材料物理性能综述.docx
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材料物理性能综述
材料物理性能
食品介电特性的研究进展
摘要
介电特性是生物分子中的束缚电荷对外加电场的响应特性，通过对食品介电特性的研究，可以更好地对食品的成分、组织、状态等品质进行分析和监控，也可以有效地利用物质的电特性进行食品加工，其应用范围非常广泛，已在农产品贮藏保鲜、电加工、品质检测、筛选分级等方面都显示出特殊的优势。
该文通过对国内外食品介电特性研究资料的分析，阐述了食品介电特性的概念、种类、意义、测试方法等，为今后研究及发展趋势提出了建议和意见对进一步深入研究食品介电特性及其应用具有参考价值和指导意义
关键词：
食品；介电特性；研究进展
目录
摘要II
第1章电磁学基本理论1
1.1物质的分类1
1.2介质极化理论2
1.3电介质的极化和介电损耗5
1.4介电松弛（弛豫）5
第2章食品介电特性的简介7
2.1食品物料的基本介电特性7
2.2食品介电特性的研究现状9
2.3食品电特性的测定方法9
第3章食品电物性在无损检测中的应用10
3.1无损检测技术的原理和方法10
3.2利用电学特性的无损检测技术研究现状10
参考文献14
第1章电磁学基本理论
食品物性学已成为食品科学研究和食品工业发展必要的研究领域，特别是现代工业化、规格化、规模化食品生产的要求，使对食品的各种性质从传统的感性经验向定性定量化物性的发展成为必然。
食品的物理性质包括力学性质、光学性质、热学性质和电学性质等。
其中关于电物性的研究相对较晚，研究报道较少。
物质的电特性包括导电特性和介电特性，介电特性是生物分子中的束缚电荷对外加电场的响应特性，它的应用范围非常广泛，在农产品贮藏保鲜、电加工、品质检测、筛选分级等方面都显示出特殊的优势，早在20世纪40年代发达国家就开始进行了研究，目前主要是日本、美国的研究较多，处于世界领先水平。
我国是20世纪80年代后才开始了这方面的工作，可以说才刚开始起步，尤其是利用电物性对食品品质的检测与评价、食品加工过程的控制等方面的研究还相当落后，很多方面几乎处于空白。
对食品介电特性的应用研究还得从基础的电磁学、物理学理论说起[1-3]。
1.1物质的分类
任何物质都是由原子和分子组成，物质能够使电荷从物质的一个地方转移到另一个地方或传导到其他物体上。
物质转移和传导电荷能力的大小也可以看作电荷能够在这种物质中移动的难易程度。
根据物质转移和传导电荷能力的强弱（或电荷在物质中转移的难易程度），通常人们把物质分为三类：
转移和传导电荷能力很强的物质，或电荷很容易在其中移动的物质叫做导体；反之，转移和传导电荷能力很差的物质，即电荷在其中很难移动的物质叫做绝缘体；介于这两者之间的物质叫做半导体。
其中，导体可分为离子导体和电子导体，它们分别依靠离子定向运动和自由电子运动而导电；非导体也称为电介质、绝缘体。
电介质可以是气态、液态或固态，分布极广。
电介质的特征是正、负电荷中心不重合的电极化方式传递、存储或记录电的作用和影响。
组成电介质的原子或分子中的正负电荷束缚得很紧，电介质材料由于其电子受到原子核的强烈束缚，在电介质内部能作自由运动的电荷（电子）极少，电导率均在10-8西门子/米以下，故电介质在一般情况下不导电。
当外电场超过某极限值时，电介质被击穿而失去介电性能[1,4]。
1.2介质极化理论[5,6]
从物理学的知识可知，在电介质中，所有的电子都被束缚在特定的原子中，不存在可以自由移动的电荷。
但在外电场作用时，每个原子中的电子将会产生微小的位移或改变方向。
其结果是使介质表面出现极化电荷，这种电荷与导体中的自由电荷不同，它们不能在电介质内部自由运动，也不能离开电介质，故称为束缚电荷（boundcharge）（极化电荷）。
这些电荷产生的电场虽然不能完全抵消介质中的电场，但却能削弱它。
