常见高聚物的介电常数26页PPT

电介质的极化现象
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高分子电介质的极化现象
电子极化 原子极化
原子的价电子云 分子骨架
位移极化 /变形极化
诱导偶极矩
取向极化 极性分子沿电场方向排布取向
偶极极化
e电子 a原子 μ取向 α极化率 El 作用在分子上的局部电场强度 μ 偶极矩
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极性分子取向极化作用示意图
无电场时
有电场时
电场强度、温度很低
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影响介电损耗的因素
分子结构
分子极性大小 极性基团密度 极性基团的可动性
外加频率
温度
电压
增塑剂
杂质高聚物
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影响介电损耗的因素
介电常数大而介电损耗不大
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影响介电损耗的因素
分子结构 外加频率
温度
电压
增塑剂
杂质高聚物
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影响介电损耗的因素
分子结构 外加频率 温度
电压 增塑剂 杂质高聚物
结晶区 非晶区
α
链段
β γ 1 极性侧基绕C－C的旋转 2 环单元的构象振荡 3 主链局部链段的运动
晶区：
1 晶区中高分子的链段的运动 2 结晶表面上的局部链段运动 3 晶格缺陷处的基团运动
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固体高聚物的介电松弛过程
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32
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介电常数 介电损耗 介电击穿
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介电击穿：在高压下，大量的电能迅速释放，使电极之间的 材料局部被烧毁的现象。
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高分子电介质的极化现象
电子极化 原子极化
原子的价电子云 分子骨架

键的极性强弱和分子的极性强弱，分别用键距和 分子的偶极距来表示：
qd
(8-8)
d为两个正负电荷中心之间的距离，q为电荷。
偶极矩为矢量，其方向从正电荷到负电荷，其国 际单位为库仑·米，习惯用德拜(Debye)，简写D。
1 Debye=3.33×10-30库仑·米
按极化机理，分子的极化可分为：
⑴ 电子极化：分子中各原子的价电子云在外电场的作用 下，向正极方向偏移，发生了电子相对于分子骨架的移 动，使分子的正负电荷中心的位置发生变化引起的。电 子极化速度很快，一般在10-15～10-13s。
对极性高聚物：应综合考虑温度对分子间作用力的 影响和对分子取向的影响。一般高聚物，温度较低 时，分子间作用力的影响占主导，当温度升高到一 定范围时，分子取向的影响占主导。
在给定频率下，介电常 数开始随温度的升高而增加， 进一步升温，介电常数通过 一个峰值后，缓慢随温度的 升高而下降。
当温度足够高时，电导 电流可能成为主要的损耗。
弱极性高聚物
0 < ≤0.5D e = 2.3∼3.0
中等极性高聚物 0.5D < ≤0.7D e = 3.0∼4.0
强极性高聚物
> 0.7D e = 4.0∼7.0
可以看出：随着偶极矩的增加，高聚物的介电常数逐 渐增大。
非极性分子的偶极距等于零，Clausius-Mosotti 关系可 写成：
⑵ 原子极化：分子骨架在外电场作用下发生变形造成的。 原子极化一般是相当小的，只有电子极化的十分之一， 原子极化所需时间在10-13s以上。
电子极化和原子极化都是在外加电场的作用下，分子中 正负电荷中心发生位移或分子变形引起的，称为位移极 化或变形极化，产生的偶极矩为诱导偶极矩。

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 :连线长度, T :线的厚度
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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 聚合物有较大的萘 结构侧基，能增加 聚合物材料的自由 体积，从而降低材 料介电常数。
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高介电常数材料的应用
1.高储能密度电容器的介电材料 2.高压电缆均化电场的应力锥材料 3.嵌入式微电容器 4.人工肌肉和药物释放智能外衣材料
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高tanδ值材料的应用
① 高聚物的高频干燥 ② 塑料薄膜高频焊接 ③大型高聚物制件的高频热处理
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低介电常数材料 应用方面
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2.频率与温度
εs
ε’
ε”
ε∞
tanδ
log ω
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2.频率与温度
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，损耗因子随温度增大先增 大后减小。[1]
[1]X P., Z X. Y.[J]. European Polymer Journal, 2011, 47(5): 1031-1038.
不同BaTiO3含量对BaTiO3-Epoxy 复合材料 的电导率随频率的变化
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介电损耗分析
★随着BaTiO3含量 ，介电损耗 但是在体积含量低30 vol% 时， 介电损耗小
★随着频率 ,介电损耗

