《高聚物的電學(xué)性質(zhì)》課件

高聚物的電學(xué)性質(zhì)高聚物的電學(xué)性質(zhì)決定了它們?cè)诟鞣N電子應(yīng)用中的適用性，例如絕緣體、導(dǎo)體和半導(dǎo)體。電學(xué)性質(zhì)受多種因素影響，包括聚合物結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分和形態(tài)。課程目標(biāo)了解高聚物電學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)知識(shí)包括高聚物的分類、結(jié)構(gòu)、極性、絕緣性、導(dǎo)電性和介電性能等基本概念。掌握高聚物電學(xué)性質(zhì)與結(jié)構(gòu)、組成之間的關(guān)系深入理解高聚物的電學(xué)性能如何受到其分子結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成、形態(tài)結(jié)構(gòu)和外界環(huán)境等因素的影響。熟悉高聚物電學(xué)性能在實(shí)際應(yīng)用中的重要意義了解高聚物電學(xué)性質(zhì)在電子、電氣、通訊、航空航天等領(lǐng)域的重要應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)。培養(yǎng)學(xué)生對(duì)高聚物電學(xué)性質(zhì)的興趣和研究能力鼓勵(lì)學(xué)生積極思考、深入學(xué)習(xí)，并能夠運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題。高聚物的分類11.天然高聚物從自然界中直接獲得，例如蛋白質(zhì)、淀粉、纖維素和橡膠。22.合成高聚物通過人工合成制備的，例如聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯。33.半合成高聚物在天然高聚物的基礎(chǔ)上進(jìn)行化學(xué)改性得到的，例如人造纖維和人造橡膠。高聚物的分子結(jié)構(gòu)高聚物的分子結(jié)構(gòu)是指構(gòu)成高聚物的重復(fù)單元的排列方式。高聚物的分子結(jié)構(gòu)對(duì)高聚物的性能有很大的影響。例如，聚乙烯的分子結(jié)構(gòu)為直鏈結(jié)構(gòu)，因此聚乙烯具有高強(qiáng)度、高韌性、低熔點(diǎn)等特性。而聚丙烯的分子結(jié)構(gòu)為支鏈結(jié)構(gòu)，因此聚丙烯具有高強(qiáng)度、低韌性、高熔點(diǎn)等特性。高聚物的分子結(jié)構(gòu)可以通過不同的方法來控制，例如，改變單體的種類、改變反應(yīng)條件、改變反應(yīng)時(shí)間等。高聚物的分子量分子量是高聚物的重要性質(zhì)之一，它影響高聚物的物理和化學(xué)性質(zhì)。高聚物的分子量通常用數(shù)均分子量（Mn）和重均分子量（Mw）來表示。數(shù)均分子量是所有分子質(zhì)量的平均值，重均分子量是所有分子質(zhì)量的平方和的平均值。高聚物的分子量分布是指不同分子量的高聚物分子在高聚物樣品中的比例。非晶態(tài)高聚物無序排列非晶態(tài)高聚物分子鏈無規(guī)則排列，沒有長程有序結(jié)構(gòu)。鏈段運(yùn)動(dòng)由于分子鏈的無序排列，非晶態(tài)高聚物具有較大的自由體積，分子鏈段可以自由運(yùn)動(dòng)。玻璃態(tài)當(dāng)溫度低于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，非晶態(tài)高聚物處于玻璃態(tài)，分子鏈段運(yùn)動(dòng)受限。結(jié)晶態(tài)高聚物有序排列結(jié)晶態(tài)高聚物中的分子鏈以有序的方式排列，形成晶體結(jié)構(gòu)。熔點(diǎn)較高由于分子鏈之間相互作用力較強(qiáng)，結(jié)晶態(tài)高聚物的熔點(diǎn)較高。機(jī)械性能優(yōu)異結(jié)晶態(tài)高聚物通常具有較高的強(qiáng)度、硬度和韌性。透明度低結(jié)晶態(tài)高聚物由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)有序，光線難以透過，因此透明度較低。高聚物的極性高聚物的極性取決于其組成單元的極性。極性單元的排列方式也會(huì)影響整體的極性。非極性高聚物極性高聚物聚乙烯聚氯乙烯聚丙烯聚酰胺高聚物的絕緣性高聚物因其優(yōu)異的絕緣性能而廣泛應(yīng)用于電氣和電子領(lǐng)域，被譽(yù)為“電氣絕緣材料之王”。絕緣性能指的是材料阻止電流通過的能力，高聚物的絕緣性能主要取決于其分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成。10^15歐姆大多數(shù)高聚物具有極高的電阻率，通常大于10^15歐姆·厘米，遠(yuǎn)高于金屬材料。