因数和直流电导。因此，试样的处理是十分重要的。若要正确解释试验结果，则在试验前和试验中都必须控制湿度。极化率也受到杂质的影响，这些杂质是由物理污染或化学添加剂引进来的，例如溶剂或增塑剂。因此要非常小心确保被试材料不受影响或仅受取样方法或之后可控的高温处理方式的影响。5.4物理和化学结构试验中，与样品结构有关的电磁场的极化方向对测量结果影响很大，由于不均匀性（如层状材料）或各向异性（如结晶体）可以得到不同的结果，除非所有测量的试样的材料具有相同的一致特性。注：某些周期性结构的材料（例如层状材料），即使波长与其结构周期类似，这种材料的颜率特性曲线将与材料各组分的频率特性也不同。有同种化学组分但不同化学结构的样品，例如经受不同固化条件的固化树脂或不同聚合度的聚合物，也将得出不同的结果。55交流电场强度興通常只要介质中不发生局部放电，则电容率和介质损耗因数与电场强度是没有关系的。然而铁电体在较低的微波频率下，其电容率和介质损耗因数受电场影响，但随着频率的增加，这种影响迅速地消失。6测量方法的概述6.1测量方法的原理6.1.1引言在本部分所包括的频率范围内介电性能测量方法的特点是：从试样和测量仪器的一个点到另一个点上的电场分量和磁场分量，其幅值和相位都是变化的，这是因为辐射波波长是和试样尺寸及仪器尺寸相对应的。非磁性材料在数十兆赫兹范围内，这种效应首先变得很明显，并且约在600MHz以上，就不能忽略。因所用的测量仪器和测得的量与在较低频率(GB/T1409一2006)下的方法是不同的。6.1.2与测量有关的物理效应与电容率和损耗有关的效应：)电磁波的传输速度及其在给定介质中的波长是与该介质的电容率成反对应关系。b)在一个介质的电容率的任一不连续间段上传输一个波时，一部分波能被反射，这部分能量的大小决定于不连续段两边电容率的比值。?)因为波极化了介质，能量沿着它行进的道路被连续损耗，因此波形幅值的衰减正比于介质损耗指数。与电容率无关的效应：d)给定频率f和给定横截面的波束不只以一种波形传输，而且可以以不同速度和不同波长的各4蜀素前阀Z.Z心.ET
GB/T29306.1-2012种波形传输。特殊情况下所出现的波形取决于波束横截面和波束发射系统。e)在波束横截面改变的任何点上会发生波束能量的反射和波形的变换（在给定波形时也会导致能量的损耗)。即使在绝对真空中，由于波束的衍射损耗或者波导结构的有限导电性，也会发生衰减。为了将材料性能的影响与不希望有的试验波场干扰影响区分开，从而得到一致和可重现的结果，重要的是测量仪器应采用一个均匀的传输系统。也就是说，在系统中不应有能导致反射或损耗的显著的不连续段，在测量频率下，系统本身的性能必须被熟知，并且在插人试样以后，其性能完全不改变或者仅按可预知的方式来改变。应该使用最简单的试验仪器，以诚少试验条件相关不确定性并简化计算。6.2试验装置插入试样所用的试验装置按如下组成：6.2.1谐振装置把一个均匀传输段的两端短路并松散地耦合到发生器和接收器上，当短路活塞的移动距离是工作波长半波的整数倍时，在发生器和接收器之间立了最大的能量传送。详细情况(“谐振法”)在GB/T29306.2一2012中叙述。其结果用当试样插入后的Q值以及分别在恒定的谐振器尺寸或恒定的试验频率下恢复谐振时的频率变化或尺寸变化来表示。注：由于本方法使用了多路波反射，特别适合于检测极低的损耗因数和小量的试验材料。为了得到尽可能高的灵敏度，可以使用固定谐振器，这类仪器只能在单一频率下使用，在某种程度上，这一频率取决于试样的形状、尺寸和介电性能。6.2.2传输线或电桥装置把一个均匀传输段的二端短路，另端匹配到它的特性阻抗上去。以完全充满试验材料这部分截面上的输入阻抗（即相角和反射系数）表示测得的结果。因此该方法也称为“输入阻抗测量法”，详细的测量方法正在考虑中。注：在所用的传输系统的传输域之内，输人阻抗测量法容易与任何个频率匹配，因此，显示了宽带域特性。因为只利用了试样单一的反射，所以限于检测不是很低的损耗因数。6.2.3自由空间法一个均匀的传输段在发生器和接收器之间无限地展开（或者把它的两端匹配到它的特性阻抗上去)，当试样插入传输线内时，以波束衍射或反射角和衰减系数表示得到的结果。由于该方法使用了行波，并且广泛地被用在光学方面，所以这方法称为“光学法”（正在考虑中）。假如立了一个基准波束，则驻波法也可以采用，然后以传输系数和相角表示得到的结果，这种方法称作为“传输型电桥法”。注1：光学法要求大量的试验材料（因为是根据工作波长来测量），只有在边界效应可忽路时，才有可能用非制导波束，因此，一般来说光学法只有在30GHz以上才是可应用的。随着频率的增加，由于低的固有损耗，且测量时不是长度的测量（在波长短时），而是角度的测量，对波长的改变不灵敏，所以光学法大大优越于所有的其他方法。注2：传输法测量特别适合高电容率试样。从6.2.1到6.2.3所述的三种方法可以用非制导波束，6.2.1的方法和6.2.2所述的传输型电桥法也可以用导波，传输波形的选择取决于工作波长、所用的试验材料数量、所要求的取样方法的精度和所测到的损耗。通常导波最高可用到约60GHz,非制导波用在30GHz以上。注3：通常采用导波时，波导管以基波形式工作，以排除传输的混杂。根据上面所说的要求，同轴波导管使用在从最低频率至7GHz范围内，矩形或圆形横截面的空腔波导管使用在4GHz~60GHz之间，大约在30GHz以上，可采用半光波传播。6.3试验方法的选择试验方法的选择受到可能是互相矛盾的各种因素的影响，下面分别叙述这些因素：筑素前网Z.Z0.ET
