《聚合物的电性能》PPT课件

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1、第七章：聚合物的电性能高聚物的电学性能：高聚物在外电场作用下的行为及其表现出来的各种物理现象交变电场--介电性能高聚物的弱电场—导电性能电学性能强电场—击穿现象发生在聚合物表面的—静电现象聚合物低的电导率，低的介电损耗，高击穿强度等优良的电学性质使其在电子和电工技术中成为不可缺少的材料。大多数聚合物固有的电绝缘性,长期被利用来隔离与保护电流。对于具有特殊电磁功能的高分子的研究，对于高分子半导体，导体，超导体，永磁体的探索已取得了不同程度的进展。绝大部分高聚物（特别是碳链高聚物）是绝缘体，但在外电场

2、作用下，由于分子极化，将引起的对电性能的储存和损耗，这种性能称为介电性能。在直流电场（静电场）储蓄电能，在交变电场中损耗电能。介电性用ε（介电常数）和tgδ（介电损耗）来表示，ε和tgδ愈小，介电性愈好。材料的介电性来源于其中成分的极化。ε和tgδ本质上是个极化问题，讨论聚合物的ε和tgδ时，我们首先讨论聚合物的极化。一、高分子的介电性（一）聚合物分子的极化极化：在外电场作用下，分子中电荷分布所发生的变化，这种现象称为极化。真空平行板电容器板间有电介质为无因次量，称为介电常数，表征了电介质储存电能

3、能力的大小，是介电材料的一个十分重要的性能指标。介电常数越大，说明电容器的电容越大。为电介质的电容率，表示单位面积、单位厚度电介质的电容质。单位为F/m。分子极化（形式）电子极化：在外电场中每个原子的价电子云向正极方向偏移。原子极化：分子骨架在外场作用下发生变形造成的（原子核间的相对位移）。极性分子的固有偶极沿电场方向择优排列。取向极化：极性分子可发生电子，原子，取向极化；非极性分子只发生电子，原子极化。极性分子在电场中的转动极化率（α）α是表征极化程度的微观物理量。是一个与分子结构有关而与电场无

4、关的量。分子的极化结果，相当于外电场在分子上引起一个附加偶极矩μ，其大小决定于作用在分子上的的局部电场强度E1不同的极化形式有不同的极化率电子极化率原子极化率取向极化率（二）聚合物的介电性键的极性用键矩表示。分子极性用偶极矩表示，偶极矩等于分子中所有键矩的矢量和。μ的单位是德拜（D），1D=10-18库仑﹡厘米。μ越大，极性越大。1、高分子的极性PTFE的C—F键极性很大，但由于分子结构的对称性，使得整个分子不具极性。聚三氟氯乙烯的C—F和C—Cl键的极性不同，电荷分布不对称，所以是极性分子。PE

5、有高的结构对称性，C—H键极性也很小，是非极性分子。PS结构并不对称，但键矩很低，分子极性也不大。高分子的极性：一方面同化学键的极性有关，另一方面要受分子结构对称性的限制。2、聚合物的介电常数与结构的关系按照偶极矩的大小，可将高聚物大致分为以下四类，他们分别对应于介电常数的某一数值范围：极性基团对介电常数的影响主链上的极性基团—影响小侧链上的极性基团—影响大物理状态：Tg温度以下，链段运动被冻结，极性基团的取向有困难，因此对高聚物的介电常数的影响小。Tg温度以上为高弹态，链段可以运动，极性基团的取

6、向得以顺利进行，对高聚物的介电常数的影响大。聚氯乙烯的极性基团的密度几乎是氯丁橡胶的一倍，试问室温下哪种聚合物的介电常数大？升高温度至玻璃化温度以上后，聚氯乙烯介电常数会增大还是减小？3、高聚物的介电损耗在交变电场E=E0cosωt（E0为交变电流的峰值）作用下，电位移矢量（D）也是时间的函数。由于聚合物的粘滞力作用，偶极取向跟不上外场的变化，电位移矢量滞后施加电场一个相位差δ，即：式中，D1—电位移矢量与电场同相位部分；D2—电位移矢量滞后于施加电场的部分。令：式中，ε′—实测的介电系数，代表体

7、系的储电能力ε″—损耗因子，代表体系的耗能部分。通常用损耗角的正切表征聚合物电介质耗能与储能之比：tgδ=ε″/ε′在交变电量中介电系数写成复数形式ε*=ε′-iε″非极性聚合物的tgδ<1X10-4,极性聚合物的tgδ=1X10-1～5X10-3通常用作绝缘材料或电容器材料的聚合物要求tgδ越小越好。否则不仅会消耗较多的电能，还会引起材料本身发热，加速材料老化。如果需要对聚合物高频加热进行干燥，模塑或对塑料薄膜进行高频焊接，则要求聚合物具有较高的tgδ值。①、高分子的结构极性：极性↑，tgδ↑ε

8、和tgδ：非极性分子<极性分子，ε间同<ε全同分子活动性：橡胶态和粘流态的ε>玻璃态的ε交联，结晶，拉伸，加压，使ε↓支化，ε↑4、影响介电性的因素②、增塑剂与杂质增塑剂≈T↑加入非极性增塑剂，介电损耗峰随增塑剂含量增大而移向低温，即ε″↓加入极性增塑剂会使tgδ↑ε↑本体聚合物杂质少，tgδ↓乳液聚合物杂质多，tgδ↑配位聚合物含有金属催化剂，tgδ↑水是一种常见的杂质，含水量增加，tgδ↑二、聚合物的导电性（一）概念物质内部存在着传递电流的自由电荷，这些自由电荷称为载流子，载流