高聚物的電性能

關(guān)于高聚物的電性能學(xué)習(xí)目的要求學(xué)習(xí)并掌握高聚物常見的電學(xué)性能。第2頁,共26頁，星期六，2024年，5月§9高聚物的電性能

●總論高聚物具有體積電阻率高（1016～1020Ω·cm）、介電常數(shù)小（≤2）、介質(zhì)損耗低（＜10－4）等半導(dǎo)體特殊優(yōu)良的電性能，同時某些高聚物還具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能。另外，由于高聚物成型加工容易，品型多，故在電器方法應(yīng)用廣泛。

第3頁,共26頁，星期六，2024年，5月§9-1高聚物的介電性一、高聚物分子的極化

▲定義

高聚物的介電性是指高聚物在電場的作用下，表現(xiàn)出對靜電能的儲蓄的損耗的性質(zhì)?！呔畚锏臉O性與類別▲高聚物的極化（polarization）是電解質(zhì)在電場的作用下分子內(nèi)束縛電荷產(chǎn)生彈性位移或偶極子沿電場的從優(yōu)取向，在電場方向的電解質(zhì)兩端呈現(xiàn)異號電荷的現(xiàn)象。強(qiáng)極性高聚物（PVA、PAN、PET、酚醛樹脂、氨基樹脂等）高聚物的極性類別非極性高聚物（PE、PP、PTFE等）弱極性高聚物（PS、PIP等）極性高聚物（PVC、PA、PVAC、PMMA等）介電性的表示方法介電常數(shù)介電損耗影響高聚物介電性的因素高聚物的極性高聚物的極化第4頁,共26頁，星期六，2024年，5月§9-1高聚物的介電性

高聚物的極化形式

極化形式極化機(jī)理特點適用對象電子極化電子云的變形極快，10－12～10－15s；無能量損耗；不依賴溫度和頻率所有高聚物原子極化各原子之間的相對位移稍快，10－12s；損耗微量能量；不依賴溫度所有高聚物偶極極化極性分子（或偶極子）沿電場方向轉(zhuǎn)動，從優(yōu)取向慢，10－9s以上；損耗較大能量；依賴溫度和頻率極性高聚物界面極化載流子在界面處聚集產(chǎn)生的極化極慢，幾分之一秒至幾分鐘、幾小時共混、復(fù)合材料＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－高聚物在電場中極化示意圖第5頁,共26頁，星期六，2024年，5月§9-1高聚物的介電性二、高聚物的介電性▲高聚物的介電常數(shù)（dielectricconstant）

△定義顯然，高聚物極化程度越大，極板感應(yīng)產(chǎn)生的電荷Q’越大，介電常數(shù)越大。

△常見高聚物的介電常數(shù)高聚物計算值實驗值高聚物計算值實驗值聚乙烯（外推到無定型）聚丙烯（無定型）聚氯化苯乙烯聚四氟乙烯（無定型）聚氯乙烯聚醋酸乙烯酯聚甲基丙烯酸甲酯聚α-氯代丙烯酸甲酯2.202.152.552.822.03.202.943.452.32.22.552.62.12.252.6/3.73.4聚α-氯代丙烯酸乙酯聚甲基丙烯酸乙酯聚丙烯腈聚甲醛聚苯醚聚對苯二甲酸乙二酯(無定型)聚碳酸酯聚已二酰已二胺3.202.803.262.952.653.403.004.143.12.7/3.43.13.12.62.9/3.22.6/3.04.0第6頁,共26頁，星期六，2024年，5月§9-1高聚物的介電性

▲高聚物的介電損耗（dielectricloss）

△定義是電介質(zhì)在交變電場的作用下，將一部分電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏鴵p耗的現(xiàn)象。一般用損耗角的正切值表示。式中－實驗測得的介電常數(shù)；－高聚物將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮軗p耗的程度。

△介電損耗的原因

對非極性高聚物在交變電場中，所含的雜質(zhì)產(chǎn)生的漏導(dǎo)電流，載流子流動時，克服內(nèi)摩擦阻力而作功，使一部分電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，屬于歐姆損耗。

對極性高聚物在交變電場中極化時，由于黏滯阻力，偶極子的轉(zhuǎn)動取向滯后于交變電場的變化，致使偶極子發(fā)生強(qiáng)迫振動，在每次交變過程中，吸收一部分電能成熱能而釋放出來，屬于偶極損耗。損耗的大小取決于偶極極化的松弛特性。

VVIIcδφab高聚物介電損耗示意圖第7頁,共26頁，星期六，2024年，5月§9-1高聚物的介電性

△部分高聚物的介電損耗高聚物介電損耗（tanδ）60Hz103Hz106Hz高密度聚乙烯低密度聚乙烯聚丙烯聚苯乙烯聚四氟乙烯聚碳酸酯聚已內(nèi)酰胺聚已二酰已二胺聚甲基丙烯酸甲酯聚氯乙烯聚偏乙烯ABS聚甲醛0.00020.00050.00050.0001～0.0003＜0.00020.00090.014～0.040.010～0.060.04～0.060.08～0.150.007～0.020.004～0.0340.0040.0020.00050.0002～0.00080.0001～0.0003＜0.00020.00210.02～0.040.011～0.060.03～0.050.07～0.160.009～0.0170.002～0.0120.00030.00050.0001～0.00050.0001～0.0004＜0.00020.0100.03～0.040.03～0.040.02～0.030.04～0.1400.006～0.0190.007～0.0260.004第8頁,共26頁，星期六，2024年，5月§9-1高聚物的介電性三、影響高聚物介電性的因素

