CN102818937A - 一种测量固体物质介电常数的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测量固体物质介电常数的方法，其特征在于：获得待测固体物质的粉末颗粒样品，将所述粉末颗粒样品分散在背景材料液体中，得到固液混合物，粉末颗粒在混合物体系中所占的体积分数为
；采用同轴传输线法测量固液混合物在待测的频带下的介电常数
；根据麦克斯韦-加内特有效介质理论计算获得待测固体物质的介电常数。本发明避免了测量过程中固体成型和抛光的复杂工艺，且能够实现粉末颗粒在微波宽频带上介电常数的精确测量，有望在纳米材料、生物制药、食品行业取得应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种测量方法,具体涉及一种测量固体物质，尤其是粉末状态的固体物质的介电常数的方法。
背景技术
介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，原外加电场（真空中）与最终介质中电场比值即为介电常数。当外加时变电磁场时，物质的介电常数和频率相关。随着微波技术的发展，要求能够测量在微波范围内某一宽频下介质的介电常数。
现有技术中，关于固体物质介电常数的测量，一般用得比较多的是共振腔法和传输线法。
共振腔法，又称谐振腔法，通过对在谐振腔内放置介质前后谐振频率和品质因数的变化的测量，来计算获得物质的介电常数。该方法一般针对固体，而且只能是块状固体，要求固体的形状须加工成腔体的形状。该方法虽然测量比较精准，但操作十分麻烦，而且只能测量某一频率下的介电常数，不能用于宽频下介质的介电常数的测量。
传输线法：一般可测量液体或固体，取决于传输线的类型，测量可是宽带的或者窄带的。其中的同轴传输线法是，将环形样品嵌入同轴线内，通过测量样品两端的散射系数来确定材料的微波介电常数。当用于固体测量时，样品需加工成环状，使其与同轴腔匹配以减小空气隙。因此，加工过程中需要对固体样品进行表面抛光加工，要求固体表面平整度达到±2.5um，需要高精度的抛光技术。
另外上述方法无法测量处于粉末状态时固体的真实介电常数，因为粉末颗粒与颗粒之间有大量空隙，测量构成粉末颗粒的物质的介电常数必须排除掉空隙的影响。
因此如何提供一种新的固体物质介电常数的测量方法，使测量过程可以免去固体成型和抛光等复杂工艺，并且能够实现粉末颗粒在微波宽频带上介电常数的精确测量，是本发明所要解决的问题。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种固体物质介电常数的测量方法，以实现在微波宽频带上粉末颗粒的介电常数的精确测量。
为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种测量固体物质介电常数的方法，包括下列步骤：
(1)获得待测固体物质的粉末颗粒样品，样品颗粒的粒径小于等于300微米；
(2)将所述粉末颗粒样品分散在背景材料液体中，得到固液混合物，粉末颗粒在混合物体系中所占的体积分数为
，1%<
<50%，所述背景材料液体是不吸收微波也不溶解所述粉末颗粒样品的液体；
(3)采用同轴传输线法测量步骤(2)获得的固液混合物在待测的频带下的介电常数
；
(4)利用下列公式计算获得待测固体物质的介电常数
：
上文中，步骤(1)中，待测固体物质的粉末颗粒样品，可以是现成的粉末颗粒，也可以是将固体进行粉碎操作获得。所述背景材料液体应当不吸收微波，不易挥发，也不溶解粉末，以确保体积分数的定义有意义。优选地，可以采用硅油作为背景材料液体。
根据麦克斯韦-加内特（Maxwell-Garnett）有效介质理论，将固体粉末分散在背景材料液体中所形成的固体混合物在长波近似下可以看成一具有有效介电常数的有效电介质：
，
式中，
是混合物的有效介电常数，
是掺入颗粒的介电常数，
是背景材料的介电常数，
是颗粒在混合物体系中所占的体积分数。使用该理论有个前提条件：颗粒尺寸远小于波长。因此，在微波范围内比较适合粉末的测量。由此，可以通过测量固液混合物的介电常数，获得固体的介电常数。
其中，背景材料液体的介电常数为已知值。在进行宽频测量时，为了去除误差，也可以对背景材料液体采用步骤(3)的同轴传输线法测量介电常数，作为计算基准。
固液混合物的体积分数可以采用下式获得：
式中，
和
分别为固液混合物中颗粒的质量和密度，
和
分别为背景材料液体的质量和密度。优选地，体积分数在15%至25%之间。
上述技术方案中，步骤(2)中，将所述粉末颗粒样品分散在背景材料液体中时，采用磁力搅拌器进行搅拌，使混合均匀。
步骤(3)中，测量的同时用磁力搅拌器不间断搅动固液混合物。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1．本发明所提供的一种测量固体物质介电常数的新方法，通过将所要测量的固体物质粉碎成粉末，将粉末颗粒和作为背景材料的液体混合，并利用同轴传输线法测出固液混合物的有效介电常数，再根据麦克斯韦-加内特有效介质理论得出被测固体的介电常数，使得测量过程中免去了固体成型和抛光的复杂工艺，测量方法简单，易于实现。
