高分子物理高聚物电学性能教学课件PPT.ppt

第八章 高聚物电学性能,高聚物电学性能： 在外加电压或电场作用下高聚物材料的行为以及它所表现出的各种物理现象（交变电场下的介电性质；弱电场下的导电性；强电场下的击穿现象；表面静电现象等）。,第一节 高聚物的介电常数和介电损耗,8.1.1 高聚物介电系数 一、介电系数（） * 电介质在外电场作用下产生极化现象， 为衡量材料极化程度的宏观物理量。 * 定义：为电容器的电容（c）或电量（q）比真空时增加的倍数，即储电能力的大小。,(8-3),二、极化强度（p） * 极化强度是描述电介质极化程度大小的物理量，它与介电系数、电场强度（e）之间的关系如下： p = (-1) 0 e (8-7) *clausius-mosotti方程 (-1) / (+2) = na / 3 0 (8-31) 式中n 为单位体积分子数，a为分子极化率， 0为真空电容率。 两边同乘m / 得： (-1) / (+2) m / = a / 3 0 (8-32) 式中为avogadro常数，m为分子量， 为密度。,* 摩尔极化率pm pm = a / 3 0 所以，pm = (-1) / (+2) m / （8-33） * 极化率a 极性介质：a = ae+ aa +2 / 3kt 非极性介质：a = ae+ aa 式中ae为电子极化， aa为原子极化， 为偶极矩,* 偶极矩（），则 例：聚偏氯乙烯、硝化纤维素 = 48 pe 0 = 2.3 * 侧基为极性基因对 影响大，且当t ， 则 例：聚氯乙烯 室温 = 3.5 tg = 15 * 分子对称性 ，则 例：ptfe（聚四氟乙烯） 0， = 0 * 交联度，则 ；支化度，则 。,三、高聚物结构对介电系数的影响,一、介电松弛 * 交变电场作用下，偶极子转动因受分子间内摩擦力影响而落后于电场变化。 *取向极化过程是松弛过程， 偶极子转动落后于电场变化。 二、介电损耗 * 交变电场作用下，材料内部消耗部分电能用于克服介质内部粘滞阻力而转化为热量散发出。 * 原因：材料（电介质）中能导电的载流子产生电导电流以及克服自身内粘滞阻力而消耗部分电能（松弛损耗），并转变为热损失。,8.1.2 高聚物介电损耗,图8-7 取向极化跟随电场变化情况,*在交流电的电场作用下，介电系数具有复数形式。 * 定义：复介电系数* * = + i (8-43) ：实数，接近测定的介电系数 ：虚数部分，介电损耗 * 介电损耗角正切,三、复介电损耗,tg =,(8-46),五、介电松弛谱,交变电场作用下，固定频率时材料的tg 随温度（t）变化，或固定温度时tg 随频率（）变化的特征谱图。 表征分子运动： 主松弛，链段运动； ，次级松弛，对应较小运动单元（侧基、曲轴转动）。,图8-16 介电损耗角正切温度谱,六、高聚物结构对介电损耗影响,分子极性，则tg 值，且移向高温。 例：pvc tg = 0.7102 0.02 peo tg = 2104,极性分子的侧链或基团间的c数，则tg 且移向低温。,1，聚丁二酸乙二酯 2，聚己二酸乙二酯 3，聚癸二酸乙二酯,图8-13 几种乙二醇聚酯的tg 与温度的关系。,温度,tg102,结晶度、取向度、交联度，则tg 值，但 峰移向高温。 例：聚对苯二甲酸乙二醇酯 （1）非晶态； （2）晶态； （3）取向态,tg 102,温度,图8-16 聚对苯二甲酸乙二醇酯的tg 与温度的关系。,8.1.3 应用,一、电容器的电介质 * 要求：tg 小，且 大 例：聚碳酸酯 tg = 0.0009, = 3（优良电 介质材料） 二、电工绝缘材料 * 要求： 较大，且tg 小 例：pe，ps （tg 2 104； 2.3 3.1） 三、高频焊接以及大型制件高频热处理 * 要求：tg 很高 例：pvc焊条，tg = 70200 104,第二节 高聚物的导电性及静电现象,8.2.1 高聚物导电性,一、导电高分子 * 电导率（）：绝缘体 1018 107（欧厘米）1 半导体 107 103 （欧厘米）1 导 体 103 108 （欧厘米）1 * 本征型导电高分子电导率处于半导体范畴 例：聚乙炔经asf5掺杂膜 103 （欧厘米）1； 聚吡咯（ppv）、聚噻吩（pth）、聚苯胺（pan) 的掺杂态 0 103,表 8-1,二、影响高聚物导电性的因素,1、共轭高聚物 提供大量电子载流子 例：聚氮化硫 (sn)n , 聚乙炔 ，聚苯乙炔 2、电子转移络合物、自由基离子化合物电子给予 体和接受体之间靠电子转移完成 例：聚2乙烯吡啶碘 3、有机金属聚合物 金属原子引入聚合物主链 例：聚铜酞菁（二维电子通道） 4、分子量 电子电导：m ，电导率 离子电导：离子迁移 ，电导率 ,5、结晶、取向 ，电导率 例：聚三氟氯乙烯 结晶度1050 电导率下降10 1000倍 6、交联 ，电导率 链段活动小，则自由体积 使离子电导下降 7、导电杂质掺杂，电导率 掺杂物：i2，li，bf4，clo4，asf5，fecl4 掺杂是氧化还原过程，实质是电荷转移,三、应用,1透明电极：导电高分子制备柔软、透明电极。 