高分子物理_电性能

1、第七章第七章 高聚物的电性能高聚物的电性能 (Electrical property)第一节第一节 高聚物的介电性能高聚物的介电性能第二节第二节 高聚物的导电性能高聚物的导电性能第三节第三节 高聚物的电击穿性能高聚物的电击穿性能第四节第四节 高聚物的静电现象高聚物的静电现象第五节第五节 高聚物的其它电性能高聚物的其它电性能第一节第一节 高聚物的介电性能高聚物的介电性能一、高分子的极化一、高分子的极化1、高分子的极性(polarity)对于一个分子而言，正负电荷数量相等，故整个分子呈电中性。但分子中的正负电荷中心可能重合，也可能不重合。正负电荷中心不重合的为极性分子，重合的为非极性分子。分子极性

2、的强弱，常用偶极矩(dipole moment)来表示。偶极矩是一个矢量，其方向规定为从正到负，单位为德拜，用D表示。1D=1.010-18厘米静电单位在国际单位制中，1D=3.3310-30库仑米（Cm）ql高分子的极性大小也可用其偶极矩来表示。根据偶极矩的大小，高聚物可分为类型类型偶极矩大小偶极矩大小举例举例非极性高聚物非极性高聚物弱极性高聚物弱极性高聚物中等极性高聚物中等极性高聚物强极性高聚物强极性高聚物=0=000.5D00.5D0.5D0.7D0.5D0.7D0.7DPE，PTFEPS，NRPVC，PAPVAL，PAN注意：表中偶极矩大小是以高聚物重复单元计。注意：表中偶极矩大小是以

3、高聚物重复单元计。一、高分子的极化一、高分子的极化2、高分子的极化(polarization)u 极化是指电解质在电场作用下，分子内束缚的电荷产生弹性位移或偶极子转向排列，从而对外呈现出极性的现象。u 极化的类型l 电子极化(electron polarization)l 原子极化(atom polarization)l 偶极极化(dipole polarization)l 界面极化(interface polarization)l电子极化电子极化(electron polarization) 它是分子中各原子的电子云在外电场作用下，向正极方向偏移，使分子的正负电荷中心的位置发生变化引起的。电

4、子云的这种移动是很小的，因为外电场与原子核作用在电子上的内电场相比，一般相当弱。另外，由于电子运动速度很快，电子极化过程所需时间极短，约有10-1510-13秒。l原子极化原子极化(atom polarization)它是分子骨架在外电场作用下发生变形造成的。当电子云向正极方向偏移时，带正电的原子核向负极方向也发生偏移，形成原子极化。由于原子核的质量较大，运动速度比电子慢，故原子极化时间约为10-13秒以上。电子极化和原子极化都是在外电场作用下，分子中正负电荷中心发生位移或分子变形引起的，统称为位移极化或变形极化。它们也是非极性分子的主要极化形式。l偶极极化偶极极化(dipole polari

5、zation)具有永久偶极矩的极性分子，在没有外电场时，由于分子的无规热运动，偶极矩指向各个方向的几率相等，所以大量分子的总偶极矩实际等于零，介质表现为电中性。在外电场作用下，极性分子沿外电场方向排列，产生分子的取向。这种极化称为偶极极化或取向极化。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，所以所需时间较长，一般约10-9秒。l界面极化界面极化(interface polarization)对于共混高聚物或复合材料而言，由于存在相界面，在外电场作用下，电介质中的电子或离子在非均相介质的界面处堆集造成极化，称为界面极化。这种极化所需时间较长，从几分子之一秒到几分钟，甚至更长。界

6、面极化的测量（使用低频技术），现今已成为研究高聚物共混物的一种重要工具。高聚物的几种极化形式的比较见下表。高聚物几种极化形式的比较高聚物几种极化形式的比较极化形式极化形式极化机理极化机理特点特点适用对象适用对象电子极化电子云的偏移极快，无能量损耗，不依赖于温度和频率所有高聚物原子极化原子核的偏移稍快，有能量损耗，不依赖于温度所有高聚物偶极极化偶极子转向慢，有较大能量损耗，依赖于温度和频率极性高聚物界面极化载流子在界面聚集极慢，依赖于温度和频率共混物复合材料二、高聚物的介电常数二、高聚物的介电常数介电常数(dielectric constant)是表示高聚物极化程度的宏观物理量。在一真空平板电容