10^16介電強(qiáng)度高聚物還擁有出色的介電強(qiáng)度，通常在10^16伏特/厘米以上，這意味著在高電壓下它們?nèi)阅鼙３纸^緣性能。10^-15導(dǎo)電率高聚物的導(dǎo)電率非常低，通常低于10^-15西門子/厘米，這意味著它們難以傳導(dǎo)電流。高聚物的導(dǎo)電性大多數(shù)聚合物都是絕緣體，但一些聚合物可以通過添加導(dǎo)電填料或通過化學(xué)改性來提高其導(dǎo)電性。導(dǎo)電聚合物通常用于電子器件，例如電極、傳感器和電容器。10^-12絕緣體電阻率極高，電流難以通過。10^-6半導(dǎo)體電阻率介于導(dǎo)體和絕緣體之間，電流可以通過，但受到溫度和摻雜影響。10^7導(dǎo)體電阻率很低，電流可以很容易地通過。高聚物的介電性能介電性能是指材料在電場(chǎng)作用下儲(chǔ)存電能的能力。高聚物作為絕緣材料，其介電性能至關(guān)重要，影響著電氣設(shè)備的可靠性和安全性。高聚物的介電性能主要由其極性、結(jié)構(gòu)和溫度等因素決定。高聚物的電介常數(shù)電介常數(shù)材料在電場(chǎng)中儲(chǔ)存電能的能力高聚物由極性基團(tuán)組成，具有較高的電介常數(shù)非極性高聚物電介常數(shù)較低影響因素溫度、頻率、濕度高聚物的電容性能電容是衡量電容器儲(chǔ)存電荷能力的指標(biāo)，它與電介質(zhì)的介電常數(shù)、電極面積和電極間距有關(guān)。高聚物的電容性能與其化學(xué)結(jié)構(gòu)、極性、結(jié)晶度等因素有關(guān)，可以通過改變高聚物的分子結(jié)構(gòu)來提高其電容性能。高聚物的電阻性能高聚物的電阻性能是指高聚物材料抵抗電流通過的能力。電阻率是衡量材料電阻能力的指標(biāo)。高電阻率意味著高聚物是良好的絕緣體。低電阻率意味著高聚物是導(dǎo)電體。電阻性能受高聚物的化學(xué)結(jié)構(gòu)、分子量、結(jié)晶度和溫度等因素影響。高聚物的擊穿電壓高聚物的擊穿電壓是指在電場(chǎng)作用下，高聚物材料發(fā)生電擊穿時(shí)的電壓值。擊穿電壓是衡量高聚物材料電氣性能的重要指標(biāo)，它反映了高聚物材料抵抗高壓電場(chǎng)的能力。10^6伏典型高聚物擊穿電壓可達(dá)百萬伏。10^3兆歐高聚物具有很高的體積電阻率，可達(dá)千兆歐。10^-10安培高聚物具有極低的體積電導(dǎo)率，約為10^-10安培。高聚物的電離輻射電離輻射影響高能射線，如X射線和γ射線，會(huì)與高聚物分子相互作用?；瘜W(xué)鍵斷裂電離輻射可能導(dǎo)致化學(xué)鍵斷裂，產(chǎn)生自由基，進(jìn)而引起聚合物降解。交聯(lián)反應(yīng)一些高聚物在電離輻射作用下會(huì)發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，提高強(qiáng)度和耐熱性。高聚物的靜電荷摩擦起電高聚物表面與其他物質(zhì)摩擦?xí)r，容易產(chǎn)生靜電荷。摩擦的強(qiáng)度、材料的性質(zhì)、環(huán)境濕度等因素都會(huì)影響靜電荷的積累。電荷積累由于高聚物的絕緣性，靜電荷在表面不容易消散，導(dǎo)致電荷積累，形成靜電。靜電效應(yīng)靜電荷會(huì)影響高聚物的表面性質(zhì)，如吸附灰塵、產(chǎn)生電火花、影響電子元件等。高聚物的靜電吸附表面電荷高聚物表面積累靜電荷，導(dǎo)致靜電吸附現(xiàn)象。靜電荷通常由摩擦或接觸產(chǎn)生。塵埃吸附靜電荷吸引帶相反電荷的塵埃顆粒，導(dǎo)致高聚物表面吸附塵埃，影響其外觀和功能。吸附力靜電吸附力與靜電荷的大小和距離成正比，因此吸附力可以很大，導(dǎo)致高聚物表面積累大量塵埃。消除靜電防止靜電吸附可以通過增加高聚物表面電導(dǎo)率或使用抗靜電劑來消除靜電荷。高聚物的電荷移動(dòng)11.離子遷移在高聚物中，離子可以沿著聚合物鏈移動(dòng)，形成電流。這對(duì)于一些高聚物材料來說至關(guān)重要，例如電解質(zhì)。22.電子躍遷當(dāng)高聚物中的電子從一個(gè)能級(jí)躍遷到另一個(gè)能級(jí)時(shí)，可能會(huì)發(fā)生電荷移動(dòng)。這與材料的電導(dǎo)率有關(guān)。33.電荷陷阱高聚物中存在著電荷陷阱，它們可以俘獲并固定電荷。這會(huì)影響材料的靜電性能和電導(dǎo)率。高聚物的電子傳輸電子傳輸機(jī)理電子在高聚物中的傳輸方式主要取決于聚合物的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，包括共軛體系、雜原子、缺陷以及摻雜等因素。電子可以沿著聚合物鏈的共軛體系進(jìn)行傳輸，也可以通過分子間作用力實(shí)現(xiàn)電子傳輸。電子傳輸性質(zhì)高聚物的電子傳輸性質(zhì)決定了其在電子器件中的應(yīng)用，如導(dǎo)電聚合物、有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)和太陽能電池等。