第三章高分子性能3(電學(xué)性能)

1、第第 三三 章章 高分子材料的結(jié)構(gòu)與性能（高分子材料的結(jié)構(gòu)與性能（3）薛紅艷高聚物的電學(xué)性質(zhì) 高聚物電學(xué)性質(zhì)高聚物電學(xué)性質(zhì)一、一、 概述概述二、二、 高聚物的極化及介電常數(shù)高聚物的極化及介電常數(shù)三、三、 高聚物的介電損耗高聚物的介電損耗四、四、 高聚物的導(dǎo)電性高聚物的導(dǎo)電性五、五、 高聚物的介電擊穿高聚物的介電擊穿六、六、 高聚物的靜電現(xiàn)象、危害和防止高聚物的靜電現(xiàn)象、危害和防止 高聚物的電學(xué)性質(zhì)高聚物的電學(xué)性質(zhì)是指聚合物在外加電壓或電場是指聚合物在外加電壓或電場作用下的行為及其所表現(xiàn)出來的各種物理現(xiàn)象。作用下的行為及其所表現(xiàn)出來的各種物理現(xiàn)象。 大多數(shù)高聚物固有的電絕緣性質(zhì)已長期被利用來大多

2、數(shù)高聚物固有的電絕緣性質(zhì)已長期被利用來約束和保護(hù)電流，使它沿著選定的途徑在導(dǎo)體里流約束和保護(hù)電流，使它沿著選定的途徑在導(dǎo)體里流動(dòng)，或用來支持很高的電場，以免發(fā)生電擊穿。動(dòng)，或用來支持很高的電場，以免發(fā)生電擊穿。 品種繁多的高聚物，有著極寬的電學(xué)性能指標(biāo)范品種繁多的高聚物，有著極寬的電學(xué)性能指標(biāo)范圍，它們的介電常數(shù)從略大于圍，它們的介電常數(shù)從略大于1到到103或更高，電阻或更高，電阻率的范圍超過率的范圍超過20個(gè)數(shù)量級(jí)，耐壓可高達(dá)個(gè)數(shù)量級(jí)，耐壓可高達(dá)100萬伏以上。萬伏以上。一一 概述概述 絕大多數(shù)聚合物是絕緣體，具有卓越的電絕緣性絕大多數(shù)聚合物是絕緣體，具有卓越的電絕緣性能，其介電損耗和電導(dǎo)率

3、低，擊穿強(qiáng)度高，為電能，其介電損耗和電導(dǎo)率低，擊穿強(qiáng)度高，為電器工業(yè)中不可缺少的介電材料和絕緣材料器工業(yè)中不可缺少的介電材料和絕緣材料例如，用于制造電容器，用于儀表絕緣和無線電遙控技術(shù)等例如，用于制造電容器，用于儀表絕緣和無線電遙控技術(shù)等 高聚物的電學(xué)性質(zhì)往往高聚物的電學(xué)性質(zhì)往往非常靈敏地反映材料內(nèi)非常靈敏地反映材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化和分子運(yùn)動(dòng)狀況部結(jié)構(gòu)的變化和分子運(yùn)動(dòng)狀況，因此電學(xué)性質(zhì)的，因此電學(xué)性質(zhì)的測量，作為力學(xué)性質(zhì)測量的補(bǔ)充，已成為研究高測量，作為力學(xué)性質(zhì)測量的補(bǔ)充，已成為研究高聚物的結(jié)構(gòu)和分子運(yùn)動(dòng)的一種有力的手段聚物的結(jié)構(gòu)和分子運(yùn)動(dòng)的一種有力的手段 電學(xué)性質(zhì)的測量方法，由于可以在很寬的頻

4、率電學(xué)性質(zhì)的測量方法，由于可以在很寬的頻率范圍下進(jìn)行觀察，顯示出有更大的優(yōu)越性。范圍下進(jìn)行觀察，顯示出有更大的優(yōu)越性。二二 高聚物的極化及介電常數(shù)高聚物的極化及介電常數(shù)一、電介質(zhì)在外電場中的極化現(xiàn)象一、電介質(zhì)在外電場中的極化現(xiàn)象 在外電場的作用下，電介質(zhì)分子或者其中某些基團(tuán)中電在外電場的作用下，電介質(zhì)分子或者其中某些基團(tuán)中電荷分布發(fā)生的相應(yīng)變化稱為極化（荷分布發(fā)生的相應(yīng)變化稱為極化（電子極化、原子極化、電子極化、原子極化、取向極化、界面極化取向極化、界面極化）1.1.電子極化電子極化 電子極化是外電場作用下分子中各個(gè)原子或離子的價(jià)電電子極化是外電場作用下分子中各個(gè)原子或離子的價(jià)電子云相對(duì)原子核

