玻璃作為電介質(zhì)使用時(shí),由于一定頻率的交流電壓的作用,會因?yàn)闃O化或吸收而使部分電能轉(zhuǎn)化為熱能損耗,這種能量的損失稱為介電損耗玻璃的介電損耗是由電子遷移和離子位移所導(dǎo)致的離子極化、分子極化和空間電荷極化所引起的。所以,玻璃的體積電阻率愈小,則其介電損耗愈大。
一般用tanδ或直接用δ表示介電質(zhì)的介電損耗。交流電的頻率、環(huán)境溫度和玻璃組成對玻璃的介電損耗具有顯著的影響。玻璃中介電損耗包括電導(dǎo)損耗、松弛損耗、結(jié)構(gòu)損耗以及共振損耗等。具體是哪一種損耗占優(yōu)勢,決定于外界因素——溫度和外加電壓的頻率。當(dāng)溫度很低是,極性分子熱運(yùn)動很弱,電導(dǎo)損耗與松弛損耗相比可以忽略,分子完全獲釋而松弛損耗時(shí)間減小,極性分子的定向能及時(shí)跟上電場變化,使得松弛損耗溫度上升而下降。松弛損耗在從低溫區(qū)向高溫區(qū)的轉(zhuǎn)變過程中達(dá)到極大值。在低頻和高溫下,分子熱運(yùn)動加劇反而阻礙偶極分子在電場方向的定向,電導(dǎo)率隨溫度指數(shù)上升而增加,因此,電導(dǎo)電流和電導(dǎo)損耗也呈指數(shù)關(guān)系增加,并在總的損耗中占據(jù)優(yōu)勢;在高頻和低溫下,主要是結(jié)構(gòu)損耗,其損耗機(jī)理大致與結(jié)構(gòu)的緊密程度有關(guān)。
玻璃中的各種損耗與溫度的光系如下圖所示。
上圖為:玻璃中各種損耗與溫度的關(guān)系
一般來說,簡單組成玻璃的損耗很小的,這是因?yàn)楹唵尾Aе械?ldquo;分子”接近于規(guī)則排列,結(jié)構(gòu)緊密,沒有聯(lián)系弱的松弛離子。在簡單組成玻璃中加入堿金屬氧化物后,介質(zhì)損耗大大增加,并且損耗隨堿性氧化物濃度的增大按指數(shù)關(guān)系增大。這是因?yàn)閴A金屬氧化物進(jìn)入玻璃結(jié)構(gòu)后,使玻璃的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)受到破壞。因此,玻璃在堿金屬氧化物濃度越大,玻璃結(jié)構(gòu)越疏松,離子就可能發(fā)生移動,電導(dǎo)損耗和結(jié)構(gòu)松弛損耗增加,使總的損耗增大。
在室溫以上,頻率較低(f<1MHz)時(shí),玻璃的介電損耗以電損耗與松弛損耗為主,主要取決于網(wǎng)絡(luò)外離子的濃度及活動度等因素。因此,玻璃組成中凡能降低電阻率的氧化物都會增大介電損耗。
介電損耗同樣存在“混合堿效應(yīng)”和壓制效應(yīng)“。即當(dāng)堿金屬離子的總濃度不變時(shí),改變兩種堿金屬離子的比例,玻璃的tanδ大大降低,并且出現(xiàn)極值。在含有堿金屬氧化物的玻璃中加入二價(jià)金屬氧化物,特別是重金屬氧化物時(shí),壓制效應(yīng)特別明顯。因?yàn)槎䞍r(jià)離子能使松弛的含堿金屬氧化物玻璃的結(jié)構(gòu)相對堅(jiān)固,從而減少松弛極化作用,使tanδ降低。隨著溫度的升高,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)松弛,堿金屬離子的活動能力增大,介電損耗增大,如從20℃~80℃,玻璃的介電順滑值可增大4~6倍。
玻璃的介電損耗隨頻率的增加而增大。當(dāng)頻率高于1Mpa時(shí),結(jié)構(gòu)損耗和共振損耗會顯著增大。
不同的熱處理值得會對玻璃的介電損耗產(chǎn)生不同的影響。相同組成的玻璃,退火后的tanδ比淬火玻璃小,原因是后者的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)松弛、電阻率較小。
微晶玻璃與組成相同的普通玻璃相比,電導(dǎo)損耗、松弛損耗及結(jié)構(gòu)損耗均勻小些,所以介電損耗也相對小些。