《聚合物的电性能》PPT课件

第七章：聚合物的电性能,高聚物的电学性能：高聚物在外电场作用下的行为及其表现出来的各种物理现象交变电场-介电性能高聚物的弱电场导电性能电学性能强电场击穿现象发生在聚合物表面的静电现象,聚合物低的电导率，低的介电损耗，高击穿强度等优良的电学性质使其在电子和电工技术中成为不可缺少的材料。大多数聚合物固有的电绝缘性,长期被利用来隔离与保护电流。对于具有特殊电磁功能的高分子的研究，对于高分子半导体，导体，超导体，永磁体的探索已取得了不同程度的进展。,绝大部分高聚物（特别是碳链高聚物）是绝缘体，但在外电场作用下，由于分子极化，将引起的对电性能的储存和损耗，这种性能称为介电性能。,在直流电场（静电场）储蓄电能，在交变电场中损耗电能。介电性用（介电常数）和tg（介电损耗）来表示，和tg愈小，介电性愈好。,材料的介电性来源于其中成分的极化。和tg本质上是个极化问题，讨论聚合物的和tg时，我们首先讨论聚合物的极化。,一、高分子的介电性,极性分子在电场中的转动,（一）聚合物分子的极化,极化：在外电场作用下，分子中电荷分布所发生的变化，这种现象称为极化。,真空平行板电容器,板间有电介质,为无因次量，称为介电常数，表征了电介质储存电能能力的大小，是介电材料的一个十分重要的性能指标。,介电常数越大，说明电容器的电容越大。,为电介质的电容率，表示单位面积、单位厚度电介质的电容质。单位为F/m。,分子极化（形式）,电子极化：,在外电场中每个原子的价电子云向正极方向偏移。,原子极化：,分子骨架在外场作用下发生变形造成的（原子核间的相对位移）。,极性分子的固有偶极沿电场方向择优排列。,取向极化：,极性分子可发生电子，原子，取向极化；非极性分子只发生电子，原子极化。,极化率（）,是表征极化程度的微观物理量。是一个与分子结构有关而与电场无关的量。,分子的极化结果，相当于外电场在分子上引起一个附加偶极矩，其大小决定于作用在分子上的的局部电场强度E1,不同的极化形式有不同的极化率,电子极化率,原子极化率,取向极化率,（二）聚合物的介电性,键的极性用键矩表示。分子极性用偶极矩表示，偶极矩等于分子中所有键矩的矢量和。的单位是德拜（D），1D=10-18库仑厘米。越大，极性越大。,1、高分子的极性,PTFE的CF键极性很大，但由于分子结构的对称性，使得整个分子不具极性。聚三氟氯乙烯的CF和CCl键的极性不同，电荷分布不对称，所以是极性分子。,PE有高的结构对称性，CH键极性也很小，是非极性分子。PS结构并不对称，但键矩很低，分子极性也不大。,高分子的极性：一方面同化学键的极性有关，另一方面要受分子结构对称性的限制。,2、聚合物的介电常数与结构的关系,按照偶极矩的大小，可将高聚物大致分为以下四类，他们分别对应于介电常数的某一数值范围：,极性基团对介电常数的影响,主链上的极性基团影响小侧链上的极性基团影响大,物理状态：,Tg温度以下，链段运动被冻结，极性基团的取向有困难，因此对高聚物的介电常数的影响小。,Tg温度以上为高弹态，链段可以运动，极性基团的取向得以顺利进行，对高聚物的介电常数的影响大。,聚氯乙烯的极性基团的密度几乎是氯丁橡胶的一倍，试问室温下哪种聚合物的介电常数大？,升高温度至玻璃化温度以上后，聚氯乙烯介电常数会增大还是减小？,3、高聚物的介电损耗在交变电场E=E0cost（E0为交变电流的峰值）作用下，电位移矢量（D）也是时间的函数。由于聚合物的粘滞力作用，偶极取向跟不上外场的变化，电位移矢量滞后施加电场一个相位差，即：,式中，D1电位移矢量与电场同相位部分；D2电位移矢量滞后于施加电场的部分。令：式中，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。,通常用损耗角的正切表征聚合物电介质耗能与储能之比：tg=/在交变电量中介电系数写成复数形式*=-i,非极性聚合物的tg10142、极性高分子V10143、杂质，s,V,4、含共轭双键的高分子半导体材料加入电荷转移络合物加入金属离子等5、T，导电性。,三、聚合物的电击穿聚合物作为绝缘材料，能耐多大的电压，能使用多长时间，这些都关系到电气设备的可靠性和安全性，在实际应用中极为重要。聚合物的电绝缘性并不是绝对的，在弱电场中具有绝缘性的聚合物在强电场（107108V/m）中随V，其绝缘性会，V到一定数值时，介质可形成局部电导，材料的化学结构遭到破坏，发生聚合物的电击穿。电介质的V和的关系如下图所示。,曲线形状与曲线相似，“屈服点”的电压Vb称为击穿电压，达到这一临界值后，即使电压不变，仍然增大，材料从介电状态变成导电状态。,Vb的大小同试样的厚度有关，为此用击穿强度Eb作为绝缘材料的一项电性能指标，它定义为击穿电压与试样厚度d的比值：Eb=Vb/dEb的单位是兆伏特/米，Eb是材料所能承受的电场强度极限最大的场强。虽然在Eb以上材料导电，但不是说此时它可做导体用，因为材料的结构已被击穿破坏。,Eb的大小不仅取决于高分子本身的结构，还随外界条件而变化，电极的形状和大小，升压速度，电场频率，T和d都是影响Eb的因素。因此在测试Eb时，必须严格规定测试条件，否则，测试结果将无法比较。,击穿试验