IEC 62631-2-22022 固体绝缘材料的介电和电阻特性.第2-2部分相对介电常数和损耗因数.高频（1MHz至300MHz）.交流法标准立项发展报告

固体绝缘材料的介电和电阻特性第2-2部分：相对介电常数和损耗因数高频（1MHz至300MHz）交流法标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:DielectricandResistivePropertiesofSolidInsulatingMaterials-Part2-2:RelativePermittivityandDissipationFactor-HighFrequencies(1MHzto300MHz)-ACMethods摘要随着第五代移动通信（5G）、物联网、新能源汽车及高频电力电子技术的飞速发展，固体绝缘材料在高频电磁场环境下的介电性能已成为制约相关设备小型化、高效化和可靠性的关键因素。相对介电常数（εr）和介质损耗因数（tanδ）作为表征绝缘材料在高频交流电场中极化行为和能量损耗的核心参数，其精确测量对材料研发、质量控制和工程选材具有至关重要的指导意义。国际电工委员会（IEC）发布的IEC62631-2-2:2022标准，系统规定了固体绝缘材料在1MHz至300MHz频率范围内相对介电常数和损耗因数的交流测量方法，填补了高频段标准化测量程序的空白。本标准基于谐振腔微扰法和传输线法等成熟测量原理，对测试装置、试样制备、校准程序、环境条件及数据处理等环节提出了明确规定，适用于薄膜、板材、棒材及模塑制品等多种形态的固体绝缘材料，其测量结果具有良好的重复性和复现性。本报告系统梳理了该标准的立项背景、技术内容、国内外标准对比及应用推广价值，旨在为国内相关标准化工作的深化推进提供参考和借鉴。关键词：固体绝缘材料；相对介电常数；介质损耗因数；高频测量；交流法；IEC标准；国际标准化Keywords:Solidinsulatingmaterials;Relativepermittivity;Dissipationfactor;High-frequencymeasurement;ACmethods;IECstandard;Internationalstandardization1引言1.1标准立项背景绝缘材料作为电气电子设备中不可或缺的基础功能材料，其介电性能直接决定了设备的安全运行裕度、信号传输品质及能量转换效率。近年来，高频电力电子变换器的工作频率已从传统的数十千赫兹提升至数兆赫兹甚至更高频段，5G通信基站的载波频率则跨越至3.5GHz以上，雷达系统和卫星通信设备对介质材料的频率适用性提出了更为苛刻的要求。在如此高频的工作条件下，材料的相对介电常数和介质损耗因数不再保持恒定，而是随频率发生显著变化，这一频率依赖性特征要求测量方法必须在明确指定的频段内具有足够的精度和可靠性。然而，在此标准发布之前，国际上针对固体绝缘材料高频介电性能的测量，长期依赖IEC60250:1969及其后续修订版本中的部分条款，以及各国家和行业自有的非统一测试规程。这些既有方法在测试频率覆盖范围、试样尺寸适配性、电极系统设计、环境控制及测量不确定度评定等方面存在显著差异，导致不同实验室之间的测试结果缺乏可比性，严重制约了高频绝缘材料的全球贸易流通和工程设计验证。此外，IEC62631系列标准作为固体绝缘材料介电和电阻特性的全新标准体系，其第1部分（IEC62631-1）已建立了通用测试导则，第2-1部分规定了低频段（<1MHz）的测试方法，而高频段（1MHz至300MHz）的标准化方法亟待补充完善。1.2标准立项的必要性高频绝缘材料市场正处于快速增长期。据相关行业统计，全球高频覆铜板市场规模在2022年已突破30亿美元，并以年均8%以上的速度持续增长。