聚合物的电性能光学性能热性能.ppt
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1、第十章第十章 聚合物的电性能、热性能聚合物的电性能、热性能和光学性能和光学性能聚聚合合物物的的电电学学性性能能是是指指聚聚合合物物在在外外加加电电压压或或电电场场作作用用下下的的行行为为及及其其所所表表现现出出来来的各种物理现象。的各种物理现象。在交变电场中的介电性能在交变电场中的介电性能在弱电场中的导电性能在弱电场中的导电性能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10.1 10.1 聚合物的电性能聚合物的电性能 聚合物电介质在外电场中的极化聚合物电介质在外电场中的极化 10.1.1 10.1.1 聚合物的极化和介电性能聚合物的极化和介电性能极化方
2、式极化方式感应极化感应极化取向极化取向极化在外电场作用下,电介质分子中电荷分布发生变化,使材在外电场作用下,电介质分子中电荷分布发生变化,使材料出现宏观偶极矩,这种现象称电介质的极化。料出现宏观偶极矩,这种现象称电介质的极化。(电子极(电子极化、原子极化、取向极化、界面极化)化、原子极化、取向极化、界面极化)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子或离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,无能量损耗,当除去电场时,
3、位移立即恢复,无能量损耗,所以也称可逆性极化或弹性极化。所以也称可逆性极化或弹性极化。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分子骨架在外电场作用下发生变形造成的。的。如如CO2分子是直线形结构分子是直线形结构O=C=O,极化后变成个极化后变成个,分子中正负电荷,分子中正负电荷中心发生了相对位移。中心发生了相对位移。极化所需要的时间约为极化所需要的时间约为10-13s并伴有并伴有微量能量损耗。微量能量损耗。取向极化取向极化取向极化又称偶极极化,是具有永久偶极取向极化又称偶极极化,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
4、的转动需要克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。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,发生,发生于低频区域。于低频区域。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介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 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常数数,即,即电
5、电介介质质的的极极化化程程度度越越大大,Q 值值越越大大,也也越越大大。介介电电常常数数是是衡衡量量电电介介质质极极化化程程度度的的宏宏观观物物理理量量,表征电介质贮存电能能力的大小。表征电介质贮存电能能力的大小。Q表表,意意大大利利CEAST公公司司,主主要要用用于于测测定定塑塑料料薄薄片片在在频频率率为为1MHz、具有、具有1V振幅时的电容和介质损耗角正切(振幅时的电容和介质损耗角正切(tg)西林电桥,意大利西林电桥,意大利CEAST公司制造,主要用于测量在频公司制造,主要用于测量在频率为率为50Hz或或60Hz时绝缘材料的电容、相对介电常数时绝缘材料的电容、相对介电常数和损耗因数。和损耗