7、器上加上直流电压U，在极板上将产生一定量的电荷Q0，则电容器的电容为：当两极板间充满电介质时，仍施加电压U，由于电介质的极化，在两极板上将产生感应电荷Q，使极板上的电荷量增大到Q0+Q，故此时电容器的电容为：于是，该介质的介电常数为：UQC00UQQC0000QQQCC二、高聚物的介电常数二、高聚物的介电常数介电常数等于充满电介质的电容器电容与该真空电容器的电容之比。是一个表征电介质储藏电能大小的物理量。对高聚物而言，极化程度越大，则极板上感应的电荷量越多，介电常数也就越大。非极性高聚物的介电常数较小，通常在23左右。极性高聚物则较大，且极性越强，介电常数越大。交联能阻碍极化，因而使介电常数降

8、低。应用：应用：l 通信电缆材料的介电常数越小越好。通常采用PE、PP和PS等。l 电容器则宜采用介电常数较大的材料以提高电容量；l 高压电机、开关等宜选用介电常数相近的材料做组合介质。三、高聚物的介电损耗三、高聚物的介电损耗(dielectric loss)1、定义电介质在交变电场作用下，将一部分电能转化为热能而损耗的现象。2、原因l 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；l 电介质在交变电场下的极化过程中，与电场发生能量交换。如取向极化中，偶极子转向时，就会消耗一部分电能以克服内摩擦阻力，转化为热能，称为松弛损耗。三、高聚

9、物的介电损耗三、高聚物的介电损耗3、表征若损耗的功率用W表示，则（1）损耗角（） （2）损耗因子（sin ）（3）介电损耗角正切（tan ）tansincUIUIWUIWsin每周期介电储存的能量每周期介电损耗的能量cUIWtantan表示在每周期内高聚物损耗的能量与其储存的能量之比，它是一个无量纲的量，其数值不随电场形成而改变，是物质本身的一种特性。一般用电介质的介电损耗角正切值表征介电损耗。高聚物的介电损耗角正切（tan）通常是小于1的数，大多数在10-410-2范围内。当高聚物作为电工绝缘材料或电容器材料使用时，不允许有大量的损耗，否则不但要浪费大量的电能，还会引起材料发热、老化以至破坏

10、，所以要求材料的tan越小越好。但与此相反，在高聚物的高频干燥、塑料薄膜的高频焊接以及大型高聚物的高频热处理等情况下，则要求材料的tan较大为好。四、影响高聚物介电性能的因素四、影响高聚物介电性能的因素1、高分子结构、高分子结构(structure)在一定频率和温度下，高聚物分子的极性大小和极性基团的密度是决定介电性能的内因。非极性高聚物的介电常数和介电损耗角正切都很小，而极性高聚物分子链上有极性基团，各种极化都能发生，故介电常数和介电损耗比非极性高聚物大。且极性越强，极性基团的密度越高，其极化程度越大，介电常数和介电损耗也就越大。2、频率、频率(frequency)频率很低时，所有极化都有充

11、分的时间，完全跟得上电场变化，介电常数达到最大值，且能耗很小；频率很高时，只发生电子极化，偶极极化不能进行，所以能量损耗也很小。在一般的频率下，才有较大的损耗。3、温度、温度(temperature)对非极性高聚物，介电常数随温度升高而降低。对极性高聚物，温度较低时，随温度升高，介电常数增大；而温度较高时，则随温度升高，介电常数减小。不管是何种高聚物，温度升高时，介电损耗均会增大。4、湿度、湿度(moisture)因为水是极性分子，所以当高聚物吸湿后，使电导和极化均增大，从而使介电常数和介电损耗增大。影响程度的大小取决于材料的吸湿程度，这种吸湿性一是与高聚物的结构有关，如极性高聚物容易吸湿，所

12、以影响大；二是与环境的湿度大小有关。5、电压、电压(voltage)对于同一种高聚物，当外加电场的电压增大时，一方面有更多的偶极按电场的方向取向，使极化程度增大，另一方面流过高聚物的电导电流随电压升高而增大。两方面都将导致高聚物介电损耗的增加。6、杂质、杂质(impurity)导电杂质或极性杂质的存在，会增加高聚物的电导电流和极化率，因而使介电损耗增大。特别是对于非极性高聚物而言，杂质成了引起介电损耗的主要原因。因此，为了得到介电损耗低的高聚物，必须正确选用各种添加剂，并在生产、加工和使用过程中，避免带入和注意清除各种杂质。第二节第二节 高聚物的导电性能高聚物的导电性能1、基本概念、基本概念在

