聚合物电学性能

1、第第 7 章章 聚合物的电学性能聚合物的电学性能 第一节：聚合物的介电极化和介电松弛行为第一节：聚合物的介电极化和介电松弛行为第二节：聚合物的压电极化与焦电极化第二节：聚合物的压电极化与焦电极化莫芳莫芳在外加电压或电场作用下的行为及其所表现出来的在外加电压或电场作用下的行为及其所表现出来的各种物理现象，包括在交变电场中的介电性质、在各种物理现象，包括在交变电场中的介电性质、在弱电场中的导电性质、在强电场中的击穿现象以及弱电场中的导电性质、在强电场中的击穿现象以及发生在高聚物表面的静电现象。发生在高聚物表面的静电现象。所有高聚物所有高聚物所有高聚物所有高聚物极性高聚物极性高聚物是外电场角频率是外

2、电场角频率介电损耗介电损耗电介质在交变电场中极化时，伴随着消耗一部分电介质在交变电场中极化时，伴随着消耗一部分 电能，使介质本身发热，这种现象就是介电损耗。电能，使介质本身发热，这种现象就是介电损耗。 介电损耗的原因介电损耗的原因：对非极性高聚物：在交变电场中，所含的杂质产生的漏导流，对非极性高聚物：在交变电场中，所含的杂质产生的漏导流， 载流子流动时，克服内摩擦阻力而作功，使一部分电能转变为热载流子流动时，克服内摩擦阻力而作功，使一部分电能转变为热 能，属于欧姆损耗。能，属于欧姆损耗。对极性高聚物对极性高聚物: 在交变电场中极化时，由于黏滞阻力，偶极子的在交变电场中极化时，由于黏滞阻力，偶极

3、子的 转动取向滞后于交变电场的变化，致使偶极子发生强迫振动，在每转动取向滞后于交变电场的变化，致使偶极子发生强迫振动，在每次交变过程中，吸收一部分电能成热能而释放出来，属于偶极损耗。次交变过程中，吸收一部分电能成热能而释放出来，属于偶极损耗。损耗的大小取决于偶极极化的松弛特性。损耗的大小取决于偶极极化的松弛特性。 影响高聚物介电性的因素影响高聚物介电性的因素高聚物的分子结构高聚物的分子结构交变电场的频率交变电场的频率温度温度湿度湿度增塑剂增塑剂1. 结构因素是决定高聚物介电性的内在原因，包括是高聚物结构因素是决定高聚物介电性的内在原因，包括是高聚物分子极性大小和极性基团的密度，以及极性基团的可

4、动性。分子极性大小和极性基团的密度，以及极性基团的可动性。a. 分子极性分子极性根据单体单元偶极矩的大小，可将高聚物大致归为四类根据单体单元偶极矩的大小，可将高聚物大致归为四类 单体单元偶极矩增加，高分子极性增加，介电系数和介电损单体单元偶极矩增加，高分子极性增加，介电系数和介电损耗增加。耗增加。b. 极性基团的密度极性基团的密度一般说来，主链上的极性基团活动性小，对介电系数影一般说来，主链上的极性基团活动性小，对介电系数影响较小；侧基上的极性基团，特别是柔性的极性侧基的响较小；侧基上的极性基团，特别是柔性的极性侧基的活动性较大，对介电系数的影响较大。极性基团密度越活动性较大，对介电系数的影响

5、较大。极性基团密度越大，则介电损耗越大。大，则介电损耗越大。c. 极性基团的可动性极性基团的可动性从整个分子链的活动性考虑，橡胶态与黏流态的极性高从整个分子链的活动性考虑，橡胶态与黏流态的极性高聚物的介电系数要比玻璃态的大。聚物的介电系数要比玻璃态的大。d. 交联和支化交联和支化交联降低极性基团的活动性而使介电系数和介电损耗减交联降低极性基团的活动性而使介电系数和介电损耗减小，例如酚醛树脂。支化使分子间的相互作用减弱，增小，例如酚醛树脂。支化使分子间的相互作用减弱，增加分子链的活动性，使介电系数提高。加分子链的活动性，使介电系数提高。 7.1 2.频率对高聚物介电性的影响频率对高聚物介电性的影

