聚合物電學(xué)性能

1、第第 7 章章 聚合物的電學(xué)性能聚合物的電學(xué)性能 第一節(jié)：聚合物的介電極化和介電松弛行為第一節(jié)：聚合物的介電極化和介電松弛行為第二節(jié)：聚合物的壓電極化與焦電極化第二節(jié)：聚合物的壓電極化與焦電極化莫芳莫芳在外加電壓或電場(chǎng)作用下的行為及其所表現(xiàn)出來(lái)的在外加電壓或電場(chǎng)作用下的行為及其所表現(xiàn)出來(lái)的各種物理現(xiàn)象，包括在交變電場(chǎng)中的介電性質(zhì)、在各種物理現(xiàn)象，包括在交變電場(chǎng)中的介電性質(zhì)、在弱電場(chǎng)中的導(dǎo)電性質(zhì)、在強(qiáng)電場(chǎng)中的擊穿現(xiàn)象以及弱電場(chǎng)中的導(dǎo)電性質(zhì)、在強(qiáng)電場(chǎng)中的擊穿現(xiàn)象以及發(fā)生在高聚物表面的靜電現(xiàn)象。發(fā)生在高聚物表面的靜電現(xiàn)象。所有高聚物所有高聚物所有高聚物所有高聚物極性高聚物極性高聚物是外電場(chǎng)角頻率是外

2、電場(chǎng)角頻率介電損耗介電損耗電介質(zhì)在交變電場(chǎng)中極化時(shí)，伴隨著消耗一部分電介質(zhì)在交變電場(chǎng)中極化時(shí)，伴隨著消耗一部分 電能，使介質(zhì)本身發(fā)熱，這種現(xiàn)象就是介電損耗。電能，使介質(zhì)本身發(fā)熱，這種現(xiàn)象就是介電損耗。 介電損耗的原因介電損耗的原因：對(duì)非極性高聚物：在交變電場(chǎng)中，所含的雜質(zhì)產(chǎn)生的漏導(dǎo)流，對(duì)非極性高聚物：在交變電場(chǎng)中，所含的雜質(zhì)產(chǎn)生的漏導(dǎo)流， 載流子流動(dòng)時(shí)，克服內(nèi)摩擦阻力而作功，使一部分電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊彷d流子流動(dòng)時(shí)，克服內(nèi)摩擦阻力而作功，使一部分電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊?能，屬于歐姆損耗。能，屬于歐姆損耗。對(duì)極性高聚物對(duì)極性高聚物: 在交變電場(chǎng)中極化時(shí)，由于黏滯阻力，偶極子的在交變電場(chǎng)中極化時(shí)，由于黏滯阻力，偶極

3、子的 轉(zhuǎn)動(dòng)取向滯后于交變電場(chǎng)的變化，致使偶極子發(fā)生強(qiáng)迫振動(dòng)，在每轉(zhuǎn)動(dòng)取向滯后于交變電場(chǎng)的變化，致使偶極子發(fā)生強(qiáng)迫振動(dòng)，在每次交變過(guò)程中，吸收一部分電能成熱能而釋放出來(lái)，屬于偶極損耗。次交變過(guò)程中，吸收一部分電能成熱能而釋放出來(lái)，屬于偶極損耗。損耗的大小取決于偶極極化的松弛特性。損耗的大小取決于偶極極化的松弛特性。 影響高聚物介電性的因素影響高聚物介電性的因素高聚物的分子結(jié)構(gòu)高聚物的分子結(jié)構(gòu)交變電場(chǎng)的頻率交變電場(chǎng)的頻率溫度溫度濕度濕度增塑劑增塑劑1. 結(jié)構(gòu)因素是決定高聚物介電性的內(nèi)在原因，包括是高聚物結(jié)構(gòu)因素是決定高聚物介電性的內(nèi)在原因，包括是高聚物分子極性大小和極性基團(tuán)的密度，以及極性基團(tuán)的可

4、動(dòng)性。分子極性大小和極性基團(tuán)的密度，以及極性基團(tuán)的可動(dòng)性。a. 分子極性分子極性根據(jù)單體單元偶極矩的大小，可將高聚物大致歸為四類根據(jù)單體單元偶極矩的大小，可將高聚物大致歸為四類 單體單元偶極矩增加，高分子極性增加，介電系數(shù)和介電損單體單元偶極矩增加，高分子極性增加，介電系數(shù)和介電損耗增加。耗增加。b. 極性基團(tuán)的密度極性基團(tuán)的密度一般說(shuō)來(lái)，主鏈上的極性基團(tuán)活動(dòng)性小，對(duì)介電系數(shù)影一般說(shuō)來(lái)，主鏈上的極性基團(tuán)活動(dòng)性小，對(duì)介電系數(shù)影響較??；側(cè)基上的極性基團(tuán)，特別是柔性的極性側(cè)基的響較?。粋?cè)基上的極性基團(tuán)，特別是柔性的極性側(cè)基的活動(dòng)性較大，對(duì)介電系數(shù)的影響較大。極性基團(tuán)密度越活動(dòng)性較大，對(duì)介電系數(shù)的影響