13、弱电场作用下，一般用欧姆定律来表征材料的导电性能。式中U为施加的电压，I为通过的电流，R为材料的电阻。通常，通过的电流可分为通过表面的电流（Is）和通过内部体积的电流（Iv）两部分，相应的电阻也可分为两部分，即表面电阻（surface resistance Rs）和体积电阻（volume resistance Rv）。显然：IUR vsRRR111试样的电阻（或电导，为电阻的倒数）除了与试样的结构有关外，还与试样的几何尺寸及测试条件有关。通常采用与尺寸大小无关的电阻系数来表示。相应地，电阻系数也有两个，即表面电阻系数（surface resistivity s）和体积电阻系数(volume r

14、esistivity v ）。blRss式中l为电极长度，b为平行电极间的距离。 s表示电流通过单位长度和宽度的试样的电阻值。dSRvv式中S为测量电极的面积，d为试样的厚度。 v表示电流通过单位面积和厚度的试样的电阻值。一般所说的材料的绝缘电阻指的就是其体积电阻系数v ，它是介质材料的重要指标之一。材料的类型与体积电阻系数材料的类型与体积电阻系数材料材料体积电阻系数体积电阻系数(cm)电导系数电导系数(-1cm-1)超导体导体半导体绝缘体(或电介质)10-810-810-510-510710710-810510810-710510-7按照材料的体积电阻系数可将材料分为:超导体(superco

15、nductor)、导体(conductor)、半导体(semiconductor)和绝缘体(insulator)四大类。2、高聚物绝缘体、高聚物绝缘体高分子是由许多原子以共价键连接而成，价电子基本上处于较稳定的低能态，因此高聚物材料一般都是绝缘体，可用于很多要求绝缘的场合。一般纯粹的固体高聚物应该有很高的电阻系数，但是，实际上，高聚物往往有一定的导电性，高聚物绝缘体的电导主要是由所含杂质所贡献的，称为杂质导电。如存在于高聚物中的引发剂、催化剂、增塑剂、填充剂等都将使材料的电阻降低。特别是吸水后，会使材料的电导显著增大。因此，材料的纯度越高，高聚物的电导越小，一般而言，饱和的非极性或弱极性高聚物

16、，都是优良的绝缘体，它们的体积电阻系数都在1014 cm以上，如PE、PS、PTFE；而极性高聚物由于其极性基团可能发生微弱解离而使其电阻系数低于非极性高聚物，如PA、PETP。3、高聚物的半导体和导体、高聚物的半导体和导体绝大多数高聚物常用作绝缘材料（或电介质），近年来已开始用作半导体、导体甚至超导体。要使高聚物有导电性，应合成大共轭体系平面状高分子，电子云在高分子内或分子间交迭，沿共轭双键主链，电子能由一端流到另一端，因此这类高聚物具有半导电性甚至导电性。如聚乙炔的电子云在高分子内交迭，由于相对分子质量不高而且共轭不完善，因而是半导体，经特殊处理可得导体。另，聚丙烯腈纤维不导电，但如经高温

17、焦化处理后，则能导电，这就是碳纤维(carbon fiber)。值得指出的是，一般来说，所有用作半导体和导体的高聚物都具有共轭结构，并且具有共轭结构的高聚物也是耐高温材料，但并不是所有（形式上的）共轭结构的高聚物都是导电高聚物。第三节第三节 高聚物的电击穿性能高聚物的电击穿性能1、电击穿现象、电击穿现象在弱电场作用下，高聚物是绝缘体。但随着电压的不断升高，流过材料的电流不断增大，当电压超过某一极限值后（强电场下），材料的绝缘性能完全丧失而导电。这种现象称为电击穿。2、表征、表征（1）击穿电压(disruptive voltage)绝缘材料受强电场作用而被击穿（导电）时的电压值，称为击穿电压。用

18、U表示，单位为KV或MV。（2）击穿（电压）强度(disruptive voltage strength)材料被击穿时的电压（击穿电压）与材料厚度的比值称为击穿（电压）强度。用E表示，单位为KV/mm或MV/m。式中，U表示击穿电压，MV； d表示试样的厚度，即两电极间的距离，m。击穿电压强度表示每单位厚度的高聚物被击穿时所承受的电压值，又称为介电强度或简称为击穿强度。由于高聚物作为绝缘材料用在电气设备和器件上，发生介电击穿而遭到破坏的现象是经常遇到的，因而介电强度是高分子绝缘材料性能的一项重要指标。dUE 3、介电击穿机理、介电击穿机理（1）本征击穿）本征击穿在高压电场作用下，高聚物中微量杂