我们把电介质在外电场作用下，介质表面产生极化电荷的现象，称为电介质的极化（polarizationofdielectric）。
电介质中每个分子都是由正、负电荷构成的复杂带电系统，即带负电的电子和带正电的原子核组成的，正、负电荷在分子中都不集中于一点，但是，分子中全部负电荷对远离该分子的地方的作用，却与一个集中在一点上的负电荷等效，这个等效负电荷的位置称为负电荷的“等效中心”，同样，每个分子的正电荷也可以认为集中于一点，称为正电荷的“等效中心”。
如果每个分子的正、负电荷分布不均匀，其正、负电荷的等效中心不重合而间隔一定距离，这时每个分子可视为一个等效的电偶极子而具有一定的电偶极矩，这类分子叫做极性分子（ploarmolecule），整个电介质可以看作一个由大量电偶极子组成的体系，如SO2、H2S、NH3等气体，水、硝基苯、酷类、有机酸等液体，它们在没有外电场的作用时，每个分子的正、负电荷“中心”不重合，这样虽然分子中正负电量代数和仍然是零，但等量的正、负电荷“中心”互相错开，形成一定的电偶极矩，称作分子的固有电矩（intrinsicelectricmoment），这类电介质称为有极分子电介质。
与此相反，如果分子中的正、负电荷分布均匀，正、负电荷的等效中心相重合，如H2、O2、N2、CH4等气体，这类分子叫做无极性分子（nonpolarmolecule），这类电介质称为无极分子电介质。
电介质分子极性的大小是由其分子的结构决定的，结构对称的分子，其正、负电荷重心均与其对称中心相重合，如单原子分子、同种原子所组成的分子以及对称结构的多原子分子都是无极分子；若分子结构不对称，则为有极分子，像离子键化合物、具有电负性差的双原子分子以及原子排列的相对位置不对称的分子，都是有极分子。
在无外电场作用时，无论是无极分子还是有极分子，由于不规则的热运动，其平均效果使得电介质宏观上不产生电场，极化强度等于零；当有外加电场作用时，电介质分子会沿外电场方向贡献电偶极距，使电介质产生宏观极化，因此电介质是以正、负电荷重心不重合的电极化方式传递、存贮或记录电的作用和影响，束缚电荷起着主要作用。
由于每个分子都成为一个电偶极子，在电介质内排列如图1-1，图2-2。
在均匀电介质内部，相邻电偶极子的正、负电荷相互靠近，电性中和，使得内部各处仍然保持电中性。
但在电介质的两个和外电场E0相垂直的表面层里（厚度为分子等效电偶极矩的轴长1），出现了等量异种束缚电荷。
尽管极性分子电介质和无极性分子电介质极化的微观机制不同，但宏观结果却是一样的，都是在电介质的两侧表出现了只有正电荷或只有负电荷的电荷层。
电介质的极化状态可用极化强度矢量尸来描述，极化规律为：
（1-1）
式中：
P一极化的强度，表示单位体积内电偶极矩的矢量和，可理解为介质被极化的难易程度；
一极化率，由电介质的性质所决定；
E一介质内的总电场强度；
一表示真空绝对介电常数
图1-1无极性分子极化示意图
图1-2极性分子极化示意图
20世纪二十年代，当关于原子结构和分子结构的研究开始发展的时候，电极化基本过程的研究也随着发展起来了。
在电磁学中，电介质极化分为无极分子的位移和有极分子的取向极化两种类型，在电工技术中，将其分为电子位移极化、离子位移极化、偶极子转向极化及空间电荷极化四种基本类型。
实际上，电子位移极化、离子位移极化即为无极分子位移极化；偶极子转向极化即为有极分子取向极化，此两种极化存在于一种介质中，而空间电荷极化是由电介质中带电质点移动形成的。
电子位移极化（electronicpolarization）：
在电场的作用下组成介质的原子中的核外电子云发生畸变，从而感应电矩：
电子位移极化的偶极矩与原子结构有关，与介质温度无关。
原子极化（atomicpolarization）：
在电场的作用下，构成分子的各个原子或原子团发生了偏移而产生了极化。
各原子的偏移是在像弹性振动那样的振动下进行的。
原子极化也称为红外极化。