GB/T29306.1-20126.3.1频率或波长在高频下，除了光学法(6.2.3和6.3.4)以外，用任何其他方法进行测量，要想达到要求的机械精度是困难的。在低频下，由于试验设备和试样尺寸的减少，优先采用导波。由于金属导体的集肤效应，通常随着频率的增加，波导的衰减也加快，于是要进行低损耗材料的损耗指数的测定就更加困难。注：在同样工作频率下，空腔波导管比同轴波导管显示出较低的衰减。采用H:型圆形空腔波导管具有显著的优点，即当频率增大时，衰减减小。根据这些考虑，在频率约60GHz以下时，采用导波的方法会更好，而在频率约30GHz以上，则可采用非制导波束。6.3.2试验材料形状和数量试样应符合试验装置的要求，因此机械加工是需要的（见各个测量方法）。因为已有的被试材料不一定是块状的，而是板、片（膜）、棒（线）或管状的。根据试验材料的形状和手头上所具有的试验材料数量可对试验方法进行选择，介质测量的一个重要条件是试样要是单个的。)对谐振法来说，试样可以填满波束横截面[这种情况见6.3.2b)门。由于这类方法有高的固有灵敏度，只要采用合适的波形，这一技术也可应用到球、棒、圆板形试样。但是，性能变化大小和结果精确性的灵敏度主要取决于所用的波形、谐振器和试样的体积比，也包括在获得这个比值时的精度。b)阻抗测量法需要的试样要全部覆盖波束横截面，在垂直于电场强度方向的所有表面（即同轴波导管的内外导体，矩形空腔波导管的宽壁)上需要紧密接合。○U。N上注：在采用H型圆形波导管时，紧密接合问题大大简化了。有相同的试样长度（为了在测量中有同样的灵敏度）说明试验装置采用基波形式的导波比采用不导波所需要的试验材料少。同样地在相同的工作频率下，同轴波导管比空腔波导管所需的试验材料还少。采用波导管装置最要紧的是试样要尽可能紧密地配合波导管尺寸。?)光学法需要的试样，其横截面比波束截面大，试样厚度至少等于传输波长的一半。6.3.3试验材料的介电性能a)电容率相对电容率在100以下的绝缘材料可以用以上列举的任何一种方法来试验，但是必须注意由某些缺陷引起的高次方波形可能在试样内传播，而引起读数的误差。对于相对电容率在100以上的绝缘材料，由于能获得高精度，所以优先采用传输法。对各向异性材料，所得结果取决于将试样的各轴线与波束极化轴配置的情况，因此，必须把试样分切使其能与所采用波形的试验条件相匹配。b)介质损耗因数和损耗指数谐振法最适合于检测极小的损耗。阻抗法，其测量值的下限受到空白传输系统衰减的限制。能测出的损耗值的上限取决于：1)对谐振法来说，对谐振作用的补偿情况；2)对阻抗法来说，对装有试样的传输线截面的近似配合和试样本身的损耗。试样体积的减小将重新立测量判据，但在任何情况下，高损耗将大大地影响电容率测量的精度。6.3.4机械方面的要求)当采用非标准波导管装置（例如空腔波导管）或如果采用接近于其截止频率的波导管，在试样与6理蜀Z.ZS.ET
GB/T29306.1-2012波导管尺寸配合上，尺寸精度尤为重要。有关的一些方法都将在GB/T29306.2一2012中叙述。注1：在频率低于相应波形的截止频率的1.25倍时，不应采用波导管。采用非制导波方法时，这些要求适用于波束发射系统和试样的表面平面度。所有可移动的部分必须能平滑地移动而没有任何回冲。注2：特性尺寸的公差至少应符合士00其中，为传输被长。b)所有金属波导结构特别需要高表面光洁度，因集肤效应，平滑表面上的任何干扰将造成衰减的进一步加剧。。采用驻波的所有方法，驻波模型的测定必须被校正到至少为士这样一个数量级。其中A,为传输波长，因此，在毫米波范围内，改用光学法是合适的。6.3.5温度采用导波方法时，温度影响了测量的一致性。在导波方法中，温度不仅改变了测量装置的特性长度，而且改变了试样对波导管的匹配，对空腔波导管也改变了截波波长。7试验步骤7.1试样的制备为了得到所要求的试样形状，试样应从固体材料上切下来或用适当的标准化技术来制备，试样尺寸的各次测量应精疏到齿6606mJ.NE7.2条件处理试样条件处理应按有关规定进行。7.3测量电气测量按照EC60377有关部分（正在考虑中）所使用的方法和设备制造厂的说明书进行。8试验报告试验报告应给出下列情况：一绝缘材料的型号、名称和交货形式；一取样方法、试样形状、尺寸和取样日期，对试样接触面处理的情况；试样的条件处理方法和时间；试验期间温度、相对湿度和试样温度；所用的测量装置和试验方法；外施微波电源；外施频率或自由空间波长；外施波的波形（试样优选的一个轴线相对于外施电场方向配置的情况）；相对电容率ε'，（平均值）；介质损耗因数tand或介质损耗指数e",(平均值)；试验日期。7理Z.ZC.WE1
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