与此同时，国内高频绝缘材料产业在自主创新方面取得了长足进步，但在高端产品性能评价和国际贸易中的标准话语权方面仍存在短板。制定并采用统一的国际标准，不仅有助于消除技术壁垒、促进国际间贸易往来，更能够为新材料研发提供精确的性能评价工具，加速国产高端绝缘材料的迭代升级。基于上述背景，IEC第112委员会（电气绝缘材料与系统评估委员会）于2017年正式启动IEC62631-2-2标准的制定程序，经过多轮国际专家的深入研讨和实验室间比对验证，于2022年4月正式发布。2标准概况2.1标准基本信息本标准编号为IEC62631-2-2:2022，由国际电工委员会（InternationalElectrotechnicalCommission,IEC）发布，归口管理单位为IEC/TC112（电气绝缘材料与系统的评估技术委员会）。标准全称为“固体绝缘材料的介电和电阻特性——第2-2部分：相对介电常数和损耗因数——高频（1MHz至300MHz）——交流法”，官方英文名称为“Dielectricandresistivepropertiesofsolidinsulatingmaterials-Part2-2:Relativepermittivityanddissipationfactor-Highfrequencies(1MHzto300MHz)-ACmethods”。该标准属于IEC62631系列标准框架下的组成部分。IEC62631系列标准旨在替代和整合原有的IEC60250等分散的测试方法标准，构建层级清晰、方法互补的介电与电阻特性测试标准体系。具体而言，该系列标准的结构如下：-IEC62631-1：通用定义和导则，确立了介电和电阻特性的基本术语、测试原则及影响因素的通用规定；-IEC62631-2-1：相对介电常数和损耗因数的低频测量方法（频率低于1MHz），主要涵盖并联电桥法和谐振法；-IEC62631-2-2：相对介电常数和损耗因数的高频测量方法（1MHz至300MHz），即本报告所论述的标准；-IEC62631-2-3：相对介电常数和损耗因数的超高频测量方法（频率高于300MHz）；-IEC62631-3系列：绝缘电阻和电阻率的测量方法。本标准版本状态为现行有效，发布语言为英语和法语，国际标准分类号（ICS）为17.220.99（电学、磁学相关特性的其他测量）和29.035.01（绝缘材料综合）。2.2标准适用范围本标准适用于固体绝缘材料在1MHz至300MHz频率范围内相对介电常数和介质损耗因数的测量。适用范围涵盖了多种形态的固体绝缘材料，具体包括：-聚合物薄膜和薄片：如聚酰亚胺薄膜、聚四氟乙烯薄膜、聚酯薄膜等；-层压板材：如覆铜箔层压板（CCL）的基材部分、环氧玻璃布层压板等；-棒材、管材及异型制品：适用于可加工成规定尺寸试样的材料；-模塑和浇注制品：通过注塑、模压或浇注工艺成型的试样；-部分陶瓷和玻璃态无机绝缘材料：在满足试样制备要求的条件下也可适用。需要特别指出的是，本标准所述方法适用于材料在固态下的体积介电性能测量，不适用于液体和气体绝缘材料的测量。此外，对于各向异性材料（如单向纤维增强复合材料），标准要求在与材料主轴不同的方向分别进行测量，以全面表征材料的介电性能各向异性特征。3标准主要技术内容3.1测量原理与基本方法IEC62631-2-2:2022标准所述的高频介电性能测量方法，其物理基础在于材料在交变电场中表现出的极化弛豫行为。当固体绝缘材料置于高频交流电场中时，材料内部的各种极化机制（包括电子极化、原子极化、偶极子转向极化以及界面极化）对电场变化的响应存在不同的弛豫时间，由此产生与频率相关的复数介电常数，其实部为相对介电常数（εr），虚部或实部与虚部的比值体现为介质损耗因数（tanδ）。在本标准的频率范围（1MHz至300MHz）内，电子极化和原子极化占据主导地位，而界面极化效应已基本可以忽略，偶极子极化则随频率升高逐步出现弛豫现象。