同济大学功能高分子材料.ppt

第八章高聚物电学性质 第一节概述第二节高聚物的极化及介电常数第三节高聚物的介电损耗第四节高聚物的导电性第五节高聚物的介电击穿第六节高聚物的静电现象 危害和防止 第一节概述 大多数高聚物固有的电绝缘性质已长期被利用来约束和保护电流 使它沿着选定的途径在导体里流动 或用来支持很高的电场 以免发生电击穿 品种繁多的高聚物 有着极宽的电学性能指标范围 它们的介电常数从略大于1到103或更高 电阻率的范围超过20个数量级 耐压可高达100万伏以上 高聚物的电学性质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 研究高聚物的电学性质 具有非常重要的理论和实际意义 在交变电场中的介电性质在弱电场中的导电性质在强电场中的击穿现象在聚合物表面的静电现象 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例如 用于制造电容器 用于仪表绝缘和无线电遥控技术等 高聚物的电学性质往往非常灵敏地反映材料内部结构的变化和分子运动状况 因此电学性质的测量 作为力学性质测量的补充 已成为研究高聚物的结构和分子运动的一种有力的手段电学性质的测量方法 由于可以在很宽的频率范围下进行观察 显示出有更大的优越性 本章将简要介绍高聚物的极化 介电常数 介电损耗 绝缘电阻 介电强度以及静电等现象和概念 第二节高聚物的极化及介电常数 一 电介质在外电场中的极化现象在外电场的作用下 电介质分子或者其中某些基团中电荷分布发生的相应变化称为极化 电子极化 原子极化 取向极化 界面极化 1 电子极化 电子极化是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 极化过程所需的时间极短 约为10 13 10 15s 当除去电场时 位移立即恢复 无能量损耗 所以也称可逆性极化或弹性极化 2 原子极化 分子骨架在外电场作用下发生变形造成的 如CO2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 3 取向极化 取向极化又称偶极极化 是具有永久偶极矩的极性分子沿外场方向排列的现象 由于极性分子沿外电场方向的转动需要克服本身的惯性和旋转阻力 极化所需要的时间长 一般为10 9s 发生于低频区域 4 介电松弛谱 外电场强度越大 偶极子的取向度越大 温度越高 分子热运动对偶极子的取向干扰越大 取向度越小 对聚合物而言 取向极化的本质与小分子相同 但具有不同运动单元的取向 从小的侧基到整个分子链 完成取向极化所需的时间范围很宽 与力学松弛时间谱类似 也具有一个时间谱 称作介电松弛谱 5 介电常数 5 介电常数 真空电容器的电容为如果在上述电容器的两极板间充满电介质 这时极板上的电荷将增加到Q Q Q0 Q 此时 电容也相应增加为C 5 介电常数 定义含有电介质的电容器的电容C与相应真空电容器的电容之比为该电介质的介电常数 即 电介质的极化程度越大 Q值越大 也越大 介电常数是衡量电介质极化程度的宏观物理量 表征电介质贮存电能能力的大小 第三节高聚物的介电损耗 一 介电损耗的意义及其产生原因1 介电损耗的意义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 这种现象就是介电损耗 二 介电损耗产生的原因 1 电介质中含有能导电的载流子 它在外加电场的作用下 产生电导电流 消耗掉一部分电能 转化为热能 称为电导损耗 二 介电损耗产生的原因 2 电介质在交变电场下的极化过程中 与电场发生能量交换 取向极化过程是一个松弛过程 电场使偶极子转向时 一部分电能损耗于克服介质的内粘滞阻力上 转化为热量 发生松弛损耗 变形极化是一种弹性过程或谐振过程 当电场的频率与原子或电子的固有振动频率相同时 发生共振吸收 损耗电场能量最大 三 高聚物的介电松弛谱 实际体系对外场刺激响应的滞后统称为松弛现象 在交变电场E E0cos t E0为交变电流峰值 的作用下 电位移矢量也是时间的函数 由于聚合物介质的粘滞力作用 偶极取向跟不上外电场变化 电位移矢量迟后于施加电场 相位差为 即D D0cos t D1cos t D2sin t D D0cos t D1cos t D2sin tD1 电位移矢量跟上施加电场的部分D2 电位移矢量滞后于施加电场的部分D1 D0cos D2 D0sin 令D1 E0 D2 E0 实测的介电系数 代表体系的储电能力 损耗因子 代表体系的耗能部分 通常 用损耗角正切tg 表征聚合物电介质耗能与储能之比 即tg 取真空的相对介电系数为1 则非极性聚合物的介电系数在2左右 损耗角正切小于1 10 4 极性聚合物的损耗角正切在1 10 1 5 10 3之间 固体高聚物 当频率固定时在某温度范围内 或当温度介电损耗情况 可以得到一特征的图谱 称为高聚物的介电松弛谱 前者为温度谱 后者为频率谱 介电损耗温度谱示意图 在这些图谱上 高聚物的介电损耗一般都出现一个以上的极大值 分别对应于不同尺寸运动单元的偶极子在电场中的松弛损耗 按照这些损耗峰在图谱上出现的先后 在温度谱上从高温到低温 在频率谱上从低频到高频 依次用 命名 固体高聚物的介电松弛综合图 三种聚乙烯的介电谱 100KHz 两种聚四氟乙烯的介电谱 1KHz 第四节高聚物的导电性 材料的导电性是用电阻率 或电导率 来表示的 当试样加上直流电压U时 如果流过试样的电流为I 则按照欧姆定律 试样的电阻R U I 试样的电导G为电阻的倒数G 1 R I U电阻和电导的大小都与试样的几何尺寸有关 不是材料导电性的特征物理量 试样的电阻与试样的厚度h成正比 与试样的面积S成反比R h S比例常数 称为电阻率对试样的电导有G S h比例常数 称为电导率 显然 电阻率与电导率都不再与试样的尺寸有关 而只决定于材料的性质 它们互为倒数 都可用来表征材料的导电性 第五节高聚物的介电击穿 前面是讨论高聚物在弱电场中的行为 在强电场 107 108伏 米 中 随着电场强度进一步升高 电流 电压间的关系已不再符合欧姆定律 dU dI逐渐减小 电流比电压增大得更快 一 介电击穿现象 当达到dU dI 0时 即使维持电压不变 电流仍然继续增大 材料突然从介电状态变成导电状态 在高压下 大量的电能迅速地释放 使电极之间的材料局部地被烧毁 这种现象就称为介电击穿 dU dI 0处的电压Ub称为击穿电压 击穿电压是介质可承受电压的极限 二 介电强度 介电强度的定义是击穿电压Ub与绝缘体厚度h的比值 即材料能长期承受的最大场强 Eb Ub hEb就是介电强度 或称击穿场强 第六节高聚物的静电现象 危害和防止 绝缘体表面的静电可以通过三条途径消失 1 通过空气 雾气 消失 2 沿着表面消失 3 通过绝缘体体内消失因此可在三方面采取适当的措施 消除已经产生的静电 静电沿绝缘体表面消失的速度取决于绝缘体表面电阻率的大小 1 提高空气的湿度可以在亲水性绝缘体表面形成连续的水膜 加上空气中的CO2和其他电离杂质的溶解 而大大提高表面导电性 2 使用抗静电剂它是一些阳离子或非离子型活性剂 通常用喷雾或浸涂的办法涂布在高聚物表面 形