渭师院高分子物理课件10-3高聚物的电学性能

高聚物的电学性能杨珊化学与生命科学学院材料科学系高聚物的电学性能

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—静电现象高聚物的电学性能

高聚物具有体积电阻率高（1016～1020Ω·cm）、介电常数小（≤2）、介电损耗低（＜10－4）、击穿强度高等特殊优良的电性能，同时某些高聚物还具有优良的导电性能。另外，由于高聚物成型加工容易、品型多，故在电子和电工技术中成为不可缺少的材料，应用广泛。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。

聚合物的介电性（dielectricproperty）

▲定义

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。

▲高聚物的极性类别

（一）高聚物的介电性能强极性高聚物（PVA、PAN、PET、酚醛树脂、氨基树脂等）高聚物极性类别非极性高聚物（PE、PP、PTFE等）弱极性高聚物（PS、PIP等）极性高聚物（PVC、PA、PVAC、PMMA等）介电性的表示方法介电常数介电损耗影响高聚物介电性的因素高聚物的极性高聚物的极化▲高聚物的极化（polarization）

指电解质在电场的作用下分子内束缚电荷产生弹性位移或偶极子沿电场的从优取向，在电场方向的电解质两端呈现异号电荷的现象。或在外电场作用下分子中电荷分布发生变化的现象。

（一）高聚物的介电性能（一）高聚物的介电性能高聚物的极化形式

极化形式极化机理特点适用对象电子极化电子云的变形极快，10－13～10－15s；无能量损耗；不依赖温度和频率所有高聚物原子极化各原子之间的相对位移很快，10－13s；损耗微量能量；不依赖温度所有高聚物偶极极化极性分子（或偶极子）沿电场方向转动，从优取向慢，10－9s以上；损耗较大能量；依赖温度和频率极性高聚物界面极化载流子在界面处聚集产生的极化极慢，几分之一秒至几分钟、几小时共混、复合材料＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－高聚物在电场中极化示意图（一）高聚物的介电性能

△定义：含有电解质的电容器的电容与相应真空电容器的电容之比称介电常数。

高聚物极化程度越大，极板感应产生的电荷Q’越大，介电常数越大。

真空平行板电容器板间有电介质的电容器—电介质的电容率

▲高聚物的介电常数（dielectricconstant）

表1常见高聚物的介电常数（一）高聚物的介电性能高聚物计算值实验值高聚物计算值实验值聚乙烯（外推到无定型）聚丙烯（无定型）聚氯化苯乙烯聚四氟乙烯（无定型）聚氯乙烯聚醋酸乙烯酯聚甲基丙烯酸甲酯聚α-氯代丙烯酸甲酯2.202.152.552.822.03.202.943.452.32.22.552.62.12.252.6/3.73.4聚α-氯代丙烯酸乙酯聚甲基丙烯酸乙酯聚丙烯腈聚甲醛聚苯醚聚对苯二甲酸乙二酯(无定型)聚碳酸酯聚已二酰已二胺3.202.803.262.952.653.403.004.143.12.7/3.43.13.12.62.9/3.22.6/3.04.0

▲高聚物的介电损耗（dielectricloss）

△定义

电介质在交变电场的作用下，将一部分电能转变为热能而损耗的现象。一般用损耗角的正切值表示。

式中－实验测得的介电常数，代表体系的储电能力；－损耗因子，高聚物将电能转变为热能损耗的程度。

（一）高聚物的介电性能VVIICδφab高聚物介电损耗示意图△介电损耗的原因

对非极性高聚物

在交变电场中，高聚物所含的杂质产生的漏导电流，载流子流动时，克服内摩擦阻力而作功，使一部分电能转变为热能，属于欧姆损耗。

对极性高聚物

在交变电场中极化时，由于粘滞阻力，偶极子的转动取向滞后于交变电场的变化，致使偶极子发生强迫振动，在每次交变过程中，吸收一部分电能成热能而释放出来，属于偶极损耗。损耗的大小取决于偶极极化的松弛特性。

（一）高聚物的介电性能（一）高聚物的介电性能

表2部分高聚物的介电损耗高聚物介电损耗（tanδ）60Hz103Hz106Hz高密度聚乙烯低密度聚乙烯聚丙烯聚苯乙烯聚四氟乙烯聚碳酸酯聚已内酰胺聚已二酰已二胺聚甲基丙烯酸甲酯聚氯乙烯聚偏乙烯ABS聚甲醛0.00020.00050.00050.0001～0.0003＜0.00020.00090.014～0.040.010～0.060.04～0.060.08～0.150.007～0.020.004～0.0340.0040.0020.00050.0002～0.00080.0001～0.0003＜0.00020.00210.02～0.040.011～0.060.03～0.050.07～0.160.009～0.0170.002～0.0120.00030.00050.0001～0.00050.0001～0.0004＜0.00020.0100.03～0.040.03～0.040.02～0.030.04～0.1400.006～0.0190.007～0.0260.004（一）高聚物的介电性能