5、的位移。子云相對(duì)原子核的位移。 極化過程所需的時(shí)間極短，約為極化過程所需的時(shí)間極短，約為 10-13至10-15s。 當(dāng)除去電場時(shí)，位移立即恢復(fù)，無能量損耗，所以也稱當(dāng)除去電場時(shí)，位移立即恢復(fù)，無能量損耗，所以也稱 可逆性極化或彈性極化可逆性極化或彈性極化。 2.2.原子極化原子極化 分子骨架在外電場作用下發(fā)生變形造成的。分子骨架在外電場作用下發(fā)生變形造成的。 如如COCO2 2分子是直線形結(jié)構(gòu)分子是直線形結(jié)構(gòu)O=C=OO=C=O，極化后變成，極化后變成 分子中正負(fù)電荷中心發(fā)生了相對(duì)位移。分子中正負(fù)電荷中心發(fā)生了相對(duì)位移。 極化所需要的時(shí)間約為極化所需要的時(shí)間約為1010-13-13s s并伴

6、有微量能量損耗。并伴有微量能量損耗。 以上兩種極化統(tǒng)稱為以上兩種極化統(tǒng)稱為變形極化變形極化或或誘導(dǎo)極化誘導(dǎo)極化其極化率不隨溫度變化而變化，聚合物在高頻區(qū)均能其極化率不隨溫度變化而變化，聚合物在高頻區(qū)均能發(fā)生變形極化或發(fā)生變形極化或誘導(dǎo)極化誘導(dǎo)極化3. 3. 取向極化取向極化 取向極化又稱取向極化又稱偶極極化偶極極化，是具有永久偶極矩的極性分子沿外場方向排，是具有永久偶極矩的極性分子沿外場方向排列的現(xiàn)象。列的現(xiàn)象。由于極性分子沿外電場方向的轉(zhuǎn)動(dòng)需要克服本身的慣性和旋轉(zhuǎn)阻力。由于極性分子沿外電場方向的轉(zhuǎn)動(dòng)需要克服本身的慣性和旋轉(zhuǎn)阻力。極化所需要的時(shí)間長，一般為極化所需要的時(shí)間長，一般為1010-9

7、-9s s，發(fā)生于低頻區(qū)域。，發(fā)生于低頻區(qū)域。 4.4.介電松弛譜介電松弛譜外電場強(qiáng)度越大，偶極子的取向度越大；溫度越高，分子熱運(yùn)動(dòng)對(duì)偶外電場強(qiáng)度越大，偶極子的取向度越大；溫度越高，分子熱運(yùn)動(dòng)對(duì)偶極子的取向干擾越大，取向度越小。極子的取向干擾越大，取向度越小。對(duì)聚合物而言，取向極化的本質(zhì)與小分子相同，但具有不同運(yùn)動(dòng)單元對(duì)聚合物而言，取向極化的本質(zhì)與小分子相同，但具有不同運(yùn)動(dòng)單元的取向，從小的側(cè)基到整個(gè)分子鏈。的取向，從小的側(cè)基到整個(gè)分子鏈。完成取向極化所需的時(shí)間范圍很寬，與力學(xué)松弛時(shí)間譜類似，也具有完成取向極化所需的時(shí)間范圍很寬，與力學(xué)松弛時(shí)間譜類似，也具有一個(gè)時(shí)間譜，稱作介電松弛譜。一個(gè)時(shí)間

