【精品课件】聚合物电学性能

• 产生原因： （1）电导损耗 ：指电介质所含的含有导电载流子在电场作用下流动时，
因克服电阻所消耗的电能。这部分损耗在交变电场和恒定电场中都会 发生。由于通常聚合物导电性很差，故电导损耗一般很小。 （2）极化损耗 ：这是由于分子偶极子的取向极化造成的。取向极化是一 个松弛过程，交变电场使偶极子转向时，转动速度滞后于电场变化速 率，使一部分电能损耗于克服介质的内粘滞阻力上，这部分损耗有时
于聚合物分子在电场作用下发生极化
引起的
一、聚合物电介质在外电场中的极化现象
1、介电极化
在外电场作用下，或多或少会引起价电子或原子核 的相对位移，造成了电荷的重新分布，称为极化。
• 主要有以下几种极化：（1）电子极化（2） 原子极化（3）偶极极化（4）界面极化。 前两种产生的偶极矩称诱导偶极矩，后一 种为永久偶极矩的取向极化。
是很大的。
问题：非极性polymer？极性polymer？
□ 介电损耗表征： 对于电介质电容器，在交流电场中，因电介质取向极化跟不上外加电场
的变化，发生介电损耗。由于介质的存在，通过电容器的电流与外加电压的
相位差不再是90°，而等于φ=90°-δ
常用复数介电常数来表示介电常数和介电损耗两方面的性质：
电容器：介电损耗尽可能小，介电常数尽可能大， 介电强度很高
仪表绝缘：电阻率和介电强度高而介电损耗很低 绝缘材料
无线电遥控技术：优良的高频、超高频绝缘材 料
• 导电高分子的研究和应用 ：分子链具有共轭π-电 子结构的聚合物，如聚乙炔、聚苯胺等，通过不 同的方式掺杂，可以具有半导体（电导率σ=10-10102 S•cm-1）甚至导体（σ=102-106 S•cm-1）的电导 率。
称为分子极化率。
E
按照极化机理不同，有电子极化率 ，a 原子极化率 和a 取向极
化率
e
u
=
2 0
3 KT
对于极性分子: aeu
（ 0 为永久偶极矩）
对于非极性分子: a e
根据高聚物中各种基团的有效偶极矩，可以把高聚物按极性大小分为四类：
非极性：PE、PP、PTFE
弱极性：PS、NR
极性：PVC、PA、PVAc、PMMA
• 热合PVC等极性材料是适宜的。而PE薄膜等非极 性材料就很难用高频热合。
• 轮胎经高频热处理消除内应力，可大幅度延长使 用寿命。
强极性：PVA、PET、PAN、酚醛树脂、氨基树脂
高聚物的有效偶极矩与所带基团的偶极矩不完全一致，结构对称性会导致偶极 矩部分或全部相互抵消。
二、聚合物的介电性能
1、介电常数
真空
介质电容器的电容C比真空
电容器C0的电容增加的倍数。
CQ/UQQ 0Q
电介
C0 Q 0/U Q 0 Q 0
质
图2 平行板电容器示意图
式中：Q 0为极板上的原有电荷， Q为 感应电荷。
□ 是衡量高聚物极化程度的宏观物理量。 表征电介质储存电荷和电能的能力，从上式 可以看出，介电常数越大，极板上产生的感 应电荷Qˊ和储存的电能越多。
介电系数在宏观上反映了电介质的极化程度，它与分
子极化率存在着如下的关系：
P ~12M 34N0
式中 P~、M、分别为电介质的摩尔极化率、分子量和密度，
能量损失。 正比于 ，故也常 用 表示材料tg介
电损耗的大小。
□ 应用
（1）聚合物作电工绝缘材料、电缆包皮、护套或 电容器介质材料：介电损耗越小越好。否则，不仅 消耗较多电能，还会引起材料本身发热，加速材料 老化破坏，引发事故。
（2）需要利用介电损耗进行聚合物高频干燥、塑 料薄膜高频焊接或大型聚合物制件高频热处理时， 则要求材料有较大的值。
• 电学性质的测量也成为研究聚合物结构与分子运 动的一种有效手段：非常灵敏地反映材料内部结 构的变化和分子运动状况
§10.2 聚合物介电性能
一、电介质的极化现象 二、极化机理 三、介电性能 四、影响介电性能的因素
介电性能：
指高聚物在电场作用下，表现出对 静电能的储存和损耗的性质，通常用 介电常数和介电损耗来表示。这是由
第10章 聚合物的电学性能
§10.1 聚合物电性能概述
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
介电性能：交变电场 导电性能：弱电场 击穿现象：强电场 静电现象：on the polymer surface
• 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:
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
• 偶极极化（取向极化）：
是具有永久偶极矩的极性分子沿外场方向排列的现象。极 化所需要的时间长，一般为10-9s，发生于低频区域。
(a)无电场
（b）有电场
图1 偶极子在电场中取向
极化偶极矩 μ的大小，与外电场强度（E）有关，比例系数
2、极化机理：
□ 电子极化：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，使分子带上偶极矩 。极化过程所需的 时间极短，约为 10-13~10-15s
□ 原子极化：分子骨架在外电场作用下发生变形造成的，
使分子带上偶极矩 。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。
N0为阿佛加德罗常数。对非极性介质，此式称ClausiusMosotti方程；对极性介质，此式称Debye方程。
根据上式，我们可以通过测量电介质介电系数求得分子极化率。 另外实验得知，对非极性介质，介电系数与介质的光折射率n
的平方相等， n2，此式联系着介质的电学性能和光学性能。
2、介电损耗
• 定义：聚合物在交变电场中取向极化时，伴随着能量消耗，使介质本 身发热，这种现象称为聚合物的介电损耗。
*i
为实部，即通常实验测得的
为பைடு நூலகம்部，称介电损耗因素
介电损耗
tg
一般高聚物的介电损耗： tg102~104
式中δ称介电损耗角，tg介 电损耗正切。 tg的 物
理意义是在每个交变电压周期中，介质损耗的 能量与储存能量之比。 越小tg， 表示能量损耗 越小。理想电容器（即真空电容器） =0，tg无