聚合物的結(jié)構(gòu)與介電性能

1、聚合物及多組分聚合物的結(jié)構(gòu)與介電性能聚合物及多組分聚合物的結(jié)構(gòu)與介電性能聚合物介電性：聚合物介電性：聚合物在外電場的作用下，聚合物在外電場的作用下，由于分子極化引起電能的由于分子極化引起電能的儲存儲存和和損耗損耗的性質(zhì)。的性質(zhì)。表征方式表征方式介電常數(shù)介電常數(shù) 介電損耗介電損耗絕緣材料絕緣材料電容器材料電容器材料壓電材料壓電材料熱釋電材料熱釋電材料鐵電材料鐵電材料介電材料分類示意圖介電材料分類示意圖聚合物及多組分聚合物的結(jié)構(gòu)與介電性能聚合物及多組分聚合物的結(jié)構(gòu)與介電性能極化：極化：在外電場的作用下，電介質(zhì)分子或者其中在外電場的作用下，電介質(zhì)分子或者其中 某些基團中電荷分布發(fā)生相應(yīng)變化。某些基團

2、中電荷分布發(fā)生相應(yīng)變化。極極化化類類型型電子極化電子極化原子極化原子極化取向極化取向極化界面極化界面極化價電子云價電子云相對原子相對原子核的位移核的位移聚合物及多組分聚合物的結(jié)構(gòu)與介電性能聚合物及多組分聚合物的結(jié)構(gòu)與介電性能電子極化電子極化極化過程：極化過程：10-1510-13s聚合物及多組分聚合物的結(jié)構(gòu)與介電性能聚合物及多組分聚合物的結(jié)構(gòu)與介電性能原子極化原子極化分子骨架在分子骨架在外電場下發(fā)外電場下發(fā)生變形生變形極化過程一般極化過程一般 10-13s聚合物及多組分聚合物的結(jié)構(gòu)與介電性能聚合物及多組分聚合物的結(jié)構(gòu)與介電性能取向極化取向極化極性分子極性分子延外場方延外場方向排列向排列極化過程

3、一般極化過程一般 10-9s聚合物及多組分聚合物的結(jié)構(gòu)與介電性能聚合物及多組分聚合物的結(jié)構(gòu)與介電性能界面極化界面極化產(chǎn)生于非產(chǎn)生于非均相介質(zhì)均相介質(zhì)界面處界面處在外電場的作用下，電在外電場的作用下，電介質(zhì)中的介質(zhì)中的電子電子或或離子離子在在界面處界面處堆積的結(jié)果。堆積的結(jié)果。極化需時幾分之一極化需時幾分之一 至幾至幾分鐘，甚至更長。分鐘，甚至更長。定義：定義：含有電介質(zhì)的電容器含有電介質(zhì)的電容器電容與相應(yīng)真空電容器的電電容與相應(yīng)真空電容器的電容比。容比。真空的真空的等于等于1 1，空氣，空氣的的接近接近1 1，大多數(shù)非極性高，大多數(shù)非極性高聚物的聚物的為為2 2左右，極性高聚左右，極性高聚物的

4、物的為為2 21010。（。（2.62.6 3.83.8）00000/QQQQQUQUQCCQ0Q介電常數(shù)介電常數(shù)介電損耗介電損耗 在交變電場中，在交變電場中，電介質(zhì)電介質(zhì)由于消耗部分電能而由于消耗部分電能而發(fā)熱的現(xiàn)象。發(fā)熱的現(xiàn)象。 -i? tan在交變電場中，介電常數(shù)可以寫成復(fù)數(shù)形式在交變電場中，介電常數(shù)可以寫成復(fù)數(shù)形式介質(zhì)損耗角正切介質(zhì)損耗角正切能量能量交換交換取向極化時，存在克服偶極子轉(zhuǎn)向的粘滯阻力，消耗電能，轉(zhuǎn)化為熱能變形極化時，當(dāng)電場頻率與原子或電子的固有頻率相同時，發(fā)生共振吸收介電損耗產(chǎn)生的原因介電損耗產(chǎn)生的原因電導(dǎo)損耗電導(dǎo)損耗導(dǎo)電載流子產(chǎn)生導(dǎo)電電流消耗電能轉(zhuǎn)化為熱能偶極的取偶極的

