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電工材料及應(yīng)用第一頁,共四十三頁,編輯于2023年,星期日Chap5電介質(zhì)與絕緣材料

絕緣材料是指電導(dǎo)率較低(一般在10-9~10-10s/m之間),用來限制電流使其按一定途徑流動(dòng)的材料(如在電機(jī),變壓器,電器,電纜中的絕緣);另外,還有利用其”介電”特性建立電場(chǎng)以貯存電能的材料(如電容器).

電介質(zhì)是指能在電場(chǎng)中極化的材料.而電介質(zhì)多數(shù)是優(yōu)良的絕緣材料,故兩者經(jīng)常通用.

電介質(zhì)一般是絕緣體。但廣義的電介質(zhì)還包括半絕緣體和某些處于特殊狀態(tài)下的半導(dǎo)體(如載流子耗盡狀態(tài)下的半導(dǎo)體)第二頁,共四十三頁,編輯于2023年,星期日

材料的介電性能是電介質(zhì)的主要特征,它以正、負(fù)電荷重心不重合的電極化方式傳遞、存儲(chǔ)或記錄電的作用和效應(yīng)。電極化中的電荷主要指那些束縛在原子、分子、晶格、缺陷位置或局部區(qū)域內(nèi)的束縛電荷。本章介紹電介質(zhì)與絕緣材料的基本概念和性能,并揭示電介質(zhì)材料宏觀介電性能的一些微觀機(jī)制。

各種束縛電荷在不同頻率的交變電場(chǎng)作用下表現(xiàn)出不同的電極化行為,并進(jìn)行決定著電介質(zhì)材料的各種性能。第三頁,共四十三頁,編輯于2023年,星期日§0電介質(zhì)分類電介質(zhì)按其分子中正負(fù)電荷的分布狀況不同可分為:中性電介質(zhì)偶極電介質(zhì)離子型電介質(zhì)第四頁,共四十三頁,編輯于2023年,星期日§1介質(zhì)極化的基本概念

電偶極矩的單位為C.m(庫侖.米).在分子物理中,常用德拜(D)為單位,1D等于10-18cgs(靜電單位),相當(dāng)于3.33×10-28C.cm。H2O的電偶極矩為1.85D,HCl的電偶極矩為1.08D.一、定義及有關(guān)物理量1、電偶極矩:由大小相等、符號(hào)相反、彼此相距為l的兩點(diǎn)電荷(+q、-q)所組成的束縛系統(tǒng),稱為偶極子,偶極子的大小和方向常用電偶極矩μ來表示(方向由負(fù)電荷指向正電荷)第五頁,共四十三頁,編輯于2023年,星期日2、極化強(qiáng)度:?jiǎn)挝惑w積內(nèi)的電偶極矩總和稱為極化強(qiáng)度,用P表示

在電介質(zhì)中,由電磁學(xué)理論有

3、電介質(zhì)的極化率χ和相對(duì)介電常數(shù)ε

(庫/米2)

其中因此,在描述物質(zhì)的介電性質(zhì)時(shí),使用相對(duì)介電常數(shù)ε和宏觀極化率χ在物理上等價(jià)的。第六頁,共四十三頁,編輯于2023年,星期日二、電極化的微觀機(jī)構(gòu)

由物質(zhì)的組成可以知道,物質(zhì)的宏觀電極化是組成物質(zhì)的微觀粒子在外電場(chǎng)作用下發(fā)生微觀電極化的結(jié)果,通常,微觀粒子在外電場(chǎng)作用下而產(chǎn)生的電矩與場(chǎng)強(qiáng)存在如下關(guān)系:式中α稱為微觀極化率。粒子的微觀極化率可能來自多種原因,一般情況包括電子云位移極化(其極化率用αe表示)、離子位移極化(其極化率用αi表示)、偶極子轉(zhuǎn)向極化(其極化率用αd表示)等第七頁,共四十三頁,編輯于2023年,星期日1、電子云位移極化:沒有受電場(chǎng)作用時(shí),組成電介質(zhì)的分子或原子所帶正負(fù)電荷中心重合,對(duì)外呈中性。受電場(chǎng)作用時(shí),正、負(fù)電荷中心產(chǎn)生相對(duì)位移(電子云發(fā)生了變化而使正、負(fù)電荷中心分離的物理過程),中性分子則轉(zhuǎn)化為偶極子,這種過程就是電子云位移極化。電子云位移極化存在于一切氣體、液體及固體介質(zhì)中。

