第八章 高聚物电学性质优秀课件.ppt

第八章 高聚物电学性质第1页，本讲稿共43页第一节第一节 概述概述大多数高聚物固有的电绝缘性质已长大多数高聚物固有的电绝缘性质已长期被利用来约束和保护电流，使它沿期被利用来约束和保护电流，使它沿着选定的途径在导体里流动，或用来着选定的途径在导体里流动，或用来支持很高的电场，以免发生电击穿。支持很高的电场，以免发生电击穿。第2页，本讲稿共43页品种繁多的高聚物，有着极宽的电学品种繁多的高聚物，有着极宽的电学性能指标范围，它们的介电常数从略性能指标范围，它们的介电常数从略大于大于1到到103或更高，电阻率的范围超或更高，电阻率的范围超过过20个数量级，耐压可高达个数量级，耐压可高达100万伏万伏以上。以上。第3页，本讲稿共43页高聚物的电学性质高聚物的电学性质是指聚合物在外加电是指聚合物在外加电压或电场作用下的行为及其所表现出来压或电场作用下的行为及其所表现出来的各种物理现象。研究高聚物的电学性的各种物理现象。研究高聚物的电学性质，具有非常重要的理论和实际意义。质，具有非常重要的理论和实际意义。在交变电场中的介电性质在交变电场中的介电性质在弱电场中的导电性质在弱电场中的导电性质在强电场中的击穿现象在强电场中的击穿现象在聚合物表面的静电现象在聚合物表面的静电现象第4页，本讲稿共43页绝大多数聚合物是绝缘体，具有卓绝大多数聚合物是绝缘体，具有卓越的电绝缘性能，其介电损耗和电越的电绝缘性能，其介电损耗和电导率低，击穿强度高，为电器工业导率低，击穿强度高，为电器工业中不可缺少的介电材料和绝缘材料中不可缺少的介电材料和绝缘材料例如，用于制造电容器，用于仪表例如，用于制造电容器，用于仪表绝缘和无线电遥控技术等绝缘和无线电遥控技术等 第5页，本讲稿共43页高聚物的电学性质往往高聚物的电学性质往往非常灵敏地反映材非常灵敏地反映材料内部结构的变化和分子运动状况料内部结构的变化和分子运动状况，因，因此电学性质的测量，作为力学性质测量此电学性质的测量，作为力学性质测量的补充，已成为研究高聚物的结构和分的补充，已成为研究高聚物的结构和分子运动的一种有力的手段子运动的一种有力的手段电学性质的测量方法，由于可以在很宽的电学性质的测量方法，由于可以在很宽的频率范围下进行观察，显示出有更大的优频率范围下进行观察，显示出有更大的优越性。越性。第6页，本讲稿共43页 本章将简要介绍本章将简要介绍高聚物的极化高聚物的极化，介电常数介电常数、介电损耗介电损耗、绝缘电阻绝缘电阻、介电强度介电强度以及以及静电静电等现象和概念。等现象和概念。第7页，本讲稿共43页第二节高聚物的极化及介电常数第二节高聚物的极化及介电常数一、电介质在外电场中的极化现象一、电介质在外电场中的极化现象 在外电场的作用下，电介质分子或在外电场的作用下，电介质分子或者其中某些基团中电荷分布发生的者其中某些基团中电荷分布发生的相应变化称为极化（相应变化称为极化（电子极化、原子电子极化、原子极化、取向极化、界面极化极化、取向极化、界面极化）第8页，本讲稿共43页1.电子极化电子极化电子极化是外电场作用下分子中各个原电子极化是外电场作用下分子中各个原子或离子的价电子云相对原子核的位移。子或离子的价电子云相对原子核的位移。极化过程所需的时间极短，约为极化过程所需的时间极短，约为 10-1310-15s。当除去电场时，位移立即恢复，无能量损当除去电场时，位移立即恢复，无能量损耗，所以也称耗，所以也称可逆性极化或弹性极化可逆性极化或弹性极化。第9页，本讲稿共43页2.原子极化原子极化分子骨架在外电场作用下发生变形造成的。分子骨架在外电场作用下发生变形造成的。如如CO2分子是直线形结构分子是直线形结构O=C=O，极化，极化后变成个后变成个 ，分子中正负电荷中心发生，分子中正负电荷中心发生了相对位移。了相对位移。极化所需要的时间约为极化所需要的时间约为10-13s并伴有微量并伴有微量能量损耗。能量损耗。