5、取向極化向極化聚合物名稱tan*104聚合物名稱tan*104聚四氟乙烯2環(huán)氧樹脂20-100聚乙烯 2硅橡膠40-100聚丙烯2-3氯化聚醚100四氟乙烯-六氟乙烯共聚3聚酰亞胺40-150聚苯乙烯1-3聚氯乙烯70-200交聯(lián)苯乙烯5聚氨酯150-200聚砜6-8ABS樹脂40-300聚碳酸酯9氯丁橡膠300天然橡膠2-30尼龍6100-400丁苯橡膠20尼龍66140-600丁基橡膠30PMMA400-600聚甲醛40酚醛樹脂600-1000聚鄰苯二甲酸二丙烯酯80硝化纖維素900-1200常見聚合物常見聚合物tan(20，50Hz)聚合物及多組分聚合物的結(jié)構(gòu)與介電性能聚合物及多組分聚合

6、物的結(jié)構(gòu)與介電性能聚合物的介電性能的影響因素聚合物的介電性能的影響因素結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)頻率與溫度頻率與溫度添加劑添加劑聚偏氟乙烯（PVDF）具有較高的介電常數(shù)。由于分子鏈中H原子與 F 原子的電負性不同，會在 PVDF 分子鏈中產(chǎn)生偶極矩。在外加電場的作用下，PVDF分子中正、負電荷中心發(fā)生分離，產(chǎn)生電偶極矩，發(fā)生取向極化。（1 1）極性：）極性：偶極取向極化對介電性質(zhì)影響最大。極性偶極取向極化對介電性質(zhì)影響最大。極性越大，越大，tantan越大。越大。1.分子結(jié)構(gòu)分子結(jié)構(gòu)15 介電常數(shù)是宏觀物理量介電常數(shù)是宏觀物理量, ,反映了電介質(zhì)的極化能力反映了電介質(zhì)的極化能力, ,大小大小由材料本身的性質(zhì)決定

7、。在外電場下電介質(zhì)材料的極化由材料本身的性質(zhì)決定。在外電場下電介質(zhì)材料的極化作用越強作用越強, ,介電常數(shù)就越大。介電常數(shù)就越大。表表1 1 不同極性高分子材料的分子偶極矩和介電常數(shù)范圍不同極性高分子材料的分子偶極矩和介電常數(shù)范圍聚合物類型聚合物類型分子偶極矩分子偶極矩u范圍范圍介電常數(shù)介電常數(shù)范圍范圍非極性高分子非極性高分子 u=02-2.32-2.3弱極性高分子弱極性高分子 0u0.5D2.3-3.02.3-3.0 中等極性高分子中等極性高分子0.5Du0.7D4.0-7.04.0-7.0 分子聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的影響：分子聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的影響： 玻璃態(tài)：鏈段運動被凍結(jié)，結(jié)構(gòu)單元上的極性基團取向受鏈玻

8、璃態(tài)：鏈段運動被凍結(jié)，結(jié)構(gòu)單元上的極性基團取向受鏈段牽制，取向能力低，對段牽制，取向能力低，對介電常數(shù)影響小介電常數(shù)影響小 高彈態(tài)：鏈段活動能力大，極性基團取向受鏈段牽制較小，高彈態(tài)：鏈段活動能力大，極性基團取向受鏈段牽制較小，對介電常數(shù)影響大。高彈態(tài)下，對介電常數(shù)影響大。高彈態(tài)下，介電常數(shù)介電常數(shù)、損耗角大于玻璃損耗角大于玻璃態(tài)態(tài)介電常數(shù)介電常數(shù) 玻璃態(tài)玻璃態(tài)高彈態(tài)高彈態(tài)聚氯乙烯聚氯乙烯 3.515 聚酰胺聚酰胺 4.05.01.分子結(jié)構(gòu)分子結(jié)構(gòu)2.頻率頻率與溫度與溫度s s”tantanlog 在研究尼龍在研究尼龍 610 610 的介電性能的過程中發(fā)現(xiàn)，在的介電性能的過程中發(fā)現(xiàn)，在100