(1)電子云位移極化率:理論計(jì)算值取決于所采用的粒子模型,由點(diǎn)狀核球狀負(fù)電殼體模型或圓周軌道模型(玻爾模型)計(jì)算出的電子極化率為:

第八頁,共四十三頁,編輯于2023年,星期日(2)電子云位移極化的特點(diǎn):a)形成極化所需時(shí)間極短(因電子質(zhì)量極小),約為10-15s,在一般頻率范圍內(nèi),可以認(rèn)為ε與頻率無關(guān);

b)具有彈性,當(dāng)外電場(chǎng)去掉時(shí),作用中心又馬上會(huì)重合而整個(gè)呈現(xiàn)非極性,故電子式極化沒有能量損耗。

c)溫度對(duì)電子式極化影響不大。

在數(shù)量級(jí)上上述各種情況均相同,其值都在10-40F·m2,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。

由量子力學(xué)計(jì)算給出的電子極化率為

第九頁,共四十三頁,編輯于2023年,星期日2、離子位移極化:離子晶體中,無電場(chǎng)作用時(shí),離子處在正常格點(diǎn)位置并對(duì)外保持電中性,但在電場(chǎng)作用下,正、負(fù)離子產(chǎn)生相對(duì)位移,破壞了原先呈電中性分布的狀態(tài),電荷重新分布,相當(dāng)于從中性分子轉(zhuǎn)變?yōu)榕紭O子產(chǎn)生離子位移極化.

離子位移極化主要存在于離子化合物材料中,如云母、陶瓷材料等。(1)離子位移極化率:

以NaCl為例,在外電場(chǎng)E作用下,正、負(fù)離子相對(duì)自己原來位置發(fā)生△r大小位移,在△r不大時(shí),離子達(dá)到平衡的條件是電場(chǎng)作用力與離子的恢復(fù)力相等,即第十頁,共四十三頁,編輯于2023年,星期日(2)離子位移極化的特點(diǎn):

a)形成極化所需時(shí)間很短,約為10-13s。在頻率不太高時(shí),可以認(rèn)為ε與頻率無關(guān);b)屬彈性極化,能量損耗很小。c)離子位移極化受兩個(gè)相反因素的影響:溫度升高時(shí)離子間的結(jié)合力降低,使極化程度增加;但離子的密度隨溫度升高而減小,使極化程度降低。通常,前一種因素影響較大,故ε一般具有正的溫度系數(shù),即隨溫度升高,出現(xiàn)極化程度增強(qiáng)趨勢(shì)的特征。第十一頁,共四十三頁,編輯于2023年,星期日3、偶極子轉(zhuǎn)向極化:極性電介質(zhì)中,存在具有固有偶極矩μ0的偶極子。無外電場(chǎng)時(shí),偶極子排列混亂,使∑μi=0;加外電場(chǎng)時(shí),偶極轉(zhuǎn)向,成定向排列,從而使電介質(zhì)極化.(1)偶極子極化率:具有固有電偶極矩μ0的偶極子的轉(zhuǎn)向極化率為

(2)偶極子極化的特點(diǎn):a)極化是非彈性的,消耗的電場(chǎng)能在復(fù)原時(shí)不可能收回。b)形成極化所需時(shí)間較長(zhǎng),約為10-10~10-2s,故其ε與電源頻率有較大的關(guān)系,頻率很高時(shí),偶極子來不及轉(zhuǎn)動(dòng),因而其ε減小。

c)溫度對(duì)極性介質(zhì)的ε有很大的影響。

第十二頁,共四十三頁,編輯于2023年,星期日4、空間電荷極化:空間電荷極化常常發(fā)生在不均勻介質(zhì)中。在電場(chǎng)作用下,不均勻介質(zhì)內(nèi)部的正負(fù)間隙離子分別向負(fù)、正極移動(dòng),引起電介質(zhì)內(nèi)各點(diǎn)離子密度的變化,出現(xiàn)了電偶極距。這種極化叫作空間電荷極化。在電極附近積聚的離子電荷就是空間電荷。實(shí)際上晶界,相界,晶格畸變,雜質(zhì)等缺陷區(qū)都可成為自由電荷運(yùn)動(dòng)的障礙,在這些障礙處,自由電荷積聚,也形成空間電荷極化

