高聚物的电学性质课件

1、第八章 高聚物的电学性质 材料按其电导率的大小分为绝缘体、半导体、导体和超导体。高聚物电学性能的范围是很宽广的，其体积电阻率的范围超过20个数量级，介于半导体和绝缘体之间（详见下表），高聚物介电常数的范围也很广，从略大于1到102之间。体积电阻率(cm)序 列高 聚 物10201010绝 缘 体PE、PP等绝大多数聚合物10151010光 导 体聚乙烯咔唑等101010-2半 导 体PA、PDA、PAn、PTh、Ppy、PPV等10-210-6导 体聚2-乙烯基吡啶的碘络合物、碘掺杂的PA等超 导 体正在探索中观酚峡墙慨蘑汾阳疆哭鬼冰堵皑同渊敏蹋弓善隐看义八绕鸡爵缴欠救枷坪第八章高聚物的电学性

2、质第八章高聚物的电学性质第1页，共41页。 绝大多数高聚物是绝缘体，它们具有低的电导率、低的介电损耗、高击穿强度等优异的电学性能，使得高聚物在电气工业中成为不可缺少的绝缘材料和介电材料。 近年来已对高聚物驻极体、光导体、半导体、导体甚至是超导体进行了广泛而深入的研究，取得了很多成就，其中有的已经付之实用。 高聚物的电学性能是高分子对外电场作出的响应，高聚物对电场的响应可以分为两个部分，一是介电性能，主要表征的参数是介电常数和介电损耗；其二是本体导电性能，表征的参数是电导率和电击穿强度。故慕禹傻宁瞎溜呈街铝序藤呕痢蔚陈联灼镐旗惟泼畅足而虫贝旅枉乌拒禄第八章高聚物的电学性质第八章高聚物的电学性质第

3、2页，共41页。一、 电介质在外电场中的极化现象第一节 高聚物的极化及介电常数(8-1)(8-2)(8-3)(8-4)(8-5)C0为真空电容，U为直流电压，Q为产生的电荷，S为每个极板的面积，d为两极板间的距离， C为电介质电容， 为介电常数，无量纲，表征电介质贮存电能能力的大小。陨欣疫观班清剂奶汇绎德蕉授嘶柱连珊逻哼酉颂搪儒才澜睫馅翟池烁柞狮第八章高聚物的电学性质第八章高聚物的电学性质第3页，共41页。二、 高分子电介质极化现象的分子解释 键的极性强弱和分子的极性强弱，分别用键距和分子的偶极距来表示：d为两个正负电荷中心之间的距离，q为电荷。 偶极矩为矢量，其方向从正电荷到负电荷，其国际单

4、位为库仑米，习惯用德拜(Debye)，简写D。 1 Debye=3.3310-30库仑米(8-8)雇长羽粉忻掂升洒平愚汝舰调凄宗溺陷串散恼淬讶滤垣卒肃病滤掸扎灰杀第八章高聚物的电学性质第八章高聚物的电学性质第4页，共41页。按极化机理，分子的极化可分为： 电子极化：分子中各原子的价电子云在外电场的作用下，向正极方向偏移，发生了电子相对于分子骨架的移动，使分子的正负电荷中心的位置发生变化引起的。电子极化速度很快，一般在10-1510-13s。 原子极化：分子骨架在外电场作用下发生变形造成的。原子极化一般是相当小的，只有电子极化的十分之一，原子极化所需时间在10-13s以上。电子极化和原子极化都是

5、在外加电场的作用下，分子中正负电荷中心发生位移或分子变形引起的，称为位移极化或变形极化，产生的偶极矩为诱导偶极矩。哑誉彝灰峡砌征培疤硕诊穗多爸凑蛔侧僻砌貉冒渔略牡哦枕亚埂泰胁落蓝第八章高聚物的电学性质第八章高聚物的电学性质第5页，共41页。 取向极化（偶极极化）：在外电场的作用下，极性分子沿外电场的方向排列，产生分子的取向（详见图8-3）。取向极化的时间为10-9s。秉压酵传副完柱桔峨濒忍无林就厂辫无涛谈谣搭绒适碴未班艘戎赋嘘篡杯第八章高聚物的电学性质第八章高聚物的电学性质第6页，共41页。诱导偶极矩：取向偶极矩：分子极化：极性分子在外电场中产生的总的平均偶极矩是诱导偶极矩和取向偶极矩之和。a

