高分子物理第10章.ppt

第10章 聚合物的电学、热性能 高分子材料的电学性能 高聚物在电气、电子等领域应用广泛： 如：介电损耗小、介电常数大、介电强度高的聚合物可用做制造电容器的介电材料。 电导率很低（或电阻率很高）、介电损耗小、介电强度高的聚合物可用于绝缘材料。 本 章 内 容 10.1 高聚物的介电性能 10.1.1 极化和介电常数 取向极化（偶极极化） 极化过程： 需要克服分子间的相互作用； 需要时间——对小分子可忽略（10 -8~10秒） 高聚物分子运动单元有大有小（多重性） 极化过程是一个松弛过程,不能忽略（10 -几~-10秒） 二、介电系数ε Co：该真空电容器的电容 C：含有电介质电容器的电容 三、影响高聚物介电系数的因素 10.1.2 介电损耗tg? 介电损耗tg? 表示绝缘材料（如绝缘油料）质量的指标之一。绝缘材料（如变压器油）在电压作用下所引起的能量损耗。介电损耗愈小，绝缘材料的质量愈好，绝缘性能也愈好。若介质损耗过大，则电介质温度将升得过高，这将加速电介质的热分解与老化，最终导致绝缘性能的完全失去 影响聚合物介电性能的因素 迄今为止，国内外对结构型导电高分子研究得 较为深入的品种有聚乙炔、聚对苯硫醚、聚苯胺、 聚吡咯、聚噻吩以及TCNQ传荷络合 聚合物等。其中以掺杂型聚乙炔具有最高的导电 性，其电导率可达5×103～104Ω-1·cm-1（金属铜的 电导率为105Ω-1·cm-1）。 复合型导电高分子材料的应用 二 击穿形式 三 影响抗电强度的因素 10.4 高聚物的静电作用 高分子科学Nobel奖获得者 黑格（Alan J. Heeger，1936～）小传 麦克迪尔米德小传（Alan G. MacDiarmid，1929～） 白川英树（Hideki Shirakawa，1936～）小传 电磁波屏蔽材料、导电涂层、导电胶、接线柱垫圈 金属纤维、银、铜、炭黑、石墨 塑料、硅橡胶 10-2~103 导电性 发热器件、高压电缆过渡层、导电薄膜、弹性电极、导线接点 炭黑 塑料、硅橡胶 10-4~10-2 弱导电 集成电路用搬运箱、包装袋、传送带、导电轮胎 抗静电剂、炭黑 塑料、弹性体 10-7~10-4 抗静电 复印电极板、静电记录纸、感光纸、纺织材料、家用电器外壳、矿用电气用品 金属氧化物粒子、抗静电剂 塑料、橡胶 10-10~10-7 半导体 应用 导电填料 高分子树脂 电导率S.cm-1 材料种类 导电高分子材料的优越性 具有半导体及导体双重特性，可低温加工、可大面积化、具有塑料的拉伸性、弹性和柔韧性等，所以制作成本低，组件特性优越，对未来电子及信息工业将产生巨大影响。 导电高分子材料面临的挑战 综合电学性能与铜相比还有差距，理论上还沿用无机半导体理论和掺杂概念；导电聚合物的自构筑、自组装分子器件的研究也存在很多问题；加工性能和力学性能以及稳定性上也需要改进。 一、 强电场作用下绝缘材料的破坏 在强电场中工作的绝缘材料，当所承受的电压超过一临界值V穿时便丧失了绝缘性能而击穿，称为电介质的击穿。 材料所能承受的最大电场强度称为材料的抗电强度（介电强度） 固体介质的击穿是不可逆过程 聚合物绝缘材料的击穿强度一般在107V/cm 10.3 高聚物的电击穿 V:击穿电压 d:样品厚度 1.电击穿—电过程，仅有电子参加 强电场作用下，原来处于热运动的少数自由电子将反电场方向定向运动，并撞击介质内离子产生电离-次级电子。大量电子形成雪崩，使贯穿介质的电流迅速增长，导致介质的击穿 2.热击穿 电场下，由于各种损耗，部分电能变成热能，介质被加热，温度升高，介质烧裂、熔融而丧失绝缘性 3.化学击穿 长期运行在高温、潮湿、高电压或腐蚀性环境发生老化丧失绝缘性 1 温度的影响 （1）对电击穿影响不大 （2）对热击穿影响较大 （3）对化学击穿加快 2 频率的影响 频率对热击穿很大 击穿场强与频率的平方根成反比 3.器件的大小和形状、散热条件都对击穿有影响 静电问题是高分子材料加工和使用中一个相当重要的问题 任何两个物理状态不同的固体，只要其内部结构中电荷载体能量分布不同，接触（或摩擦）时就会在固－固表面发生电荷再分配，使再分离后每一个固体都带有过量的正（或负）电荷，这种现象称静电现象。 举例： 纤维纺织过程会产生静电 塑料、橡胶及纤维使用时都会产生静电 静电的危害 聚合物表面静电的聚集会使加工困难，如：聚丙烯纤维摩擦 产生的静电，给纺丝、拉伸、加捻、织布等各道工序带来困 难 影响产品的质量，如录音磁带由于涤纶片基的静电放电产