6、因数。10.1.2高聚物的介电损耗高聚物的介电损耗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,这种现象分电能,使介质本身发热,这种现象就是介电损耗。就是介电损耗。介电损耗产生的原因介电损耗产生的原因(1 1)电电介介质质中中含含有有能能导导电电的的载载流流子子,它它在在外外加加电电场场的的作作用用下下,产产生生电电导导电电流流,消消耗耗掉掉一一部部分分电电能能,转转化化为为热热能能,称称为为电电导导损耗。损耗。(2)电电介介质质在在交交变变电电场场下下的的极极化化过过程程中中,与与电电场场发发生生能能量量交交换换。取取向向
7、极极化化过过程程是是一一个个松松弛弛过过程程,电电场场使使偶偶极极子子转转向向时时,一一部部分分电电能能损损耗耗于于克克服服介介质质的的内内粘粘滞滞阻阻力力上上,转转化化为为热热量量,发发生生松松弛弛损损耗耗;变变形形极极化化是是一一种种弹弹性性过过程程或或谐谐振振过过程程,当当电电场场的的频频率率与与原原子子或或电电子子的的固固有有振振动动频频率率相相同同时时,发发生生共共振振吸吸收,损耗电场能量最大。收,损耗电场能量最大。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称为实际体系对外场刺激响应的滞后统称为松弛现象。松弛现象。在交变电场在交变电场E=E0cost(E0为交
8、变电流峰值)为交变电流峰值)的作用下,电位移矢量也是时间的函数。由于聚合的作用下,电位移矢量也是时间的函数。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,物介质的粘滞力作用,偶极取向跟不上外电场变化,电位移矢量迟后于施加电场,相位差为电位移矢量迟后于施加电场,相位差为,通常,通常,用损耗角正切用损耗角正切tg表征聚合物电介质耗能与储能之表征聚合物电介质耗能与储能之比,即比,即tg=/正比于正比于 ,故也常用,故也常用 表示材料介电损耗的大小。表示材料介电损耗的大小。的物理意义是在每个交变电压周期中,介质的物理意义是在每个交变电压周期中,介质损耗的能量与储存能量之比。损耗的能量与储存能量
9、之比。越小,表示能量损耗越小。越小,表示能量损耗越小。理想电容器(即真空电容器)理想电容器(即真空电容器)=0,无能量损失。,无能量损失。式中式中称介电损耗角,称介电损耗角,称介电损耗正切。称介电损耗正切。影响聚合物介电性能的因素影响聚合物介电性能的因素(1 1)分子结构的影响)分子结构的影响高分子材料的介电性能首先与材料的极性有关。这高分子材料的介电性能首先与材料的极性有关。这是因为在几种介质极化形式中,偶极子的取向极化是因为在几种介质极化形式中,偶极子的取向极化偶极矩最大,影响最显著。偶极矩最大,影响最显著。分子偶极矩等于组成分子的各个化学键偶极矩(亦称键矩)分子偶极矩等于组成分子的各个化
10、学键偶极矩(亦称键矩)的矢量和。的矢量和。对对大大分分子子而而言言,由由于于构构象象复复杂杂,难难以以按按构构象象求求整整个个大大分分子子平平均均偶偶极极矩矩,所所以以用用单单体体单单元元偶偶极极矩矩来来衡衡量量高高分分子子极极性性。按单体单元偶极矩的大小,聚合物分极性和非极性两类。按单体单元偶极矩的大小,聚合物分极性和非极性两类。一一般般认认为为偶偶极极矩矩在在0(德德拜拜)范范围围内内属属非非极极性性的的,偶偶极极矩矩在以上属极性的。在以上属极性的。聚聚氯氯乙乙烯烯中中CCl()和和CH键键矩矩不不同同,不不能能相相互互抵抵消消,故分子是极性的。故分子是极性的。非非极极性性聚聚合合物物具具
11、有有低低介介电电系系数数(约约为为2)和和低低介介电电损损耗耗(小于(小于 ););聚聚乙乙烯烯分分子子中中CH键键的的偶偶极极矩矩为为,但但由由于于分分子子对对称称,键键矩矩矢量和为零,故聚乙烯为非极性的。矢量和为零,故聚乙烯为非极性的。聚聚四四氟氟乙乙烯烯中中虽虽然然CF键键偶偶极极矩矩较较大大(),但但CF对对称称分分布布,键矩矢量和也为零,整个分子也是非极性的。键矩矢量和也为零,整个分子也是非极性的。极性聚合物具有较高的介电常数和介电损耗。极性聚合物具有较高的介电常数和介电损耗。聚聚合合物物聚聚合合物物聚四氟乙烯聚四氟乙烯2.02聚碳酸酯聚碳酸酯2.973.719四氯乙烯六氟四氯乙烯六