因此，测量结果能够较为真实地反映材料本征的分子极化特性，具有明确的物理意义。3.2测量方法与技术路线IEC62631-2-2:2022标准主要规定了两种测量方法：谐振腔微扰法和传输线法。谐振腔微扰法适用于100MHz至300MHz的高频段测量。其基本原理为：将一个已知品质因数（Q值）的谐振腔在未放入试样时的谐振频率f₀和品质因数Q₀分别记录，然后将规定尺寸的试样放入谐振腔内的特定位置（通常为电场强度最大处），此时谐振频率发生偏移至f₁、品质因数变化为Q₁。根据谐振频率的偏移量△f=f₁-f₀可以计算出材料的相对介电常数εr，根据品质因数的变化量△(1/Q)=1/Q₁-1/Q₀则可以计算出介质损耗因数tanδ。该方法具有测量精度高、对试样尺寸要求严格的特点。传输线法（含同轴传输线法和波导法）适用于1MHz至300MHz的宽频段测量。其基本原理为：将试样精确加工后填入同轴传输线或矩形波导的横截面中，利用矢量网络分析仪（VNA）测量含试样段落的散射参数（S参数），再通过Nicolson-Ross-Weir（NRW）算法或传输-反射算法等数学变换，从S参数中提取出材料的复介电常数。该方法能够在较宽的频率范围内实现连续扫描测量，尤其适用于频率依赖特性研究。3.3测量装置与试样要求标准对测量装置提出了详细的技术要求。对于谐振腔微扰法，谐振腔的材料和结构设计须确保其在测量频率范围内具备稳定的谐振模式，且谐振腔的内壁电导率要足够高（通常要求采用镀银或镀铜处理）。温度控制系统的精度要求为±0.5℃以内，以保证介电性能测量的温度稳定性。对于传输线法，矢量网络分析仪的动态范围和频率分辨率须满足测量精度要求，校准采用TRL（Through-Reflect-Line）或SOLT（Short-Open-Load-Thru）校准方法，以保证系统误差得到有效修正。试样制备方面，标准对试样尺寸公差、表面粗糙度、平行度、厚度均匀性等均提出了具体规定。试样厚度偏差不得超过标称值的±1%，表面粗糙度Ra值应不大于0.8μm，以避免因试样与电极界面的空气间隙产生的系统误差。试样的宽度和长度应保证能够完全覆盖传输线的横截面，不留空气缝隙，否则将引入显著的测量偏差。3.4环境条件与校准程序标准规定标准大气条件为温度23℃±2℃，相对湿度50%±5%。对于吸湿性较强的材料，试样应在标准大气条件下进行预处理，处理时间不少于24小时，以确保试样达到水分平衡状态。对于对湿度敏感的材料，建议在干燥环境（相对湿度不大于10%）中进行测量，并在报告中注明实际环境条件及其对测量结果的影响。校准程序分为系统校准和验证校准两个层次。系统校准旨在消除测试装置系统误差，包括矢量网络分析仪的电子校准（ECal）或机械校准件校准、谐振腔空载参数标定等。验证校准则通过测量已知介电性能的标准参考物质（如熔融石英、聚四氟乙烯、蓝宝石等）来验证整个测量系统的工作状态，要求标准参考物质的测量值与公认值之间的偏差不超过规定范围。3.5数据处理与结果报告标准要求对每个试样至少进行5次独立测量，取算术平均值作为最终测量结果。对于班组或批次的材料评价，应至少从不同部位截取3个试样进行测量，以保证采样代表性。报告中应包含材料名称与牌号、试样制备方法、试样尺寸与形态、测量方法、测量频率（或频率范围）、环境条件（温度、相对湿度）、测量结果（εr和tanδ的数值及标准偏差）、测量日期和操作人员等信息。此外，标准引入了测量不确定度评估的框架性要求，建议实验室依据ISO/IECGuide98-3（即GUM不确定度表示指南）对测量结果进行不确定度评定。主要不确定度来源包括：试样尺寸测量误差、频率设定误差、温度波动、仪器校准不完善、重复性误差等。4国内外标准化工作现状与对比分析4.1国内标准化现状国内涉及固体绝缘材料介电性能测量的标准主要包括GB/T1409-2006《电气绝缘材料相对电容率、介质损耗因数和直流电阻率的测量》和GB/T1693-2007《硫化橡胶介电常数和介质损耗角正切值的测定方法》等。