张弢-高分子材料学课件 20 properties 高聚物的电学性质.ppt
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1、高聚物的电学性能,介电、导电、电击穿、静电现象,聚合物的介电性质,极化与介电现象,在外场作用下,电介质分子或其中某些基团中电荷分布发生的变化称极化,电场、力、温度等都可以产生极化现象。 在外电场的作用下,由于分子极化引起的电能的贮存和损耗称介电;相应的性质称介电性。(在外力场的作用下则有压电性) 在外加电场的作用下产生的极化称介电极化,包括电子极化、原子极化、取向极化、界面极化等。,电子极化,电子极化是外电场作用下分子中各原子或离子的价电子云相对原子核产生位移而导致的极化。 极化过程所需时间极短,约10-1510-13秒。 极化率不随温度变化而变化。 除去外电场,位移立即恢复,无能量损耗,也称
2、可逆极化或弹性极化。,原子极化,原子极化是分子骨架在外电场的作用下发生变形,分子中正负电荷中心发生相对位移而造成的。如CO2分子的变形极化。,极化所需时间10-13秒,伴有微量能量损耗。 以上两种极化统称变形极化或诱导极化,相应产生的偶极矩称诱导偶极矩。极化率不随温度变化。 非极性分子只有电子极化和原子极化。,极化,取向极化,也称偶极极化,是具有永久偶极矩(m)的极性分子沿外场方向取向排列导致极化的现象。 偶极矩(m):正负电荷中心之间的距离d与极上电荷q的乘积;m=qd;矢量,单位为库仑米或德拜(Debye,D),1D=3.3310-30库仑米 极性分子的取向需要克服本身的惯性和旋转阻力,因
3、而极化时间较长,约10-9秒而且强烈依赖于分子间相互作用。 偶极极化与温度、外场强度等有关 外场强度大,取向明显,极化大; 温度升高,热运动加剧,取向干扰大,极化小;,无电场,较低电场,低温强电场,界面极化,界面极化是一种产生于非均相介质界面处的极化,是外电场作用下电介质中的电子或离子在界面处堆积的结果。 所需时间长,从几分之一秒到几分钟甚至更长。 与温度和外场强度有关,发生在低频区域。 聚合物中有界面的地方都有界面极化(共混、填充、杂质、缺陷等)。,聚合物中的极化现象,聚合物中偶极极化的本质与小分子相同,但因具有不同运动单元的取向而使完成取向极化的时间范围变得很宽,与力学松弛时间谱类似,称介
4、电松弛谱。,聚合物所处的电场频率与极化有关: 频率非常高:只有电子极化; 中等频率:电子极化和原子极化; 低频时:所有的极化都会发生。,介电常数,在充满电介质的电容器中,与真空电容器相比,充以相等的电压,电容器极板上的感应电荷与真空电容不等,以下标0表示真空电容器,定义介电常数:,在一定场强下,电介质的极化程度越大,Q越大,e就越大。 介电常数e 是衡量电介质极化的宏观物理量,可以表征电介质贮存电能的能力。 聚合物的介电常数在1.88.4之间,多数为24。,分子极化率,分子极化的结果相当于外电场在分子上引起一个附加偶极矩m,其大小决定于作用在分子上的局部电场强度El,,材料在电场中总的极化率a
5、 为:,对非极性分子,只存在电子极化率ae和原子极化率aa,不随温度变化,只取经于分子中的电子云分布情况。,对极性分子,还存在偶极极化am,其值与温度有关:温度低时,分子热运动能量低,分子沿电场方向取向受到的干扰较小,取向极化率较大。,比例常数 a 即称作分子极化率。按不同的极化机理,有电子极化 率ae 、原子极化率 aa 和取向(偶极)极化率 am 介电常数e 是电介质极化的宏观表现,分子极化率a 是反应分子极化特征的微观物理量。,介电常数与分子极化率的关系,介电常数 e 与分子极化率 a 的关系可由Clausius-Mosotti方程给出:,对非极性分子:,对极性分子:,M:分子量;r:密
6、度;k:Boltzmann常数;N:Avogadro常数;T:绝对温标;,聚合物的介电常数,介电常数的数值决定于介质的极化,而极化与介质的分子结构及其所处的物理状态有关。 介质极化中取向极化的贡献最大而且只有极性分子可以发生,其强弱与介质的分子极性有关。分子极性大小是介质介电常数大小的主要决定因素,而分子极性的大小用偶极矩来衡量。 聚合物分子的偶极矩是分子中所有键矩的矢量和。 按平均偶极矩( )的大小,聚合物大致可分为: 非极性聚合物: =0D,e = 2.0-2.3 弱极性聚合物:00.7D, e =4.0-7.0,常见聚合物的介电常数,介电损耗,电介质在交变电场中由于消耗一部分电能而介质本
7、身发热的现象称介电损耗。 产生介电损耗的原因: 电介质中含有载流子,在外电场作用下产生电导电流消耗掉部分电能转化为热能,称电导损耗; 电介质的取向是一个松弛过程,取向时,部分电能损耗于克服介质的内滞阻力上转化为热能,发生松弛损耗。 介电损耗与交变电场的频率有关,介电损耗与频率的关系,频率很低时:偶极子的取向跟得上电场的变化,电场能量几乎不损耗; 频率中等时:偶极子的取向受到摩擦阻力的影响,落后于电场的变化,在电场作用下发生强迫运动,电场能量损耗很大; 频率很高时:偶极子完全跟不上电场的变化,取向极化几乎不发生,电场能量的损耗又降低。,介电损耗的表征,类似交变应力中的复数模量,交变电场中的介电常
8、数是复数介电常数,由实部e(近似实测的介电常数)和虚部e”(介电损耗因素)组成,相位差称介电损耗角d,是每周期内介质损耗的能量与介质贮存的能量的比值。,温度对介电损耗的影响,温度很低时,聚合物粘度很大,极化时间长,偶极转向困难,跟不上电场变化,e、e”都很小; 温度升高,粘度减小,偶极可以转向但跟不上电场变化, e、e”都增大; 温度足够高后,偶极转向完全跟得上电场的变化, e增至最大而e”又变小。,温度对聚合物取向极化表现出两种相反的作用:一方面温度升高使分子间作用力减弱,粘度降低,偶极取向变得容易,极化加强;另一方面温度升高又使分子热运动加剧,对偶极取向的干扰增大,反而不利于偶极取向,极化
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