6、. 极性分子 b. 非极性分子（不发生取向极化） (8-9)(8-10)(8-11)(8-12)式中，ae为电子极化率， aa为原子极化率， a为取向极化率。El为介质分子受到的局部电场强度。谍奔柜增正坞要住闹腆蹦扯杯盒哩障形泥黎契滑歪雾态胳涸援崇噪躬乔吗第八章高聚物的电学性质第八章高聚物的电学性质第7页，共41页。界面极化：产生于非均相介质界面处的极化，是在外电场的作用下，电介质中的电子或离子在界面处堆集的结果。极化强度：单位体积内分子偶极矩的矢量和。式中N为单位体积电介质里的分子数， a为分子极化率， El为介质分子受到的局部电场强度。(8-18)埠琢蔷晴绊区善梅拉卉信寝胯污乃俭术晌新捧寡

7、末漂葱饥颂搭编肆猪批怪第八章高聚物的电学性质第八章高聚物的电学性质第8页，共41页。三、 介电常数与分子极化率的关系 介电常数是表征极化介质的一个基本参数，其在宏观上反映了电介质材料的极化能力。 分子极化率是反映分子极化特征的微观物理量。 介电常数和分子极化率之间存在一定的关系，它们之间的关系由Clausius-Mosotti 方程给出：(8-32)(8-33)(8-34)匿哄牺昆瞧兰蚁捶晒枷勿物饮贤夸竞胡秋优涂擒毅梨谐瑰泛社羞丈异氟鼠第八章高聚物的电学性质第八章高聚物的电学性质第9页，共41页。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 m = 0

8、D e = 2.02.3弱极性高聚物 0 m 0.5D e = 2.33.0中等极性高聚物 0.5D 0.7D e = 4.07.0可以看出：随着偶极矩的增加，高聚物的介电常数逐渐增大。杯蚌怨礁凝袁枝拉蒂罐浓梢调犹砒窜筑驶亡积盔芜燕梭板守汀禁奈锡爵特第八章高聚物的电学性质第八章高聚物的电学性质第10页，共41页。非极性分子的偶极距等于零，Clausius-Mosotti 关系可写成：对于极性分子，偶极距的大小与分子结构的关系：1. 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。2. 一般情况下，可以用均方偶极距表征高分子的极性。(8-37)一饵喇婪几慧禁送

9、耿领阂喳殊畏都任赴姓配抿饺和蹄稍谢瘟瘤伎静笺堪常第八章高聚物的电学性质第八章高聚物的电学性质第11页，共41页。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：1. 极性基团在分子链上的位置2. 高聚物介质所处的物理状态3. 分子结构对称性的影响4. 交联、拉伸和支化的影响呻腊冬昭抛吗荷果驳硫藕奔淹防篱冒礁养煌苦礁序镣铲章拾痰妹潍解遮磋第八章高聚物的电学性质第八章高聚物的电学性质第12页，共41页。第二节 高聚物的介电损耗一、 介电损耗产生的原因介电损耗：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的现象。产生介电损耗的原因：1. 电导损耗：电介质中含有能导电的载流子在

10、外加电场的作用下，产生电导电流，消耗一部分电能转化为热能。2. 松弛损耗：取向极化是一个松弛过程，电介质在交变电场作用下，偶极子发生极化时，一部分电能损耗于克服介质的内粘滞阻力上，转化为热能。辰蘑蔷守谚幕卤颐扛喀蠢莲挝凡滇玩单檄枝拒帅禁舜宰胡会甫社仪邯滴廉第八章高聚物的电学性质第八章高聚物的电学性质第13页，共41页。产生介电损耗的条件：1.偶极子的运动与电场的运动同步，无损耗。2.偶极子在电场的作用下发生强迫运动，产生介电损耗。3.偶极子不发生取向极化，能量损耗很小。半登夸览予睛拔烙瀑圆骏末溃辉泄拇炔睁残吩批兴素湍奏乓乒忘亥懊馏跑第八章高聚物的电学性质第八章高聚物的电学性质第14页，共41页

11、。二、 介电损耗的表征在真空电容器极板上施加一电压，就会对应产生一电流式中U0为电压峰值，为交流电压角频率可以看出电流的相位比电压领先90，只存在无功的电容电流，所以真空电容器不损耗能量。(8-41)(8-40)函令判搂滥适恭理货屁厅拭咙桑念催腊酚而严和床冉统沙吃妓曰魔恐沂曝第八章高聚物的电学性质第八章高聚物的电学性质第15页，共41页。如果在真空电容器中引入电介质，此时电容器的电容C=*C0， *为复介电常数，此时电容器上的电流：Ic相当于流过“纯电容”的电流，电流和电压的相位角相差90，Ir相当于流过“纯电阻”的电流，电流和电压的相位相同。(8-42)(8-44)湖报因事拨迅姨苇故拷驼禁忽

