高分子物理课件

1、Introduction to Polymer PhysicsProf. Dr. Yiwang ChenSchool of Materials Science and Engineering, Nanchang University, Nanchang 330047高聚物的电学性质是指聚合物在外加电压或电场作用下的行为及其表现出来的各种物理现象，包括在交变电场中的介电性质，在弱电场中的导电性质，在强电场中的击穿现象以及发生在聚合物表面的静电现象l制造电容器需要介电损耗小而介电常数大和介电强度高的介电材料l仪表绝缘要求电阻率和介电强度高而介电损耗低的绝缘材料l无线电遥控技术要求优良的高频、超高频

2、绝缘材料l纺织和化工等方面为了防止静电集聚，要求适当的导电性高分子的电学性质非常灵敏地反映材料内部结构的变化和分子运动Chapter 8 Dielectric Analysis8.1 Polarization and Dielectric ConstantIn place of a mechanical strain, viscoelastic response may be characterized by applying a time-dependent electric voltage to the sample.The voltage establishes an electric

3、field in the sample, which becomes electrically polarized. This means that any induced and permanent dipoles become oriented in the electric field.Polarization due to ionic conduction and the induction of a dipole moment of the molecule resulting from the distortion of the electron cloud of individu

4、al atoms is nearly instantaneous, while polarization due to the molecular motion and alignment of permanent dipoles in the electric field requires time.The polarization and ionic conduction result in the creation of a current whose amplitude depends upon frequency, temperature, and the dielectric pr

5、operties of the material.As in the case of the stress response in dynamic-mechanical analysis, the frequency of the current is the same as the applied field but is shifted by the phase angle .In dielectric analysis, the most important parameter for characterizing a sample is its dielectric constant,

6、 .Theory.When a voltage (U) is applied across two electrodes between which a dielectric material is applied, a charge is established across the capacitor. This charge, Q, (units of coulombs), is related to U and capacitance (C) of the material (units of farads) asThe capacitance may be expressed in

7、terms of the capacitance of vacuum, C0, as Where (dimensionless) is the dielectric constant which is a function of temperature and time (or frequency).CUQ 0CCBy definition, the dielectric constant for a vacuum is unity.The dielectric constant for air is only slightly higher at 1.0006, while that for

8、 water, which is capable of strong polarization, is 81 at room temperature and low frequency.dSUQC000dSdSCUQC000CC一、电介质在外电场中的极化现象一、电介质在外电场中的极化现象 ESQP01dUE 真空电容器的电容：极板间充满介质的电容器：介电常数：极化强度：电场强度：表征电介质储存电能能力平行板电容器的电场强度只与板间距离和外加电压有关，与板极间有无介质和介质种类无关0QQQluaeE21laeE1按极化机理，分子的极化可分为：.诱导极化： .取向极化： .分子极化： .界面极化：

9、极性分子 非极性分子 电子极化和原子极化统称位移极化或变形极化极化强度是单位体积内分子偶极距的矢量和laeldEE1llEkTE322lENPkTNMPaeM332120非极性介质：极性介质：0321NM03NPM摩尔极化强度aeMNMP0321四、高聚物介电常数及其与结构的关系四、高聚物介电常数及其与结构的关系 高聚物按单体单元偶极距的大小，可分为：非极性高聚物 = 0D = 2.02.3弱极性高聚物 0 0.5D = 2.33.0中等极性高聚物 0.5D 0.7D = 4.07.0非极性分子的偶极距等于零，Clausius-Mosotti 关系可写成： 分子极性大小是介质介电常数大小的主要

10、决定因素对于极性分子，偶极距的大小与分子结构的关系： 高分子链及极性基团处在单一构象中时，分子的偶极距可以用重复单元偶极距的矢量和来表征。一般情况下，可以用均方偶极距表征高分子的极性。 高聚物的介电常数除与偶极距有关外，还与高分子的其它结构因素有关： 极性基团在分子链上的位置 主链上的极性官能团活动小，它的取向需要伴随主链构象的改变，从而对介电常数影响小；侧基上极性基团对介电常数影响大；与主链硬连接的极性基团对介电常数贡献强烈依赖于高聚物所处物理状态高聚物介质所处的物理状态 玻璃态下，链段冻结，极性基团对介电常数贡献小；高弹态下贡献大；虽聚氯乙烯极性基团密度大，但氯丁橡胶介电常数大分子结构对称

11、性的影响 对称高介，电常数小；全同立构介电常数高；间同介电常数低；无规介于两者之间交联、拉伸和支化的影响 交联降低介电常数，如酚醛树脂，虽极性大，但介电常数低；拉伸使分子排列增加分子间作用力，介电常数低；支化使介电高8.2 Dielectric-Loss 一、介电损耗产生的原因一、介电损耗产生的原因 产生介电损耗的条件：偶极子的运动与电场的运动同步，无损耗 偶极子在电场的作用下发生强迫运动，产生介电损耗1. 偶极子不发生取向极化，能量损耗很小 电介质在交变电场中，由于消耗一部分电能，使介质本身发热，这现象是介电损耗产生介电损耗的原因： 电导损耗 电导电流导致损耗1. 松弛损耗 偶极子转向松弛克