12、氟丙烯共聚物丙烯共聚物2.13聚砜聚砜3.1468聚丙烯聚丙烯2.223聚氯乙烯聚氯乙烯3.23.670200聚三氟聚乙烯聚三氟聚乙烯2.2412聚甲基丙烯聚甲基丙烯酸甲酯酸甲酯3.33.9400600低密度聚乙烯低密度聚乙烯2.252.352聚甲醛聚甲醛3.740高密度聚乙烯高密度聚乙烯2.302.352尼龙尼龙63.8100400ABS树酯树酯2.45.040300尼龙尼龙664.0140600聚苯乙烯聚苯乙烯2.453.1013酚醛树酯酚醛树酯5.06.56001000高抗冲聚苯乙烯高抗冲聚苯乙烯2.454.75硝化纤维素硝化纤维素7.07.59001200聚苯醚聚苯醚2.5820聚偏氟
13、乙烯聚偏氟乙烯8.4常见聚合物的介电系数(常见聚合物的介电系数(60Hz z)和介电损耗角正切)和介电损耗角正切分子链活动能力对偶极子取向有重要影响。分子链活动能力对偶极子取向有重要影响。例如在玻璃态下,链段运动被冻结,结构单元上极性基团的例如在玻璃态下,链段运动被冻结,结构单元上极性基团的取向受链段牵制,取向能力低;取向受链段牵制,取向能力低;而在高弹态时,链段活动能力大,极性基团取向时受链段而在高弹态时,链段活动能力大,极性基团取向时受链段牵制较小,因此同一聚合物高弹态下的介电系数和介电损牵制较小,因此同一聚合物高弹态下的介电系数和介电损耗要比玻璃态下大。耗要比玻璃态下大。如聚氯乙烯的介电
14、系数在玻璃态时为,到高弹态增加到约如聚氯乙烯的介电系数在玻璃态时为,到高弹态增加到约15,聚酰胺的介电系数玻璃态为,到高弹态增加到近,聚酰胺的介电系数玻璃态为,到高弹态增加到近50。大分子交联也会妨碍极性基团取向,使介电系数降低。大分子交联也会妨碍极性基团取向,使介电系数降低。典型例子是酚醛树脂,虽然这种聚合物极性很强,但交联典型例子是酚醛树脂,虽然这种聚合物极性很强,但交联使其介电系数和介电损耗并不很高。使其介电系数和介电损耗并不很高。相反,支化结构会使大分子间相互作用力减弱,分子链活相反,支化结构会使大分子间相互作用力减弱,分子链活动性增强,使介电系数增大。动性增强,使介电系数增大。(2
15、2)温度和交变电场频率的影响温度和交变电场频率的影响 温度的影响温度的影响 温度升高一方面使材料粘度下降,有利于极性基团取向,温度升高一方面使材料粘度下降,有利于极性基团取向,另一方面又使分子布朗运动加剧,反而不利于取向。另一方面又使分子布朗运动加剧,反而不利于取向。聚氯乙烯的聚氯乙烯的和和的温度依赖性(曲线上的数字为增塑剂含量)的温度依赖性(曲线上的数字为增塑剂含量)电场频率的影响电场频率的影响 与材料的动态力学性能相似,高分子材料的介电性能也随与材料的动态力学性能相似,高分子材料的介电性能也随交变电场频率而变。交变电场频率而变。当电场频率较低时(当电场频率较低时(0,相当于高温),电子极化
16、、原,相当于高温),电子极化、原子极化和取向极化都跟得上电场的变化,因此取向程度高,子极化和取向极化都跟得上电场的变化,因此取向程度高,介电系数大,介电损耗小(介电系数大,介电损耗小(0)。(3)杂质的影响)杂质的影响杂杂质质对对聚聚合合物物介介电电性性能能影影响响很很大大,尤尤其其导导电电杂杂质质和和极极性性杂杂质质(如如水水份份)会会大大大大增增加加聚聚合合物物的的导导电电电电流流和和极极化化度度,使使介电性能严重恶化。介电性能严重恶化。对于非极性聚合物来说,杂质是引起介电损耗的主要原因。对于非极性聚合物来说,杂质是引起介电损耗的主要原因。如低压聚乙烯,当其灰分含量从如低压聚乙烯,当其灰分
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