聚合物电学性能(共49张PPT).pptx

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§10.1聚合物电性能概述;绝大多数聚合物是绝缘体,具有卓越的电绝缘性能,其介电损耗和电导率低,击穿强度高,为电器工业中不可缺少的介电材料和绝缘材料:;导电高分子的研究和应用:分子链具有共轭π-电子结构的聚合物,如聚乙炔、聚苯胺等,通过不同的方式掺杂,可以具有半导体(电导率σ=10-10-102S?cm-1)甚至导体(σ=102-106S?cm-1)的电导率。;一、电介质的极化现象

二、极化机理

三、介电性能

四、影响介电性能的因素;介电性能:

指高聚物在电场作用下,表现出对静电能的储存和损耗的性质,通常用介电常数和介电损耗来表示。这是由于聚合物分子在电场作用下发生极化引起的;对于电介质电容器,在交流电场中,因电介质取向极化跟不上外加电场的变化,发生介电损耗。

其导电机理是导电性粒子相互接触形成连续相而导电,因而金属粉的含量要超过50%。

②共轭体系越完整,导电性越好。

取向极化是一个松弛过程,交变电场使偶极子转向时,转动速度滞后于电场变化速率,使一部分电能损耗于克服介质的内粘滞阻力上,这部分损耗有时是很大的。

正比于,故也常用表示材料介电损耗的大小。

□分子链活动能力对偶极子取向有重要影响,例如在玻璃态下,链段运动被冻结,结构单元上极性基团的取向受链段牵制,取向能力低;

(1)聚合物作电工绝缘材料、电缆包皮、护套或电容器介质材料:介电损耗越小越好。

高聚物在生产、加工和使用过程中会与其他材料、器件发生接触或摩擦,会有静电发生。

定义:聚合物在交变电场中取向极化时,伴随着能量消耗,使介质本身发热,这种现象称为聚合物的介电损耗。

一、聚合物电介质在外电场中的极化现象

借助于介电参数的变化可研究聚合物的松弛行为。

因此可在三方面采取适当的措施,消除已经产生的静电。

这是因为在几种介质极化形式中,偶极子的取向极化偶极矩最大,影响最显著。

高聚物的有效偶极矩与所带基团的偶极矩不完全一致,结构对称性会导致偶极矩部分或全部相互抵消。

一些常见聚合物的介电系数和介电损耗值见表。

反之,在高聚物试样上加上电场,试样发生相应的形变,同时产生应力,这个现象称为逆压电效应。;2、极化机理:;偶极极化(取向极化):

是具有永久偶极矩的极性分子沿外场方向排列的现象。极化所需要的时间长,一般为10-9s,发生于低频区域。

;按照极化机理不同,有电子极化率,原子极化率和取向极化率;二、聚合物的介电性能;□是衡量高聚物极化程度的宏观物理量。表征电介质储存电荷和电能的能力,从上式可以看出,介电常数越大,极板上产生的感应电荷Qˊ和储存的电能越多。;介电系数在宏观上反映了电介质的极化程度,它与分子极化率存在着如下的关系:;2、介电损耗;□介电损耗表征:

对于电介质电容器,在交流电场中,因电介质取向极化跟不上外加电场的变化,发生介电损耗。由于介质的存在,通过电容器的电流与外加电压的相位差不再是90°,而等于φ=90°-δ;式中δ称介电损耗角,介电损耗正切。的物理意义是在每个交变电压周期中,介质损耗的能量与储存能量之比。越小,表示能量损耗越小。理想电容器(即真空电容器)=0,无能量损失。正比于,故也常用表示材料介电损耗的大小。;□应用;热合PVC等极性材料是适宜的。而PE薄膜等非极性材料就很难用高频热合。

轮胎经高频热处理消除内应力,可大幅度延长使用寿命。

塑料注射成型时常因含水而产生气泡,经高频干燥能很好解决这个问题。;(3)高聚物的介电松弛谱;介电损耗温度谱示意图;介电性能和动态力学性能有哪些表观相似性,从分子尺度上加以说明。;另外:

图3是PMMA的介电损耗同力学损耗角正切随温度的变化,可以看到存在两种运动机理的电学与力学响应。其中?转变对应于玻璃化转变,对力学性能较敏感,?转变对应于酯基运动,对介电性能更敏感。

;三、影响聚合物介电性能的因素;□分子极性越大,一般来说和都增大。非极性聚合物具有低介电系数(ε约为2)和低介电损耗(小于10-4);极性聚合物具有较高的介电常数和介电损耗。一些常见聚合物的介电系数和介电损耗值见表。;表常见聚合物的介电系数(60HZ)和介电损耗角正切;聚乙烯醇缩醛类的介电损耗与温度的关系如下图(图10-4),图中曲线加“1,2,3,4”,试解释分子结构对介电性能的影响。;0;□交联、取向或结晶使分子间作用力增加限制了分子的运动,、减少;支化减少分子间作用力,增加,增大;图10-6为三种不同涤纶薄膜的介电损耗与温度的关系,从凝聚态结构上的差别,解释这三种曲线的不同;如静电复印、静电记录、静电印刷、静电涂敷、静

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