19、质电离而产生的离子或少量自由电子，受到电场的加速而沿电场方向作高速运动，它们与高分子碰撞，可以激发现新的电子，这些新生的电子又从电场中获得能量，并在与高分子的碰撞过程中激发出更多的电子，这一过程反复进行，自由电子似“雪崩”般产生，以致电流急剧升高，最终导致高聚物材料的电击穿；或者因为电场强度达到某一临界值时，原子的电荷发生位移，使原子间的化学键遭到破坏，电离产生的大量价电子直接参加导电，导致材料的电击穿。决定本征击穿的主要因素是高聚物的结构与电场强度，与冷却条件、外加电压的方式和时间及试样的厚度无关。（2）热击穿）热击穿在高压电场下，由于介电损耗所产生的热量来不及散发出去，热量的积累使高聚物的

20、温度上升，而随着温度的升高，高聚物的电导按指数规律急剧增大，电导损耗产生更多的热量，又使温度进一步升高。这样恶性循环的结果，导致高聚物的氧化、熔化和焦化以致发生击穿。热击穿电压与环境温度有关，温度升高，击穿电压按指数规律下降；也与散热条件有关，散热系数越小的击穿电压越低。此外，因为热击穿是热量积累的过程，需要一定的时间，因此加压时间和升压速度对击穿电压有显著影响。（3）化学击穿）化学击穿在高压电场下，高聚物表面和内部气泡中的气体，因其介电强度（约3MV/m）比高聚物的介电强度（201500MV/m）低得多，首先发生电离放电。放电时被电场加速的电子和离子轰击高聚物表面，可以直接破坏高分子结构，放

21、电产生的热量可能引起高分子的热降解，放电生成的臭氧和氮的氧化物将使高聚物氧化老化。特别是当高压电场是交变电场时，这种放电过程的频率成倍地随电场频率而增加，反复放电使高聚物所受的侵蚀不断加深，最终导致材料击穿。这种击穿造成的击穿通道通常呈树枝状。在实际应用中，高聚物的介电击穿一般既不是单纯的本征击穿，也不是典型的热击穿，而往往是气体放电引起的击穿，特别是当较低电压长时间作用时，气体放电造成的结构破坏更为突出。4、耐电压性与耐电弧性、耐电压性与耐电弧性由于击穿试验是一种破坏性试验，因此这一性能的指标往往用耐电压试验来代替。耐电压性表示高聚物制品的耐电压能力。一般是指迅速将电压升高到由制品标准规定的

22、电压，停留一分钟（或按制品标准规定的时间），观察制品是否被击穿。若未被击穿，则称此电压为该制品的耐电压值。该试验适用于已成型的高聚物制品，属非破坏性试验，是鉴定高聚物制品绝缘能力的最佳方法。耐电弧性一般是指，在一定高电场下，两电极间的气体被击穿产生电弧、火花的作用，致使高聚物表面形成导电层所需的时间长短，表示高聚物对高电弧、电火花的抵抗能力。第四节第四节 高聚物的静电现象高聚物的静电现象一、静电现象一、静电现象两种电性不同的物体相互接触或摩擦时，会有电子的转移而使一个物体带正电荷，另一个带负电荷。此即为为静电现象（electrostatic effect）。由于一般高聚物的电绝缘性能很好，它们

23、一旦带上静电，不能立即漏导，可持续很长时间。例如，PE、PTFE、PS和PMMA塑料产品得到静电荷后可保持数月之久。高聚物结构不同，所带电荷性质也不一样。一般介电常数大的高聚物带正电，介电常数小的带负电。高聚物的摩擦起电序如下所示。二、静电的危害二、静电的危害静电作用在高聚物加工和使用过程中是个不利因素。这种静电轻则吸附尘埃，重则影响生产，甚至引起爆炸和火灾事故。具体可归纳为以下几点：u 影响制品质量影响制品质量例：塑料制品和纺织品表面静电容易吸附灰尘，影响外观；电影胶片、唱片上的静电、吸尘，直接影响清晰度和音质。u 影响生产进行影响生产进行例：合成纤维生产过程中由于丝的相互吸引或排斥，容易引