△高聚物分子結(jié)構(gòu)對介電性的影響

規(guī)律：ω與T一定，極性↑、極性基團(tuán)密度↑，介電常數(shù)與介電損耗↑。

▓實例前兩表

△頻率對高聚物介電性的影響

影響高聚物介電性的因素高聚物的分子結(jié)構(gòu)交變電場的頻率溫度濕度增塑劑ε′(T1)ε′(T1)ε′(T1)ε″(T1)ε″(T1)ε″(T1)ε′ε″ω

隨頻率增加而降低，并且在較低和較高時為零。隨頻率增加存在極大值，并且，頻率較高和較低時為零。

T1＜T2＜T3第9頁,共26頁，星期六，2024年，5月§9-1高聚物的介電性

△溫度對高聚物介電性的影響對非極性高聚物，溫度升高，介電常數(shù)下降；對極性高聚物，隨溫度的升高而出現(xiàn)峰值。

△濕度對高聚物介電性的影響

2.002.052.102.302.352.40020406080100～～～～1234溫度（℃）介電常數(shù)ε′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-PTFE50607080901003579121000Hz1000Hz60Hz60Hzε′ε″PVAC的介電性能與溫度的關(guān)系溫度（℃）介電性介電常數(shù)（50Hz）介電損耗（50Hz）相對濕度酚醛樹脂聚氯乙烯（電纜料）31.7%

63%

97%9.71

10.4

15.87.40

7.50

8.0031.7%

63%

97%0.342

0.358

0.4480.111

0.113

0.136濕度↑，介電常數(shù)與介電損耗↑第10頁,共26頁，星期六，2024年，5月§9-1高聚物的介電性

△增塑劑對高聚物介電性的影響

規(guī)律：對非極性高聚物，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。

▓實例

PVC

△雜質(zhì)對高聚物介電性的影響規(guī)律：導(dǎo)電性或極性雜質(zhì)的存在，增加高聚物電導(dǎo)電流的極化率，使介電損耗增大。

▓實例HDPE雜質(zhì)1.9%降到0.03%時，tanδ從14×10-4降到tanδ14×10-4

20406080100T(℃)051015ε′20406080100T(℃)00.51.01.5ε″03915200391520增塑劑加入量對PVC介電性能的影響第11頁,共26頁，星期六，2024年，5月§9-2高聚物的導(dǎo)電性一、高聚物的導(dǎo)電類型

導(dǎo)電性在電場作用下，物體中載流子發(fā)生移動的現(xiàn)象。用電導(dǎo)率或電阻率表示。在直流電場下，物體的電導(dǎo)率表示為：

式中σ－電導(dǎo)率；

n－載流子的濃度；

e－電子電荷；

μ－載流子的移動度。

高聚物的導(dǎo)電類型

高聚物的導(dǎo)電類型電子導(dǎo)電離子導(dǎo)電氧化還原導(dǎo)電第12頁,共26頁，星期六，2024年，5月§9-2高聚物的導(dǎo)電性

導(dǎo)電高聚物的應(yīng)用導(dǎo)電高聚物的應(yīng)用電子導(dǎo)電高聚物導(dǎo)電材料電極材料電顯示材料化學(xué)反應(yīng)催化劑有機(jī)分子開關(guān)離子導(dǎo)電高聚物代替電解質(zhì)材料全固態(tài)電池氧化還原導(dǎo)電高聚物各種電極材料特種電極修飾材料第13頁,共26頁，星期六，2024年，5月§9-2高聚物的導(dǎo)電性二、高聚物的絕緣電阻

高聚物絕緣電阻的表示形式表面電阻率體積電阻率平等電極環(huán)狀電極測量電極環(huán)電極對電極試樣絕緣電阻測定第14頁,共26頁，星期六，2024年，5月§9-3高聚物的擊穿電壓強(qiáng)度一、擊穿電壓與擊穿電壓強(qiáng)度

介電擊穿：隨著電壓的不斷增加至某極限值后，出現(xiàn)電阻率降低到極小，電流增加，產(chǎn)生局部導(dǎo)電而使高聚物材料喪失絕緣性能的現(xiàn)象。

擊穿電壓：導(dǎo)致高聚物材料擊穿的電壓。

電流-電壓曲線

擊穿電壓強(qiáng)度：連續(xù)對高聚物材料升高電壓，當(dāng)試樣被擊穿時的電壓和試樣厚度的比值稱為擊穿電壓強(qiáng)度。高電壓區(qū)低電壓區(qū)絕緣破壞區(qū)I電壓V第15頁,共26頁，星期六，2024年，5月§9-3高聚物的擊穿電壓強(qiáng)度