2印刷电路板：聚吡咯、聚苯胺用于线路板可简化工艺步骤，且无毒害。 3微波和高频焊接：聚苯胺类导电高分子tan 很高，在微波作用下可与pe熔融而粘接。 4功能材料：导电高分子掺杂、反掺杂用于气体分离膜、传感器。,8.2.2 高聚物驻极体和热释电流,一、驻极体 永久极化的绝缘体。 形成：高聚物加热至tg以上，在外电场作用下分子链偶极取向后立即冷却，使极化电流冻结，亦称永磁体。 例：聚偏二氟乙烯（传声隔膜、扩音器件） 二、热释电流 驻极体置于两极之间并一同升温，则两极间有电流通过。由于被冻结的偶极子运动产生极化电流。 用于研究分子运动（i t曲线，峰）。,8.2.3 高聚物静电现象,一、静电现象 两种高聚物相互磨擦时，两接触面发生电荷再分配，它们分开后各带过量的正或负电荷。 原因：高聚物导电率很低，无法使表面静电荷传递出去。 例：合成纤维摩擦产生电辉光。 二、危害、消除、利用 危害：静电荷电压高达15千伏、危险；吸尘影响质量；火灾事故。 消除：表面抗静电剂；化学处理（炭黑、金属粉）；静电消除器。 利用：静电复印、静电织绒,8.2 聚合物的光学性质,8.2.1 简介,一、光学性质,介质在光的作用下所表现出来的行为以及各种物理现象，如对光的吸收、反射、折射、透射等现象。它反应了高聚物内部结构的变化和分子运动。,二、聚合物与无机玻璃的性质比较,8.2.2 聚合物的光学性能,一、透明性和无色 不吸收或散射任何可见电磁辐射。大多数高聚物由单键或孤立双键或苯环连接的原子组成，它们只吸收红外区或通过电子转移吸收紫外光区的电磁辐射。所有可见光可通过高聚物使它呈透明性和无色性。如果有相邻双键存在，则可吸收部分可见光。 二、线性光学性能 光波是一种电磁波，当它通过各向同性的电介质时，可激发交变的电磁场(电介质的价电子偏离平衡位置形成偶极子，使介质极化)。极化强度与电介质的极化率有关，当场强较低时，极化强度p与极化率成正比关系。, 0,根据maxwell电磁场理论，在交变的电磁场中，,nj具有本征频率j束缚态内的电子数密度 j阻尼系数 e电子电荷 m电子质量,极化率可写成复数形式 = r+il,0,折光指数n和吸收系数为：,0,光波的圆频率（=2c/） c真空光速 n和是光学材料中最基本的光学常数，它们都是光波频率的函数。 n随频率变化的性质称为折射率色散。,三、非线性光学性能,当光波场足够强时，光在电介质中激发的电磁场场强较高，高次项的极化率对极化强度的贡献不能忽略，即极化强度含有光场的二次、三次项的贡献。 p = pl+pnl = pl+p(2)+p(3)+ pl =0e pnl= (2) 0e e*,(2)二阶非线性极化率，其值越大，非线性光学性能越明显,二阶非线性效应可实现： 倍频（shg）新产生倍频的光 和频（sfg）新产生频率为两束光频率之和的光 差频（dfg）新产生频率为两束光频率之差的光,四、影响非线性光学活性的因素： 1、高分子结构：具有非线性光学发色团，非中心反演对称。 如：共轭的聚丁二炔、高分子侧链液晶 2、共混：高分子起载体作用,8.2.3 高聚物光学性能的表征,一、折光指数（率）和阿贝数,折光率与光源、温度、光路的长短、物质对光的敏感度以及杂质含量有关。透光物质的温度升高,折光率变小; 光线的波长越短,折光率越大。 标准折光率的测定条件: 光源：na的d线 = 589.3nm 温度：20oc,1、折光率,c为光波在介质中的传播速度,2、阿贝数 由于同一透明介质对不同波长的光存在折射率的差异，而白光又是由不同波长的各色光组成的，因此透明物质在折射白光时会发生色散这一特殊现象。,阿贝数是德国物理学家恩斯特阿贝发明的物理学数,也称“v-数”,用来衡量介质的光线色散程度，定义为,nd物质在氦黄线d （587.56nm）光谱中的折射率 nf 物质在氢兰线f （486.1nm）光谱中的折射率 nc物质在 氢红线c（ 656.3nm)光谱中的折射率 nf-nc是主色散.,用汞绿线(546.07nm) 测阿贝数ve :,光线色散程度越大阿贝数越小，反之光线色射程度越小阿贝数越大。光学玻璃的两个重要参数是折射率和阿贝数。光学玻璃的阿贝数界于20-90之间。,二、透光率与黄色指数,1、透光率 物质容许光透过的程度,2、黄色指数 在标准光源下氧化镁标准白板作基准，从物质对红、 绿、蓝三色光的反射率（或透射率）计算所得的表示黄 色深浅的一种量度。,8.2.4 应用,一、光通讯 光通讯材料 、光纤光缆 、器件与模块 、生产与测试 、系 统与网络 、运营与服务 二、光学激光 光学材料 、元器件、光学仪器、光电光纤传感、激光器 、 生产测试设备 、激光应用设备 三、光电显示 发光二极管 、fd平面显示器件及设备、pd投影显示器件 与设备 、光学照明产业,常用的光学塑料： 聚甲基丙烯酸甲酯（pmma）：光学透明性、光学稳定性、抗裂、抗水吸收等性能较好。 2. 甲基丙烯酸甲酯和苯乙烯共聚物(nas) ：约含70聚丙烯酸酯、30聚苯乙烯，折射率依其组成改变(1.5331.567)，可机加工、抛光、注模、光学稳定性好。 3. 聚碳酸酯(pc): 在较宽温度范围内（137120）