随着全球经济迅速发展以及人口急剧增长，资源消耗日益增加，能源需求迫在眉睫，寻求高效清洁能源与能源储存技术已成为全球备受瞩目的研究课题。开发低成本、环境友好型的高效能量转换和存储系统势在必行。在能源存储技术中，由轻质、加工性好的高分子聚合物制备的高性能复合电介质材料，在电子电气、能量转换及存储材料等尖端领域具有巨大的应用前景，是目前研究的热点。本文就带领大家初探什么是介电材料，了解介电材料的身世背景。
前言
顾名思义，介电材料就是具有介电性能的材料。那么介电材料是什么呢？其实就是，在电场作用下能在其中建立极化的物质都可称为介电材料，包括气态、液态和固态等范围广泛的物质。而“介电常数”这一物理量，是介电材料在外场中被极化的程度的宏观表现，那么我们将首先从介电相关概念，如极化开始了解。
一、极化
极化是介电材料在电场下最主要的电特性之一，其本质是电荷迁移现象。极化是介电材料中电荷(束缚在分子中或局部空间不能完全自由运动的电荷、及自由电荷)，在静电场中作微小的广义位移(如束缚电荷的位移，偶极子取向)或受限的大尺度位移(如自由电荷移至界面与电极表面)，而在介电材料表面(或界面)产生束缚电荷，形成感应偶极距的物理过程。
电介质的电场下常见的极化形式主要包括四类，分别是：电子极化、偶极取向、离子极化和界面极化。
(a) 电子极化：发生的频率范围为1014-1016 Hz，产生极化是由于构成原子发生相对于原子核的位置发生变化，从而产生偶极距而形成的。这是所有的材料均会发生的现象。
(b) 离子极化：发生频率范围是109-1013 Hz，它是由于阳离子和阴离子产生相对位移所引起的，它是分子本身产生的，即使在没有外加电场的情况下，也具有永久偶极矩。
(c) 偶极转向极化：发生的频率范围约在103-108 Hz，它也称取向极化，是由于原子或离子中常存在着不平衡的电荷分布，当受到外加电场的作用时，这些电荷(偶极)会随电场的方而平行排列，造成所谓的取向极化。
(d) 空间电荷极化：发生的频率范围是10-3-102 Hz，也称界面极化，是由于可移动的电荷或者非出自同一电极的电荷，受到接口的阻扰，或被限制到材料中造成的。此外，还有自持式极化，夹层极化，带有电矩的基团极化等。
四种极化形式
二、介电常数
那么极化的宏观表现究竟是什么？我们都知道介电材料的介电常数亦称电容率，是衡量介电材料在外场中被极化的程度，极化程度越大，宏观表现的介电常数越高。它是表示介质的绝缘能力特性的一个系数，以字母 Ɛ 表示单位为法/米(F/m)。从物理意义上，电介质的介电常数可以定义为：
其中、D、E分别为介质中电感强度的矢量和宏观平均电场强度矢量。在工程中，通常用Ɛr作为介质极化的量度，它是以真空电容器充入电介质后的电容量C与原电容量Co之比计量。是表征材料介电特性的最基本参数，能宏观反映电介质材料的极化行为。
在交变电场下，介电材料的极化存在明显的滞后性，电位移D与电场E在时间上有一个明显的相位差，常以复介电常数表示：
其中Ɛ为材料的复介电常数，Ɛ'和Ɛ''分别表示介电常数的实部和虚部。
高介电材料在电子和电机行业中有非常重要的应用，特别是用在高储能电容器上。在高储能电容器上，评价高储能电容器性能的一个重要指标是电容器储存电能的能力。电容器储存的电能为：
式中：Ɛ0为真空介电容率，K为介电常数，a、d分别为电极表面及介电层厚度。
三、介电损耗
与介电常数相对应，介电材料存在介电损耗。顾名思义，介电损耗是指受到外加电场的影响，介质出现的能量消耗，一般主要表现为由电能转换为热能的一种现象。原因是由于介电材料中含有能导电的载流子，在外加电场作用下，产生导电电流，消耗掉一部分电能，从而转为热能。
通常用电容器的电压和电流相位差角的余角(即介质损耗角)的正切来度量表示。tanδ 表示为介电损耗角正切值，理想电容器中的损耗为零。外电场下引起的损耗主要包括极化损耗、电导损耗、电离损耗及结构损耗等。
高分子材料恒定频率下介电损耗与温度的关系
四、介电理论模型
在了解极化、介电常数和介电损耗的基础上，许多学者在构建介电材料过程中，提出了许多关于解释两相或多相聚合物有效介电常数的理论模型，包括Maxwell-Garnett有效介质方程、Maxwell-Garnett理论、Lichtenecker对数法则和Bruggeman理论模型等。其中，对于填充型导体/聚合物复合材料而言，常用渗流理论来解释材料的介电性能。
渗流理论是到目前为止对绝缘体-导体电介质复合材料的介电性能随导电填料填充量变化规律最好的理论解释。对经典的两相复合体系而言，随着填料填充量的变化，其相分布经历了从弥散到渗流簇结构的质的变化，这种变化过程中形成的极不规则的连续相及其相界面只能借助渗流理论来解释和分析。
将导体填料添加到有机聚合物中，少量填充时，导体填料在基体中散乱无序排布。随着填料掺杂量的增加，填料的间距变小，并且在基体中开始出现团聚现象。当掺杂量增加到逾渗阈值fc附近，导体填料互相连接形成导电的网络结构，形成电子隧穿效应；相应地，材料的电导率会发生数量级的增加，由绝缘体向导体转变。渗流网络形成示意图如下所示。
导体在聚合物基体中形成逾渗网络示意图
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