取向极化（orientationpolarization）：
由于极性分子中固有的电矩的存在，在外电场的作用下，电矩转向，沿外电场定向排列，从而在介质中产生宏观电矩；分子在电场方向的平均偶极矩与电场成正比，与介质温度成反比。
取向极化率强烈地随温度而变。
离子极化（ionicpolarization）：
即空间电荷极化，对于不均匀物质，空间电荷在外电场的作用下发生移动，而在边界区域聚集，从而产生感应电矩。
例如生物组织在细胞膜上会产生这种极化。
电介质在外加电场作用下必将产生功率或能量损耗。
它包括两个方面，一种是电流在电导上产生的损耗，它与电导成正比，称为电导损耗；另一种是对极性介质在交变电场作用下，偶极子反复转向或吸收电流引起的极化损耗。
介质损耗因数是反映电介质损耗大小的特征参量，它仅取决于电介质材料的介电特性，而与介质的尺寸无关。
所有可能的极化损耗机理中，取向极化是最相对明显的。
如，在利用1GHz的微波高频加热时，取向起主要极化作用:
在较低频率段取向极化和离子极化同时对介质起主要作用，并且其极化的强弱与温度有很大的关系。
1.3电介质的极化和介电损耗[7]
电介质的极化过程与物质结构密切相关，介质的相对介电常数#r是综合反映介质极化这一微观过程的宏观物理量，它是频率哟函数
（f）。
以真空绝对介电常数为
，约为8.854×10-12F/m，在其它介质中（如固体，液体，汽体）的介电常数值比真空绝对介电常数值都大，因此，引入相对介电常数来表示它们之间的关系：
，这里，
为物质的绝对介电常数；
为物质的相对介电常数。
由于在研究中所用的频率都是正弦波形，用复数来表示电场强度随时间的变化，所以介电常数是一个由虚部和实部组成的复数。
（1-2）
式中：
一复数介电常数；
一介电常数，它与物质贮存电能的能力相关，是衡量介质极化程度的尺度；
一介电常数虚部，表示损耗，也称介电损耗，介质损耗因数，与各种能量的耗散机制有关。
当极化时对于电场变化产生的滞后角度为
时，
称为损耗角（lossangle），tan
称为损耗正切，它与
和
之间的关系为
（1-3）
由tan
的绝对值可以判断介质的导电性能，tan
》1时，介质为导体:
tan≈1时，介质为半导体；tan
《1时，介质为电介质。
和
与频率密切相关，如图1-3，当频率为零或很低（例如1kHz）时，电子极化、取向极化和位移极化三种微观过程都参与作用，这时的介电常数
对于一定的电介质而言是个常数。
随着频率的增加，分子固有电矩的转向极化逐渐落后于外场的变化，这时介电常数取复数形式，实部
随频率的增加而下降，同时虚部出现如图1-3所示的峰值，这种变化规律称为弛豫型。
当频率再增加，实部
降至新恒定值，而虚部
则变为零，这反映了分子固有电矩的转向极化已经完成，对外电场不再作出响应，反映这一极化特征的是德拜方程（Debye模型）（见式1-4），在X轴和Y轴组成的复平上，
和
构成了半圆曲线（图1-4（a）），又称Debye半圆，该方程也是现有高、低频和微波测量方法的基础。
（1-3）
式中：
一复数介电常数；
一频率很高（
）时的介电常数；
一频率很低（
）时的介电常数；
一松弛时间：
S
一频率角
当频率进入到红外区，分子中正、负离子电矩的振动频率与外场发生共振时，实部
先突然增加，随即陡然下降，同时
又出现峰值；然后正、负离子的位移极化也不起作用了；在可见光区，只有电子云的畸变对极化有贡献，这时实部取更小的值，称为光频介电常数，记作
，实际上，光频介电常数随频率的增加而略有增加，称为正常色散。
在某些光频频率附近，实部
先突然增加随即陡然下降，下降部分称为反常色散，与此同时，虚部出现很大的峰值，这对应于电子跃迁的共振吸收。
根据光的电磁波理论，介质对光的折射率
的平方等于相对介电常数，在极高光频电场下，只有电子过程才起作用，故
，利用光的折射、反射、透射和朗伯吸收模型来表征这一特性，这是光学频段电特性测量方法的基础。