介電擊穿的形式、原因及決定因素介電擊穿形式本征擊穿熱擊穿放電引起的擊穿高聚物材料高壓電場離子少數(shù)自由電子加速運(yùn)動獲能碰撞新的電子大量自由電子介電損耗產(chǎn)生熱量T導(dǎo)電率老化變質(zhì)氣泡電離放電電子離子放熱老化變質(zhì)第16頁,共26頁，星期六，2024年，5月§9-3高聚物的擊穿電壓強(qiáng)度常見高聚物的擊穿電壓強(qiáng)度

1000-100-20051015溫度（℃）123456擊穿電壓強(qiáng)度×10－6（V/cm）幾種高聚物的擊穿電壓強(qiáng)度與溫度的關(guān)系1-聚甲基丙烯酸甲酯2-聚乙烯醇3-氯代聚乙烯4-聚苯乙烯5-聚乙烯6-聚異丁烯高聚物Eb高聚物Eb高聚物Eb聚乙烯聚丙烯聚甲基丙烯酸甲酯聚氯乙烯聚苯乙烯18-2820-2618-2214-2016-20聚砜酚醛樹脂環(huán)氧樹脂聚乙烯醇聚丙烯薄膜17-2212-1616-2040-60100-140聚苯乙烯薄膜聚酯薄膜聚酢亞胺薄膜芳香聚酰胺薄膜50-60100-13080-11070-90第17頁,共26頁，星期六，2024年，5月§9-3高聚物的擊穿電壓強(qiáng)度二、耐電壓性與耐電弧性

耐電壓性：指迅速將電壓升高到制品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電壓，停留1min（或按制品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的時間），觀察制品是否被擊穿，若未被擊穿，則此電壓為該制品的耐電壓值。此數(shù)值表示高聚物制品的耐電壓能力。

耐電弧性：在一定的高壓電場下，兩極間的氣體被擊穿產(chǎn)生電弧、火花的作用，致使高聚物表面形成導(dǎo)電層所需要時間的長短表示高聚物對電弧、電火花的抵抗能力。第18頁,共26頁，星期六，2024年，5月§9-4高聚物的靜電現(xiàn)象一、靜電現(xiàn)象（electrostaticeffect）

▲高聚物靜電現(xiàn)象的產(chǎn)生主要產(chǎn)生于高聚物與成型加工設(shè)備之間的摩擦、拉幅、拉絲等過程。AAABBB電中性兩相電荷帶電＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋|||||||||||||||||||||||接觸或摩擦分離物體的靜電現(xiàn)象第19頁,共26頁，星期六，2024年，5月§9-4高聚物的靜電現(xiàn)象

▲高聚物的帶電半衰期與帶電序列二、靜電的利與弊

靜電的有利之處靜電噴涂、靜電印刷、靜電照像、靜電吸塵等。

靜電的不利之處影響外觀、相互黏結(jié)、電器準(zhǔn)確性、靜電火花、磁帶雜音等。高聚物半衰期，s正電荷負(fù)電荷聚乙烯基咪唑賽璐璐聚N，N-二甲丙烯酰胺聚丙烯酸羊毛棉花聚n-乙烯基吡咯酮聚丙烯腈聚已二酰已二胺聚乙烯醇0.10.30.661.52.53.64166793684700.240.30.480.961.554.815.86877203770聚四氟乙烯聚丙烯聚苯乙烯聚乙烯聚苯醚聚偏二氯乙烯氯化聚醚聚碳酸酯聚氯乙烯聚丙烯腈聚對苯二甲酸乙二酯維尼綸聚甲基丙烯酸甲酯醋酸纖維纖維素聚酰胺第20頁,共26頁，星期六，2024年，5月§9-4高聚物的靜電現(xiàn)象三、靜電的防止

靜電的防止辦法靜電消除器接地導(dǎo)出環(huán)境濕度調(diào)節(jié)加入抗靜電劑陽離子型陰離子型兩性離子型非離子型高分子型靜電荷10－710－610－510－410－310－210－1105101520吸水率（%）聚酰胺木棉麻羊毛絡(luò)素纖維膠粘纖維醋酸纖維10005001005010543200.10.20.30.40.50.6抗靜電劑（%）靜電荷靜電荷水率的關(guān)系抗靜電劑加入量對靜電荷的影響1-PVC2-PE3-PP第21頁,共26頁，星期六，2024年，5月§9-4高聚物的靜電現(xiàn)象

抗靜電劑的選擇

對抗靜電劑的要求親水性強(qiáng)與高聚物的相溶性好容易分散混合穩(wěn)定性好無毒、無味、無害加入后不影響高聚物其他性能第22頁,共26頁，星期六，2024年，5月§9-5高聚物的其他電性能一、壓電性

壓電性：指高聚物在機(jī)械力的作用下，所表現(xiàn)出來的電學(xué)性能