6、响 随频率增加而降低，并随频率增加而降低，并 且在较低和较高时为零且在较低和较高时为零 随频率增加存在极大值，并且，频率较高和较低随频率增加存在极大值，并且，频率较高和较低时为零。时为零。 (T(T1 1) )(T(T1 1) )(T(T1 1) )(T(T1 1) )(T(T1 1) )(T(T1 1) )T1T2T33.3.温度对高聚物介电性的影响温度对高聚物介电性的影响对非极性高聚物，温度升高，介电常数下降；对极性高聚物，随温度的升高而出现对非极性高聚物，温度升高，介电常数下降；对极性高聚物，随温度的升高而出现峰峰值。值。4.湿度对高聚物介电性的影响湿度对高聚物介电性的影响2.002.0

7、52.102.302.352.400204060801001234温度（）介 电介 电常 数常 数非极性高聚物的介电常数与温度的关系非极性高聚物的介电常数与温度的关系1-PP；2-HDPE；3-LDPE；4-PTFE50607080901003579121000Hz1000Hz60Hz60HzPVAC的介电性能与温度的关系的介电性能与温度的关系温度（温度（）介电性介电常数（50Hz）介电损耗（50Hz）相对湿度酚醛树脂聚氯乙烯（电缆料）31.7%63%97%9.7110.415.87.407.508.0031.7%63%97%0.3420.3580.4480.1110.1130.136湿度湿度

8、，介，介电常数与介电常数与介电损耗电损耗5. 增塑剂对高聚物介电性的影响增塑剂对高聚物介电性的影响规律：对非极性高聚物，随加入增塑剂量的增加将曲线推向高频率区；对极性高聚规律：对非极性高聚物，随加入增塑剂量的增加将曲线推向高频率区；对极性高聚物，随增塑剂量的增加，介电常数和介电损耗增大。物，随增塑剂量的增加，介电常数和介电损耗增大。实例实例PVC20406080100T()05101520406080100T()00.51.01.503915200391520增塑剂加入量对增塑剂加入量对PVC介电性能的影响介电性能的影响 7.2 高聚物的压电极化与热电极化高聚物的压电极化与热电极化 在力场作用

9、下和在温度场下，材料产生电荷，发生极化在力场作用下和在温度场下，材料产生电荷，发生极化 的现象称为压电性和焦电性的现象称为压电性和焦电性 压电效应是对某些电介质沿一定方向施以外力使其变形，压电效应是对某些电介质沿一定方向施以外力使其变形，其内部将产生极化现象而使其表面出现电荷集聚的现象。其内部将产生极化现象而使其表面出现电荷集聚的现象。除去外力，材料又重新恢复到不带电状态除去外力，材料又重新恢复到不带电状态 高聚物的压电极化与热电极化力场可以是应变恒定或应力高聚物的压电极化与热电极化力场可以是应变恒定或应力恒定的，由此导致的电极化（恒定的，由此导致的电极化（P）改变可分别用压电系数）改变可分别

10、用压电系数d和和e表示表示 式中，式中，d是压电应变系数，是压电应变系数，e是压电应力系数，是压电应力系数，A是电极面是电极面积，积，P为电极化强度，为电极化强度，X代表外应力，代表外应力，S代表应变，代表应变，E是电是电场强度，场强度，T是温度是温度 由温度改变导致的焦电性可由焦电系数由温度改变导致的焦电性可由焦电系数p表示表示 高聚物的压电极化与热电极化高聚物的压电极化与热电极化 压电性是可逆的。压电性是可逆的。 正压电效应（顺压电效应）是当沿着一定方向对某些电介正压电效应（顺压电效应）是当沿着一定方向对某些电介质施力而使它变形时，内部产生极化现象，同时在它的一质施力而使它变形时，内部产生

11、极化现象，同时在它的一定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。态的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。 逆压电效应（电致伸缩效应）是在电介质的极化方向施加逆压电效应（电致伸缩效应）是在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象象 压电性是材料机械能与电能的相互转换压电性是材料机械能与电能的相互转换

12、压电性主要来源于光学活性物质的内应变、极化固体的自发极化以及嵌入电压电性主要来源于光学活性物质的内应变、极化固体的自发极化以及嵌入电荷与薄膜不均匀性的耦合荷与薄膜不均匀性的耦合1880 Curie在石英晶体中首次发现压电性；在石英晶体中首次发现压电性；1968 Kawai在聚偏氟乙烯中观察在聚偏氟乙烯中观察到压电现象到压电现象具有光学活性的高分子，如构成肌肉、骨骼等生物组织的聚肽、纤维素等，具有光学活性的高分子，如构成肌肉、骨骼等生物组织的聚肽、纤维素等，显示较高的压电性（经单轴拉伸就会呈现出压电性）显示较高的压电性（经单轴拉伸就会呈现出压电性）极性晶体聚合物（如极性晶体聚合物（如-晶聚偏氟乙烯（晶聚偏氟乙烯