《材料的电学性质》PPT课件.ppt

第六章材料的物理性能 三 材料的电学性质四 材料的磁学性质 三 材料的电学性能 直流电场交变电场 介电性质介电常数的定义 交变电场中的介电损耗的成因及影响因素弱电场 导电性质电导率和电阻率的定义 载流子定义 电导率的基本参数及影响因素 超导电性的定义 超导体的特性强电场 击穿现象材料表面 静电现象 体积电阻率 V m表面电阻率 S 电阻R 3 1电阻率和电导率 某种材料制成的长1米 横截面积是1平方毫米的在常温下导线的电阻 叫做这种材料的电阻率 表面电阻率与体积电阻率 聚合物的表面和本体中具有不同的导电特性 表面电阻率 rs 体积电阻率rv 体积电流方向的直流场强与该处体积电流密度之比 100克PVC中加入Fe Al Al2O3对电阻的影响 电导率 电导率 1 表征材料导电性的大小 单位 S m 1 m 1 根据电导率对材料的分类 电导G 材料的分类及其电导率 不同材料的电导率 金属自由电子电导率高导电性好 硅半导体 离子固体室温绝缘体T高电导率大 无机非金属 高分子杂质致有导电性 导电高分子 各种材料在室温的电导率 载流子的定义 电流载体 称载流子 载流子指可以自由移动的带有电荷的物质微粒 如电子和离子 在电场作用下能作定向运动的带电粒子 如半导体中的自由电子与空穴 导体中的自由电子 电解液中的正 负离子 放电气体中的离子等 决定电导率的基本参数载流子类型chargecarrier 电子 空穴 正离子 负离子载流子数chargecarrierdensity n 个 m3载流子迁移率electronmobility 物理意义为载流子在单位电场中的迁移速度 Em2 v s 平均漂移速度 driftvelocity m s A 声子对迁移率的影响 可写成 L aT 3 2 B 杂质离子对迁移率的影响 可写成 I bT3 2 影响电子电导率的因素 温度 杂质 缺陷 单质金属中主要是电声子相互作用 电导率的温度关系为 T 1 半导体和绝缘体的电导率随温度变化以指数函数增大 0exp Eg 2kT 影响离子电导率的因素温度晶体结构晶格缺陷 聚合物的电导性 结构型高分子本身导电添加型高分子中添加导电材料 1977年 Heeger MacDiarmid和白川英树发现当聚乙炔薄膜用Cl2 Br2或I2蒸气氧化后 其电导率可提高几个数量级 通过改变催化剂的制备方法和取向 电导率可达105S cm 1 Cu为108S cm 1 AlanJ Heeger1 3oftheprizeUSAUniversityofCaliforniaantaBarbara CA USAb 1936 发现并发展了导电聚合物2000年诺贝尔化学奖获得者 白川英树 HidekiShirakawa1 3oftheprizeJapanUniversityofTsukubaTokyo Japanb 1936 AlanG MacDiarmid1 3oftheprizeUSAUniversityofPennsylvaniaPhiladelphia PA USAb 1927 1974年 白川英树等人用Ziegler Natta催化剂制备聚乙炔薄膜 铜色 cis 电导率10 8 10 7S cm 1 银色 trans 电导率10 3 10 2S cm 1 聚乙炔 其掺杂的电导率大幅度提高 掺杂到6 67 时 能隙将消失 图3三维 二维和一维碳化合物材料 共轭 聚乙炔链上的共轭缺陷 载流子 阳离子自由基的产生和移动 聚乙炔异构化产生孤子及移动 聚合物的导电特点 聚合物中导电载流子可以是电子 空穴 也可以是正离子 负离子 多数聚合物中存在离子电导 带有强极性基团的聚合物发生本征离解产生电导离子 聚合 加工过程中引入的催化剂 添加剂 填料 水份及其他杂质也可提供导电离子共轭聚合物 聚合物的电荷转移络合物 聚合物的自由基 离子化合物及有机金属聚合物等具有强的电子电导 聚合物的导电性与分子结构 饱和的非极性聚合物具有最好的绝缘性能 PS PTFE PE的实测电阻率约1016 18W m 理论值高达1023W m 极性聚合物绝缘性稍差 聚砜 聚酰胺 PAN PVC的电阻率约1012 15W m 共轭高聚物是半导体材料 共轭p电子去定域化提供了电子载流子 聚丙烯腈脱氢裂解环化产物的电导率约0 1W 1 m 1 聚合物的导电性与分子结构 电荷转移络合物和自由基 离子化合物具有高电导性 聚2 乙烯基吡啶 碘的电导率约0 1W 1 m 1 有机金属聚合物金属离子引入聚合物主链 具有更高的电导率 聚酞菁铜电导率约5W 1 m 1 3 2极化与介电现象 在外场 电场 力 温度 作用下 电介质分子或其中某些基团中电荷分布发生的变化称极化 