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1、第七章：聚合物的電性能,高聚物的電學(xué)性能： 高聚物在外電場作用下的行為及其表現(xiàn)出來的各種物理現(xiàn)象 交變電場-介電性能 高聚物的 弱電場導(dǎo)電性能 電學(xué)性能 強電場擊穿現(xiàn)象 發(fā)生在聚合物表面的靜電現(xiàn)象,聚合物低的電導(dǎo)率，低的介電損耗，高擊穿強度等優(yōu)良的電學(xué)性質(zhì)使其在電子和電工技術(shù)中成為不可缺少的材料。大多數(shù)聚合物固有的電絕緣性,長期被利用來隔離與保護電流。對于具有特殊電磁功能的高分子的研究，對于高分子半導(dǎo)體，導(dǎo)體，超導(dǎo)體，永磁體的探索已取得了不同程度的進展。,絕大部分高聚物（特別是碳鏈高聚物）是絕緣體，但在外電場作用下，由于分子極化，將引起的對電性能的儲存和損耗，這種性能稱為介電性能。,在直流電場

2、（靜電場）儲蓄電能，在交變電場中損耗電能。介電性用（介電常數(shù)）和tg（介電損耗）來表示，和tg愈小，介電性愈好。,材料的介電性來源于其中成分的極化。和tg本質(zhì)上是個極化問題，討論聚合物的和tg時，我們首先討論聚合物的極化。,一、高分子的介電性,（一）聚合物分子的極化,極化：在外電場作用下，分子中電荷分布所發(fā)生的變化，這種現(xiàn)象稱為極化。,真空平行板電容器,板間有電介質(zhì),為無因次量，稱為介電常數(shù)，表征了電介質(zhì)儲存電能能力的大小，是介電材料的一個十分重要的性能指標。,介電常數(shù)越大，說明電容器的電容越大。,為電介質(zhì)的電容率，表示單位面積、單位厚度電介質(zhì)的電容質(zhì)。單位為F/m。,分子極化（形式）,電子極

3、化：,在外電場中每個原子的價電子云向正極方向偏移。,原子極化：,分子骨架在外場作用下發(fā)生變形造成的（原子核間的相對位移）。,極性分子的固有偶極沿電場方向擇優(yōu)排列。,取向極化：,極性分子可發(fā)生電子，原子，取向極化；非極性分子只發(fā)生電子，原子極化。,極性分子在電場中的轉(zhuǎn)動,極化率（）,是表征極化程度的微觀物理量。是一個與分子結(jié)構(gòu)有關(guān)而與電場無關(guān)的量。,分子的極化結(jié)果，相當于外電場在分子上引起一個附加偶極矩，其大小決定于作用在分子上的的局部電場強度E1,不同的極化形式有不同的極化率,電子極化率,原子極化率,取向極化率,（二）聚合物的介電性,鍵的極性用鍵矩表示。分子極性用偶極矩表示，偶極矩等于分子中所

4、有鍵矩的矢量和。的單位是德拜（D），1D=10-18庫侖厘米。越大，極性越大。,1、高分子的極性,PTFE的CF鍵極性很大，但由于分子結(jié)構(gòu)的對稱性，使得整個分子不具極性。 聚三氟氯乙烯的CF和CCl鍵的極性不同，電荷分布不對稱，所以是極性分子。,PE 有高的結(jié)構(gòu)對稱性，CH鍵極性也很小，是非極性分子。 PS 結(jié)構(gòu)并不對稱，但鍵矩很低，分子極性也不大。,高分子的極性：一方面同化學(xué)鍵的極性有關(guān)，另一方面要受分子結(jié)構(gòu)對稱性的限制。,2、聚合物的介電常數(shù)與結(jié)構(gòu)的關(guān)系,按照偶極矩的大小，可將高聚物大致分為以下四類，他們分別對應(yīng)于介電常數(shù)的某一數(shù)值范圍：,極性基團對介電常數(shù)的影響,主鏈上的極性基團影響小

5、側(cè)鏈上的極性基團影響大,物理狀態(tài)：,Tg溫度以下，鏈段運動被凍結(jié)，極性基團的取向有困難，因此對高聚物的介電常數(shù)的影響小。,Tg溫度以上為高彈態(tài)，鏈段可以運動，極性基團的取向得以順利進行，對高聚物的介電常數(shù)的影響大。,聚氯乙烯的極性基團的密度幾乎是氯丁橡膠的一倍，試問室溫下哪種聚合物的介電常數(shù)大？,升高溫度至玻璃化溫度以上后，聚氯乙烯介電常數(shù)會增大還是減?。?3、高聚物的介電損耗 在交變電場E=E0cost（E0為交變電流的峰值）作用下，電位移矢量（D）也是時間的函數(shù)。由于聚合物的粘滯力作用，偶極取向跟不上外場的變化，電位移矢量滯后施加電場一個相位差，即：,式中，D1電位移矢量與電場同相位部分；

6、 D2電位移矢量滯后于施加電場的部分。 令： 式中， 實測的介電系數(shù)，代表體系的儲電能力 損耗因子，代表體系的耗能部分。,通常用損耗角的正切表征聚合物電介質(zhì)耗能與儲能之比： tg= / 在交變電量中介電系數(shù)寫成復(fù)數(shù)形式 *=-i,非極性聚合物的 tg1014 2、極性高分子V1014 3、雜質(zhì)，s,V,4、含共軛雙鍵的高分子半導(dǎo)體材料 加入電荷轉(zhuǎn)移絡(luò)合物 加入金屬離子等 5、T，導(dǎo)電性。,三、聚合物的電擊穿 聚合物作為絕緣材料，能耐多大的電壓，能使用多長時間，這些都關(guān)系到電氣設(shè)備的可靠性和安全性，在實際應(yīng)用中極為重要。聚合物的電絕緣性并不是絕對的，在弱電場中具有絕緣性的聚合物在強電場（1071

7、08V/m）中隨V，其絕緣性會，V到一定數(shù)值時，介質(zhì)可形成局部電導(dǎo)，材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)遭到破壞，發(fā)生聚合物的電擊穿。電介質(zhì)的V和的關(guān)系如下圖所示。,曲線形狀與曲線相似，“屈服點”的電壓Vb稱為擊穿電壓， 達到這一臨界值后，即使電壓不變，仍然增大，材料從介電 狀態(tài)變成導(dǎo)電狀態(tài)。,Vb的大小同試樣的厚度有關(guān)，為此用擊穿強度Eb作為絕緣材料的一項電性能指標，它定義為擊穿電壓與試樣厚度d的比值： Eb = Vb /d Eb的單位是兆伏特/米，Eb是材料所能承受的電場強度極限最大的場強。雖然在Eb以上材料導(dǎo)電，但不是說此時它可做導(dǎo)體用，因為材料的結(jié)構(gòu)已被擊穿破壞。,Eb的大小不僅取決于高分子本身的結(jié)構(gòu)，還隨外界條件而變化，電極的形狀和大小，升壓速度，電場頻率，T和d都是影響Eb的因素。因此在測試Eb時，必須嚴格規(guī)定測試條件，否則，測試結(jié)果將無法比較。,擊穿試驗是一種破壞性試驗，為此在實際應(yīng)用中往往用耐壓試驗代替，即在聚合物試樣上加一額定試驗電壓經(jīng)過一定時間后仍不發(fā)生擊穿的就算合格產(chǎn)品。 聚合物擊穿可以是電擊穿，熱擊穿，化學(xué)擊穿等形式，通常不只是一種機理，可能是多種機理的綜合結(jié)果。,