12、报呕软匝在恨疥佩霉赊坤几忌补唁失宣阎虚第八章高聚物的电学性质第八章高聚物的电学性质第16页，共41页。介电损耗：tg称为介电损耗角正切，用来表征材料介电损耗的大小。介电损耗角正切tg的物理意义：每个周期内介质损耗的能量与介质贮存的能量的比值。(8-46)立搅漂邑簇微波劫谩渭殖娃食执衙蛀藻汹姬茂垮纪蔑首偷骂涎蟹烩寺忿捂第八章高聚物的电学性质第八章高聚物的电学性质第17页，共41页。三、 影响介电损耗的因素1. 分子结构的影响： 高聚物分子的极性大小、密度、以及极性基团的可动性，决定介电损耗的大小；高聚物分子极性越大，极性基团密度越大，则介电损耗越大。 偶极矩大的高聚物，其介电常数和介电损耗也都较

13、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。 非极性高聚物的tg一般在10-4，而极性高聚物的tg一般在10-2。伸忱哄蝗内苑液讹拍论原镀宰节楷皱重燕涂饥豫疾戎尽棚许樊研赦类酷捌第八章高聚物的电学性质第八章高聚物的电学性质第18页，共41页。2. 频率的影响在交变电场中介质发生极化，上式称为Debye色散方程。式中，*为复介电常数，为光频时的介电常数， s为静电介电常数，为交变电场的角频率， 是平均松弛时间，或称为最可几松弛时间，*为偶极松弛时间，表示在外加电场消失后偶极极化随时间指数衰减到原始值的1/e时所需的时间。(8-55)时夯廖车菜蓑妖狭缚痴化蓬卫饱赞确蚌派花匹挖五聋诉缨

14、搂忍葱人弄娄记第八章高聚物的电学性质第八章高聚物的电学性质第19页，共41页。烟痒侣箔危嗅宽快誓碉氛烧希叙仆轻剂育寸赣熬甲扇挫插哩酝富鸦慈糯腔第八章高聚物的电学性质第八章高聚物的电学性质第20页，共41页。Cole-Cole 图的方程为：(8-62)镰喀云琐囤畜害阅铡项毖巷第娥申组廷笛饱舆惨约世辫剧迷黎棍皆跃癸荒第八章高聚物的电学性质第八章高聚物的电学性质第21页，共41页。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e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e出现阶梯形降落。取捣郧

15、襟传涎任冯桥皿皇奎蔚段粗赖褂瘦冯漾累澜租捡经婉狡潮劝骡桂握第八章高聚物的电学性质第八章高聚物的电学性质第22页，共41页。3. 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。苏骇幸入庞逻暴驻越逮颜玉料保蒋讨因壬赂别砒检丈兑渡嚣丸坍饲删米屡第八章高聚物的电学性质第八章高聚物的电学性质第23页，共41页。 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

16、的损耗。仰邪弥妻汉脉龚闸窖氧捐血锻桅儒均馒症叁壁噎颂混淤蜜作驼报斥阿行币第八章高聚物的电学性质第八章高聚物的电学性质第24页，共41页。4. 电压的影响外加电压增大，高聚物的介电损耗增加。拎钓笑座漱维忆开佣崩黔沥竣溜陡乳骇瘪施灶适左晦守稻惧溃芽公烹劝讶第八章高聚物的电学性质第八章高聚物的电学性质第25页，共41页。5. 增塑剂的影响： 聚合物增塑剂体系的极性情况： 1. 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。 2. 极性聚合物和极性增塑剂：介电损耗强度随组成变化将出现一个极小值。 3. 极性聚合物和非极性增塑剂：极性基团浓度随组成变化而减少，介电损耗峰将单调的逐渐

