第10章-聚合物的电学性能.ppt

第10章 聚合物的电学性能、热性能、光学性能以及表面与界面性能 10.1 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。 10.1.1 介电极化 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，包括电子极化、原子极化、取向极化、界面极化等。 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。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。 原子极化是分子骨架在外电场作用下发生变形造成的。 以上两种极化统称变形极化或诱导极化，其极化率不随温度变化而变化，聚合物在高频区均能发生变形极化。 10.1 聚合物的介电性能 取向极化又称偶极极化，是具有永久偶极矩的极性分子沿外场方向排列的现象。由于极性分子沿外电场方向的转动需要克服本身的惯性和旋转阻力，所以极化所需要的时间长，发生于低频区域。此外，外电场强度越大，偶极子的取向度越大；温度越高，分子热运动对偶极子的取向干扰越大，取向度越小。对聚合物而言，取向极化的本质与小分子相同，但具有不同运动单元的取向，从小的侧基到整个分子链。因此，完成取向极化所需的时间范围很宽，与力学松弛时间谱类似，也具有一个时间谱，称作介电松弛谱。 界面极化是一种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。一般非均质聚合物材料如共混聚合物、泡沫聚合物、填充聚合物等都能产生界面极化，均质聚合物也因含有杂质或缺陷以及晶区与非晶区共存而产生界面极化。测量界面极化一般需用低频技术。 10.1 聚合物的介电性能 真空电容C0=Q0/V 电容器中充满电介质时Q= Q0+ Q’ C=Q/V 定义含有电介质的电容器的电容与相应真空电容器的电容之比为该电介质的介电系数，即 ε=C/C0=Q/Q0 由式(10-3)可见，电介质的极化程度越大， Q值越大， ε也越大。所以介电系数ε是衡量电介质极化程度的宏观物理量，它可以表征电介质贮存电能的能力。 聚合物的品种繁多，偶极矩大小不同，介电系数在1.8—8.4之间，大多数为2—4。 介电系数ε表示电介质贮电能力的大小，是电介质极化的宏观表现。而分子极化率αρ是反映分子极化特征的微观物理量。所谓极化率α ，定义为 α=μ1/ε0E1 式中 μ1——诱导偶极矩； E1——有效电场强度； ε0——真空介电系数。 第10章 聚合物的电学性能 聚合物的介电性能 聚合物的电导性能（电绝缘性能） 聚合物的电强度（电击穿性能） 聚合物的电学性能 聚合物的电学性能： 聚合物在外电场作用下的行为 及其表现出来的各种物理现象 介电常数ε 聚合物的 介电损耗tgδ 电学性能 绝缘电阻（系数）ρ 介电强度E 10.1 聚合物的介电性能 ? 聚合物在外电场作用下出现的 对电能的储存和损耗的性质 介电 ? 是由聚合物的分子在外电场中 性能 的极化引起的 ? 由介电常数ε和介质损耗tgδ 描述 10.1 聚合物的介电性能《1》分子的极化 分子的极化 分子——原子借助化学键相互结合构成 正负电荷中心重合——非极性分子 正负电荷中心不重合——极性分子 分子极性的强弱—— 极距（偶极距） （德拜 ） 《1》分子的极化 极化——在外电场作用下电介质分子中 的电荷分布发生相应的变化 极性分子在电场中的转动 《1》分子的极化 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） 聚合物分子运动单元有大有小（多重性） 极化过程不能忽略（10 -几~-10秒） 10.1 聚合物的介电性能《2》介电常数ε C：含有电介质电容器的电容 Co：该真空电容器的电容 εo 为真空电容率 = 8?85?10-12 法拉 / 米 《2》 介电常数ε 介电常数 描述电介质材料储存电能大小的物理量 ε 是宏观上反映电介质极化的程度 ε大——极化强 ε小——极化弱 10.1