全套高分子物理課件gwch08

1、大多數(shù)高聚物固有的電絕緣性質(zhì)已大多數(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)體里流動(dòng)，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(chǎng)，以免發(fā)生或用來支持很高的電場(chǎng)，以免發(fā)生電擊穿。電擊穿。品種繁多的高聚物，有著極寬的電品種繁多的高聚物，有著極寬的電學(xué)性能指標(biāo)范圍，它們的介電常數(shù)學(xué)性能指標(biāo)范圍，它們的介電常數(shù)從略大于從略大于1到到103或更高，電阻率的或更高，電阻率的范圍超過范圍超過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。高聚物的電學(xué)性質(zhì)高聚物的電學(xué)性質(zhì)是指聚合物在外加是指聚合物在外加電壓或電場(chǎng)作用

2、下的行為及其所表現(xiàn)電壓或電場(chǎng)作用下的行為及其所表現(xiàn)出來的各種物理現(xiàn)象。研究高聚物的出來的各種物理現(xiàn)象。研究高聚物的電學(xué)性質(zhì)，具有非常重要的理論和實(shí)電學(xué)性質(zhì)，具有非常重要的理論和實(shí)際意義。際意義。在交變電場(chǎng)中的介電性質(zhì)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)象在強(qiáng)電場(chǎng)中的擊穿現(xiàn)象在聚合物表面的靜電現(xiàn)象在聚合物表面的靜電現(xiàn)象絕大多數(shù)聚合物是絕緣體，具有卓絕大多數(shù)聚合物是絕緣體，具有卓越的電絕緣性能，其介電損耗和電越的電絕緣性能，其介電損耗和電導(dǎo)率低，擊穿強(qiáng)度高，為電器工業(yè)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中不可缺少的介電材料和絕緣材

3、料例如，用于制造電容器，用于儀表例如，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)狀映材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化和分子運(yùn)動(dòng)狀況況，因此電學(xué)性質(zhì)的測(cè)量，作為力學(xué)，因此電學(xué)性質(zhì)的測(cè)量，作為力學(xué)性質(zhì)測(cè)量的補(bǔ)充，已成為研究高聚物性質(zhì)測(cè)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(cè)量方法，由于可以在很電學(xué)性質(zhì)的測(cè)量方法，由于可以在很寬的頻率范圍下進(jìn)行觀察，顯示出有寬的頻率范圍下進(jìn)行觀察，顯示出有更大的優(yōu)越性。更大的優(yōu)越性。 本章將簡要介紹本

4、章將簡要介紹高聚物的極高聚物的極化化，介電常數(shù)介電常數(shù)、介電損耗介電損耗、絕絕緣電阻緣電阻、介電強(qiáng)度介電強(qiáng)度以及以及靜電靜電等等現(xiàn)象和概念?，F(xiàn)象和概念。 在外電場(chǎng)的作用下，電介質(zhì)分子在外電場(chǎng)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（的相應(yīng)變化稱為極化（電子極化、電子極化、原子極化、取向極化、界面極化原子極化、取向極化、界面極化）電子極化是外電場(chǎng)作用下分子中各個(gè)電子極化是外電場(chǎng)作用下分子中各個(gè)原子或離子的價(jià)電子云相對(duì)原子核的原子或離子的價(jià)電子云相對(duì)原子核的位移。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 10-1310

5、-15s。當(dāng)除去電場(chǎng)時(shí)，位移立即恢復(fù)，無能當(dāng)除去電場(chǎng)時(shí)，位移立即恢復(fù)，無能量損耗，所以也稱量損耗，所以也稱可逆性極化或彈性可逆性極化或彈性極化極化。分子骨架在外電場(chǎng)作用下發(fā)生變形造分子骨架在外電場(chǎng)作用下發(fā)生變形造成的。成的。如如CO2分子是直線形結(jié)構(gòu)分子是直線形結(jié)構(gòu)O=C=O，極，極化后變成個(gè)化后變成個(gè) ，分子中正負(fù)電荷中，分子中正負(fù)電荷中心發(fā)生了相對(duì)位移。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10-13s并伴有并伴有微量能量損耗。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誘導(dǎo)極化導(dǎo)極化其極化率不隨溫度變化而變化，聚其極化率不隨溫度變化而變化，

