聚合物的结构与介电性能

1、聚合物及多组分聚合物的 结构与介电性能,聚合物及多组分聚合物的结构与介电性能,聚合物介电性：聚合物在外电场的作用下，由于分子极化引起电能的储存和损耗的性质。,介电材料分类示意图,聚合物及多组分聚合物的结构与介电性能,极化：在外电场的作用下，电介质分子或者其中 某些基团中电荷分布发生相应变化。,极 化 类 型,电子极化,原子极化,取向极化,界面极化,价电子云相对原子核的位移,聚合物及多组分聚合物的结构与介电性能,电子极化,极化过程：10-1510-13s,聚合物及多组分聚合物的结构与介电性能,原子极化,分子骨架在外电场下发生变形,极化过程一般 10-13s,聚合物及多组分聚合物的结构与介电性能,

2、取向极化,极性分子延外场方向排列,极化过程一般 10-9s,聚合物及多组分聚合物的结构与介电性能,界面极化,产生于非均相介质界面处,在外电场的作用下，电介质中的电子或离子在界面处堆积的结果。,极化需时几分之一 至几分钟，甚至更长。,定义：含有电介质的电容器电容与相应真空电容器的电容比。真空的等于1，空气的接近1，大多数非极性高聚物的为2左右，极性高聚物的为210。（2.6 3.8）,Q0,Q,介电常数,介电损耗,在交变电场中，电介质由于消耗部分电能而发热的现象。,在交变电场中，介电常数可以写成复数形式,介质损耗角正切,介电损耗产生的原因,电导损耗,偶极的取向极化,常见聚合物tan(20，50H

3、z),聚合物及多组分聚合物的结构与介电性能,聚合物的介电性能的影响因素,聚偏氟乙烯（PVDF）具有较高的介电常数。由于分子链中H原子与 F 原子的电负性不同，会在 PVDF 分子链中产生偶极矩。在外加电场的作用下，PVDF分子中正、负电荷中心发生分离，产生电偶极矩，发生取向极化。,（1）极性：偶极取向极化对介电性质影响最大。极性越大，tan越大。,1.分子结构,15,介电常数是宏观物理量,反映了电介质的极化能力,大小由材料本身的性质决定。在外电场下电介质材料的极化作用越强,介电常数就越大。,表1 不同极性高分子材料的分子偶极矩和介电常数范围,分子聚集态结构的影响： 玻璃态：链段运动被冻结，结构

4、单元上的极性基团取向受链段牵制，取向能力低，对介电常数影响小 高弹态：链段活动能力大，极性基团取向受链段牵制较小，对介电常数影响大。高弹态下，介电常数、损耗角大于玻璃态,1.分子结构,2.频率与温度,在研究尼龙 610 的介电性能的过程中发现，在100Hz时，介电常数和损耗因子随温度增加而迅速增大；而在1MHz 时，介电常数随温度变大而变大的趋势减弱，损耗因子随温度增大先增大后减小。1,1X P., Z X. Y.J. European Polymer Journal, 2011, 47(5): 1031-1038.,2.频率与温度,改性BaTiO3/EPR复合材料的电性能,BaTiO3粉末,

5、混合均匀,冷压,热压固化,对BaTiO3进行表面处理,环氧树脂,1wt%KH550偶联剂和丙酮,BaTiO3/EPR复合材料,实验,3.添加剂,随着BaTiO3含量 ，电导率 随着频率 ，电导率,不同BaTiO3含量对BaTiO3-Epoxy 复合材料的电导率随频率的变化,电导率分析,填料的加入，增加了陶瓷-聚合物界面区域，而界面区域的电导率大于单相本身的电导率,不同BaTiO3 含量对BaTiO3-Epoxy 复合材料的 介电损耗的影响,介电损耗分析,填充量过高，会使填料分散不均匀，增加其界面极化，因此介电损耗增加。,随着BaTiO3含量 ，介电损耗 但是在体积含量低30 vol% 时， 介

6、电损耗小 随着频率 ,介电损耗,高介电常数材料的应用,1.高储能密度电容器的介电材料,2.高压电缆均化电场的应力锥材料,3.嵌入式微电容器,4.人工肌肉和药物释放智能外衣材料,高tan值材料的应用, 高聚物的高频干燥, 塑料薄膜高频焊接,大型高聚物制件的高频热处理,应用方面,RC =2(4L2/ P2 +L2/ T2) :金属线电阻率, :线间绝缘层的介电常数, P :金属线间距离, L :连线长度, T :线的厚度,低介电常数材料,降低聚合物材料介电常数的方法, 增加聚合物材料的自由体积,含萘结构的芳基醚聚合物,含萘结构的芳基醚聚合物有较大的萘结构侧基，能增加聚合物材料的自由体积，从而降低材料介电常数。,Z E S，NEW CHEMICAL MATERIALS，2007，35(7):11.,降低聚合物材料介电常数的方法,赵春宝,绝缘材料，2010：33,对称氟取代,氟原子具有较强的电负性, 可以降低高分子的电子和离子的极化率, 达到降低高分子介电常数的目的。同时, 氟原子的引入降低了高分子链的规整性, 使得高分子链的堆砌更加不规则, 分子间空隙增大而降低介电常数。含氟聚酰亚胺材料的介电常数为2.3 2 .8.,降低聚合物材料介电常数的