一、高聚物分子的极化
▲定义 高聚物的介电性是指高聚物在电场的作用下，表现出对静电能的储蓄的损耗的性质。
影响高聚物介电性的因素
高聚物的极性 高聚物的极化
介电性的表示方法
介电常数 介电损耗
▲高聚物的极性与类别 非极性高聚物（PE、PP、PTFE等） 高聚物的极性类别 弱极性高聚物（PS、PIP等） 极性高聚物（PVC、PA、PVAC、PMMA等） 强极性高聚物（PVA、PAN、PET、酚醛树脂、氨基树脂等） ▲高聚物的极化（polarization） 是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， 3 在电场方向的电解质两端呈现异号电荷的现象。
§8-1 高聚物的介电性
▲高聚物的介电损耗（dielectric loss）
△定义 是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。
W 每周期内介电损耗的能 量 '' tan VI C 每周期内介电储存的能 量 '
a Ic V δ I b
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§8-4 高聚物的静电现象
一、静电现象（electrostatic effect）
▲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。
接触或 摩擦
＋| ＋ | ＋| | ＋| ＋ ＋| | ＋ ＋| | ＋| | | ＋| ＋ ＋| ＋ ＋| | | ＋| A 两相电荷 B
60Hz
非极性高聚物的介电常数与温度的关系 1-PP；2-HDPE；3-LDPE；4-PTFE
PVAC的介电性能与温度的关系
△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）

介电性能求助编辑介电性能是指在电场作用下,表现出对静电能的储蓄和损耗的性质，通常用介电常数和介质损耗来表示.材料应用高频技术时，如实木复合地板采用高频热压时介电性能是非常重要的性质。

介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，原外加电场(真空中)与最终介质中电场比值即为介电常数(permittivity),又称诱电率。

目录编辑本段简介无机介质材料表现出来的介电性能的应用中，还涉及到介电常数、介电损耗因子和介电强度等。

介电常数又叫介质常数、介电系数或电容率，它是表示绝缘能力特性的一个系数，以字母ε表示，单位为法/米如果有高介电常数的材料放在电场中，场的强度会在电介质内有可观的下降。

编辑本段损耗因子仅与介质有关，其大小可作为绝缘材料的判据。

介质由介电状态变为导电状态的临界电场强度称为介电强度。

常见溶剂的介电常数：H2O (水) 78.5HCOOH (甲酸) 58.5CH3COOH(乙酸)6.15CH3COOC2H5(乙酸乙酯)6.02HCON(CH3)2 (N,N-二甲基甲酰胺)36.7CH3OH (甲醇) 32.7C2H5OH (乙醇) 24.5CH3CH2CH2-OH(正丙醇)20.1CH3CH2CH2CH2-OH（正丁醇）17.8n-C6H13OH （正己醇）13.3CH3COCH3 (丙酮) 20.7C6H6 (苯) 2.28CCl4 (四氯化碳) 2.24n-C6H14 （正己烷）1.88CH3SOCH3（二甲基亚砜，DMSO）47.2编辑本段特性是指物质分子中的束缚电荷(只能在分子线度范围内运动的电荷)对外加电场的响应特性,它主要由相对介电常数εr'、相对介质损耗因数εr〃、介质损耗角正切tanδ和介质等效阻抗等参数来表征。

油和水（纯净的水）都属绝缘体。

但纯净的水的介电性能远远高于油。

拿相对介电常数来讲，水的介电常数是81，而变压器油的在3-5之间。

高聚物的介电性能高聚物的介电性能是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。

03
在风力发电领域，高介电常数电介质可以作为绝缘和润滑材料
，提高风力发电设备的效率和可靠性。
05
高介电常数电介质的未来发展
新材料与新技术的研发
新型高介电常数电介质材料
随着科技的发展，新型高介电常数电介质材料不断涌现，如聚合物复合材料、陶 瓷复合材料等，这些材料具有更高的介电常数和更好的电气性能，为高介电常数 电介质的应用提供了更多可能性。
封装材料
在电子封装领域，高介电常数电介质可以作为封 装材料，保护电子元件免受外界环境的影响。
在新能源领域的应用
太阳能电池
01
高介电常数电介质可以用于制造太阳能电池，提高光电转换效
率和稳定性。
储能装置
02
在新能源储能领域，高介电常数电介质可以作为储能介质，提
供较高的能量密度和较快的充放电速度。
风力发电
通过掺杂改性，可在较宽的频率和温度范围内保持高介电常数和低损耗。
钛酸锶钡（Ba1-xSrxTiO3）
通过调整锶的含量，可调节介电常数和温度稳定性，在高温环境下具有较好的稳定性。
有机高分子材料
聚烯（PE）
具有高介电常数和良好的绝缘性能，常用于制造电缆 绝缘层。
聚苯乙烯（PS）
具有高介电常数和低介电损耗，广泛应用于电子元件 的绝缘材料。
高介电常数电介质用于制造各种传感器， 如湿度传感器、压力传感器等，具有高灵 敏度和快速响应的特点。
02
高介电常数电介质的特性
介电常数与介质损耗
介电常数定义
介电常数是衡量电介质储存电荷 能力的物理量，与电介质内部自 由电荷和束缚电荷的分布及电场 强度有关。
介电常数的影响因
素
介电常数随温度、频率和电场强 度的变化而变化，不同电介质具 有不同的介电常数。