6、聚合物在高頻區(qū)均能發(fā)生變形極化或合物在高頻區(qū)均能發(fā)生變形極化或誘導(dǎo)極化誘導(dǎo)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，是具有永久偶極矩的極性分子沿外場(chǎng)方向排列的偶極矩的極性分子沿外場(chǎng)方向排列的現(xiàn)象。現(xiàn)象。由于極性分子沿外電場(chǎng)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)需由于極性分子沿外電場(chǎng)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)需要克服本身的慣性和旋轉(zhuǎn)阻力。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10-9s，發(fā)生于低頻區(qū)域。發(fā)生于低頻區(qū)域。外電場(chǎng)強(qiáng)度越大，偶極子的取向度越大；溫度越高，外電場(chǎng)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。分子熱運(yùn)動(dòng)對(duì)偶極子的取向干擾

7、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。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)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。間譜類似，也具有一個(gè)時(shí)間譜，稱作介電松弛譜。 5.介電常數(shù)介電常數(shù)5.介電常數(shù)介電常數(shù)真空電容器的電容為真空電容器的電容為 如果在上述電容器的兩極板間充滿電如果在上述電容器的兩極板間充滿電介質(zhì)，這時(shí)極板上的電荷將增加到介質(zhì)，這時(shí)極板上的電荷將增加到Q，Q = Q0

8、+Q，此時(shí)，電容也相應(yīng)增加，此時(shí)，電容也相應(yīng)增加為為CUQC00UQC 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與相與相應(yīng)真空電容器的電容之比為該電介質(zhì)應(yīng)真空電容器的電容之比為該電介質(zhì)的介電常數(shù)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 值值越大，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)貯存的宏觀物理量，表征電介質(zhì)貯存電能能力的大小電能能力的大小。介電損耗的意義及其產(chǎn)生原因介電損耗的意義及其產(chǎn)生原因1.介電損耗的意義介電損耗的意義 電介質(zhì)在交變電場(chǎng)中，由于消耗一部電介質(zhì)在交變電場(chǎng)

9、中，由于消耗一部分電能，使介質(zhì)本身發(fā)熱，這種現(xiàn)象分電能，使介質(zhì)本身發(fā)熱，這種現(xiàn)象就是介電損耗。就是介電損耗。介電損耗產(chǎn)生的原因介電損耗產(chǎn)生的原因 （1）電介質(zhì)中含有能導(dǎo)電的載流子，）電介質(zhì)中含有能導(dǎo)電的載流子，它在外加電場(chǎng)的作用下，產(chǎn)生電導(dǎo)電它在外加電場(chǎng)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，流，消耗掉一部分電能，轉(zhuǎn)化為熱能，稱為稱為電導(dǎo)損耗電導(dǎo)損耗。介電損耗產(chǎn)生的原因介電損耗產(chǎn)生的原因（2）電介質(zhì)在交變電場(chǎng)下的極化過程中，）電介質(zhì)在交變電場(chǎng)下的極化過程中，與電場(chǎng)發(fā)生能量交換。取向極化過程是一與電場(chǎng)發(fā)生能量交換。取向極化過程是一個(gè)松弛過程，電場(chǎng)使偶極子轉(zhuǎn)向時(shí)，一部個(gè)松弛過程，電場(chǎng)

