聚合物的结构与介电性能.ppt

聚合物及多组分聚合物的结构与介电性能 原子极化 分子骨架在外电场下发生变形 极化过程一般 10-13s 聚合物及多组分聚合物的结构与介电性能 取向极化 极性分子延外场方向排列 极化过程一般 10-9s 聚合物及多组分聚合物的结构与介电性能 界面极化 产生于非均相介质界面处 在外电场的作用下，电介质中的电子或离子在界面处堆积的结果。 极化需时几分之一 至几分钟，甚至更长。 定义：含有电介质的电容器电容与相应真空电容器的电容比。真空的ε等于1，空气的ε接近1，大多数非极性高聚物的ε为2左右，极性高聚物的ε为2～10。（2.6 ～ 3.8） Q0 Q 介电常数 介电损耗 在交变电场中，电介质由于消耗部分电能而发热的现象。 在交变电场中，介电常数可以写成复数形式 介质损耗角正切 介电损耗产生的原因 电导损耗 偶极的取向极化 聚合物名称 tanδ*104 聚合物名称 tanδ*104 聚四氟乙烯 2 环氧树脂 20-100 聚乙烯 2 硅橡胶 40-100 聚丙烯 2-3 氯化聚醚 100 四氟乙烯-六氟乙烯共聚 3 聚酰亚胺 40-150 聚苯乙烯 1-3 聚氯乙烯 70-200 交联苯乙烯 5 聚氨酯 150-200 聚砜 6-8 ABS树脂 40-300 聚碳酸酯 9 氯丁橡胶 300 天然橡胶 2-30 尼龙6 100-400 丁苯橡胶 20 尼龙66 140-600 丁基橡胶 30 PMMA 400-600 聚甲醛 40 酚醛树脂 600-1000 聚邻苯二甲酸二丙烯酯 80 硝化纤维素 900-1200 常见聚合物tanδ(20℃，50Hz) 聚合物及多组分聚合物的结构与介电性能 聚合物的介电性能的影响因素 结构 频率与温度 添加剂 聚偏氟乙烯（PVDF）具有较高的介电常数。由于分子链中H原子与 F 原子的电负性不同，会在 PVDF 分子链中产生偶极矩。在外加电场的作用下，PVDF分子中正、负电荷中心发生分离，产生电偶极矩，发生取向极化。 （1）极性：偶极取向极化对介电性质影响最大。极性越大，tanδ越大。 1.分子结构 * 介电常数是宏观物理量,反映了电介质的极化能力,大小由材料本身的性质决定。在外电场下电介质材料的极化作用越强,介电常数就越大。 表1 不同极性高分子材料的分子偶极矩和介电常数范围 聚合物类型 分子偶极矩u范围 介电常数ε范围 非极性高分子 u=0 2-2.3 弱极性高分子 0u0.5D 2.3-3.0 中等极性高分子 0.5Du0.7D 3.0-4.0 强极性高分子 u0.7D 4.0-7.0 分子聚集态结构的影响： 玻璃态：链段运动被冻结，结构单元上的极性基团取向受链段牵制，取向能力低，对介电常数影响小 高弹态：链段活动能力大，极性基团取向受链段牵制较小，对介电常数影响大。高弹态下，介电常数、损耗角大于玻璃态 介电常数 玻璃态 高弹态 聚氯乙烯 3.5 15 聚酰胺 4.0 5.0 1.分子结构 2.频率与温度 ε∞ εs ε’ ε” tanδ log ω 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. 2.频率与温度 改性BaTiO3/EPR复合材料的电性能 BaTiO3粉末 混合均匀 冷压 热压固化 对BaTiO3进行表面处理 环氧树脂 1wt%KH550偶联剂和丙酮 BaTiO3/EPR复合材料 实验 3.添加剂 随着BaTiO3含量 ，电导率 随着频率 ，电导率 不同BaTiO3含量对BaTiO3-Epoxy 复合材料的电导率随频率的变化 电导率分析 填料的加入，增加了陶瓷-聚合物界面区域，而界面区域的电导率大于单相本身的电导率 不同BaTiO3 含量对BaTiO3-Epoxy 复合材料的 介电损耗的影响 介电损耗分析 填充量过高，会使填料分散不均匀，增加其界面极化，因此介电损耗增加。 ★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 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 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 应用方