空間電荷極化的特點(diǎn):空間電荷極化隨溫度升高而下降。因?yàn)闇囟壬?,離子運(yùn)動(dòng)加劇,離子擴(kuò)散容易,因而空間電荷減少。空間電荷的建立需要較長(zhǎng)的時(shí)間,大約幾秒到數(shù)十分鐘,甚至數(shù)十小時(shí),因此空間電荷極化只對(duì)直流和低頻下的介電性質(zhì)有影響。第十三頁,共四十三頁,編輯于2023年,星期日5、松弛極化

當(dāng)材料中存在著弱聯(lián)系電子、離子和偶極子等松弛質(zhì)點(diǎn)時(shí),熱運(yùn)動(dòng)使這些松弛質(zhì)點(diǎn)分布混亂,而電場(chǎng)力圖使這些質(zhì)點(diǎn)按電場(chǎng)規(guī)律分布,最后在一定溫度下,電場(chǎng)的作用占主導(dǎo),發(fā)生極化。這種極化具有統(tǒng)計(jì)性質(zhì),叫作熱松馳極化。

松馳極化的特點(diǎn):松馳極化的帶電質(zhì)點(diǎn)在熱運(yùn)動(dòng)時(shí)移動(dòng)的距離可以有分子大小,甚至更大。松馳極化中質(zhì)點(diǎn)需要克服一定的勢(shì)壘才能移動(dòng),因此這種極化建立的時(shí)間較長(zhǎng)(可達(dá)10-2-10-9秒),并且需要吸收一定的能量,所以這種極化是一種不可逆的過程。松馳極化多發(fā)生在晶體缺陷處或玻璃體內(nèi)。第十四頁,共四十三頁,編輯于2023年,星期日§2材料的介電性1、介電常數(shù)與相對(duì)介電常數(shù)

為了將極化強(qiáng)度P和宏觀實(shí)際有效電場(chǎng)E相聯(lián)系,人們定義

一、介電常數(shù):

式中

為真空介電常數(shù),其值為8.85×10-12F/m,

為電介質(zhì)的極化系數(shù),是個(gè)無量綱的數(shù)。

第十五頁,共四十三頁,編輯于2023年,星期日式中

為電介質(zhì)的絕對(duì)介電常數(shù);

為電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù),是一個(gè)無量綱的數(shù)。電介質(zhì)在電場(chǎng)中的極化將使電感應(yīng)強(qiáng)度D變化,

絕對(duì)介電常數(shù)、相對(duì)介電常數(shù)都表征電介質(zhì)極化并儲(chǔ)存電荷的能力的宏觀物理量。

第十六頁,共四十三頁,編輯于2023年,星期日2、相對(duì)介電常數(shù)與分子極化率α的關(guān)系

對(duì)彌散態(tài)物質(zhì),1880年,H.A.Lorentz和

L.Lorenz各自獨(dú)立得到下列公式

式中N單位體積中的分子數(shù)。此式稱為L(zhǎng)orentz-Lorenz公式,它將表征極化特性的宏觀參數(shù)(介電常數(shù))與微觀參數(shù)(分子極化率α)聯(lián)系起來,同時(shí)提供了計(jì)算介電性能參數(shù)的方法。第十七頁,共四十三頁,編輯于2023年,星期日Clausius-Mosotti方程——相對(duì)分子質(zhì)量——密度——阿佛迦德羅常數(shù)——電子極化率由上式可知,介電常數(shù)是隨著電子極化率的增大而增大。密度增大,介電常數(shù)也將提高。第十八頁,共四十三頁,編輯于2023年,星期日二、介電馳豫

1、馳豫過程:一個(gè)宏觀系統(tǒng)由于周圍環(huán)境的變化或受到外界的作用而變?yōu)榉菬崞胶鉅顟B(tài),這個(gè)系統(tǒng)再從非平衡狀態(tài)過渡到新的熱平衡態(tài)的整個(gè)過程就稱為馳豫過程。