24、起乱丝，使纺丝、拉伸、纺织等工序难以进行。u 危及人身安全危及人身安全例：煤矿、化工易燃易爆产品生产车间使用的各种塑料管道、制品的静电将引起爆炸、燃烧等重大事故，危及安全。三、静电的消除三、静电的消除消除静电也就是寻找控制电荷产生或使所形成的静电尽快泄漏。一般而言，控制静电荷产生较为困难，实际解决问题从后一方面着手居多。目前，工业生产中广泛采用如下的方法。n 通过空气（雾气）消除通过空气（雾气）消除通过空气消除静电，主要依靠空气中相反符号的带电粒子飞来与绝缘体表面的静电中和，或让带电粒子获得动能而飞散到空气中。利用尖端放电原理，制成高压电晕式静电消电器，已在化纤、薄膜、印刷等生产中应用。在不允

25、许有火花出现的场合，也可用辐照使气体电离的方法消除静电。n 通过表面消除通过表面消除通过表面消除静电，最有效最方便的方法是在高聚物中加入抗静电剂（antistatic agent）。多数抗静电剂是分子结构中一端带亲水基团，一端带疏水基团的表面活性剂，如胺类、季胺类、吡啶衍生物和羟基酰胺等。如抗静电剂SN（二甲基羟乙基十八烷基季胺硝酸盐）。抗静电原理：抗静电原理：在高聚物表面形成一层导电膜，从而提高了高聚物表面的导电性，使静电能迅速泄漏，避免积累，因此起到防静电作用。按使用方法可分为外用型和内用型两类。外用型抗静电剂外用型抗静电剂用于已经成型的塑料制品和纤维，采用涂覆、浸渍或喷雾的方法涂在制品或

26、纤维表面，增加表面的导电性，其有效的时间因选用的抗静电剂的不同而不同。内用型抗静电剂内用型抗静电剂适用于塑料成型加工之前加入，存在于制品内部，成为制品表面的组成部分，特点是效果好，有效期长。抗静电剂的加入量由高聚物材料的性质、对静电的要求和抗静电剂的结构、抗静电能力来决定，同时也要经过实验结果来确定。3、通过绝缘体体内消除静电通过绝缘体体内泄漏的速度，主要决定于绝缘体的电阻大小。一般来说，当高聚物的体积电阻系数小于107m时，即使产生静电荷，也会很快泄漏。为了提高高聚物的体积电阻系数，最方便的方法是添加炭黑、金属细粉或导电纤维，制成抗静电橡皮或防静电塑料。第五节第五节 高聚物的其它电性能高聚物

27、的其它电性能 某些高聚物在机械力、热、光等作用下，也会反映出各某些高聚物在机械力、热、光等作用下，也会反映出各种不同的电学性质。因此，高聚物除了大量作为绝缘材料和种不同的电学性质。因此，高聚物除了大量作为绝缘材料和介电材料之外，现正研究和利用其新的电学性质，如利用高介电材料之外，现正研究和利用其新的电学性质，如利用高聚物驻极体的压电性、热电性，可以制成将力、热、光等能聚物驻极体的压电性、热电性，可以制成将力、热、光等能量转变成电讯号的功能材料。利用高聚物的光电性质制成的量转变成电讯号的功能材料。利用高聚物的光电性质制成的光导电高聚物材料可用于静电复印机鼓、激光打印机鼓，有光导电高聚物材料可用于

28、静电复印机鼓、激光打印机鼓，有取代无机硒鼓的趋势。取代无机硒鼓的趋势。一、压电性一、压电性(piezoelectric effect)所谓压电性，就是指高聚物在机械力作用下，所表现出来的电学性质。1880年，居里在石英晶体中首先发现了物质的压电性，直到1968年，才由日本学者Kawai在聚偏二氯乙烯中观察到聚合物也在压电现象。力电关系的研究，开辟了高聚物材料将力转变为电能的新应用领域。例如作为话筒、传感器之类装置的转换元件。如左图所示。将高取物试样置于两电如左图所示。将高取物试样置于两电极间，在机械力作用下，因形变而发极间，在机械力作用下，因形变而发生极化，同时产生电场，这种现象称生极化，同时产生电场，这种现象称为为(正正)压电效应。反之，在高聚物试压电效应。反之，在高聚