8、譜，稱作介電松弛譜。 5.介電常數(shù)介電常數(shù) 定義含有電介質(zhì)的電容器的電容定義含有電介質(zhì)的電容器的電容C C與相應(yīng)真空電容器的電與相應(yīng)真空電容器的電容之比為該電介質(zhì)的介電常數(shù)容之比為該電介質(zhì)的介電常數(shù)，即，即00QQCC電介質(zhì)的極化程度越大，電介質(zhì)的極化程度越大，Q Q 值越大，值越大， 也越大。也越大。介電常數(shù)介電常數(shù)是衡量電介質(zhì)極化程度的宏觀物理量，表是衡量電介質(zhì)極化程度的宏觀物理量，表征電介質(zhì)貯存電能能力的大小征電介質(zhì)貯存電能能力的大小。三三 高聚物的介電損耗高聚物的介電損耗1.1.介電損耗的介電損耗的定定義義 電介質(zhì)在交變電場中，由于消耗一部分電能，使介質(zhì)本身發(fā)熱，這種現(xiàn)電介質(zhì)在交變電場

9、中，由于消耗一部分電能，使介質(zhì)本身發(fā)熱，這種現(xiàn)象就是介電損耗。象就是介電損耗。2. 介電損耗產(chǎn)生的原因介電損耗產(chǎn)生的原因（1 1）電介質(zhì)中含有能導(dǎo)電的載流子，它在外加電場的作用下，產(chǎn)生電導(dǎo)電）電介質(zhì)中含有能導(dǎo)電的載流子，它在外加電場的作用下，產(chǎn)生電導(dǎo)電流，消耗掉一部分電能，轉(zhuǎn)化為熱能，稱為流，消耗掉一部分電能，轉(zhuǎn)化為熱能，稱為電導(dǎo)損耗電導(dǎo)損耗。（2 2）電介質(zhì)在交變電場下的極化過程中，與電場發(fā)生能量交換。取向極化）電介質(zhì)在交變電場下的極化過程中，與電場發(fā)生能量交換。取向極化過程是一個(gè)松弛過程，電場使偶極子轉(zhuǎn)向時(shí)，一部分電能損耗于克服介過程是一個(gè)松弛過程，電場使偶極子轉(zhuǎn)向時(shí)，一部分電能損耗于克服

10、介質(zhì)的內(nèi)粘滯阻力上，轉(zhuǎn)化為熱量，發(fā)生質(zhì)的內(nèi)粘滯阻力上，轉(zhuǎn)化為熱量，發(fā)生松弛損耗松弛損耗；變形極化是一種彈性；變形極化是一種彈性過程或諧振過程，當(dāng)電場的頻率與原子或電子的固有振動(dòng)頻率相同時(shí)，過程或諧振過程，當(dāng)電場的頻率與原子或電子的固有振動(dòng)頻率相同時(shí)，發(fā)生共振吸收，損耗電場能量最大。發(fā)生共振吸收，損耗電場能量最大。 四四 高聚物的導(dǎo)電性高聚物的導(dǎo)電性 材料的導(dǎo)電性是用材料的導(dǎo)電性是用電阻率電阻率 或或電導(dǎo)率電導(dǎo)率 來表示的。來表示的。當(dāng)試樣加上直流電壓當(dāng)試樣加上直流電壓U U 時(shí)，如果流過試樣的電流為時(shí)，如果流過試樣的電流為I I，則，則按照歐姆定律，試樣的電阻按照歐姆定律，試樣的電阻R R =

11、 = U U / / I I 試樣的電導(dǎo)試樣的電導(dǎo) G G 為電阻的倒數(shù)為電阻的倒數(shù) G G = 1/= 1/R R = = I I / / U U 電阻和電導(dǎo)的大小都與試樣的幾何尺寸有關(guān)，不是電阻和電導(dǎo)的大小都與試樣的幾何尺寸有關(guān)，不是材料導(dǎo)電性的特征物理量。材料導(dǎo)電性的特征物理量。 試樣的電阻與試樣的厚度試樣的電阻與試樣的厚度h h成正比，與試樣的面積成正比，與試樣的面積S S成反比成反比 R R = = h h / / S S 比例常數(shù)比例常數(shù) 稱為電阻率稱為電阻率對(duì)試樣的電導(dǎo)有對(duì)試樣的電導(dǎo)有 G G = = S S / / h h比例常數(shù)比例常數(shù) 稱為電導(dǎo)率稱為電導(dǎo)率 顯然，顯然，電阻