馳豫過程實(shí)質(zhì)上是系統(tǒng)中微觀粒子由于相互作用而交換能量,最后達(dá)到穩(wěn)定分布的過程。馳豫過程的宏觀規(guī)律決定于系統(tǒng)中微觀粒子相互作用的性質(zhì)。因此,研究馳豫現(xiàn)象是獲得這些相互作用的信息的最有效途徑之一。

2、介電馳豫與馳豫時(shí)間:

發(fā)生在電介質(zhì)中的與極化相關(guān)的馳豫過程就是介電馳豫。

第十九頁,共四十三頁,編輯于2023年,星期日式中τ稱為馳豫時(shí)間,它是P減小到e-1倍時(shí)所需要的時(shí)間。

由初始條件可知此微分方程的解為

設(shè)在t<0時(shí),介質(zhì)受外電場(chǎng)作用產(chǎn)生極化,其強(qiáng)度為P0,在t=0時(shí)突然除去電場(chǎng),然后系統(tǒng)就會(huì)經(jīng)歷馳豫過程,其極化強(qiáng)度將隨時(shí)間逐漸減小,最后達(dá)到熱平衡態(tài)的零值。一般可設(shè)極化強(qiáng)度P的減小速率與P成正比,即第二十頁,共四十三頁,編輯于2023年,星期日德拜在描述電介質(zhì)極化現(xiàn)象的馳豫過程中采用介如下電常數(shù)ε對(duì)交變電場(chǎng)的頻率ω的關(guān)系3、德拜馳豫方程:其中,

是電場(chǎng)頻率趨于無窮大時(shí)介質(zhì)的介電常數(shù)。α(t)被稱為衰減因子。

若在t<0時(shí),介質(zhì)的極化強(qiáng)度為0,在t=0時(shí)突然加一恒定電場(chǎng),則系統(tǒng)也會(huì)經(jīng)歷馳豫過程,其極化強(qiáng)度將隨時(shí)間逐漸增大,最后達(dá)到新的熱平衡態(tài)的P0值。這一馳豫過程的極化強(qiáng)度變化為

第二十一頁,共四十三頁,編輯于2023年,星期日上面兩個(gè)式子常稱為德拜方程。

在一定情況下,可設(shè)

令,于是由上述積分可得

第二十二頁,共四十三頁,編輯于2023年,星期日從上面還可得到

這是一個(gè)以為坐標(biāo)的圓方程。如果分別以為橫、縱坐標(biāo)做圖,則方程描繪的是一條半圓周曲線。這種曲線常稱為Cole-Cole圖。

4、Cole-Cole圖從德拜方程中消去ωτ,可得到

第二十三頁,共四十三頁,編輯于2023年,星期日Cole-Cole圖在處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)很有用。只要在實(shí)驗(yàn)上測(cè)出不同頻率下材料的復(fù)介電常數(shù)的實(shí)部和虛部,并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在復(fù)平面上做Cole-Cole圖,就可以從圖上材料的介電馳豫是否屬于德拜馳豫,還可以求得馳豫時(shí)間。

顯然,半圓與橫坐標(biāo)的兩個(gè)交點(diǎn)的值是。將半圓頂點(diǎn)的坐標(biāo)代入德拜方程,可以得到頂點(diǎn)處的圓頻率與馳豫時(shí)間的關(guān)系為ωτ=1。

第二十四頁,共四十三頁,編輯于2023年,星期日三、介質(zhì)損耗:

電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下,單位時(shí)間消耗的電能叫介質(zhì)損耗。

1、損耗的形式①電導(dǎo)損耗:在電場(chǎng)作用下,介質(zhì)中由泄漏電流引起的損耗就是電導(dǎo)損耗。絕緣好的液、固電介質(zhì)在工作電壓下時(shí)一般電導(dǎo)損耗很小,但隨溫度的增加而急劇增加的。②極化損耗:由各種極化機(jī)構(gòu)在電場(chǎng)作用下發(fā)生的能量損耗稱為極化損耗。極化損耗主要是由那些較緩慢的極化過程造成的,如偶極子的極化損耗。極化損耗與溫度有關(guān),也與交變電場(chǎng)的頻率有關(guān),在某種溫度或某種頻率下,損耗會(huì)呈現(xiàn)最大值。③游離損耗:氣體間隙中的電暈損耗和液、固絕緣體中局部放電引起的功率損耗稱為游離損耗。