12、服介质内粘滞阻力导致电能损耗当电场频率与原子或电子固有频率相差较大，变形极化引起的电场能量损耗很小当电场频率与原子或电子固有频率相等，发生共振，吸收较多电场能量，损耗最大原子和电子固有频率分别在红外和紫外光频，它们引起的介电损耗极大值分别出现在红外和紫外光频UIUIProrr0cos容性无功功率表示电容器与电源之间往返交换功率，即介质电容器储存电能能力介电损耗： 电流Ii的相角比电压U领先90即只存在无功电容电流，它的电功功率电容器不损耗能量090cosoiiUIP纯电容电流Ic纯电阻电流Ir090cosoccUIPUIQccss12tanmax分子结构的影响：高聚物分子的极性大小、密度、以及

13、极性基团的可动性，决定介电损耗的大小；偶极矩大的高聚物，其介电常数和介电损耗也都较大。末端极性基团对介电损耗影响不大，对介电常数贡献较大。 频率的影响 决定介电损耗大小包括分子极性大小和极性基团密度，以及极性基团可动性221s221 s22 tanssCole-Cole 图的方程为： 2222 2ss介电常数和介电损耗频率的关系： 随电场频率的增加，各极化过程将在不同的频率范围内出现跟不上电场变化的情况，使介电损耗 “ 出现极大值；由于各极化过程先后完全不能进行，对介电常数不再有贡献 ，使介电常数 出现阶梯形降落。 介电常数和介电损耗与温度的关系： 对极性高聚物：应综合考虑温度对分子间作用力的

14、影响和对分子取向的影响。一般高聚物，温度较低时，分子间作用力的影响占主导，当温度升高到一定范围时，分子取向的影响占主导。在给定频率下，介电常数开始随温度的升高而增加，进一步升温，介电常数通过一个峰值后，缓慢随温度的升高而下降。 当温度足够高时，电导电流可能成为主要的损耗。 增塑剂的影响： 非极性聚合物和非极性增塑剂：加入非极性增塑剂可以使介电损耗移向低温。 极性增塑剂的加入，不但能增加高分子链的活动能力，使原来的取向极化过程加快，同时引入了新的偶极损耗，使介电损耗增加。杂质的影响：导电杂质或极性杂质的存在，会增加高聚物的电导电流和极化率，因而使介电损耗增大。四、高聚物的介电松弛谱四、高聚物的介

15、电松弛谱 当频率固定在某一温度范围内，或当温度固定时在某一频率范围内，可以得到介电损耗的温度谱和频率谱。在谱上，高聚物的介电损耗可以出现一个以上的极大值，分别对应于不同尺寸运动单元的偶极子在电场中的松弛损耗。 材料导电性是由于内部传递电流的自由电荷，统称载流子：电子、空穴，正负离子一、材料导电性的表征一、材料导电性的表征 电导率是表征材料导电性的宏观物理量。物质按电导率的大小可以分为绝缘体、半导体、导体和超导体。 材料的电导率： = Nq IUR UIRG1电阻电导不同材料的导电率和电阻率数据： 二、高聚物的导电特点二、高聚物的导电特点 在高聚物中即存在离子电导也存在电子电导，导电载流子可以由

16、材料本身产生，也可以来自材料外部。 1.离子电导：可以是正和负离子。 带有强极性原子或基团聚合物的本征解离。 添加剂、填料、水分及其它杂质的解离。 2.电子电导：导电载流子可以是电子和空穴。 共轭聚合物、聚合物的自由基离子化合物、电子转移络合物、有机金属聚合物等特殊结构的聚合物。 l离子的迁移与高聚物内部自由体积的大小密切相关，自由体积越大，离子迁移越易进行，迁移率越大；l电子与空穴的迁移则相反，分子间互相靠近，有利于电子的跳跃通过，甚至可能产生电子轨道的交叠。l对聚合物施加静压力使离子电导降低，电子电导升高。l当聚合物的相对分子质量增大或结晶度增大时， 如何？高绝缘材料杂质影响不可忽略表面电

17、阻率：规定为单位正方形表面上两刀形电极之间的电阻。 体积电阻率：体积电流方向的直流场强与该处体积电流密度之比。 lIbUbIRsssSIhUhSRvvv表面电阻率：体积电阻率：四、高聚物的导电性与分子结构的关系四、高聚物的导电性与分子结构的关系 饱和的非极性高聚物具有最好的电绝缘性； 极性高聚物电绝缘性次之； 共轭高聚物是高分子半导体材料； 电荷转移络合物和自由基离子化合物具有高的电子电导性； 有机金属聚合物的电子电导增加。 五、影响高聚物导电性的其它因素五、影响高聚物导电性的其它因素 分子量的影响结晶与取向使聚合物电导率下降 交联的影响 杂质的影响 湿度的影响 增塑剂的影响 加入导电填料使聚合物的导电性提高 温度的影响 RTEAe8.4 Dielectric-Strike 一、介电击穿现象和介电强度一、介电击