在外电场的作用下 由于分子极化引起的电能的贮存和损耗称介电 相应的性质称介电性 在外力电场的作用下产生的极化称介电极化 包括电子极化 原子极化 取向极化 界面极化等 聚合物中的极化现象 聚合物中的偶极极化其本质与小分子相同 但因具有不同运动单元的取向而使完成取向极化的时间范围变得很宽 与力学松弛时间谱类似 称介电松弛谱 介电常数 介电常数e是衡量电介质极化的宏观物理量 表征电介质贮存电能的能力 聚合物的介电常数在1 8 8 4之间 多数为2 4 聚合物的介电常数 介电常数决定于介质的极化 而极化与介质的分子结构及其所处的物理状态有关 介质极化中取向极化的贡献最大 介电常数成为分子极性大小的衡量 聚合物的介电常数 聚合物分子的偶极矩是分子中所有键矩的矢量和 按平均偶极矩 的大小 聚合物大致可分为 非极性聚合物 0D e 2 0 2 3弱极性聚合物 00 7D e 4 0 7 0 正 负电荷中心间的距离r和电荷中心所带电量q的乘积 称偶极矩 r q 介电损耗 电介质在交变电场中由于消耗一部分电能而介质本身发热的现象称介电损耗 产生介电损耗的原因 电介质中含有载流子 在外电场作用下产生电导电流消耗掉部分电能转化为热能 称电导损耗 电介质的取向是一个松弛过程 取向时 部分电能损耗于克服介质的内滞阻力上转化为热能 发生松弛损耗 介电损耗与频率的关系 频率很低时 偶极子的取向跟得上电场的变化 电场能量几乎不损耗 频率中等时 偶极子的取向受到摩擦阻力的影响 落后于电场的变化 在电场作用下发生强迫运动 电场能量损耗很大 频率很高时 偶极子完全跟不上电场的变化 取向极化几乎不发生 电场能量的损耗又降低 介电损耗的表征 类似交变应力中的复数模量 交变电场中的介电常数是复数介电常数 由实部e 近似实测的介电常数 和虚部e 介电损耗因素 组成 相位差称介电损耗角d 是每周期内介质损耗的能量与介质贮存的能量的比值 温度对介电损耗的影响 温度很低时 聚合物粘度很大 极化时间长 偶极转向困难 跟不上电场变化 e e 都很小 温度升高 粘度减小 偶极可以转向但跟不上电场变化 e e 都增大 温度足够高后 偶极转向完全跟得上电场的变化 e 增至最大而e 又变小 温度升高还可能使电导电流增大 到一定程度时 电导损耗成为主要的损耗 其他影响介电损耗的因素 分子结构的影响 分子极性越大 极性基团密度越大 介电损耗越大 非极性聚合物的tand在10 4数量级 极性聚合物在10 2数量级电压的影响 电压增大 一方面使极化增大 另一方面使电导电流增大 都造成介电损耗增大 其他影响介电损耗的因素 增塑剂的影响 加入非极性增塑剂使介电损耗峰向低温方向移动 在较低温度下就出现较大的介电损耗 加入极性增塑剂使介电损耗增加 浓度增加也使损耗峰移向低温方向杂质的影响 导电杂质或极性杂质的存在会增加聚合物的电导电流和极化率 使介电损耗增加 介电击穿现象与介电强度 在高电压下 大量电能迅速释放 电极之间的材料局部被烧毁 材料从介电状态突然变成导电状态 称介电击穿 dU dI 0时的电压称击穿电压 记作Ub 介电强度Eb是材料击穿电压与厚度h之比 即材料能长期承受的最大场强 也称击穿场强 单位为MV m 聚合物的介电击穿机理 本征击穿 在高电压电场作用下 聚合物中微量杂质产生的离子或电子被电场加速沿电场方向作高速运动 与大分子碰撞激发新的电子 新的电子获得能量由激发更多的电子 恶性循环的结果导致击穿 其主要影响因素是聚合物的结构与电场强度 与冷却条件 外加电压方式 持续或脉冲 和时间及试样的厚度无关 热击穿 在高电压电场作用下 介电损耗产生的热量来不及散发 使聚合物温度升高 导致电导率升高 产生更多热量 恶性循环的结果导致聚合物的氧化 熔融和焦化以致击穿 热击穿电压与环境温度 散热条件 加压时间和升压速度有关 放电击穿 化学击穿 聚合物表面和内部气泡的介电强度远低于材料本身 在高电压电场作用下 首先电离放电 产生的热量 气氛如臭氧O3使聚合物降解 氧化 老化 反复放电使材料侵蚀加深 最终导致击穿 击穿通道往往呈树枝状 聚合物的实际介电强度 纯粹均匀的聚合物介电强度超过100MV m 实际介电强度低得多 实际强度的影响因素 环境介质 物理状态 温度 加压方式和速度 电场频率 纯度及电极类型等 往往以耐压试验来考察其介电击穿性能 在聚合物制件上施以试验电压 经指定时间后不发生击穿则认为合格 静电现象 任何两种物质互相接触或摩擦时 由于其内部结构中电荷载体的能量分布不同而导致接触界面上的电荷再分配 分离时 两种物质表面将带上比其现出或摩擦前过量的正 负电荷 称静电现象 聚合物电绝缘性很好 因而其静电耗散较慢 表现出的静电现象较明显 摩