高分子科学基础-高分子材料电学性能.ppt

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1、3 高分子的电学性质高分子的电学性质聚合物在外加电场作用下的行为：聚合物在外加电场作用下的行为：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；在强电场中的电击穿；在强电场中的电击穿；聚合物表面的静电现象。聚合物表面的静电现象。一、聚合物的极化和在交变电场中的介电性能一、聚合物的极化和在交变电场中的介电性能 电介质：电绝缘体，在电场作用下能发生极化，极化程度取决电介质：电绝缘体，在电场作用下能发生极化，极化程度取决 于电介质的组成、结构和外电场强度。于电介质的组成、结构和外电场强度。介电性能：聚合物在外加交流电压时电能的储存和损耗介电性能：聚合物在外

2、加交流电压时电能的储存和损耗 分子极化是介电性能的微观表现，介电常数是介电质极化程分子极化是介电性能的微观表现，介电常数是介电质极化程 度的量度，是介电性能的宏观反映。度的量度，是介电性能的宏观反映。通常情况下，极性及非极性聚合物均为电中性的。外加电场通常情况下，极性及非极性聚合物均为电中性的。外加电场下聚合物分子中电荷分布发生变化使分子的偶极矩增大，即极化。下聚合物分子中电荷分布发生变化使分子的偶极矩增大，即极化。电子极化：在外电场中每个原子的价电子云相对于原子核位移而变形电子极化：在外电场中每个原子的价电子云相对于原子核位移而变形原子极化：外电场造成不同原子核相互间发生位移使分子的电荷分布

3、发生变形原子极化：外电场造成不同原子核相互间发生位移使分子的电荷分布发生变形 偶极极化：极性分子的正、负电荷中心不重合，自身带有固有偶极子，在电场中偶极极化：极性分子的正、负电荷中心不重合，自身带有固有偶极子，在电场中 时除产生诱导偶极距外，偶极子沿电场方向择优排列时除产生诱导偶极距外，偶极子沿电场方向择优排列 非极性分子只发生电子和原子极化，非极性分子只发生电子和原子极化，介电常数较小介电常数较小 极性分子除电子和原子极化，还有偶极极化，极性分子除电子和原子极化，还有偶极极化，介电常数较大介电常数较大介电常数的影响因素介电常数的影响因素化学键极性化学键极性化学键键矩越大，分子极性越高，介电常

4、数越大化学键键矩越大，分子极性越高，介电常数越大分子对称性分子对称性对称性愈高，分子极性愈小，介电常数越小对称性愈高，分子极性愈小，介电常数越小立构规整性立构规整性全同立构高分子上电荷分布最不对称，其介电常数高，间同立构的对称性最好，全同立构高分子上电荷分布最不对称，其介电常数高，间同立构的对称性最好，介电常数低，无规立构聚合物的介电常数居中。介电常数低，无规立构聚合物的介电常数居中。极性基团位置极性基团位置主链上或与刚性主链相连的极性侧基活动性小，对介电常数影响小主链上或与刚性主链相连的极性侧基活动性小，对介电常数影响小侧链上特别是柔性侧链上的极性基团活动性大，对介电常数贡献大侧链上特别是柔

5、性侧链上的极性基团活动性大，对介电常数贡献大所处物理状态所处物理状态带极性基团的聚合物，从玻璃态到高弹态再至粘流态，其介电常数依次提高带极性基团的聚合物，从玻璃态到高弹态再至粘流态，其介电常数依次提高 支化、交联、拉伸支化、交联、拉伸支化使分子之间作用减弱，使介电常数上升支化使分子之间作用减弱，使介电常数上升交联和拉伸限制链段运动，使介电常数下降。交联和拉伸限制链段运动，使介电常数下降。介电损耗介电损耗 在交变电场中，电介质消耗部分电能而发热的现象在交变电场中，电介质消耗部分电能而发热的现象产生介电损耗的原因产生介电损耗的原因 电导损耗：电导损耗：电介质中所含微量导电载流子在外加电场下克服内磨

6、擦阻力电介质中所含微量导电载流子在外加电场下克服内磨擦阻力 产生电导电流使部分电能转化为热能产生电导电流使部分电能转化为热能 引起非极性聚合物介电损耗的主要原因引起非极性聚合物介电损耗的主要原因 极化损耗或偶极损耗：极化损耗或偶极损耗：交变电场下聚合物的各极化作用无法紧跟电场的频率变化而交变电场下聚合物的各极化作用无法紧跟电场的频率变化而 消耗部分电能克服分子间磨擦阻力，转化为热能。消耗部分电能克服分子间磨擦阻力，转化为热能。引起极性聚合物介电损耗的主要原因引起极性聚合物介电损耗的主要原因电介质的极化是个松弛过程电介质的极化是个松弛过程交变电场下的介电常数常用复数介电常数交变电场下的介电常数常