10、使偶極子轉(zhuǎn)向時(shí)，一部分電能損耗于克服介質(zhì)的內(nèi)粘滯阻力上，分電能損耗于克服介質(zhì)的內(nèi)粘滯阻力上，轉(zhuǎn)化為熱量，發(fā)生轉(zhuǎn)化為熱量，發(fā)生松弛損耗松弛損耗；變形極化是；變形極化是一種彈性過程或諧振過程，當(dāng)電場(chǎng)的頻率一種彈性過程或諧振過程，當(dāng)電場(chǎng)的頻率與原子或電子的固有振動(dòng)頻率相同時(shí)，發(fā)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(chǎng)能量最大。生共振吸收，損耗電場(chǎng)能量最大。高聚物的介電松弛譜高聚物的介電松弛譜實(shí)際體系對(duì)外場(chǎng)刺激響應(yīng)的滯后統(tǒng)實(shí)際體系對(duì)外場(chǎng)刺激響應(yīng)的滯后統(tǒng)稱為稱為松弛現(xiàn)象松弛現(xiàn)象。在交變電場(chǎng)在交變電場(chǎng)E = E0 cost（E0為交為交變電流峰值）的作用下，電位移矢變電流峰值）的作用下，電

11、位移矢量也是時(shí)間的函數(shù)。量也是時(shí)間的函數(shù)。由于聚合物介質(zhì)的粘滯力作用，偶由于聚合物介質(zhì)的粘滯力作用，偶極取向跟不上外電場(chǎng)變化，電位移極取向跟不上外電場(chǎng)變化，電位移矢量遲后于施加電場(chǎng)，相位差為矢量遲后于施加電場(chǎng)，相位差為，即即 D=D0 cos(t-)=D1 cost + D2 sintD=D0 cos(t-)=D1 cost +D2 sint D1 電位移矢量跟上施加電場(chǎng)的部分電位移矢量跟上施加電場(chǎng)的部分D2 電位移矢量滯后于施加電場(chǎng)的部分電位移矢量滯后于施加電場(chǎng)的部分 D1=D0cos D2 = D0 sin令令 D1 / E0 D2 / E0 實(shí)測(cè)的介電系數(shù)，代表體實(shí)測(cè)的介電系數(shù)，代表體

12、系的儲(chǔ)電能力系的儲(chǔ)電能力 損耗因子，代表體系的耗損耗因子，代表體系的耗 能部分能部分通常，用損耗角正切通常，用損耗角正切 tg表征聚合物表征聚合物電介質(zhì)耗能與儲(chǔ)能之比，即電介質(zhì)耗能與儲(chǔ)能之比，即tg=/ 取真空的相對(duì)介電系數(shù)為取真空的相對(duì)介電系數(shù)為 1，則，則非極性聚合物的介電系數(shù)在非極性聚合物的介電系數(shù)在2左右，左右，損耗角正切小于損耗角正切小于1 10-4；極性聚合；極性聚合物的損耗角正切在物的損耗角正切在1 10-15 10-3之間。之間。固體高聚物，當(dāng)頻率固定時(shí)在某溫固體高聚物，當(dāng)頻率固定時(shí)在某溫度范圍內(nèi)，或當(dāng)溫度介電損耗情況，度范圍內(nèi)，或當(dāng)溫度介電損耗情況，可以得到一特征的圖譜，稱為

13、高聚可以得到一特征的圖譜，稱為高聚物的物的介電松弛譜介電松弛譜，前者為溫度譜，前者為溫度譜，后者為后者為頻率譜頻率譜。 在這些圖譜上，高聚物的介電損耗在這些圖譜上，高聚物的介電損耗一般都出現(xiàn)一個(gè)以上的極大值，分一般都出現(xiàn)一個(gè)以上的極大值，分別對(duì)應(yīng)于不同尺寸運(yùn)動(dòng)單元的偶極別對(duì)應(yīng)于不同尺寸運(yùn)動(dòng)單元的偶極子在電場(chǎng)中的松弛損耗。按照這些子在電場(chǎng)中的松弛損耗。按照這些損耗峰在圖譜上出現(xiàn)的先后，在溫?fù)p耗峰在圖譜上出現(xiàn)的先后，在溫度譜上從高溫到低溫，在頻率譜上度譜上從高溫到低溫，在頻率譜上從低頻到高頻，依次用從低頻到高頻，依次用 、 、 命命名名 。 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)電

