《聚合物电学性能》PPT课件

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1、第10章聚合物的电学性能ElectricityPropertyofPolymer§10.1聚合物电性能概述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的各种物理现象介电性能：交变电场导电性能：弱电场击穿现象：强电场静电现象：onthepolymersurface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:电容器：介电损耗尽可能小，介电常数尽可能大，介电强度很高仪表绝缘：电阻率和介电强度高而介电损耗很低绝缘材料无线电遥控技术：优良的高频、超高频

2、绝缘材料导电高分子的研究和应用：分子链具有共轭π-电子结构的聚合物，如聚乙炔、聚苯胺等，通过不同的方式掺杂，可以具有半导体（电导率σ=10-10-102S•cm-1）甚至导体（σ=102-106S•cm-1）的电导率。电学性质的测量也成为研究聚合物结构与分子运动的一种有效手段：非常灵敏地反映材料内部结构的变化和分子运动状况一、电介质的极化现象二、极化机理三、介电性能四、影响介电性能的因素§10.2聚合物介电性能介电性能：指高聚物在电场作用下，表现出对静电能的储存和损耗的性质，通常用介电常数和介电损耗来表示。这是由于聚合物分子在

3、电场作用下发生极化引起的一、聚合物电介质在外电场中的极化现象1、介电极化在外电场作用下，或多或少会引起价电子或原子核的相对位移，造成了电荷的重新分布，称为极化。主要有以下几种极化：（1）电子极化（2）原子极化（3）偶极极化（4）界面极化。前两种产生的偶极矩称诱导偶极矩，后一种为永久偶极矩的取向极化。2、极化机理：□电子极化：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，使分子带上偶极矩。极化过程所需的时间极短，约为10-13~10-15s□原子极化：分子骨架在外电场作用下发生变形造成的，使分子带上偶极矩。如CO2

4、分子是直线形结构O=C=O，极化后变成个，分子中正负电荷中心发生了相对位移。极化所需要的时间约为10-13s并伴有微量能量损耗。以上两种极化统称为变形极化或诱导极化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诱导极化偶极极化（取向极化）：是具有永久偶极矩的极性分子沿外场方向排列的现象。极化所需要的时间长，一般为10-9s，发生于低频区域。极化偶极矩μ的大小，与外电场强度（E）有关，比例系数称为分子极化率。(a)无电场（b）有电场图1偶极子在电场中取向按照极化机理不同，有电子极化率，原子极化率和取向极化率=（为永

5、久偶极矩）对于极性分子:对于非极性分子:根据高聚物中各种基团的有效偶极矩，可以把高聚物按极性大小分为四类：非极性：PE、PP、PTFE弱极性：PS、NR极性：PVC、PA、PVAc、PMMA强极性：PVA、PET、PAN、酚醛树脂、氨基树脂高聚物的有效偶极矩与所带基团的偶极矩不完全一致，结构对称性会导致偶极矩部分或全部相互抵消。二、聚合物的介电性能1、介电常数介质电容器的电容C比真空电容器C0的电容增加的倍数。式中：为极板上的原有电荷，为感应电荷。真空电介质图2平行板电容器示意图□是衡量高聚物极化程度的宏观物理量。表征电介质储

6、存电荷和电能的能力，从上式可以看出，介电常数越大，极板上产生的感应电荷Qˊ和储存的电能越多。介电系数在宏观上反映了电介质的极化程度，它与分子极化率存在着如下的关系：式中、M、分别为电介质的摩尔极化率、分子量和密度，N0为阿佛加德罗常数。对非极性介质，此式称Clausius-Mosotti方程；对极性介质，此式称Debye方程。根据上式，我们可以通过测量电介质介电系数求得分子极化率。另外实验得知，对非极性介质，介电系数与介质的光折射率n的平方相等，，此式联系着介质的电学性能和光学性能。2、介电损耗定义：聚合物在交变电场中取向极化

7、时，伴随着能量消耗，使介质本身发热，这种现象称为聚合物的介电损耗。产生原因：（1）电导损耗：指电介质所含的含有导电载流子在电场作用下流动时，因克服电阻所消耗的电能。这部分损耗在交变电场和恒定电场中都会发生。由于通常聚合物导电性很差，故电导损耗一般很小。（2）极化损耗：这是由于分子偶极子的取向极化造成的。取向极化是一个松弛过程，交变电场使偶极子转向时，转动速度滞后于电场变化速率，使一部分电能损耗于克服介质的内粘滞阻力上，这部分损耗有时是很大的。问题：非极性polymer？极性polymer？□介电损耗表征：对于电介质电容器，在交

8、流电场中，因电介质取向极化跟不上外加电场的变化，发生介电损耗。由于介质的存在，通过电容器的电流与外加电压的相位差不再是90°，而等于φ=90°-δ常用复数介电常数来表示介电常数和介电损耗两方面的性质：为实部，即通常实验测得的为虚部，称介电损耗因素介电损耗一般高聚物的介电损耗：