5、較大。極性基團(tuán)密度越大，則介電損耗越大。大，則介電損耗越大。c. 極性基團(tuán)的可動(dòng)性極性基團(tuán)的可動(dòng)性從整個(gè)分子鏈的活動(dòng)性考慮，橡膠態(tài)與黏流態(tài)的極性高從整個(gè)分子鏈的活動(dòng)性考慮，橡膠態(tài)與黏流態(tài)的極性高聚物的介電系數(shù)要比玻璃態(tài)的大。聚物的介電系數(shù)要比玻璃態(tài)的大。d. 交聯(lián)和支化交聯(lián)和支化交聯(lián)降低極性基團(tuán)的活動(dòng)性而使介電系數(shù)和介電損耗減交聯(lián)降低極性基團(tuán)的活動(dòng)性而使介電系數(shù)和介電損耗減小，例如酚醛樹脂。支化使分子間的相互作用減弱，增小，例如酚醛樹脂。支化使分子間的相互作用減弱，增加分子鏈的活動(dòng)性，使介電系數(shù)提高。加分子鏈的活動(dòng)性，使介電系數(shù)提高。 7.1 2.頻率對(duì)高聚物介電性的影響頻率對(duì)高聚物介電性的影

6、響 隨頻率增加而降低，并隨頻率增加而降低，并 且在較低和較高時(shí)為零且在較低和較高時(shí)為零 隨頻率增加存在極大值，并且，頻率較高和較低隨頻率增加存在極大值，并且，頻率較高和較低時(shí)為零。時(shí)為零。 (T(T1 1) )(T(T1 1) )(T(T1 1) )(T(T1 1) )(T(T1 1) )(T(T1 1) )T1T2T33.3.溫度對(duì)高聚物介電性的影響溫度對(duì)高聚物介電性的影響對(duì)非極性高聚物，溫度升高，介電常數(shù)下降；對(duì)極性高聚物，隨溫度的升高而出現(xiàn)對(duì)非極性高聚物，溫度升高，介電常數(shù)下降；對(duì)極性高聚物，隨溫度的升高而出現(xiàn)峰峰值。值。4.濕度對(duì)高聚物介電性的影響濕度對(duì)高聚物介電性的影響2.002.0

7、52.102.302.352.400204060801001234溫度（）介 電介 電常 數(shù)常 數(shù)非極性高聚物的介電常數(shù)與溫度的關(guān)系非極性高聚物的介電常數(shù)與溫度的關(guān)系1-PP；2-HDPE；3-LDPE；4-PTFE50607080901003579121000Hz1000Hz60Hz60HzPVAC的介電性能與溫度的關(guān)系的介電性能與溫度的關(guān)系溫度（溫度（）介電性介電常數(shù)（50Hz）介電損耗（50Hz）相對(duì)濕度酚醛樹脂聚氯乙烯（電纜料）31.7%63%97%9.7110.415.87.407.508.0031.7%63%97%0.3420.3580.4480.1110.1130.136濕度濕度

8、，介，介電常數(shù)與介電常數(shù)與介電損耗電損耗5. 增塑劑對(duì)高聚物介電性的影響增塑劑對(duì)高聚物介電性的影響規(guī)律：對(duì)非極性高聚物，隨加入增塑劑量的增加將曲線推向高頻率區(qū)；對(duì)極性高聚規(guī)律：對(duì)非極性高聚物，隨加入增塑劑量的增加將曲線推向高頻率區(qū)；對(duì)極性高聚物，隨增塑劑量的增加，介電常數(shù)和介電損耗增大。物，隨增塑劑量的增加，介電常數(shù)和介電損耗增大。實(shí)例實(shí)例PVC20406080100T()05101520406080100T()00.51.01.503915200391520增塑劑加入量對(duì)增塑劑加入量對(duì)PVC介電性能的影響介電性能的影響 7.2 高聚物的壓電極化與熱電極化高聚物的壓電極化與熱電極化 在力場(chǎng)作用