高聚物的電子傳輸性能通常由電子遷移率、電子壽命以及電子注入效率等參數(shù)來衡量。高聚物的電離能定義從高聚物分子中移除一個(gè)電子所需的最小能量。影響因素化學(xué)結(jié)構(gòu)、官能團(tuán)、分子鏈長度、溫度等。應(yīng)用預(yù)測(cè)高聚物的電荷輸運(yùn)、電子親和力、光電性能等。高聚物的電子親和力高聚物的電子親和力是指當(dāng)一個(gè)電子從無限遠(yuǎn)處被添加到高聚物分子中時(shí)所釋放的能量。電子親和力可以用來衡量高聚物對(duì)電子的吸引力，并反映其對(duì)電荷傳輸和電化學(xué)反應(yīng)的敏感性。3.5eV典型的有機(jī)高聚物電子親和力范圍，例如聚乙烯。5.0eV具有強(qiáng)電子吸引力的高聚物，例如聚酰亞胺。1.5eV具有弱電子吸引力的高聚物，例如聚苯乙烯。高聚物的電子激發(fā)電子躍遷高聚物分子中的電子吸收光能，從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)。激發(fā)態(tài)壽命激發(fā)態(tài)電子回到基態(tài)所需時(shí)間，影響聚合物的光學(xué)性質(zhì)。熒光和磷光激發(fā)態(tài)電子以光子的形式釋放能量，產(chǎn)生熒光和磷光現(xiàn)象。應(yīng)用領(lǐng)域高聚物電子激發(fā)原理應(yīng)用于光電器件、發(fā)光材料等。高聚物的電子躍遷能級(jí)躍遷高聚物分子中的電子可以從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，吸收能量并發(fā)生電子躍遷。光譜性質(zhì)電子躍遷會(huì)影響高聚物的光譜性質(zhì)，例如紫外可見光譜和熒光光譜?；瘜W(xué)反應(yīng)電子躍遷可以影響高聚物的化學(xué)反應(yīng)，例如光化學(xué)反應(yīng)和電化學(xué)反應(yīng)。應(yīng)用領(lǐng)域電子躍遷在光電器件、光伏器件、發(fā)光二極管等領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用。高聚物的電子發(fā)射熱電子發(fā)射熱能賦予電子足夠的能量，使電子克服材料的逸出功而逃逸。場(chǎng)致發(fā)射強(qiáng)電場(chǎng)使電子獲得足夠能量，克服材料的逸出功而逃逸。光電發(fā)射光照射高聚物表面，電子吸收光子能量，克服材料的逸出功而逃逸。二次電子發(fā)射高能粒子撞擊高聚物表面，激發(fā)出二次電子。高聚物的光電效應(yīng)光電效應(yīng)是指當(dāng)光照射在金屬表面時(shí)，電子從金屬表面逸出的現(xiàn)象。高聚物的光電效應(yīng)是指當(dāng)光照射在高聚物材料上時(shí)，電子從高聚物材料表面逸出的現(xiàn)象。高聚物的光電效應(yīng)主要與高聚物的電子結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)、光吸收性質(zhì)等有關(guān)。高聚物的光電效應(yīng)可以用于制造光電器件，例如光電探測(cè)器、太陽能電池等。高聚物的電光效應(yīng)電光效應(yīng)是指在電場(chǎng)作用下，高聚物的某些光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化的現(xiàn)象。例如，液晶高聚物在電場(chǎng)作用下，其分子排列會(huì)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致其折射率發(fā)生變化，進(jìn)而改變光的偏振方向或強(qiáng)度。這種效應(yīng)被廣泛應(yīng)用于液晶顯示器等領(lǐng)域。電光效應(yīng)是高聚物重要的電學(xué)性質(zhì)之一，它為高聚物在光學(xué)器件、傳感技術(shù)等方面的應(yīng)用開辟了新的途徑。隨著高聚物材料科學(xué)的發(fā)展，越來越多的高聚物材料被開發(fā)出來，其電光效應(yīng)也得到了進(jìn)一步的研究和應(yīng)用。高聚物的電致變色電致變色是指材料在外加電場(chǎng)的作用下發(fā)生顏色變化的現(xiàn)象。一些高聚物材料具有電致變色性質(zhì)，其顏色變化是由于電場(chǎng)誘導(dǎo)材料中電子結(jié)構(gòu)的改變。電致變色高聚物在顯示器、智能窗、防偽等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。例如，電致變色智能窗可以根據(jù)外界光照強(qiáng)度自動(dòng)調(diào)節(jié)透光率，提高能源利用效率。高聚物的電致發(fā)光電致發(fā)光是指在電場(chǎng)作用下，某些材料中的電子發(fā)生躍遷，并釋放