第10页，本讲稿共43页以上两种极化统称为以上两种极化统称为变形极化变形极化或或诱导极诱导极化化其极化率不随温度变化而变化，聚合物其极化率不随温度变化而变化，聚合物在高频区均能发生变形极化或在高频区均能发生变形极化或诱导极化诱导极化第11页，本讲稿共43页3.取向极化取向极化 取向极化又称取向极化又称偶极极化偶极极化，是具有永久偶极，是具有永久偶极矩的极性分子沿外场方向排列的现象。矩的极性分子沿外场方向排列的现象。由于极性分子沿外电场方向的转动需要由于极性分子沿外电场方向的转动需要克服本身的惯性和旋转阻力。克服本身的惯性和旋转阻力。极化所需要的时间长，一般为极化所需要的时间长，一般为10-9s，发，发生于低频区域。生于低频区域。第12页，本讲稿共43页4.介电松弛谱介电松弛谱外外外外电电电电场场场场强强强强度度度度越越越越大大大大，偶偶偶偶极极极极子子子子的的的的取取取取向向向向度度度度越越越越大大大大；温温温温度度度度越越越越高高高高，分分分分子子子子热热热热运动对偶极子的取向干扰越大，取向度越小。运动对偶极子的取向干扰越大，取向度越小。运动对偶极子的取向干扰越大，取向度越小。运动对偶极子的取向干扰越大，取向度越小。对对对对聚聚聚聚合合合合物物物物而而而而言言言言，取取取取向向向向极极极极化化化化的的的的本本本本质质质质与与与与小小小小分分分分子子子子相相相相同同同同，但但但但具具具具有有有有不同运动单元的取向，从小的侧基到整个分子链。不同运动单元的取向，从小的侧基到整个分子链。不同运动单元的取向，从小的侧基到整个分子链。不同运动单元的取向，从小的侧基到整个分子链。完完完完成成成成取取取取向向向向极极极极化化化化所所所所需需需需的的的的时时时时间间间间范范范范围围围围很很很很宽宽宽宽，与与与与力力力力学学学学松松松松弛弛弛弛时时时时间间间间谱谱谱谱类类类类似似似似，也具有一个时间谱，称作介电松弛谱。也具有一个时间谱，称作介电松弛谱。也具有一个时间谱，称作介电松弛谱。也具有一个时间谱，称作介电松弛谱。第13页，本讲稿共43页5.介电常数介电常数 第14页，本讲稿共43页5.介电常数介电常数 真空电容器的电容为真空电容器的电容为 如果在上述电容器的两极板间充满电如果在上述电容器的两极板间充满电介质，这时极板上的电荷将增加到介质，这时极板上的电荷将增加到Q，Q=Q0+Q，此时，电容也相应增加为，此时，电容也相应增加为C 第15页，本讲稿共43页5.介电常数介电常数 定定义义含含有有电电介介质质的的电电容容器器的的电电容容C与与相相应应真真空空电电容容器器的的电电容容之之比比为为该该电电介介质质的的介介电电常数常数，即，即第16页，本讲稿共43页 电介质的极化程度越大，电介质的极化程度越大，Q 值越值越大，大，也越大。也越大。介电常数介电常数是衡量电介质极化程度是衡量电介质极化程度的宏观物理量，表征电介质贮存的宏观物理量，表征电介质贮存电能能力的大小电能能力的大小。第17页，本讲稿共43页第三节第三节 高聚物的介电损耗高聚物的介电损耗一、介电损耗的意义及其产生原因介电损耗的意义及其产生原因1.介电损耗的意义介电损耗的意义 电介质在交变电场中，由于消耗一部分电介质在交变电场中，由于消耗一部分电能，使介质本身发热，这种现象就是电能，使介质本身发热，这种现象就是介电损耗。介电损耗。第18页，本讲稿共43页二、介电损耗产生的原因介电损耗产生的原因（1）电介质中含有能导电的载流子，它在）电介质中含有能导电的载流子，它在外加电场的作用下，产生电导电流，消耗外加电场的作用下，产生电导电流，消耗掉一部分电能，转化为热能，称为掉一部分电能，转化为热能，称为电导损电导损耗耗。第19页，本讲稿共43页二、介电损耗产生的原因介电损耗产生的原因（2）电介质在交变电场下的极化过程中，）电介质在交变电场下的极化过程中，与电场发生能量交换。取向极化过程是一与电场发生能量交换。