第二十五頁,共四十三頁,編輯于2023年,星期日2、介質(zhì)損耗的表示

在大多實(shí)際電介質(zhì)中,介電常數(shù)是復(fù)數(shù)常用損耗角的大小表示介質(zhì)損耗,損耗角定義為

第二十六頁,共四十三頁,編輯于2023年,星期日四、介電常數(shù)與介質(zhì)損耗的影響因素

材料電介常數(shù)與頻率的一般關(guān)系如下:

1、頻率的影響電子極化→離子(原子)極化→偶極極化→界面極化→電頻率光頻率ε第二十七頁,共四十三頁,編輯于2023年,星期日第二十八頁,共四十三頁,編輯于2023年,星期日εr,tgδ,p與ω的關(guān)系

1)外加電場(chǎng)頻率很低(ω→0)時(shí),介質(zhì)的各種極化都能跟上外加電場(chǎng)的變化,介電常數(shù)有最大值,不存在極化損耗。介質(zhì)損耗主要由漏導(dǎo)引起。2)隨外加電場(chǎng)頻率升高,松弛極化在某一頻率開始跟不上外電場(chǎng)的變化,它對(duì)介電常數(shù)的貢獻(xiàn)減小,因而εr隨ω升高而減少。在這一頻率范圍內(nèi),由于ωτ<<1,故tgδ隨ω升高而增大,同時(shí)P也增大。(3)當(dāng)ω很高時(shí),εr→ε∞,介電常數(shù)僅由位移極化決定,εr趨于最小值。此時(shí)由于ωτ>>1,此時(shí)tgδ隨ω升高而減小。ω→∞時(shí),tgδ→0。第二十九頁,共四十三頁,編輯于2023年,星期日2、溫度的影響溫度對(duì)松弛極化產(chǎn)生影響,因而P,ε和tgδ與溫度關(guān)系很大。松弛極化隨溫度升高而增加,此時(shí),離子間易發(fā)生移動(dòng),松弛時(shí)間常數(shù)τ減小。(1)當(dāng)溫度很低時(shí),隨溫度上升,εr、tgδ和P上升。

(3)當(dāng)溫度升到很大值時(shí),離子熱運(yùn)動(dòng)能量很大,離子在電場(chǎng)作用下的定向遷移受到熱運(yùn)動(dòng)的阻礙,因而極化減弱,εr下降。此時(shí)電導(dǎo)損耗劇烈上升,tgδ也隨溫度上升急劇上升。(2)在中間溫度范圍的某一溫度Tm下,P和tgδ有極大值,第三十頁,共四十三頁,編輯于2023年,星期日1:結(jié)構(gòu)損耗;2:松弛損耗,3:電導(dǎo)損耗;4:總

玻璃中各種介質(zhì)損耗與溫度的關(guān)系

第三十一頁,共四十三頁,編輯于2023年,星期日五、電介質(zhì)的電導(dǎo)電介質(zhì)并非理想絕緣體,在電場(chǎng)作用下均有一定的電流通過,此為電介質(zhì)的電導(dǎo)。電介質(zhì)的電導(dǎo)大小,一般用電阻率ρ或電導(dǎo)率γ表示。這兩個(gè)都是表征材料導(dǎo)電性能的宏觀參數(shù),與材料的幾何尺寸無關(guān)。在含有m種載流子參與導(dǎo)電的情況下,電導(dǎo)率可表示為:第三十二頁,共四十三頁,編輯于2023年,星期日按導(dǎo)電載流子種類,電介質(zhì)的電導(dǎo)可分為:(1)電子電導(dǎo)(包括空穴導(dǎo)電):載流子是帶負(fù)電荷的電子(或帶正電荷的空穴)(2)離子電導(dǎo):載流子是理解了的原子或原子團(tuán)(離子),它們可以帶正電荷,也可以帶負(fù)電荷。離子導(dǎo)電時(shí),伴隨有電解現(xiàn)象發(fā)生。