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介电损耗温度谱示意图
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在这些图谱上，高聚物的介电损耗 一般都出现一个以上的极大值，分 别对应于不同尺寸运动单元的偶极 子在电场中的松弛损耗。按照这些 损耗峰在图谱上出现的先后，在温 度谱上从高温到低温，在频率谱上 从低频到高频，依次用、、命 名。
第八章 高聚物电学性质
• 第一节 概述 • 第二节 高聚物的极化及介电常数 • 第三节 高聚物的介电损耗 • 第四节 高聚物的导电性 • 第五节 高聚物的介电击穿 • 第六节 高聚物的静电现象、危害和防止
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整体概述
概况一
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概况二
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• 电子极化是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。
• 极化过程所需的时间极短，约为
10-13~10-15s。
• 当除去电场时，位移立即恢复，无能
量损耗，所以也称可逆性极化或弹性
极化。
10
2.原子极化
• 分子骨架在外电场作用下发生变形造
成的。
• 如CO2分子是直线形结构O=C=O，极
• 定义含有电介质的电容器的电容C与相
应真空电容器的电容之比为该电介质
的介电常数ε，即
C
C0 Q0
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电介质的极化程度越大，Q 值越 大，ε 也越大。
介电常数是衡量电介质极化程度 的宏观物理量，表征电介质贮存 电能能力的大小。
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第三节 高聚物的介电损耗
一、介电损耗的意义及其产生原因 1.介电损耗的意义
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• 本章将简要介绍高聚物的极
化，介电常数、介电损耗、绝 缘电阻、介电强度以及静电等 现象和概念。

事 常成 于困约 ，而败 于奢靡 。——陆 游 52、 生 命 不 等 于是呼 吸，生 命是活 动。——卢 梭
53、 伟 大 的 事 业，需 要决心 ，能力 ，组织 和责任 感。 ——易 卜 生 54、 唯 书 籍 不 朽。——乔 特
55、 为 中 华 之 崛起而 读书。 ——周 恩来
常见高聚物的介电常数
6、法律的基础有两个，而且只有两个……公平和实用。——伯克 7、有两种和平的暴力，那就是法律和礼节。——歌德
8、法律就是秩序，有好的法律才有好的秩序。——亚里士多德 9、上帝把法律和公平凑合在一起，可是人类却把它拆开。——查·科尔顿 10、一切法律都是无用的，因为好人用不着它们，而坏人又不会因为它们而变得规矩起来。——德谟耶克斯

几种重要的梯型、半梯型聚合物
• 聚苯并咪唑 • 聚苯并噻唑 • 聚苯并噁唑 • 聚咪唑酮
NH (C N (C N S N (C O C CO N N N N C N CO S C N O C ) ) N NH C )
《3》提高聚合物耐热性的途径
• 引入无机元素——元素有机高分子
主链引入 Si、Al、B、P 等使主链的键能提高 – C—C （35 104 J/mol ） – Si—Si （45 104 J/mol ） – Al—O （58 104 J/mol ） – F—C （52 104 J/mol ） – P—N （58 104 J/mol ） – B—N （44 104 J/mol ）
<2> Mark 三角原理（塑料）
• 增加高分子链的刚性——提高耐热性
主链引入芳环、杂环等环状结构或主链 具有共轭结构
[ CH 2 CH2 ] [ CH CH ] [ C C ]
聚乙烯 / 137oC（Tm）下同 聚乙炔 / >800oC 聚碳 / >2800 oC
<2> Mark 三角原理（塑料）
1—1 耐热性能
《1》概述 • 维卡软化点
10*10*3 mm3 1 mm2 圆拄体针 1 kg 力 升温：50oC/hr 深入1mm T
1—1 耐热性能
《2》Mark 三角原理(塑料) 高聚物(塑料)结构与耐热性联系 最常用的原理
• 增加高分子链的刚性——提高耐热性 • 提高结晶能力——提高耐热性 • 分子链之间交联——提高耐热性
[ NH ( CH2 ) NH CO ( CH2 ) CO ] 6 4 [ NH NH CO CO ] [ NH NH CO CO ]
尼龙66 / 235oC 芳香尼龙 / 450oC 芳香尼龙 / 570oC 聚酯 / 45oC 涤沦 / 264oC 芳香聚酯 / 500oC

