08第八章高聚物的电性能介电静电导电110920.doc

第八章 聚合物的电性能 8.1聚合物的介电性能 聚合物在外场（包括电、力、温度等）作用下，可以产生极化现象。在外电场的作用下，由于分子极化将引起电能的贮存和损耗，这种性能称为介电性。 8.1.1 聚合物的介电极化和介电松弛行为 8.1.1.1介电极化 （1）极化 在外电场的作用下，电介质分子或者其中某些基团中电荷分布发生的相应变化称为极化。 电子极化：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10-13~10-15 S，除去电场，位移立即恢复，无能源损耗，也称为可逆性极化或弹性极化。 原子极化：分子骨架在外电场作用下发生变形造成的，分子中正负电荷中心发生了相对位移，极化过程10-13s，并伴随有微量能量损耗。 取向极化：又称偶极极化。具有偶极矩的极性分子沿外场方向排列的现象。一般需10-9 S（极性分子克服本身的惯性和旋转阻力），外电场强度越大，取向度越大；温度越高，取向干扰↑，取向度↓。取向从小的侧基到大的分子链，所需时间很宽，称为介电松弛谱。 界面极化：产生于非均相介质界面处的极化。这是由于在外电场作用下，电介质中的电子或离子在界面处堆积的结果。这种极化所需的时间较长，从几分之一秒到几分钟，甚至更长。一般非均质聚合物如共混聚合物、泡沫聚合物都能产生界面极化。均质聚合物也因含有杂质或缺陷以及晶区和非晶区共存而产生。 （2）介电系数 真空平行板，加上电压V，则 Co＝Qo / V； 电容器中充满电介质，C =（Qo+Q’）/ V = Q / V， 介电系数ε = C / Co= Q / Qo ， Qo－电荷，Q′－感应电荷 含有电介质的电容器与相应真空电容器的电容之比为该电介质的介电系数，ε是衡量电介质极化程度的宏观物理量，可以表征电介质贮存电能的能力。聚合物的偶极矩大小不同，ε在1.8~8.4之间，大多数为2~4。 （3）偶极距μ 偶极距取决于电荷在链结构单元中不对称分布，与分子结构和外界条件（如温度）密切相关。 极性和非极性聚合物按偶极矩大小分为四类： ① 非极性分子：μ = 0，如PE、PB、PTFE ② 弱极性分子：μ ≤ 0.5，如PS、NR ③ 极性分子：μ ＞ 0.5，如PVC、PA、PMMA ④ 强极性分子：μ ＞ 0.7，如PF、PVA、聚酯 8.1.1.2 介电松弛 （1）介电松弛 与应力松弛相似： d p / d t = （P-P0）/ τ ， τ－松弛时间，P－电极化强度。 交变电场：E = EOeiwt 介电系数ε* = ε′-iε″，tanδ = ε″/ε′， 电介质耗能与贮能之比 tgδ = E” / E’ （2）介电松弛温度谱 固定频率条件下，测定试样的介电系数和介电损耗随温度的变化： T较低：粘度大，极化过程慢，偶极子完全跟不上电场的变化， ε′、ε″ 较小。 T↑： 极化取向，偶极子不完全跟上电场变化， ε′ ↑↑, ε″ 出现峰值。 T较高：极化过程快，偶极子完全跟得上电场的变化，ε′ 至最大值，ε″ 降低。 （3）介电损耗 － 电介质在交变电场中，使部分电能转变为热的现象。 产生介电损耗的原因： ① 电导损耗：聚合物中的催化剂，增塑剂、水份等杂质产生漏导电流，使部分电能转变为热能。电导损耗为非极性高聚物介电损耗的主要因素。 ② 偶极损耗：同于内摩擦阻力，偶极子转动取向滞后于交变电场的变化。偶极受迫转动，吸收部分电能转变为热。偶极损耗为极性聚合物介电损耗的主要因素。 介电损耗的应用： 介电损耗与内耗相似，偶极跟得上又跟不上电场变化时，介电损耗最大。 在高频高压绝缘中要求材料介电损耗小。而高频加热、干燥、焊接仅适用于介电损耗大的材料。 8.1.2 聚合物的压电极化和焦电极化 8.1.2.1 压电系数和焦电系数 （1）压电性和焦电性 在力场或温度变化时产生电荷，显示极化的现象，分别称为压电性和焦电性。 （2）压电系数 G = e/d ，其中，d－压电应变系数，G—弹性模量。e－压电应力系数 （3）焦电系数 温度变化→电位移矢量变化→正效应；温度变化→电介质熵变 → 逆效应 8.1.2.2 聚合物压电体 （1）聚合物具备压电性的条件：不具备对称中心的电介质。 （2）压电体分类 a. 光学活性高分子 b. 极性晶体PVDF： 具有自发极化PS（E=0）的晶体，同时显示焦电性 具有铁电性的电介质—偏氟乙烯与其它含氟单体组成的嵌段共聚物。 铁电性：一种自发极化方向会因外电场的作用而反向的性质。其实，铁电晶体并不一定含铁，这样称的原因是铁电晶体可以形成与铁磁体的磁滞回线类似的电滞回线。 铁电晶体：形成与铁磁体的磁滞回线类似的电滞回线的热释电晶体。 c. 复合物：填充具有铁电性粉末的复合材料。 8.1.3 聚合物驻极体及热释电 8.1.3.1 聚合物驻