图1-3介质的色散损耗和频率的关系
1.4介质松弛（弛豫）[6,7]
一个宏观系统由于周围环境的变化或经受了一个外界的作用而变成非热平衡状态时，这个系统经过一定时间由非热平衡态过渡到新的热平衡状态的整个过程，称为驰豫。
宏观系统的热平衡从统计意义上来说，是以其中的粒子按某种能量分布规律来表征的，这种规律通常是玻耳兹曼分布。
因此，驰豫过程实质上是系统中微观粒子由于相互作用而交换能量，最后达到稳定分布的过程，驰豫过程的宏观规律决定于系统中微观粒子相互作用的性质。
在外电场作用下，分子电矩在转向过程中因与周围分子发生碰撞而受阻，从而运动滞后于电场，出现强烈的极化驰豫。
极化是一种过程，各种极化都不是立即建立起来的。
从加上电场到建立起具有一定极化强度的稳定状态，需要经过一定的时间，称为驰豫时间（relaxationtime），它反映了极化消失的快慢和难易程度，同时极化松弛时间也可认为是去掉外电场后，极化消失所需要的时间。
松弛时间
的倒数为介质的特征频率
，关系式如1-5：
（1-3）
在特征频率附近，应该存在最大的介电损耗因数
。
这也是选择频率的理论依据，然而在对实际的电介质测定过程中发现，
的特征频率往往是一个较宽的范围，在这个宽的频带范围内，改变频率大小对介电特性的影响很小。
极化现象不仅受电场强度的影响，也受电场频率的影响。
如当电场变化速度大于极化松弛时间时，极化运动就可能来不及产生，当电介质所处的电场频率与特征频率接近时，极化运动对于外电场就会产生滞后。
滞后的程度与引起分子内摩擦而产生的热有关，把极化运动产生的热损耗称为介电损耗。
各种极化产生的频率区域不同，电子极化为紫外线域，原子极化为红外、远红外域，所以热损耗与电场频率密切相关。
当频率为零或频率很低（例如1kHz）时，四种极化的微观过程都参与作用。
图1-4显示了引起松弛现象的各种因素和频率范围，在实际检测中是多种因素的综合效应，所以需要选择适应的检测频率范围。
在食品物料中存在着各种松弛现象，比只有水分时存在的单一松弛现象更复杂，有多种松弛模型，如Cole-Cole经验公式，在复平面上的图形变成中心在X轴以下的圆弧，称为Cole-Cole圆弧（图1-4（b））
（1-6）
在此松弛机构中，有某个松弛时间为
。
在此
的前后分布着其他松弛时间，
表示分布程度，为实验常数，1>
>0。
图l-4（e）为Cole一Dvaidson斜弧模型，公式为l-7
（1-6）
为实验常数，l>
>0，当
=l时，与Debye模型相同。
图1-4各种形式的松弛现象
此外，还有其他的松弛模型，如Maxwell-Wganer模型，与Debye相似，发生在更低频率范围内。
第2章食品介电特性的简介
2.1食品物料的基本介电特性[8-10]
食品物质电特性包括导电特性和介电特性，主要由电导率和介电常数两个基本物理量来描述。
由于食品的种类繁多，组成的细胞结构和组织结构非常复杂，大多数是电介质、导体和电解质以各种不同形式组合成的复合体，所以很难用一个统一的电物理性质来描述。
因为食品成分基本属于电介质，因此食品电物性及其利用多与它的介电性质有关。
食品介电特性的主要参数有相对介电常数
、介质损耗因数
、损耗角正切tanδ和等效阻抗|z|等。
损耗因数反映电介质在电场中损耗的能量，与电场频率和材料结构有关；介质损耗角正切也是反映能量的损耗，介质损耗角是交流电的总电流与电容电流的夹角；介电常数又称为“电容率”或“相对电容率”，在同一电容器中用某一物质作为电介质时的电容与其中为真空时电容的比值称为该物质的“介电常数”，是固有的一种物理属性，通常随温度和介质中传播的电磁波的频率而变。
在交变电场作用下，植物组织也会出现极化现象，如图2-1植物的细胞是由电阻比较大的薄的细胞膜及具有离子导电性的小电阻的细胞液构成，是属于不均匀电介质，四种微观极化作用都存在，极化频率的变化情况直接影响到相对介电常数和损耗因数与频率的关系，如图2-2所示，该关系曲线一般可以分为三个区域:
α损耗（低频率段）、β损耗（高频率段）、γ损耗（微波段）。
假设生物组织中的细胞是有规则地排列的，由于细胞膜（壁）的电阻和电容很大，在低频率情况下，电流只在细胞外液流过，导致电阻很大；在高频率段，细胞膜（壁）的电容大，细胞内液也有电流流过，导致电阻明显减小，由于这样的细胞水平上的变化起因于组织结构的不均匀和多个界面的存在，所以称为构造损耗（β损耗）；α分布区域可能出现透过细胞膜的离子泳动，所以讨论很困难；γ分布在微波区域，是利用微波进行电加工的重要理论基础。
图2-1细胞结构内电特性图示图2-2细胞水平上的耗散
2.2食品介电特性的研究现状[11-14]
食品检测中的宏观电磁现象，归根结底都是由电荷的集积和运动产生的。
特别是生物材料中的电磁现象（表现为各种形式的生物电磁信号）携带有生物活体各种生理、病理信息，检测这些生物电磁信号并据此分析其内部电磁过程以及这些过程和生命活动的关系，对于揭示生命活动本质和分析生物活体的品质都具有重要意义。
例如，生物体的组织和细胞所进行的生命活动都伴随着电现象，产生一定的电位变化，通常把这种生物体内的电现象称为生物电。
它反映了生命活动中的一些物理化学变化，与生物体的新陈代谢有关。
通常生命活动旺盛时期，电活动也激烈，生物体受到损伤或处于病态，也都能通过电特性表现出来，一旦生命停止，生物电也即消失。
食品的电特性广义地可分为两大类，一是主动电特性，二是被动电特性。
前者包括由于食品材料中存在某些能源而产生的电特性。
这种存在于食品中的能源可能产生一个电动势或电势差，其在生物系统中表示为生物电势，在压电晶体中表现为应变诱导电势。
后者则反应了影响食品所占空间内电场和电流（电荷）的分布特性，还可以影响电场中食品的行为，它是由食品化学成分和物理结构所决定的固有特性。
食品材料在受到外界的刺激时就会产生抵抗，其通常表现为食品材料的电导率，电容率，击穿电位，刺激电位等。
食品的电特性不仅取决于其性质，通常还受环境的影响。
电特性直接关系到食品的加工、贮运、分级和无损检测等过程，具有很大的研究潜力和应用前景。
食品的电特性与其含水率、含糖量、损伤程度、硬度以及抗病能力等重要性质有直接或间接的联系，因此对食品的电特性理论与技术作进一步研究，有重要意义。
Dunlap等是最早开始对食品的介电特性进行研究的，他们研究了18kHz-5MHz频率范围内胡萝卜的介电特性，结果表明介电常数和电导率主要决定于水分含量，并与频率、温度、电极的尺寸、物料的密度等因素有关。
在水分含量为6%~8%时，介电常数和电导几乎不变，之后随着水分含量的增大，介电常数和电导也增大，这一结果为利用高频范围对食品含水量的测定提供了有力的理论依据。
之后很多学者对各类食品及食品物料电物性进行了广泛的研究。
Funedo等认为是果胶等亲水的高分子物质结合了水，从而使大蒜的测量结果出现差异。
Filiz.I.和Taner.B.综述了食品及生物材料的介电特性、影响因素及其在食品工业中的应用现状，提出了该研究方向具有广阔的应用前景。
由于大部分食品材料的介电性质随温度和组成而变化，在某些情况下变化非常大。
研究温度、组分和频率等因素对食品介电性质的影响非常有价值，很多食品在不同温度和频率下的介电性质已有报道，也得到了以盐分、水分为变量的不同食品类型介电常数的预测公式，特别是微波频段的研究颇多，因为微波域内，食品中的水分对电物性影响最大，当水分含量在60%~90%时，水分率和介电常数几乎是直线关系，与介电损耗的关系还不能确定。
从文献报道看，对食品材料在低频率范围内如Hz~KHz数量级频率段的电物性研究很少，对该范围内电物性的应用就显得更为薄弱，在国内该方面的研究才刚起步。
2.3食品电特性的测定方法[15]
电场中食品的电物性与电场频率有关，目前所指的电场频率为0~1013Hz，在如此宽的电场频带内，测定食品的电物性应有不同的方法，各频率段所对应的电物性测定法往往有好几种。