▲影响高聚物介电性的因素

影响高聚物介电性的因素高聚物的分子结构交变电场的频率温度湿度增塑剂（一）高聚物的介电性能

△高聚物分子结构对介电性的影响规律：ω与T一定，极性↑、极性基团密度↑，介电常数与介电损耗↑。

▓实例表1和表2

（一）高聚物的介电性能△频率对高聚物介电性的影响

ε′(T3)ε′(T2)ε′(T1)ε″(T3)ε″(T2)ε″(T1)ω

随频率增加而降低，并且在频率为0时达到最大值；随频率增加存在极大值，并且在频率极慢和极快时为0。

T1＜T2＜T3Why？（一）高聚物的介电性能

△温度对高聚物介电性的影响

50607080901001000Hz1000Hz60Hz60Hzε′ε″聚合物的介电常数、介电损耗与温度的关系温度（℃）介电常数随温度的升高而增大；介电损耗随温度的升高而出现峰值。低温：聚合物粘度大，极化慢，偶极取向完全跟不上电场变化，介电常数和介电损耗皆小；升温：聚合物粘度减小，偶极取向可以随电场变化，又不能完全跟上，介电常数增大，介电损耗出现峰值；高温：偶极取向完全跟上电场变化，介电常数最大，介电损耗降低。Why？（一）高聚物的介电性能△湿度对高聚物介电性的影响

介电性介电常数（50Hz）介电损耗（50Hz）相对湿度酚醛树脂聚氯乙烯（电缆料）31.7%63%97%9.7110.415.87.407.508.0031.7%63%97%0.3420.3580.4480.1110.1130.136湿度↑，介电常数与介电损耗↑（一）高聚物的介电性能

△增塑剂与杂质对高聚物介电性的影响

增塑剂=升高温度加入非极性增塑剂，介电损耗峰随增塑剂含量增大而移向低温，即介电损耗减小；加入极性增塑剂会使介电损耗和介电常数皆增大。

杂质含量增加，介电损耗增大。

（二）高聚物的导电性能

导电高聚物的应用导电高聚物的应用电子导电高聚物导电材料电极材料电显示材料化学反应催化剂有机分子开关离子导电高聚物代替电解质材料全固态电池氧化还原导电高聚物各种电极材料特种电极修饰材料高聚物的导电类型电子导电离子导电氧化还原导电（二）高聚物的导电性能

▲高聚物的绝缘电阻

高聚物绝缘电阻的表示形式表面电阻率体积电阻率平等电极环状电极（三）高聚物的击穿现象

▲高聚物的击穿电压强度（disruptivevoltagestrength）

△定义连续对高聚物材料升高电压，当试样被击穿时的电压和试样厚度的比值称为击穿电压强度。

△电流-电压曲线与击穿电压与温度曲线高电压区低电压区绝缘破坏I电极VS（三）高聚物的击穿现象1000-100-20051015温度（℃）123456击穿电压强度*1e-6(V/cm3)几种高聚物的击穿电压强度与温度的关系1-聚甲基丙烯酸甲酯2-聚乙烯醇3-氯代聚乙烯4-聚苯乙烯5-聚乙烯6-聚异丁烯（四）高聚物的静电现象

●高聚物的静电现象（electrostaticeffect）

▲高聚物静电现象的产生主要产生于高聚物与成型加工设备之间的摩擦、拉幅、拉丝等过程。AAABBB电中性两相电荷带电＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋|||||||||||||||||||||||接触或摩擦分离（四）高聚物的静电现象

▲高聚物的带电半衰期与带电序列

▲静电的利与弊

静电的有利之处静电喷涂、静电印刷、静电照像、静电吸尘等。

静电的不利之处造成相互粘结，影响外观、电器准确性、磁带杂音、胶片清晰度，造成衣物污染，产生静电火花影响人身或设备安全等。高聚物半衰期，s正电荷负电荷聚乙烯基咪唑赛璐璐聚N，N-二甲丙烯酰胺聚丙烯酸羊毛棉花聚n-乙烯基吡咯酮聚丙烯腈聚已二酰已二胺聚乙烯醇0.10.30.661.52.53.64166793684700.240.30.480.961.554.815.86877203770聚四氟乙烯聚丙烯聚苯乙烯聚乙烯聚苯醚聚偏二氯乙烯氯化聚醚聚碳酸酯聚氯乙烯聚丙烯腈聚对苯二甲酸乙二酯维尼纶聚甲基丙烯酸甲酯醋酸纤维纤维素聚酰胺聚合物摩擦起电的顺序（四）高聚物的静电现象

▲静电的防止

静电的防止办法静电消除器接地导出环境湿度调节加入抗静电剂阳离子型阴离子型两性离子型非离子型高分子型静电荷10－710－610－510－410－310－210－1105101520吸水率（%）聚酰胺木棉麻羊毛络素纤维胶