同濟大學(xué)功能高分子材料5-9課件

第八章高聚物電學(xué)性質(zhì)第一節(jié)概述第二節(jié)高聚物的極化及介電常數(shù)第三節(jié)高聚物的介電損耗第四節(jié)高聚物的導(dǎo)電性第五節(jié)高聚物的介電擊穿第六節(jié)高聚物的靜電現(xiàn)象、危害和防止第一節(jié)概述大多數(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電流，使它沿著選定的途徑在導(dǎo)體里流動，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)范圍，它們的介電常數(shù)從略大于1到103或更高，電阻率的范圍超過20個數(shù)量級，耐壓可高達(dá)100萬伏以上。

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)率低，擊穿強度高，為電器工業(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

高聚物的電學(xué)性質(zhì)往往非常靈敏地反映材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化和分子運動狀況，因此電學(xué)性質(zhì)的測量，作為力學(xué)性質(zhì)測量的補充，已成為研究高聚物的結(jié)構(gòu)和分子運動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率范圍下進行觀察，顯示出有更大的優(yōu)越性。本章將簡要介紹高聚物的極化，介電常數(shù)、介電損耗、絕緣電阻、介電強度以及靜電等現(xiàn)象和概念。

1.電子極化電子極化是外電場作用下分子中各個原子或離子的價電子云相對原子核的位移。極化過程所需的時間極短，約為10-13~10-15s。當(dāng)除去電場時，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。

2.原子極化分子骨架在外電場作用下發(fā)生變形造成的。如CO2分子是直線形結(jié)構(gòu)O=C=O，極化后變成個，分子中正負(fù)電荷中心發(fā)生了相對位移。極化所需要的時間約為10-13s并伴有微量能量損耗。

以上兩種極化統(tǒng)稱為變形極化或誘導(dǎo)極化

其極化率不隨溫度變化而變化，聚合物在高頻區(qū)均能發(fā)生變形極化或誘導(dǎo)極化

4.介電松弛譜外電場強度越大，偶極子的取向度越大；溫度越高，分子熱運動對偶極子的取向干擾越大，取向度越小。對聚合物而言，取向極化的本質(zhì)與小分子相同，但具有不同運動單元的取向，從小的側(cè)基到整個分子鏈。完成取向極化所需的時間范圍很寬，與力學(xué)松弛時間譜類似，也具有一個時間譜，稱作介電松弛譜。

5.介電常數(shù)

5.介電常數(shù)

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介質(zhì)，這時極板上的電荷將增加到Q，Q=Q0+Q′，此時，電容也相應(yīng)增加為C

電介質(zhì)的極化程度越大，Q值越大，ε也越大。

介電常數(shù)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。

第三節(jié)高聚物的介電損耗一、介電損耗的意義及其產(chǎn)生原因1.介電損耗的意義

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)象就是介電損耗。二、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，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，稱為電導(dǎo)損耗。

三、高聚物的介電松弛譜實際體系對外場刺激響應(yīng)的滯后統(tǒng)稱為松弛現(xiàn)象。在交變電場E=E0cosωt（E0為交變電流峰值）的作用下，電位移矢量也是時間的函數(shù)。

由于聚合物介質(zhì)的粘滯力作用，偶極取向跟不上外電場變化，電位移矢量遲后于施加電場，相位差為δ，即

D=D0cos(ωt-δ)=D1cosωt+D2sinωtD=D0cos(ωt-δ)=D1cosωt+D2sinωt

D1—電位移矢量跟上施加電場的部分

D2—電位移矢量滯后于施加電場的部分

D1=D0cosδ

D2=D0sinδ

通常，用損耗角正切tgδ表征聚合物電介質(zhì)耗能與儲能之比，即

tgδ=ε″/ε′

取真空的相對介電系數(shù)為1，則非極性聚合物的介電系數(shù)在2左右，損耗角正切小于110-4；極性聚合物的損耗角正切在110-1~510-3之間。

固體高聚物，當(dāng)頻率固定時在某溫度范圍內(nèi)，或當(dāng)溫度介電損耗情況，可以得到一特征的圖譜，稱為高聚物的介電松弛譜，前者為溫度譜，后者為頻率譜。

固體高聚物的介電松弛綜合圖三種聚乙烯的介電譜（100KHz）兩種聚四氟乙烯的介電譜（1KHz）第四節(jié)高聚物的導(dǎo)電性材料的導(dǎo)電性是用電阻率

或電導(dǎo)率

來表示的。當(dāng)試樣加上直流電壓U時，如果流過試樣的電流為I，則按照歐姆定律，試樣的電阻R=U/I

試樣的電導(dǎo)G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尺寸有關(guān)，不是材料導(dǎo)電性的特征物理量。

試樣的電阻與試樣的厚度h成正比，與試樣的面積S成反比

R=·h/S

比例常數(shù)

稱為電阻率

對試樣的電導(dǎo)有

G=

·S/h

比例常數(shù)

稱為電導(dǎo)率顯然，電阻率與電導(dǎo)率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)，都可用來表征材料的導(dǎo)電性。

第五節(jié)高聚物的介電擊穿

前面是討論高聚物在弱電場中的行為。在強電場（107~108伏/米）中，隨著電場強度進一步升高，電流～電壓間的關(guān)系已不再符合歐姆定律，dU／dI逐漸減小，電流比電壓增大得更快。一、介電擊穿現(xiàn)象當(dāng)達(dá)到dU／dI＝0時，即使維持電壓不變，電流仍然繼續(xù)增大，材料突然從介電狀態(tài)變成導(dǎo)電狀態(tài)。在高壓下，大量的電能迅速地釋放，使電極之間的材料局部地被燒毀，這種現(xiàn)象就稱為介電擊穿。dU／dI＝0處的電壓Ub稱為擊穿電壓。擊穿電壓是介質(zhì)可承受電壓的極限。二、介電強度介電強度的定義是擊穿電壓Ub與絕緣體厚度h的比值，即材料能長期承受的最大場強：Eb=Ub／hEb就是介電強度，或稱擊穿場強第六節(jié)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：（1）通過空氣（霧氣）消失（2）沿著表面消失（3）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。

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。（1）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CO2和其他電離雜質(zhì)的溶解，而大大提高表面導(dǎo)電性。

（2）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