这是因为测定方法还与食品材料形状、性质特点等因素有关，有时要根据试样的大小尺寸，或对各向异性试样按一定方向来选定方法；测定介电特性时，首先是将样品等价为由电阻串联或并联而成的电学系统。
常用的测定方法有电桥法、时域测量法和频域测量法等。
①电桥电路法
这种方法测定的原理主要是利用各种形式的惠斯顿电桥电路来测定的，是低中频下的主要测定方法，利用3个已知阻抗臂求另一个被测试样桥臂的阻抗，调节电桥达到平衡，求出试样并联等效电容和电阻，计算出相对介电常数和损耗角正切。
该法简单，但误差较大。
②谐振法
通过对可调频率的振荡器激励RLC谐振电路实现对介电常数的测量，该法简单，但较难检测出各种谐振频率下的介电常数。
③时域测量法
通过测量反射系数来推知介电常数的测量方法，将时域测得的响应经傅氏变换为频域中的响应。
④频域测量法
在频域范围内用连续周期电磁波作为探测信号源，研究被测信号的稳态影响，主要方法有谐振腔法和自由空间法。
谐振腔法是用具有储能与选频特性的微波谐振传感器来测量介电常数的方法，该法复杂，需要破坏样品，适合于低损耗介电材料的测量。
自由空间法的用光学原理进行测量的方法，其原理简单，方法易行，但影响测量精度的因素很多。
第3章食品电物性在无损检测中的应用
利用果蔬的电特性可以确定其成熟度、新鲜度、损伤程度和含水率、含糖量等特性参数，还可以用于杀菌、干燥、解冻等加工工艺中。
3.1无损检测技术的原理和方法[16,17]
无损检测（NDT）技术是在不破坏被检对象的前提下，运用各种物理学的方法如声、光、电、图像视觉技术等手段对物料进行检测分析的一种方法和技术。
主要是基于被检物料的物理性质如密度、硬度形态、颜色等，进而判定成熟度以及内部的含糖量、糖酸比、水分、内部病变等。
在获取样品信息的同时保证了样品的完整性，检测速度较传统的化学方法迅速，且能有效地判断出从外观无法得出的样品内部品质信息。
随着现代物理学、材料科学、微电子学和计算机技术的发展，无损检测技术也随之迅猛发展起来了。
在一般工业领域作为产品的品质特性测定手段已是传统的方法，但在农产品和食品加工领域还是一种崭新的概念，是20世纪80年代以后出现的，近年来发展迅速，已成为食品加工业最具活力的一个研究方向，特别是食品安全问题对该技术提出了更高的要求。
无损检测技术主要包括射线检测、超声检测、电学和电磁学检测、力学和光学检测等。
该技术具有以下优点:
①无需使用化学药品，既减少了环境污染，又节约了成本；②无需取样就可以直接分析，测试技术简单，快速；③能实现实时、在线、全数检测，使品质管理更趋于合理化和自动化；④同一样品可以反复使用，可以进行连续多次的检测。
⑤无损检测的方法能即时检测，适用于在线检测（即在流水线上检测）。
检测的在线化，不仅可对产品全数检查，使品质管理更加合理化，而且为生产过程的自动化创造了条件。
⑥检测时无需特别的称重过程，室外也同样能完成检测过程。
⑦可以在单元操作下获得多个信息。
因而，能够检测食品与农产品的综合信息，如多个反映品质的特性等。
无损检测技术一般是从外部给待测物一个激励能量，待测物受激励能量影响时，从输入和输出的关系可获得待测物的物理化学特性（如图3-1所示）。
也有少数利用待测物自身发出能量的方法，例如利用物体本身的红外辐射，非接触式测定待测物的温度及化学发光等。
图3-1无损检测方法原理图
各种无损检测方法的基本原理几乎涉及现代物理的各个分支。
人们按照不同的原理和不同的探测及信息处理方法，已经应用和正在研究的各种无损检测方法，总共达70余种。
在食品与农产品加工行业最常使用的无损检测技术主要有力学方法、电磁学方法、光学方法、放射线法、计算机图像处理技术和电子气味检测法（电子
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