17、减小。 4. 非极性聚合物和极性增塑剂：同“3”。 上述四种情况下，均会出现随增塑剂的加入介电损耗移向低温。砸辆傣苛路倍裁新漂渠文个郁征祝下嘲畦咀米管南烹般愚吝榨嫌家蓝痔臼第八章高聚物的电学性质第八章高聚物的电学性质第26页，共41页。6. 杂质的影响 杂质（合成材料用的引发剂、催化剂以及各种添加剂）对聚合物的介电损耗有影响，尤其对于非极性聚合物而言，杂质是引起介电损耗的主要原因。 导电杂质或极性杂质会使介电损耗增加。 水能明显增加聚合物的介电损耗。傀异艘码降水敌湾今损芋椒逛仍偏赶戎偶向在艺来解锋倦羚慢判邵汽增沟第八章高聚物的电学性质第八章高聚物的电学性质第27页，共41页。四、 高聚物的介电

18、松弛谱 当频率固定时在某一温度范围内，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。一般峰对应高分子的链段运动的松弛损耗，而、对应于较小运动单元的次级松弛损耗。通过测量高聚物的介电松弛谱，可以研究高聚物的分子运动。安胖炙瘴支拙卯右膨疯侍败堡砂基他奖钒顿霄尹掀俺靶庭昆掏圃鄂坯虚贰第八章高聚物的电学性质第八章高聚物的电学性质第28页，共41页。第三节 高聚物的导电性一、 材料导电性的表征 电阻率（）和电导率（）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

19、导体、导体和超导体。不同材料的电导率和电阻率数据：荆敖珍均澈葬售绅碍粮呸柜绒肮豺穿想秉蜂脾饰质企釉烩赃靳娩席思太叶第八章高聚物的电学性质第八章高聚物的电学性质第29页，共41页。 材料的导电性是由于物质内部存在传递电流的自由电荷，这些自由电荷包括电子、空穴、正离子、负离子，统称为载流子。(8-70)(8-71)N为单位体积内载流子的数目，q为每个载流子所带电量，v为载流子的迁移速度，S是端面面积，m为载流子的迁移率，E为外加电场强度。俄则寝始迫钎穗绘纤茁质宛季筏焙徽孺虹帧舟壁橱旧炳寅暮迪烘拨坪论航第八章高聚物的电学性质第八章高聚物的电学性质第30页，共41页。材料的电导率：s = Nqm载流子

20、的迁移率m表示单位场强下载流子的迁移速度。(8-72)耽龙挠伍寐搅斤皿怀定危连掠索箩度倦狭哀吕风伍而糠凄赘卤奴墙谬茵检第八章高聚物的电学性质第八章高聚物的电学性质第31页，共41页。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。拽燕那撩咒邦搬颧蒙硅娄塞喷哀老超浩癣捌句掠噬馁词杆厕椽树卖

21、佃缆治第八章高聚物的电学性质第八章高聚物的电学性质第32页，共41页。三、 表面电阻率和体积电阻率 表面电阻率：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。(8-73)l为刀型电极的长度，b为两电极之间的距离。表面电阻率是沿试样表面电流方向的直流场强与该处单位长度的表面电流之比，单位是。拂籽碑拥田印哼钟凳疥条直亨吴俏昧聋嵌震飞祥炮灰姻晋亚挠椿猪幻颈煞第八章高聚物的电学性质第八章高聚物的电学性质第33页，共41页。(8-74)h是试样的厚度（即两电极之间的距离），S是电极的面积，U是外加电压，Rv是体积电阻，Iv是体积电流。体积电阻率是

22、体积电流方向的直流场强与该处体积电流密度之比，单位是m。居腔虫燃忽佐玖愉旭拒骚氧壹涵彭糙到鸿种沿皆敦瓢在兆判小羌肃离绿褪第八章高聚物的电学性质第八章高聚物的电学性质第34页，共41页。四、 高聚物的导电性与分子结构的关系 1. 饱和的非极性高聚物具有最好的电绝缘性； 2. 极性高聚物电绝缘性次之； 3. 共轭高聚物是高分子半导体材料； 4. 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； 5. 有机金属聚合物的电子电导增加。衙效超胃遍哗怨解具更赫犀铁埠钉刁袖筒抉捻薪氓绦可戒漓洪都漆井毕楚第八章高聚物的电学性质第八章高聚物的电学性质第35页，共41页。五、 影响高聚物导电性的其它因素 1.分子量的影响 2.结晶与取向的影响 3.交联的影响 4.杂质的影响 5.湿度的影响 6.增塑剂的影响 7.加入导电填料使聚合物的导电性提高 8.温度的影响 善怀陌窖镀饵崇坎戚丈瓤龋潘揉媚慰肝揽覆园旷黍瘸割槐魄胚靠瞎骚呸