聚合物的结构与介电性能教学教材

聚合物及多组分聚合物的结构(jiégòu)与介电性能第一页，共28页。聚合物及多组分聚合物的结构(jiégòu)与介电性能聚合物介电性：聚合物在外电场的作用(zuòyòng)下，由于分子极化引起电能的储存和损耗的性质。表征方式介电常数介电损耗第二页，共28页。绝缘材料电容器材料压电材料热释电材料铁电材料介电材料(cáiliào)分类示意图第三页，共28页。聚合物及多组分聚合物的结构(jiégòu)与介电性能极化：在外电场的作用下，电介质分子(fēnzǐ)或者其中某些基团中电荷分布发生相应变化。极化类型电子(diànzǐ)极化原子极化取向极化界面极化第四页，共28页。价电子云相对(xiāngduì)原子核的位移聚合物及多组分聚合物的结构(jiégòu)与介电性能电子(diànzǐ)极化极化过程：10-15~10-13s第五页，共28页。聚合物及多组分聚合物的结构(jiégòu)与介电性能原子(yuánzǐ)极化分子骨架在外电场下发生(fāshēng)变形极化过程一般10-13s第六页，共28页。聚合物及多组分聚合物的结构(jiégòu)与介电性能取向极化极性分子(fēnzǐ)延外场方向排列极化过程一般(yībān)10-9s第七页，共28页。聚合物及多组分聚合物的结构(jiégòu)与介电性能界面(jièmiàn)极化产生于非均相介质(jièzhì)界面处在外电场的作用下，电介质中的电子或离子在界面处堆积的结果。极化需时几分之一至几分钟，甚至更长。第八页，共28页。定义：含有电介质的电容器电容与相应(xiāngyīng)真空电容器的电容比。真空的ε等于1，空气的ε接近1，大多数非极性高聚物的ε为2左右，极性高聚物的ε为2～10。（2.6～3.8）Q0Q介电常数(jièdiànchánɡshù)第九页，共28页。介电损耗在交变电场中，电介质由于(yóuyú)消耗部分电能而发热的现象。在交变电场(jiāobiàndiànchǎnɡ)中，介电常数可以写成复数形式介质(jièzhì)损耗角正切第十页，共28页。能量交换取向极化时，存在克服偶极子转向的粘滞阻力，消耗电能，转化为热能变形极化时，当电场频率与原子或电子的固有频率相同时，发生共振吸收介电损耗产生(chǎnshēng)的原因电导(diàndǎo)损耗导电载流子产生导电电流消耗电能转化为热能偶极的取向极化第十一页，共28页。聚合物名称tanδ*104聚合物名称tanδ*104聚四氟乙烯<2环氧树脂20-100聚乙烯2硅橡胶40-100聚丙烯2-3氯化聚醚100四氟乙烯-六氟乙烯共聚<3聚酰亚胺40-150聚苯乙烯1-3聚氯乙烯70-200交联苯乙烯5聚氨酯150-200聚砜6-8ABS树脂40-300聚碳酸酯9氯丁橡胶300天然橡胶2-30尼龙6100-400丁苯橡胶20尼龙66140-600丁基橡胶30PMMA400-600聚甲醛40酚醛树脂600-1000聚邻苯二甲酸二丙烯酯80硝化纤维素900-1200常见(chánɡjiàn)聚合物tanδ(20℃，50Hz)第十二页，共28页。聚合物及多组分聚合物的结构(jiégòu)与介电性能聚合物的介电性能的影响(yǐngxiǎng)因素结构频率与温度添加剂第十三页，共28页。聚偏氟乙烯（PVDF）具有较高的介电常数。由于分子链中H原子与F原子的电负性不同，会在PVDF分子链中产生偶极矩。在外加电场(diànchǎng)的作用下，PVDF分子中正、负电荷中心发生分离，产生电偶极矩，发生取向极化。（1）极性：偶极取向极化对介电性质(xìngzhì)影响最大。极性越大，tanδ越大。1.分子结构(fēnzǐjiéɡòu)第十四页，共28页。15

