20140604材料的电学性质.ppt

第六章 材料的物理性能 三、材料的电学性质 四、材料的磁学性质 表面电阻率与体积电阻率 聚合物的表面和本体中具有不同的导电特性。 表面电阻率：rs 电导率 载流子的定义 电流载体，称载流子。 载流子指可以自由移动的带有电荷的物质微粒，如电子和离子。 在电场作用下能作定向运动的带电粒子。如半导体中的自由电子与空穴，导体中的自由电子，电解液中的正、负离子，放电气体中的离子等。 聚合物的导电特点 聚合物中导电载流子可以是电子、空穴，也可以是正离子、负离子。 多数聚合物中存在离子电导： 带有强极性基团的聚合物发生本征离解产生电导离子； 聚合、加工过程中引入的催化剂、添加剂、填料、水份及其他杂质也可提供导电离子 共轭聚合物、聚合物的电荷转移络合物、聚合物的自由基-离子化合物及有机金属聚合物等具有强的电子电导。 聚合物的导电性与分子结构 饱和的非极性聚合物具有最好的绝缘性能：PS、PTFE、PE的实测电阻率约1016-18W·m，理论值高达1023W·m； 极性聚合物绝缘性稍差：聚砜、聚酰胺、PAN、PVC的电阻率约1012-15W·m； 共轭高聚物是半导体材料：共轭p电子去定域化提供了电子载流子。聚丙烯腈脱氢裂解环化产物的电导率约0.1W-1·m-1； 聚合物的导电性与分子结构 电荷转移络合物和自由基-离子化合物具有高电导性：聚2-乙烯基吡啶-碘的电导率约0.1W-1·m-1； 有机金属聚合物金属离子引入聚合物主链，具有更高的电导率，聚酞菁铜电导率约5W-1·m-1。 3.2 极化与介电现象 在外场(电场、力、温度)作用下，电介质分子或其中某些基团中电荷分布发生的变化称极化。 在外电场的作用下，由于分子极化引起的电能的贮存和损耗称介电；相应的性质称介电性。 在外力电场的作用下产生的极化称介电极化，包括电子极化、原子极化、取向极化、界面极化等。 聚合物中的极化现象 聚合物中的偶极极化其本质与小分子相同，但因具有不同运动单元的取向而使完成取向极化的时间范围变得很宽，与力学松弛时间谱类似，称介电松弛谱。 介电常数 聚合物的介电常数 介电常数决定于介质的极化，而极化与介质的分子结构及其所处的物理状态有关。 介质极化中取向极化的贡献最大。 介电常数成为分子极性大小的衡量。 聚合物的介电常数 聚合物分子的偶极矩是分子中所有键矩的矢量和。 按平均偶极矩（ ）的大小，聚合物大致可分为： 非极性聚合物： =0D，e = 2.0-2.3 弱极性聚合物：0 ≤0.5， e =2.3-3.0 中等极性聚合物：0.5D ≤0.7D， e =3.0-4.0 强极性聚合物： 0.7D， e =4.0-7.0 介电损耗 电介质在交变电场中由于消耗一部分电能而介质本身发热的现象称介电损耗。 产生介电损耗的原因： 电介质中含有载流子，在外电场作用下产生电导电流消耗掉部分电能转化为热能，称电导损耗； 电介质的取向是一个松弛过程，取向时，部分电能损耗于克服介质的内滞阻力上转化为热能，发生松弛损耗。 介电损耗与频率的关系 频率很低时：偶极子的取向跟得上电场的变化，电场能量几乎不损耗； 频率中等时：偶极子的取向受到摩擦阻力的影响，落后于电场的变化，在电场作用下发生强迫运动，电场能量损耗很大； 频率很高时：偶极子完全跟不上电场的变化，取向极化几乎不发生，电场能量的损耗又降低。 介电损耗的表征 类似交变应力中的复数模量，交变电场中的介电常数是复数介电常数，由实部e’（近似实测的介电常数）和虚部e”（介电损耗因素）组成，相位差称介电损耗角d，是每周期内介质损耗的能量与介质贮存的能量的比值。 温度对介电损耗的影响 温度很低时，聚合物粘度很大，极化时间长，偶极转向困难，跟不上电场变化，e’、e”都很小； 温度升高，粘度减小，偶极可以转向但跟不上电场变化， e’、e”都增大； 温度足够高后，偶极转向完全跟得上电场的变化， e’增至最大而e”又变小。 其他影响介电损耗的因素 分子结构的影响： 分子极性越大、极性基团密度越大，介电损耗越大；非极性聚合物的tand在10-4数量级，极性聚合物在10-2数量级 电压的影响： 电压增大，一方面使极化增大，另一方面使电导电流增大，都造成介电损耗增大 其他影响介电损耗的因素 增塑剂的影响： 加入非极性增塑剂使介电损耗峰向低温方向移动（在较低温度下就出现较大的介电损耗）； 加入极性增塑剂使介电损耗增加，浓度增加也使损耗峰移向低温方向 杂质的影响： 导电杂质或极性杂质的存在会增加聚合物的电导电流和极化率，使介电损耗增加 介电击穿现象与介电强度 在高电压下，大量电能迅速释放，电极之间的材料局部被烧毁，材料从介电状态突然变成导电状态，称介电击穿。