9、Hz100Hz時，介時，介電常數(shù)和損耗因子隨電常數(shù)和損耗因子隨溫度增加而迅速增大溫度增加而迅速增大；而在；而在1MHz 1MHz 時，介時，介電常數(shù)隨溫度變大而變大的趨勢減弱，損耗因子隨電常數(shù)隨溫度變大而變大的趨勢減弱，損耗因子隨溫度增大溫度增大先增大后減小先增大后減小。111X P., Z X. Y.J. European Polymer Journal, 2011, 47(5): 1031-1038. 2.頻率與頻率與溫度溫度改性改性BaTiOBaTiO3 3/EPR/EPR復(fù)合材料的電性能復(fù)合材料的電性能BaTiOBaTiO3 3粉末粉末混合均勻混合均勻冷壓冷壓熱壓固化熱壓固化對對BaT

10、iOBaTiO3 3進行表面處理進行表面處理環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂1wt%KH5501wt%KH550偶聯(lián)劑和偶聯(lián)劑和丙酮丙酮BaTiOBaTiO3 3/EPR/EPR復(fù)合材料復(fù)合材料實驗3.3.添加劑添加劑隨著隨著BaTiOBaTiO3 3含量含量 ，電導(dǎo)率，電導(dǎo)率 隨著頻率隨著頻率 ，電導(dǎo)率，電導(dǎo)率不同不同BaTiOBaTiO3 3含量對含量對BaTiOBaTiO3 3-Epoxy -Epoxy 復(fù)合材料復(fù)合材料的電導(dǎo)率隨頻率的變化的電導(dǎo)率隨頻率的變化電導(dǎo)率分析電導(dǎo)率分析 填料的加入，增加了陶瓷填料的加入，增加了陶瓷- -聚合聚合物物界面區(qū)域界面區(qū)域，而界面區(qū)域的電，而界面區(qū)域的電導(dǎo)率大于單相本

11、身的電導(dǎo)率導(dǎo)率大于單相本身的電導(dǎo)率不同不同BaTiOBaTiO3 3 含量對含量對BaTiOBaTiO3 3-Epoxy -Epoxy 復(fù)合材料的復(fù)合材料的介電損耗的影響介電損耗的影響介電損耗分析介電損耗分析 填充量過高，會使填料填充量過高，會使填料分散不分散不均勻均勻，增加其，增加其界面極化界面極化，因此，因此介電損耗增加。介電損耗增加。 隨著隨著BaTiOBaTiO3 3含量含量 ，介電損耗，介電損耗 但是在體積含量低但是在體積含量低30 30 volvol% % 時，時， 介電損耗介電損耗小小隨著頻率隨著頻率 , ,介電損耗介電損耗高介電常數(shù)材料的應(yīng)用高介電常數(shù)材料的應(yīng)用1.高儲能密度電

12、容器的介電材料高儲能密度電容器的介電材料2.高壓電纜均化電場的應(yīng)力錐材料高壓電纜均化電場的應(yīng)力錐材料3.嵌入式微電容器嵌入式微電容器4.人工肌肉和藥物釋放智能外衣材料人工肌肉和藥物釋放智能外衣材料高高tan值材料的應(yīng)用值材料的應(yīng)用 應(yīng)用方面應(yīng)用方面RC =2(4L2/ P2 +L2/ T2):金屬線電阻率金屬線電阻率,:線間絕緣層的介電常數(shù)線間絕緣層的介電常數(shù),P :金屬線間距離金屬線間距離,L :連線長度連線長度, T :線的厚度線的厚度低介電常數(shù)材料低介電常數(shù)材料降低聚合物材料介電常數(shù)的方法降低聚合物材料介電常數(shù)的方法Z E S，NEW CHEMICAL MATERIALS，2007，35(7):11.降低聚合物材料介電常數(shù)的方法降低聚合物材料介電常數(shù)的方法趙春寶,絕緣材料，2010：33氟原子具有較強的電負性, 可以降低高分子的電子和離子的極化率, 達到降低高分子介電常數(shù)的目的。同時, 氟原子的引入降低了高分子鏈的規(guī)整性, 使得高分子鏈的堆砌更加不規(guī)則,