2. 本发明也提供了一种测量处于粉末状态时固体的真实介电常数的方法。
3.本发明的方法能够实现粉末颗粒在微波宽频带上介电常数的精确测量，有望在纳米材料、生物制药、食品行业取得应用。
附图说明
图1是麦克斯韦-加内特有效介质理论示意图。
图2是实施例中三种浓度下所得的氧化铝固体的介电常数曲线图。
图3是实施例中两种浓度下所得的葡萄糖固体的介电常数曲线图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例：参见图1所示，一种测量固体物质介电常数的方法，将已有的待测粉末混在背景材料液体里，然后用同轴传输线法来测量粉末在宽频带下的介电常数值，测量步骤包括：
（1）将固体粉末分散进入背景材料液体中，利用麦克斯韦-加内特有效介质理论，将固体粉末分散在背景材料中所形成的混合物在长波下近似看成一具有有效介电常数的有效电介质，设
是混合物的有效介电常数，
是掺入颗粒的介电常数，
是背景材料的介电常数，是颗粒在混合物体系中所占的体积分数，根据麦克斯韦-加内特有效介质理论，混合物的有效介电常数和待测颗粒及背景材料的介电常数的关系如下：
（2）利用同轴传输线法测量固液混合物的有效介电常数；
（3）测量固液混合物中颗粒的质量和密度分别设为
和
，再测量背景材料的质量和密度分别设为
和
，则颗粒在混合物体系中所占的体积分数为：
（4）根据混合物的有效介电常数和待测颗粒及背景材料的介电常数的关系，得到掺入颗粒的固体的介电常数为：
所述背景材料液体为硅油，测量时用一磁力搅拌器不间断搅动混合物。
下面结合两个测量实例进一步说明：
（1）选购3微米的球形颗粒粉末的氧化铝，对应的背景材料液体为硅油，粘度系数在500左右，配制体积分数分别为15%、18%、21%浓度的氧化铝/硅油混合体系，使用Agilent的同轴线探头和微波网络分析仪测量出混合物的介电常数，测量的同时用磁力搅拌器对混合物进行侧面搅拌，根据测量出的混合物的介电常数计算出氧化铝的介电常数，如附图2所示。
（2）选用葡萄糖晶体粉末，混合液体依然选用硅油，体积分数浓度分别为18%、21%，使用Agilent的同轴线探头和微波网络分析仪测量出混合物的介电常数，测量的同时用磁力搅拌器对混合物进行侧面搅拌，根据测量出的混合物的介电常数计算出葡萄糖晶体粉末的介电常数，如附图3所示。
由测量结果可见，该方法可以精确测出固体物质的介电常数。
由于该方法是基于Maxwell-Garnett公式的正确性。为确保MG公式的成立，一个要求是测量频率范围内微波波长应该远大于颗粒粒径，理论上讲颗粒越细，测量结果就越准确。实际要求波长与粒径比在100倍及以上即可，如果测量频率最高到10GHz，也即最短波长是30mm，因此粒径不超过300微米。
MG公式的另一个要求是颗粒的体积分数上限不能超过50%,因为公式的推导是基于背景材料是连续相，颗粒是嵌在其中的离散相。又因为颗粒之间的平均距离也要充分地小于测量波长，因此测量频段上的最短波长决定着体积分数的下限，如果最短波长是30mm，颗粒粒径是300微米，体积分数应该大于1% ，以致于颗粒间的平均距离大致上小于波长的1/30（根据简立方晶格估算）。
在氧化铝实例中三种不同体积分数下测量的介电常数在测量频率范围内（0.7-10GHz）的平均值和标准偏差如下：
15% ɛ’=9.78025±0.18546 ɛ’’=0.26504±0.11727
18% ɛ’=9.68294±0.10636 ɛ’’=0.16117±0.10519
21% ɛ’=9.63266±0.08751 ɛ’’=0.17640±0.09730
Al2O3 ɛ’=9.66551±0.0722 0 ɛ’’=0.13868±0.07439
可以看出20%左右的体积分数完全可以给出准确的介电常数。
Claims (4)
1.一种测量固体物质介电常数的方法，其特征在于，包括下列步骤：
(1)获得待测固体物质的粉末颗粒样品，样品颗粒的粒径小于等于300微米；
(2)将所述粉末颗粒样品分散在背景材料液体中，得到固液混合物，粉末颗粒在混合物体系中所占的体积分数为 
，1%<
<50%，所述背景材料液体是不吸收微波也不溶解所述粉末颗粒样品的液体；
(3)采用同轴传输线法测量步骤(2)获得的固液混合物在待测的频带下的介电常数
；
(4)利用下列公式计算获得待测固体物质的介电常数
：
2.根据权利要求1所述的测量固体物质介电常数的方法，其特征在于：步骤(2)中，将所述粉末颗粒样品分散在背景材料液体中时，采用磁力搅拌器进行搅拌，使混合均匀。
3.根据权利要求1所述的一种测量固体物质介电常数的方法，其特征在于：步骤(3)中，测量的同时用磁力搅拌器不间断搅动固液混合物。
4.根据权利要求1所述的一种测量固体物质介电常数的方法，其特征在于：所述背景材料液体是硅油。
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