取向极化过程是一个松弛过程，电场使偶极子转向时，一部个松弛过程，电场使偶极子转向时，一部分电能损耗于克服介质的内粘滞阻力上，分电能损耗于克服介质的内粘滞阻力上，转化为热量，发生转化为热量，发生松弛损耗松弛损耗；变形极化是；变形极化是一种弹性过程或谐振过程，当电场的频率一种弹性过程或谐振过程，当电场的频率与原子或电子的固有振动频率相同时，发与原子或电子的固有振动频率相同时，发生共振吸收，损耗电场能量最大。生共振吸收，损耗电场能量最大。第20页，本讲稿共43页三、高聚物的介电松弛谱高聚物的介电松弛谱实际体系对外场刺激响应的滞后统实际体系对外场刺激响应的滞后统称为称为松弛现象松弛现象。第21页，本讲稿共43页在交变电场在交变电场E=E0 cost（E0为交变电为交变电流峰值）的作用下，电位移矢量也是时流峰值）的作用下，电位移矢量也是时间的函数。间的函数。由于聚合物介质的粘滞力作用，偶极取由于聚合物介质的粘滞力作用，偶极取向跟不上外电场变化，电位移矢量迟后向跟不上外电场变化，电位移矢量迟后于施加电场，相位差为于施加电场，相位差为，即，即 D D=D0 0 cos(cos(t-)=D D1 cost t+D2 sint第22页，本讲稿共43页D=D0 cos(cos(t-)=D1 cos cost+D2 2 sintt D1 电位移矢量跟上施加电场的部分电位移矢量跟上施加电场的部分D2 电位移矢量滞后于施加电场的部分电位移矢量滞后于施加电场的部分 D1=D0cos D2=D0 sin 第23页，本讲稿共43页令令 D1/E0 D2/E0 实测的介电系数，代表体实测的介电系数，代表体 系的储电能力系的储电能力 损耗因子，代表体系的耗损耗因子，代表体系的耗 能部分能部分 第24页，本讲稿共43页通常，用损耗角正切通常，用损耗角正切 tg表征聚合物表征聚合物电介质耗能与储能之比，即电介质耗能与储能之比，即tg=/取真空的相对介电系数为取真空的相对介电系数为 1，则非，则非极性聚合物的介电系数在极性聚合物的介电系数在2左右，损耗左右，损耗角正切小于角正切小于1 10-4；极性聚合物的损耗；极性聚合物的损耗角正切在角正切在1 10-15 10-3之间。之间。第25页，本讲稿共43页固体高聚物，当频率固定时在某温度范固体高聚物，当频率固定时在某温度范围内，或当温度介电损耗情况，可以得围内，或当温度介电损耗情况，可以得到一特征的图谱，称为高聚物的到一特征的图谱，称为高聚物的介电松介电松弛谱弛谱，前者为温度谱，后者为，前者为温度谱，后者为频率谱频率谱。第26页，本讲稿共43页介电损耗温度谱示意图介电损耗温度谱示意图第27页，本讲稿共43页在这些图谱上，高聚物的介电损耗一般在这些图谱上，高聚物的介电损耗一般都出现一个以上的极大值，分别对应于都出现一个以上的极大值，分别对应于不同尺寸运动单元的偶极子在电场中的不同尺寸运动单元的偶极子在电场中的松弛损耗。按照这些损耗峰在图谱上出松弛损耗。按照这些损耗峰在图谱上出现的先后，在温度谱上从高温到低温，现的先后，在温度谱上从高温到低温，在频率谱上从低频到高频，依次用在频率谱上从低频到高频，依次用、命名命名。第28页，本讲稿共43页固体高聚物的介电松弛综合图第29页，本讲稿共43页三种聚乙烯的介电谱（100KHz）第30页，本讲稿共43页两种聚四氟乙烯的介电谱（1KHz）第31页，本讲稿共43页第四节第四节 高聚物的导电性高聚物的导电性 材料的导电性是用材料的导电性是用电阻率电阻率 或或电导率电导率 来表示的。当试样加上直流电压来表示的。当试样加上直流电压U时，如果流过试样的电流为时，如果流过试样的电流为I，则按照，则按照欧姆定律，试样的电阻欧姆定律，试样的电阻R=U/I 第32页，本讲稿共43页试样的电导试样的电导 G 为电阻的倒数为电阻的倒数 G=1/R=I/U 电阻和电导的大小都与试样的几何尺电阻和电导的大小都与试样的几何尺寸有关，不是材料导电性的特征物理寸有关，不是材料导电性的特征物理量。量。