7、用复数介电常数*表示表示 *=i”实数部分实数部分：电场同相位的变化，反映电能的储存，为介电常数实验值电场同相位的变化，反映电能的储存，为介电常数实验值虚数部分虚数部分”：与电场相差：与电场相差900的极化，反映损耗的能量，为损耗因子的极化，反映损耗的能量，为损耗因子 ”=tan tan=”/介电损耗介电损耗影响介电损耗的因素影响介电损耗的因素分子结构的影响分子结构的影响 分子极性大小和极性基团的密度分子极性大小和极性基团的密度 极性基团的可动性极性基团的可动性频率频率 温度温度杂质杂质介电松弛谱介电松弛谱高分子分子运动对时间和温度的依赖性也体现在其介电性质上高分子分子运动对时间和温度的依赖性

8、也体现在其介电性质上 介电参数的变化介电参数的变化 聚合物的松弛行为聚合物的松弛行为固定频率固定频率,测试聚合物试样介电常数测试聚合物试样介电常数和介电损耗和介电损耗”或或tan随温度的变化随温度的变化 介电松弛温度谱介电松弛温度谱固定温度固定温度,测试聚合物试样介电常数测试聚合物试样介电常数和介电损耗和介电损耗”或或tan随外电场频率变化随外电场频率变化 介电松弛频率谱介电松弛频率谱聚合物的多个介电损耗极大值分别对应不同尺寸的运动单元偶极子在电场中的松弛损耗聚合物的多个介电损耗极大值分别对应不同尺寸的运动单元偶极子在电场中的松弛损耗温度谱从高温到低温温度谱从高温到低温 出现的损耗峰依次称为出

9、现的损耗峰依次称为、松弛损耗峰松弛损耗峰频率谱从低频到高频频率谱从低频到高频2.高分子的导电性高分子的导电性电子必须能不受原子的束缚而能自由移动，要达到此目的电子必须能不受原子的束缚而能自由移动，要达到此目的的第一个条件就是这个聚合物应该具有交错的单键与双的第一个条件就是这个聚合物应该具有交错的单键与双键，即共轭双键。键，即共轭双键。Ti(OC4H9)4Al(C2H5)3HCCH1000 倍催化剂倍催化剂温度温度 无共轭双键的、导电性极差的非极性聚合物中引入的杂质可无共轭双键的、导电性极差的非极性聚合物中引入的杂质可被解离而提供导电离子：被解离而提供导电离子：离子电导离子电导 具共轭长链结构的

10、聚合物因其具共轭长链结构的聚合物因其 电子的非定域化，电子可在电子的非定域化，电子可在共轭体系中自由运动：共轭体系中自由运动：电子传导电子传导材料的导电能力材料的导电能力 电阻率电阻率物理意义物理意义:单位厚度和单位面积试样的电阻值单位厚度和单位面积试样的电阻值(cm)电导率电导率 1/单位厚度和单位面积试样的电导值单位厚度和单位面积试样的电导值(-1cm-1)高聚物导电性取决于载流子的密度高聚物导电性取决于载流子的密度N、所带电荷量、所带电荷量q及其迁移速率及其迁移速率v 影响因素：分子结构、杂质、湿度、添加剂影响因素：分子结构、杂质、湿度、添加剂3.高聚物的介电击穿高聚物的介电击穿 高聚物在一定电压下为绝缘体，随电压增大并超过某一临界值高聚物在一定电压下为绝缘体，随电压增大并超过某一临界值时，会出现电阻降至极小，材料从介电状态变成导电状态，在高压时，会出现电阻降至极小，材料从介电状态变成导电状态，在高压下大量电能迅速释放而使材料局部熔穿，此即下大量电能迅速释放而使材料局部熔穿，此即介电击穿介电击穿。导致聚合。导致聚合物击穿的电压为物击穿的电压为击穿电压击穿电压。4.高聚物的静电现象高聚物的静电现象 静电现象：由于摩擦而使物质表面带电的现象静电现象：由于摩擦而使物质表面带电的现象 为防止、消除静电，可加抗静电剂为防止、消除静电，可加抗静电剂