复数介电常数 在交变电场中的介电性能要用复数介电常数□□来描述：
□□＝□□－i□□式中□□为实数部分,□□为虚数部分，因此□。
介电性能与温度 高聚物的介电性能有显著的频率和温度依赖性。具有单一松弛时间的电介质（实际上高聚物松弛时间分布很宽，是个谱）的介电性能的频率依赖性由德拜色散方程给出：
□ (2n xingneng
高聚物介电性能
dielectric properties of polymers
在外加电场中只有束缚电荷作有限位移的材料称电介质，一般来说，高聚物都是电介质。电介质的性能可用介电常数和介电损耗正切 tg□两个参数来表征。介电常数 □是电容器中充满该材料时的电容量与在真空时的电容量之比，真空的□等于1，空气的□接近1，大多数非极性高聚物的□为2左右，极性高聚物的□为2～10。
□ (3)
□ □ (4)式(2)、(3)、(4)中□□和□□分别为色散区两侧高频和低频区的介电常数，称为未松弛和已松弛介电常数；□ 为角频率；□为松弛时间。
高聚物介电性能与温度的关系是通过松弛时间 □与温度的依赖性相联系的，即：
□式中□□为常数；□为活化能;□为气体常数;□为绝对温度。
介电色散 由式(3)、(4)可知,□□和□□为lg□□的函数,当□□＝1时，□□发生骤变而□□出现峰值,这种现象称为介电色散。高分子介电色散是基团和链段松弛过程的表现，因此，高聚物的介电性能温度谱或频率谱是研究高聚物转变和松弛以及分子运动的重要方法之一。
介电常数 表征电解质极化的宏观参数，它与分子极化率□之间的关系由克劳修斯－莫索提公式给出：
□式中М为分子量；□□为密度；□□为阿伏伽德罗数。分子极化率包括电子极化率□□和原子极化率□□,□并与极性电介质在直流电场时的静介电常数□□和分子的有效偶极矩□□有关。

高聚物的介电性能介电性是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。

（1）介电极化绝大多数高聚物是优良的电绝缘体，有高的电阻率，低介电损耗、高的耐高频性和高的击穿强度。

但在外电场作用下，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。

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。

极化偶极矩（）的大小，与外电场强度（E）有关，比例系数称为分子极化率。

＝E按照极化机理不同，有电子极化率，原子极化率（上述两者合称变形极化率＝＋）和取向极化率。

＝（为永久偶极矩）因而对于极性分子＝＋＋对于非极性分子＝＋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。

介电常数是表示高聚物极化程度的宏观物理量，它定义为介质电容器的电容C比真空电容器C0的电容增加的倍数。

式中：为极板上的原有电荷，为感应电荷。

介电常数的大小决定于感应电荷的大小，所以它反映介质贮存电能的能力。

宏观物理量与微观物理量之间的关系可以用Clausius-Mosotti方程给出：摩尔极化度P＝（对非极性介质）＝（对极性介质）（2）介电损耗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。

常用复数介电常数来同时表示介电常数和介电损耗两方面的性质：为实部，即通常实验测得的；为虚部，称介电损耗因素。

＝+＝式中：为静电介电系数；为光频介电系数；为偶极的松弛时间。

介电损耗为＝，一般高聚物的介电损耗很少，＝10-2～10-4，与的关系可用Debye方程描述：式中：N为单位体积中的分子数。

第13页，共78页。
表10-1 一些化学键的键矩
化学键 C-C C=C C-H C-N C-O
键矩（德拜） 0 0 0.4
0.45 0.7
化学键 C=N C-F C-Cl C=O C≡N
键矩（德拜） 1.4 1.81 1.86 2.4 3.1
分子极性的大小可用偶极矩来衡量。对于高聚物分子，其偶极矩是各
按极化机理分类: 电子极化 原子极化
取向极化 界面极化
位移极化或变形极化 偶极极化
第2页，共78页。
电子极化
在外电场作用下，分子中各原子的价电子云相对于原子核向正极方 向偏移，使分子的正负电荷中心的位置发生变化。
电子极化过程快，大约只有10-15—10-13秒。
原在子极外化电场作用下，分子或基团中的各原子核彼此间发生相 对位移。
2.3
2.30－2.35
2.4－5.0
2.45－3.10
2.45－4.75
2.5－3.4
2.58
2.75－4.20
2.97－3.17
高聚物 乙基纤维素 聚酯
ε 3.0－4.2 3.00－4.36
聚砜
3.14
聚氯乙烯
3.2－3.6
聚甲基丙烯酸甲酯 3.3－3.9
聚酰亚胺
3.4
环氧树脂
3.5－5.0
聚甲醛
s
2
1
s
Debye介电色散图
第28页，共78页。
电场频率对介电损耗峰温的影响：
提高电场频率，损耗峰向高温方向移动。
运动单元不同，运动活化能不同，松弛过程对温度、频率依赖性不 同。运动单元的尺寸越小，活化能越低，其损耗峰随频率提高而移动 的幅度就越大，导致低频下处于分离状态的相邻损耗峰在高频下相 互叠合。