在許多技術文獻和科普文章中，常常看到類似“介電常數越高，材料絕緣性能越好”的說法。然而，介電常數與材料的絕緣性能之間并沒有直接的必然關系，下面一起來探討一下相關的話題。

一、電介質--夠被電極化的絕緣性材料

介電質（英語：dielectric，又稱電介質）是一類能夠被電極化的絕緣性材料。電介質的中文“介”字表明的是隔離電流之意，早年主要是指電路中用于分隔電流作用的絕緣材料，但是隨后的研究表明，電介質除了絕緣性能以外，也可以在電場的作用下產生極化，并能夠貯存電荷。

電介質的極化示意圖：①無極分子-電子位移極化；②有極分子-主要是取向極化

在外電場的作用下，電介質和外電場垂直的兩個端面會出現等量異號的極化電荷。極化電荷在介質內將形成一個與外電場方向相反的電場，使外電場受到削弱。介質的極化能力越強，其形成的反向電場越大，對原電場對削弱程度就越大。極化電荷與導體中的自由電荷不同,它們不能離開電介質而轉移到其他帶電體上，也不能在電介質內部自由運動，故也稱為束縛電荷。束縛電荷在外電場中只能作有限位移，因此電介質也是絕緣體。

極化：介質內部產生電場的過程

國標定義絕緣材料是用于防止導電元件之間導電的材料，即能起“絕緣”作用的材料，電工、電子設備用絕緣材料隔離不同電位的導體限制電流流向，這時就是利用其電絕緣性^【1】。絕緣材料的電氣性能主要表現在電場作用下材料的導電性能、介電性能及絕緣強度，主要包括以下四個方面：相對介電常數、介電損耗、電導率（或電阻率）及介電強度。

1、相對介電常數（ε?）。也叫做介電常數比，是一個無量綱的物理量，其值始終大于1，表示某種材料的絕對介電常數ε與真空（或空氣）的介電常數（ε?）之比。它用來描述材料在電場中的極化能力。介電常數越大，電介質的極化能力越強，能夠產生更多的束縛電荷，從而更有效地削弱外加電場，并在單位電場下儲存更多的電能。它與介質分子的極性強弱有關，還受到溫度、外加電場頻率等因素的影響。高的介電常數, 意味著具有更好的儲存電能和均勻電場的性能^[【2】。

2、介電損耗。在電場作用下沒有能量損耗的理想介質是不存在的,實際電介質中總有一定的能量損耗，包括由電導引起的損耗和某些有損極化引起的損耗,總稱為介電損耗。電介質在有外部電場的作用下會發生極化，即會產生一個內部電場。在交變電場中，當外部電場方向不斷變化時，內部電場也必然會隨之變化。內部電場的激發實質上是帶電微粒的定向運動或定向偏轉，偏轉過程中，需要消耗能量，轉換成熱，這種現象叫做極化損耗。介質在直流電壓作用下，僅有電導損耗和電離損耗，在交流電壓作用下，介質除電導損耗外，還產生周期性極化引起的極化損耗。介質損耗掉的能量（電能）變成了熱能，使電介質溫度升高。當外部電場方向變化速率加快時，這種損耗會增大^【3】。

如果電介質損耗很大，會使電介質溫度升高，促使材料發生老化（發脆、分解等）；如果介質溫度不斷上升，甚至會把電介質熔化、燒焦，喪失絕緣能力，導致熱擊穿。因此，電介質損耗是衡量絕緣介質電性能的一項重要指標^【4】。

3、電導率。任何電介質都不可能是理想的絕緣體，它們內部總是或多或少地具有一些帶電粒子(載流子)，例如可以遷移的正、負離子以及電子、空穴和帶電的分子團。在外電場的作用下，某些聯系較弱的載流子會產生定向漂移而形成傳導電流（電導電流或泄漏電流）。換言之，任何電介質都不同程度地具有一定的導電性能，只不過其電導率很小而已，而表征電介質導電性能的主要物理量即為電導率γ或其倒數--電阻率ρ^【5】。電阻率越大，材料絕緣性能越好。