介电常数是宏观物理量,反映了电介质的极化能力,大小由材料本身(běnshēn)的性质决定。在外电场下电介质材料的极化作用越强,介电常数就越大。表1不同极性高分子材料的分子偶极矩和介电常数(jièdiànchánɡshù)范围聚合物类型分子偶极矩u范围介电常数ε范围非极性高分子u=02-2.3弱极性高分子0<u<0.5D2.3-3.0

中等极性高分子0.5D<u<0.7D3.0-4.0强极性高分子u>0.7D4.0-7.0第十五页，共28页。分子聚集态结构的影响：玻璃态：链段运动被冻结，结构单元上的极性基团取向受链段牵制，取向能力低，对介电常数(jièdiànchánɡshù)影响小高弹态：链段活动能力大，极性基团取向受链段牵制较小，对介电常数(jièdiànchánɡshù)影响大。高弹态下，介电常数(jièdiànchánɡshù)、损耗角大于玻璃态介电常数玻璃态高弹态聚氯乙烯3.515聚酰胺4.05.01.分子结构(fēnzǐjiéɡòu)第十六页，共28页。2.频率(pínlǜ)与温度ε∞εsε’ε”tanδlogω第十七页，共28页。 在研究尼龙610的介电性能的过程中发现，在100Hz时，介电常数和损耗因子(yīnzǐ)随温度增加而迅速增大；而在1MHz时，介电常数随温度变大而变大的趋势减弱，损耗因子(yīnzǐ)随温度增大先增大后减小。[1][1]XP.,ZX.Y.[J].EuropeanPolymerJournal,2011,47(5):1031-1038.2.频率(pínlǜ)与温度第十八页，共28页。改性BaTiO3/EPR复合材料(fùhécáiliào)的电性能BaTiO3粉末(fěnmò)混合(hùnhé)均匀冷压热压固化对BaTiO3进行表面处理环氧树脂1wt%KH550偶联剂和丙酮BaTiO3/EPR复合材料实验3.添加剂第十九页，共28页。随着BaTiO3含量(hánliàng)，电导率随着频率，电导率不同BaTiO3含量对BaTiO3-Epoxy复合材料的电导率随频率(pínlǜ)的变化电导率分析(fēnxī)填料的加入，增加了陶瓷-聚合物界面区域，而界面区域的电导率大于单相本身的电导率第二十页，共28页。不同BaTiO3含量对BaTiO3-Epoxy复合材料(fùhécáiliào)的介电损耗的影响介电损耗分析(fēnxī)填充量过高，会使填料分散(fēnsàn)不均匀，增加其界面极化，因此介电损耗增加。★随着BaTiO3含量，介电损耗但是在体积含量低30vol%时，介电损耗小★随着频率,介电损耗第二十一页，共28页。高介电常数材料(cáiliào)的应用1.高储能(chǔnénɡ)密度电容器的介电材料2.高压电缆均化电场(diànchǎng)的应力锥材料3.嵌入式微电容器4.人工肌肉和药物释放智能外衣材料第二十二页，共28页。高tanδ值材料(cáiliào)的应用①高聚物的高频干燥②塑料薄膜(sùliàobáomó)高频焊接③大型(dàxíng)高聚物制件的高频热处理第二十三页，共28页。应用(yìngyòng)方面RC=2ρε(4L2/P2+L2/T2)ρ:金属线电阻率,ε:线间绝缘层的介电常数,P:金属线间距离,L:连线(liánxiàn)长度,T:线的厚度低介电常数(jièdiànchánɡshù)材料第二十四页，共28页。降低聚合物材料介电常数的方法①增加聚合物材料的自由体积含萘结构的芳基醚聚合物含萘结构(jiégòu)的芳基醚聚合物有较大的萘结构(jiégòu)侧基，能增加聚合物材料的自由体积，从而降低材料介电常数。ZES，NEWCHEMICALMATERIALS，2007，35(7):11.第二十五页，共28页。降低聚合物材料介电常数的方法赵春宝,绝缘材料(juéyuáncáiliào)，2010：33②对称氟取代氟原子具有较强的电负性,可以降低高分子的电子和离子的极化率,达到降低高分子介电常数的目的。同时,氟原子的引入降低了高分子链的规整(ɡuīzhěnɡ)性,使得高分子链的堆砌更加不规则,分子间空隙增大而降低介电常数。含氟聚酰亚胺材料的介电常