然而，上述标准主要适用于工频及音频频段（通常不超过1MHz），对于1MHz以上的高频段测量方法，国内尚缺乏系统完整的通用性国家标准。部分行业标准如电子行业标准SJ/T1147-1993等虽然涉及高频介电常数测量，但在频率覆盖范围、测量精度和技术先进性等方面已难以满足当前高频绝缘材料的测试需求。近年来，国内相关科研机构和标准化技术委员会已开始关注IEC62631系列标准的转化工作。全国电气绝缘材料与绝缘系统评定标准化技术委员会（SAC/TC301）已将IEC62631系列标准的转化列入工作计划，其中IEC62631-2-2:2022的国内对应标准的制定工作正在积极推进中。4.2国外主要相关标准国际上与IEC62631-2-2相关的主要标准包括：-ASTMD2520-21：美国材料与试验协会发布的《固体电绝缘材料在1MHz以上频率的电容率（介电常数）和介质损耗角正切的标准试验方法》。该标准主要采用谐振腔法和集总参数谐振法，与IEC62631-2-2在方法原理上存在一定差异，且在试样尺寸和测试频率点的设置上有所不同。-JISC2138-2007：日本工业标准对应的固体绝缘材料高频介电特性测试方法，主要参考早期IEC60250标准制定，频率范围上限通常为几十兆赫兹。-GB/T31838系列：国内正在制定的固体绝缘材料介电和电阻特性系列标准，对应IEC62631系列标准，其中高频部分的转化工作尚处于推进阶段。相较于上述标准，IEC62631-2-2:2022在方法体系的完备性、频率范围的宽泛性、不确定度评定的规范性以及国际间的协调一致性等方面均具有明显优势。5标准编制的主要参与单位IEC62631-2-2:2022标准的制定由IEC/TC112技术委员会主导，来自全球多个国家的标准化专家共同参与。其中，瑞士的ABB集团作为重要的核心参与单位之一，在该标准的制定过程中作出了突出贡献（注：由于IEC技术标准制定过程中参与单位众多，且考虑到资料获取的限制，本文以标准化技术委员会为主要介绍对象，辅以典型参与单位的介绍）。IEC/TC112（电气绝缘材料与系统的评估）技术委员会秘书处设于意大利，现任主席和秘书分别来自意大利电工委员会（CEI）和德国电气工程师协会（VDE）。该技术委员会汇集了来自全球约30余个P成员国家（ParticipatingMembers）的顶尖专家，涵盖绝缘材料制造商、电力设备制造商、独立检测实验室、科研院所及高等院校等各方代表。委员会下设多个工作组，其中负责IEC62631系列标准制定的主要工作组为WG3“介电性能测试方法”工作组。在IEC62631-2-2:2022的编制过程中，WG3工作组组织了全球范围内的实验室间比对测试（RoundRobinTest），共有来自德国、法国、日本、中国、美国、瑞士、意大利等国的12个权威实验室参与，通过对聚四氟乙烯、交联聚苯乙烯和氧化铝陶瓷等典型材料的协同测试，验证了标准所规定方法的可重复性和可再现性。各实验室间测量结果的相对标准偏差控制在：相对介电常数优于±1.5%、介质损耗因数优于±5%（对于tanδ>0.001的材料），充分验证了该方法体系的可靠性和工程适用性。此外，中国作为IEC/TC112的P成员国家，亦有专家深度参与了本标准的制定和讨论工作，在试样制备技术要求、电极系统设计等方面提出了建设性意见，其中部分建议已被采纳纳入正式标准文本。6标准的应用意义与推广前景6.1对产业发展的促进作用IEC62631-2-2:2022的发布实施，对高频绝缘材料产业链各环节均产生了深远的积极影响。在材料研发环节，精确的高频介电性能测试方法为新型低介电常数、低损耗材料的开发提供了可靠的性能评价工具，有助于缩短新材料从实验室研发到工程应用的转化周期。在材料生产环节，统一