電介質材料的電導率分為體積電導率與表面電導率。流過材料內部的電流由體積電導率決定，流經表面的電流由表面電導率決定。體積電導率主要取決于電介質材料的結構、組成和雜質含量。此外，工作環境，如氣壓、溫度、輻射等，對體積電導率也有一定的影響。表面電導率受到外界環境的影響較大，諸如表面的水汽、灰塵等都會使得表面電導率發生較大變化，甚至跨越多個數量級。

4、介電強度（擊穿場強）。在一般情況下電介質就是絕緣體。當外加電場不太強時，使電介質發生電極化現象，但不破壞其絕緣性能。如果外電場很強，電介質分子中的正、負電荷有可能完全分離，使部分電子變成能自由移動的電荷，從而使電介質的絕緣性能遭到明顯破壞而變成導體，這種現象叫做電介質的擊穿。一種電介質材料所能承受的不被擊穿的最大電場強度，叫做這種電介質的介電強度，也稱為擊穿場強^【5】。因此，介電強度是最基本的絕緣特性參數，物質的介電強度越大，材料絕緣性能越好。

對于無機材料而言，介電強度受材料的微觀結構、雜質與缺陷、介質厚度、溫度、頻率、材料吸濕性和電場分布等多種因素的綜合影響。對于高性能絕緣材料，通常需要通過優化材料純度、減少缺陷和調整微觀結構來提升其介電強度。電介質的介電擊穿過程及擊穿電壓的大小不但取決于電介質的性能，而且還與電場分布、周同溫度、散熱條件、周圍介質的性質、加壓速度和電壓作的持續性等有關。

絕緣電阻更多的是衡量材料在低電壓下的絕緣性能。有時候，一個材料可能具有很高的絕緣電阻，但在高電壓下卻無法承受，這就說明它的介電強度并不高。因此，在設計電子器件或選擇絕緣材料時，我們不能只看絕緣電阻，還要考慮介電強度。在高壓應用領域，介電強度的重要性更是不言而喻。

二、介電常數對絕緣材料的應用影響

絕緣能力的核心在于材料的介電強度和電阻，而介電常數本身主要影響的是電場的傳播、能量儲存，而不是直接限制電流的流動。介電常數大小與材料的絕緣性并沒有什么直接關系。那在實際應用中，介電常數對絕緣材料的應用有什么影響呢？

1、電容器應用

在電容器中，電介質的作用是儲存電能。在這種情況下，介電常數越大，電容器的電容量越大。這是因為高介電常數的材料能夠儲存更多的電荷。因此，電容器中的電介質一般要求具有較高的介電常數。

電容器

電介質材料的儲能密度正比于其介電常數和擊穿場強。理想上，高介電常數與高擊穿場強我們都想要，然而事實上事與愿違，高介電常數與高擊穿場往往互為矛盾關系。介電常數高往往意味著介電損耗增大且擊穿電壓降低，與巨介電常數如影相隨的高介電損耗對材料的絕緣性能明顯是起了反向作用。

2、高頻電路基材

高頻電路需要高的信號傳輸速度，而信號傳輸速度。與材料的介電常數是有著密切關系的，介電常數越高，信號的延遲時間就越長。因此要實現快速的信號傳輸，必須選擇介電常數低的基材。

此外，高頻下介電常數的波動會導致阻抗不穩定、相位失真和信號損耗。為了減少介電常數波動的影響，高頻電路需要選用介電常數隨頻率、溫度和濕度變化小的材料。例如聚四氟乙烯、氧化鋁、氮化鋁，這些材料在高頻下的低介電常數、低介電損耗和高穩定性，能夠有效提升電路的性能和可靠性。

參考資料：

[1]王建華編. 電氣工程師手冊 第4版[M]. 北京：機械工業出版社, 2024.02.

[2]蘇崎,虞益軍.高介電常數硅橡膠復合材料的制備研究[J].世界橡膠工業,2009

[3]陳繼良編著. 從零開始學散熱[M]. 北京：機械工業出版社, 2020.10.

[4]陸國俊，王勇主編. 高壓設備電氣試驗技能培訓教程[M]. 廣州：華南理工大學出版社, 2012.10.

[5]徐送寧，石愛民，王雅紅主編；孫麗媛，趙星，馬學軍等副主編. 大學物理[M]. 北京：北京理工大學出版社, 2014.01.

編輯整理：粉體圈 Alpha