固態(tài)導(dǎo)體、半導(dǎo)體及強(qiáng)電場(chǎng)下的絕緣體中主要是電子電導(dǎo),液態(tài)導(dǎo)體、半導(dǎo)體及弱電場(chǎng)下的絕緣體中主要是離子電導(dǎo)。第三十三頁,共四十三頁,編輯于2023年,星期日氣體電介質(zhì)的電導(dǎo)

常溫、常壓下的氣體在較低電場(chǎng)強(qiáng)度下都是優(yōu)良的絕緣體,能夠通過氣體的電流極其微弱,只有采用很高靈敏度的靜電計(jì)才能檢測(cè)出來(j<10-14A/m2)j-E曲線三區(qū)域:Ⅰ——?dú)W姆電導(dǎo)區(qū)Ⅱ——飽和電流區(qū)Ⅲ——電流激增區(qū)第三十四頁,共四十三頁,編輯于2023年,星期日液體電介質(zhì)的電導(dǎo)液體電介質(zhì)在純凈的情況下,電導(dǎo)率一般很小,如經(jīng)硅膠、白土精制后的礦物油,其電導(dǎo)率在80℃下僅為10-13S/m。工程用液體介質(zhì)由于受雜質(zhì)影響,其電導(dǎo)率一般較大,在10-13~10-9S/m的范圍內(nèi)變化。極性的比非極性的高。離子電導(dǎo)膠粒電導(dǎo)電子電導(dǎo)第三十五頁,共四十三頁,編輯于2023年,星期日固體電介質(zhì)的電導(dǎo)離子電導(dǎo)電子電導(dǎo)第三十六頁,共四十三頁,編輯于2023年,星期日固體電介質(zhì)的表面電導(dǎo)親水電介質(zhì)疏水電介質(zhì)第三十七頁,共四十三頁,編輯于2023年,星期日六、介電強(qiáng)度與擊穿

熱擊穿:當(dāng)外加的電壓足夠高時(shí),介質(zhì)可能處于發(fā)熱大于散熱的狀態(tài),這將導(dǎo)致介質(zhì)溫度持續(xù)升高,直至出現(xiàn)永久性損壞,這就是熱擊穿。熱擊穿電壓隨環(huán)境溫度升高而降低。

電介質(zhì)只能在一定的電場(chǎng)強(qiáng)度以內(nèi)保持絕緣的特性。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度超過某一臨界值時(shí),電介質(zhì)變成了導(dǎo)體,這種現(xiàn)象稱為電介質(zhì)的擊穿,相應(yīng)的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度稱為介電強(qiáng)度或擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度。顯然,在電介質(zhì)的使用中,這個(gè)參數(shù)特別重要。

嚴(yán)格地劃分擊穿類型是很困難的,通常分為三種類型:熱擊穿、電擊穿、局部放電擊穿。

第三十八頁,共四十三頁,編輯于2023年,星期日電擊穿:在強(qiáng)電場(chǎng)下,固體導(dǎo)帶中的電子一方面在外電場(chǎng)作用下被加速獲得動(dòng)能,另一方面與晶格振動(dòng)相互作用,把能量傳遞給晶格。若電場(chǎng)給于電子的能量大于電子傳遞給晶格振動(dòng)能量時(shí),電子的動(dòng)能就會(huì)越來越大,達(dá)到某個(gè)值后,電子與晶格相互作用還會(huì)導(dǎo)致電離產(chǎn)生新電子,使自由電子數(shù)迅速增加,電導(dǎo)率不斷增大,擊穿發(fā)生。

表面放電和邊緣擊穿:固體介質(zhì)常處于周圍氣體媒質(zhì)中。擊穿時(shí),常發(fā)現(xiàn)介質(zhì)本身并末擊穿,但有火花掠過它的表面,這就是表面放電。表面放電與電場(chǎng)畸變有關(guān)。

在電極邊緣,常常有電場(chǎng)集中,因而擊穿常在電極邊緣發(fā)生,即邊緣擊穿。

表面放電與邊緣擊穿決定于電極周圍的媒質(zhì)以及電場(chǎng)的分布,也與電介質(zhì)的介電系數(shù)、電導(dǎo)率有關(guān)。第三十九頁,共四十三頁,編輯于2023年,星期日七、新型高性能介電材料需求分析1、集成電路基

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