第33页，本讲稿共43页试样的电阻与试样的厚度试样的电阻与试样的厚度h成正比，与成正比，与试样的面积试样的面积 S成反比成反比 R=h/S 比例常数比例常数 称为电阻率称为电阻率对试样的电导有对试样的电导有 G=S/h比例常数比例常数 称为电导率称为电导率第34页，本讲稿共43页显然，显然，电阻率与电导率电阻率与电导率都不再与试样都不再与试样的尺寸有关，而只决定于材料的性质，的尺寸有关，而只决定于材料的性质，它们互为倒数，都可用来它们互为倒数，都可用来表征材料的表征材料的导电性导电性。第35页，本讲稿共43页第五节第五节 高聚物的介电击穿高聚物的介电击穿 前面是讨论高聚物在弱电场中的行为。前面是讨论高聚物在弱电场中的行为。在强电场（在强电场（107108伏伏/米）中，随着电场米）中，随着电场强度进一步升高，电流电压间的关系已不强度进一步升高，电流电压间的关系已不再符合欧姆定律，再符合欧姆定律，dUdI逐渐减小，电流逐渐减小，电流比电压增大得更快。比电压增大得更快。第36页，本讲稿共43页一、介电击穿现象介电击穿现象当达到当达到dUdI 0时，即使维持电压不变，时，即使维持电压不变，电流仍然继续增大，材料突然电流仍然继续增大，材料突然从介电状态从介电状态变成导电状态变成导电状态。在高压下，大量的电能迅速地释放，使电在高压下，大量的电能迅速地释放，使电极之间的材料局部地被烧毁，这种现象就极之间的材料局部地被烧毁，这种现象就称为称为介电击穿介电击穿。dUdI 0处的电压处的电压Ub称为称为击穿电压击穿电压。击穿电压是介质可承受电压的极限击穿电压是介质可承受电压的极限。第37页，本讲稿共43页二、介电强度二、介电强度介电强度介电强度的定义是击穿电压的定义是击穿电压Ub与绝与绝缘体厚度缘体厚度h 的比值，即材料能长期承的比值，即材料能长期承受的最大场强：受的最大场强：Eb=Ubh Eb就是介电强度，或称就是介电强度，或称击穿场强击穿场强第38页，本讲稿共43页第六节第六节 高聚物的静电现象、危害和高聚物的静电现象、危害和 防止防止绝缘体表面的静电可以通过三条途径消绝缘体表面的静电可以通过三条途径消失：失：（1）通过空气（雾气）消失）通过空气（雾气）消失 （2）沿着表面消失）沿着表面消失 （3）通过绝缘体体内消失）通过绝缘体体内消失 因此可在三方面采取适当的措施，消除已因此可在三方面采取适当的措施，消除已经产生的静电。经产生的静电。第39页，本讲稿共43页静电沿绝缘体表面消失的速度取决于静电沿绝缘体表面消失的速度取决于绝缘体表面电阻率的大小。绝缘体表面电阻率的大小。（1）提高空气的湿度）提高空气的湿度 可以在亲水性绝缘体表面形成连续可以在亲水性绝缘体表面形成连续的水膜，加上空气中的的水膜，加上空气中的CO2和其他电和其他电离杂质的溶解，而大大提高表面导电离杂质的溶解，而大大提高表面导电性。性。第40页，本讲稿共43页（2）使用抗静电剂）使用抗静电剂 它是一些阳离子或非离子型活性剂。通常它是一些阳离子或非离子型活性剂。通常用喷雾或浸涂的办法涂布在高聚物表面，用喷雾或浸涂的办法涂布在高聚物表面，形成连续相，以提高表面的导电性。有时形成连续相，以提高表面的导电性。有时为了延长作用的时间，可将其加入塑料中，为了延长作用的时间，可将其加入塑料中，让它慢慢扩散到塑料表面而起作用。让它慢慢扩散到塑料表面而起作用。第41页，本讲稿共43页（3）纤维纺丝工序上油的措施）纤维纺丝工序上油的措施给给纤纤维维表表面面涂涂上上一一层层具具有有吸吸湿湿性性的的油油剂剂，它它吸吸收收空空气气中中的的水水分分而而增增加加纤纤维维的的导导电性，达到去静电的效果。电性，达到去静电的效果。第42页，本讲稿共43页（4）提高高聚物的体积电导率）提高高聚物的体积电导率 最方便的方法是添加炭黑、金属细粉或最方便的方法是添加炭黑、金属细粉或导电纤维，制成防静电橡皮或防静电导电纤维，制成防静电橡皮或防静电塑料。塑料。第43页，本讲稿共43页