14、導(dǎo)率率 來表示的。當(dāng)試樣加上直流來表示的。當(dāng)試樣加上直流電壓電壓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，則按照歐姆定律，試樣的電阻，則按照歐姆定律，試樣的電阻R = U / I試樣的電導(dǎo)試樣的電導(dǎo) G 為電阻的倒數(shù)為電阻的倒數(shù) G = 1/R = I / U 電阻和電導(dǎo)的大小都與試樣的幾何電阻和電導(dǎo)的大小都與試樣的幾何尺寸有關(guān)，不是材料導(dǎo)電性的特征尺寸有關(guān)，不是材料導(dǎo)電性的特征物理量。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成正比，成正比，與試樣的面積與試樣的面積 S成反比成反比 R = h / 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)

15、有 G = S / 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，電阻率與電導(dǎo)率電阻率與電導(dǎo)率都不再與試都不再與試樣的尺寸有關(guān)，而只決定于材料的樣的尺寸有關(guān)，而只決定于材料的性質(zhì)，它們互為倒數(shù)，都可用來性質(zhì)，它們互為倒數(shù)，都可用來表表征材料的導(dǎo)電性征材料的導(dǎo)電性。 前面是討論高聚物在弱電場(chǎng)中的行為。前面是討論高聚物在弱電場(chǎng)中的行為。 在強(qiáng)電場(chǎng)（在強(qiáng)電場(chǎng)（107108伏伏/米）中，隨著米）中，隨著電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)一步升高，電流電壓間的電場(chǎng)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，關(guān)系已不再符合歐姆定律，dUdI逐漸逐漸減小，電流比電壓增大得更快。減小，電流比電壓增大得更快。當(dāng)達(dá)到當(dāng)達(dá)到

16、dUdI 0時(shí)，即使維持電壓不變，時(shí)，即使維持電壓不變，電流仍然繼續(xù)增大，材料突然電流仍然繼續(xù)增大，材料突然從介電狀態(tài)從介電狀態(tài)變成導(dǎo)電狀態(tài)變成導(dǎo)電狀態(tài)。在高壓下，大量的電能迅速地釋放，使電在高壓下，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)象就極之間的材料局部地被燒毀，這種現(xiàn)象就稱為稱為介電擊穿介電擊穿。dUdI 0處的電壓處的電壓Ub稱為稱為擊穿電壓擊穿電壓。擊穿電壓是介質(zhì)可承受電壓的極限擊穿電壓是介質(zhì)可承受電壓的極限。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Ub與與絕緣體厚度絕緣體厚度h 的比值，即材料能長的比值，即材料能長期承受的最大場(chǎng)強(qiáng)：期承受的最大場(chǎng)強(qiáng)： E

17、b = Ubh Eb就是介電強(qiáng)度，或稱就是介電強(qiáng)度，或稱擊穿場(chǎng)強(qiáng)擊穿場(chǎng)強(qiáng)絕緣體表面的靜電可以通過三條途徑絕緣體表面的靜電可以通過三條途徑消失：消失： （1）通過空氣（霧氣）消失）通過空氣（霧氣）消失 （2）沿著表面消失）沿著表面消失 （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。除已經(jīng)產(chǎn)生的靜電。靜電沿絕緣體表面消失的速度取決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。于絕緣體表面電阻率的大小。（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)可以在親水性絕緣體表面形成連續(xù)的水膜，加上空氣中的的水膜，加上空氣中的CO2和其他和其他電離雜質(zhì)的溶解，而大大提高表面電離雜質(zhì)的溶解，而大大提高表面導(dǎo)電性。導(dǎo)電性。 （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。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，導(dǎo)電性。有