《高聚物的电学性质》PPT课件

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1、第八章高聚物的电学性质材料按其电导率的大小分为绝缘体、半导体、导体和超导体。高聚物电学性能的范围是很宽广的，其体积电阻率的范围超过20个数量级，介于半导体和绝缘体之间（详见下表），高聚物介电常数的范围也很广，从略大于1到102之间。体积电阻率(Ω·cm)序列高聚物1020～1010绝缘体PE、PP等绝大多数聚合物1015～1010光导体聚乙烯咔唑等1010～10-2半导体PA、PDA、PAn、PTh、Ppy、PPV等10-2～10-6导体聚2-乙烯基吡啶的碘络合物、碘掺杂的PA等超导体正在探索中绝大多数高聚物是绝缘体，它们具有低的电导率、低的介电损耗

2、、高击穿强度等优异的电学性能，使得高聚物在电气工业中成为不可缺少的绝缘材料和介电材料。近年来已对高聚物驻极体、光导体、半导体、导体甚至是超导体进行了广泛而深入的研究，取得了很多成就，其中有的已经付之实用。高聚物的电学性能是高分子对外电场作出的响应，高聚物对电场的响应可以分为两个部分，一是介电性能，主要表征的参数是介电常数和介电损耗；其二是本体导电性能，表征的参数是电导率和电击穿强度。一、电介质在外电场中的极化现象第一节高聚物的极化及介电常数(8-1)(8-2)(8-3)(8-4)(8-5)C0为真空电容，U为直流电压，Q为产生的电荷，S为每个极板的面

3、积，d为两极板间的距离，C为电介质电容，ε为介电常数，无量纲，表征电介质贮存电能能力的大小。二、高分子电介质极化现象的分子解释键的极性强弱和分子的极性强弱，分别用键距和分子的偶极距来表示：d为两个正负电荷中心之间的距离，q为电荷。偶极矩为矢量，其方向从正电荷到负电荷，其国际单位为库仑·米，习惯用德拜(Debye)，简写D。1Debye=3.33×10-30库仑·米(8-8)按极化机理，分子的极化可分为：⑴电子极化：分子中各原子的价电子云在外电场的作用下，向正极方向偏移，发生了电子相对于分子骨架的移动，使分子的正负电荷中心的位置发生变化引起的。电子极化

4、速度很快，一般在10-15～10-13s。⑵原子极化：分子骨架在外电场作用下发生变形造成的。原子极化一般是相当小的，只有电子极化的十分之一，原子极化所需时间在10-13s以上。电子极化和原子极化都是在外加电场的作用下，分子中正负电荷中心发生位移或分子变形引起的，称为位移极化或变形极化，产生的偶极矩为诱导偶极矩。⑶取向极化（偶极极化）：在外电场的作用下，极性分子沿外电场的方向排列，产生分子的取向（详见图8-3）。取向极化的时间为10-9s。诱导偶极矩：取向偶极矩：分子极化：极性分子在外电场中产生的总的平均偶极矩是诱导偶极矩和取向偶极矩之和。a.极性分子

5、b.非极性分子（不发生取向极化）(8-9)(8-10)(8-11)(8-12)式中，ae为电子极化率，aa为原子极化率，aμ为取向极化率。El为介质分子受到的局部电场强度。界面极化：产生于非均相介质界面处的极化，是在外电场的作用下，电介质中的电子或离子在界面处堆集的结果。极化强度：单位体积内分子偶极矩的矢量和。式中N为单位体积电介质里的分子数，a为分子极化率，El为介质分子受到的局部电场强度。(8-18)三、介电常数与分子极化率的关系介电常数是表征极化介质的一个基本参数，其在宏观上反映了电介质材料的极化能力。分子极化率是反映分子极化特征的微观物理量。

6、介电常数和分子极化率之间存在一定的关系，它们之间的关系由Clausius-Mosotti方程给出：(8-32)(8-33)(8-34)四、高聚物介电常数及其与结构的关系高聚物按单体单元偶极距的大小，可分为：非极性高聚物m=0De=2.0∼2.3弱极性高聚物00.7De=4.0∼7.0可以看出：随着偶极矩的增加，高聚物的介电常数逐渐增大。非极性分子的偶极距等于零，Clausius-Mosotti关系可写成：对于极性分子，偶极距的大小与分子结构的关系：

7、1.高分子链及极性基团处在单一构象中时，分子的偶极距可以用重复单元偶极距的矢量和来表征。2.一般情况下，可以用均方偶极距表征高分子的极性。(8-37)高聚物的介电常数除与偶极距有关外，还与高分子的其它结构因素有关：1.极性基团在分子链上的位置2.高聚物介质所处的物理状态3.分子结构对称性的影响4.交联、拉伸和支化的影响第二节高聚物的介电损耗一、介电损耗产生的原因介电损耗：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的现象。产生介电损耗的原因：1.电导损耗：电介质中含有能导电的载流子在外加电场的作用下，产生电导电流，消耗一部分电能转化为热能。2

8、.松弛损耗：取向极化是一个松弛过程，电介质在交变电场作用下，偶极子发生极化时，一部分电能损耗于克服介质的内粘