9、下和在溫度場(chǎng)下，材料產(chǎn)生電荷，發(fā)生極化在力場(chǎng)作用下和在溫度場(chǎng)下，材料產(chǎn)生電荷，發(fā)生極化 的現(xiàn)象稱為壓電性和焦電性的現(xiàn)象稱為壓電性和焦電性 壓電效應(yīng)是對(duì)某些電介質(zhì)沿一定方向施以外力使其變形，壓電效應(yīng)是對(duì)某些電介質(zhì)沿一定方向施以外力使其變形，其內(nèi)部將產(chǎn)生極化現(xiàn)象而使其表面出現(xiàn)電荷集聚的現(xiàn)象。其內(nèi)部將產(chǎn)生極化現(xiàn)象而使其表面出現(xiàn)電荷集聚的現(xiàn)象。除去外力，材料又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)除去外力，材料又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài) 高聚物的壓電極化與熱電極化力場(chǎng)可以是應(yīng)變恒定或應(yīng)力高聚物的壓電極化與熱電極化力場(chǎng)可以是應(yīng)變恒定或應(yīng)力恒定的，由此導(dǎo)致的電極化（恒定的，由此導(dǎo)致的電極化（P）改變可分別用壓電系數(shù)）改變可分別

10、用壓電系數(shù)d和和e表示表示 式中，式中，d是壓電應(yīng)變系數(shù)，是壓電應(yīng)變系數(shù)，e是壓電應(yīng)力系數(shù)，是壓電應(yīng)力系數(shù)，A是電極面是電極面積，積，P為電極化強(qiáng)度，為電極化強(qiáng)度，X代表外應(yīng)力，代表外應(yīng)力，S代表應(yīng)變，代表應(yīng)變，E是電是電場(chǎng)強(qiáng)度，場(chǎng)強(qiáng)度，T是溫度是溫度 由溫度改變導(dǎo)致的焦電性可由焦電系數(shù)由溫度改變導(dǎo)致的焦電性可由焦電系數(shù)p表示表示 高聚物的壓電極化與熱電極化高聚物的壓電極化與熱電極化 壓電性是可逆的。壓電性是可逆的。 正壓電效應(yīng)（順壓電效應(yīng)）是當(dāng)沿著一定方向?qū)δ承╇娊檎龎弘娦?yīng)（順壓電效應(yīng)）是當(dāng)沿著一定方向?qū)δ承╇娊橘|(zhì)施力而使它變形時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的一質(zhì)施力而使它變形時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生

11、極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的一定表面上產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電狀定表面上產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷極性也隨著改變。態(tài)的現(xiàn)象。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷極性也隨著改變。 逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）是在電介質(zhì)的極化方向施加逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）是在電介質(zhì)的極化方向施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)就在一定方向上產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械壓電場(chǎng)，這些電介質(zhì)就在一定方向上產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械壓力，當(dāng)外加電場(chǎng)撤去時(shí)，這些變形或應(yīng)力也隨之消失的現(xiàn)力，當(dāng)外加電場(chǎng)撤去時(shí)，這些變形或應(yīng)力也隨之消失的現(xiàn)象象 壓電性是材料機(jī)械能與電能的相互轉(zhuǎn)換壓電性是材料機(jī)械能與電能的相互轉(zhuǎn)換

12、壓電性主要來(lái)源于光學(xué)活性物質(zhì)的內(nèi)應(yīng)變、極化固體的自發(fā)極化以及嵌入電壓電性主要來(lái)源于光學(xué)活性物質(zhì)的內(nèi)應(yīng)變、極化固體的自發(fā)極化以及嵌入電荷與薄膜不均勻性的耦合荷與薄膜不均勻性的耦合1880 Curie在石英晶體中首次發(fā)現(xiàn)壓電性；在石英晶體中首次發(fā)現(xiàn)壓電性；1968 Kawai在聚偏氟乙烯中觀察在聚偏氟乙烯中觀察到壓電現(xiàn)象到壓電現(xiàn)象具有光學(xué)活性的高分子，如構(gòu)成肌肉、骨骼等生物組織的聚肽、纖維素等，具有光學(xué)活性的高分子，如構(gòu)成肌肉、骨骼等生物組織的聚肽、纖維素等，顯示較高的壓電性（經(jīng)單軸拉伸就會(huì)呈現(xiàn)出壓電性）顯示較高的壓電性（經(jīng)單軸拉伸就會(huì)呈現(xiàn)出壓電性）極性晶體聚合物（如極性晶體聚合物（如-晶聚偏氟乙烯（晶聚偏氟乙烯