12、率與電導(dǎo)率電阻率與電導(dǎo)率都不再與試樣的尺寸有關(guān)，而只決定都不再與試樣的尺寸有關(guān)，而只決定于材料的性質(zhì)，它們互為倒數(shù)，都可用來于材料的性質(zhì)，它們互為倒數(shù)，都可用來表征材料的導(dǎo)電性表征材料的導(dǎo)電性。五五 高聚物的介電擊穿高聚物的介電擊穿 在強(qiáng)電場（在強(qiáng)電場（10107-87-8伏伏/ /米）中，隨著電場強(qiáng)度進(jìn)一步升高，電流電壓間的關(guān)系米）中，隨著電場強(qiáng)度進(jìn)一步升高，電流電壓間的關(guān)系已不再符合歐姆定律，已不再符合歐姆定律，dUdUdIdI 逐漸減小，電流比電壓增大得更快。逐漸減小，電流比電壓增大得更快。一、介電擊穿現(xiàn)象介電擊穿現(xiàn)象 1 1、當(dāng)達(dá)到、當(dāng)達(dá)到dUdUdIdI 0 0時(shí)，即使維持電壓不變，

13、電流仍然繼續(xù)增時(shí)，即使維持電壓不變，電流仍然繼續(xù)增 大，材料突然大，材料突然從介電狀態(tài)變成導(dǎo)電狀態(tài)從介電狀態(tài)變成導(dǎo)電狀態(tài)。 2 2、在高壓下，大量的電能迅速地釋放，使電極之間的材料局部、在高壓下，大量的電能迅速地釋放，使電極之間的材料局部 地被燒毀，這種現(xiàn)象就稱為地被燒毀，這種現(xiàn)象就稱為介電擊穿介電擊穿。 3 3、dUdUdIdI 0 0處的電壓處的電壓U Ub b稱為稱為擊穿電壓擊穿電壓。擊穿電壓是介質(zhì)可承擊穿電壓是介質(zhì)可承 受電壓的極限受電壓的極限。二、介電強(qiáng)度二、介電強(qiáng)度 介電強(qiáng)度介電強(qiáng)度的定義是擊穿電壓的定義是擊穿電壓U Ub b與絕緣體厚度與絕緣體厚度h h 的比值，即材料能的比值，

14、即材料能 長期承受的最大場強(qiáng)：長期承受的最大場強(qiáng)： E Eb b = = U Ub bh Eh Eb b就是介電強(qiáng)度，或稱就是介電強(qiáng)度，或稱擊穿場強(qiáng)擊穿場強(qiáng)六六 高聚物的靜電現(xiàn)象、危害和防止高聚物的靜電現(xiàn)象、危害和防止 絕緣體表面的靜電可以通過三條途徑消失：絕緣體表面的靜電可以通過三條途徑消失： （1 1）通過空氣（霧氣）消失）通過空氣（霧氣）消失 （2 2）沿著表面消失）沿著表面消失 （3 3）通過絕緣體體內(nèi)消失）通過絕緣體體內(nèi)消失 因此可在三方面采取適當(dāng)?shù)拇胧?，消除已?jīng)產(chǎn)生的靜電。因此可在三方面采取適當(dāng)?shù)拇胧?，消除已?jīng)產(chǎn)生的靜電。 靜電沿絕緣體表面消失的速度取決于絕緣體表面電阻率的大小。靜

15、電沿絕緣體表面消失的速度取決于絕緣體表面電阻率的大小。（1 1）提高空氣的濕度）提高空氣的濕度 可以在親水性絕緣體表面形成連續(xù)的水膜，加上空氣中的可以在親水性絕緣體表面形成連續(xù)的水膜，加上空氣中的COCO2 2和和其他電離雜質(zhì)的溶解，而大大提高表面導(dǎo)電性。其他電離雜質(zhì)的溶解，而大大提高表面導(dǎo)電性。 （2 2）使用抗靜電劑）使用抗靜電劑 它是一些陽離子或非離子型活性劑。通常用噴霧或浸涂它是一些陽離子或非離子型活性劑。通常用噴霧或浸涂的辦法涂布在高聚物表面，形成連續(xù)相，以提高表面的導(dǎo)的辦法涂布在高聚物表面，形成連續(xù)相，以提高表面的導(dǎo)電性。有時(shí)為了延長作用的時(shí)間，可將其加入塑料中，讓電性。有時(shí)為了延長作用的時(shí)間，可將其加入塑料中，讓它慢慢擴(kuò)散到塑料表面而起作用。它