第八章 高聚物的电学性质精选文档.ppt

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1、第八章高聚物的电学性质本讲稿第一页，共四十一页绝大多数高聚物是绝缘体，它们具有低的电导率、低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。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。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

2、出的响应，高聚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。征的参数是电导率和电击穿强度。本讲稿第二页，共四十一页一、一、电介质在外电场中的极化现象电介质在外电场中的极化现象第一节第一节高聚物的极化及介电常数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，为真空电容，U为直流为直流电压，电压，Q为产生的电荷，为产生的电

3、荷，S为每个极板的面积，为每个极板的面积，d为为两极板间的距离，两极板间的距离，C为电为电介质电容，介质电容，为介电常数，为介电常数，无量纲，表征电介质贮存无量纲，表征电介质贮存电能能力的大小。电能能力的大小。本讲稿第三页，共四十一页二、二、高分子电介质极化现象的分子解释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，分别用键的极性强弱和分子的极性强弱，分别用键距键距和和分子分子的偶极距的偶极距来表示：来表示：d为两个正负电荷中心之间的距离，为两个正负电荷中心之间的距离，q为电荷。为电荷。偶极矩为矢量，其方向从正电荷到负电荷，其国际单偶极矩为矢量，其方向从正电荷到负电荷，其国际单位

4、为库仑位为库仑米，习惯用德拜米，习惯用德拜(Debye)，简写，简写D。1Debye=3.3310-30库仑库仑米米(8-8)本讲稿第四页，共四十一页按按极化机理极化机理，分子的极化可分为：，分子的极化可分为：电子极化电子极化：分子中各原子的价电子云在外电场的作用下，向正：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。原子极化原子极化：分子骨架在外电场作用

5、下发生变形造成的。原子：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需时间在10-13s以上。以上。电子极化和原子极化都是在外加电场的作用下，分子中正负电子极化和原子极化都是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位移极化或变形极化极化，产生的偶极矩为，产生的偶极矩为诱导偶极矩诱导偶极矩。本讲稿第五页，共四十一页取向极化（偶极极化）取向极化（偶极极化）：在外电场的作用下，极性分：在外电场的作用下，极性分

6、子沿外电场的方向排列，产生分子的取向（详见图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）。取向极化的时间为10-9s。本讲稿第六页，共四十一页诱导偶极矩诱导偶极矩：取向偶极矩取向偶极矩：分子极化分子极化：极性分子在外电场中产生的总的平均偶极：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。矩是诱导偶极矩和取向偶极矩之和。a.极性分子极性分子b.非极性分子（不发生取向极化）非极性分子（不发生取向极化）(8-9)(8-10)(8-11)(8-12)式中，式中，ae为电子极化率，为电子极化率，aa为原子极化率，为原子极化率，a为取向极化率。为取向极化率

7、。El为为介质分子受到的局部电场强度。介质分子受到的局部电场强度。本讲稿第七页，共四十一页界面极化：界面极化：产生于非均相介质界面处的极化，是在外电场的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。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：极化强度：单位体积内分子偶极矩的矢量和。单位体积内分子偶极矩的矢量和。式中式中N为单位体积电介质里的分子数，为单位体积电介质里的分子数，a为分子极化率，为分子极化率，El为介质分子受到的局部电场强度。为介质分子受到的局部电场强度。(8-18)本讲稿第八页，共四十一页三、三、介电常数与分子极化率的关系

8、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。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。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，它们之间的关系由间的关系由Clausius-Mosotti方程方程给出：给出：(8-32)(8-33)(8-34)本讲稿第九页，共四十一页四、四、高聚物介电常数及其与结构的关系高聚物介电常数及其与结构的关系高聚物按高聚物按单体单元偶极距的大小单体单元偶

9、极距的大小，可分为：，可分为：非极性高聚物非极性高聚物m m=0De e=2.0 2.3弱极性高聚物弱极性高聚物0 m m0.5De e=2.3 3.0中等极性高聚物中等极性高聚物0.5D 0.7De e=4.0 7.0可以看出：随着偶极矩的增加，高聚物的介电常数逐渐增大。可以看出：随着偶极矩的增加，高聚物的介电常数逐渐增大。本讲稿第十页，共四十一页非极性分子非极性分子的偶极距等于零，的偶极距等于零，Clausius-Mosotti关系可写成：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

10、以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。用重复单元偶极距的矢量和来表征。2.一般情况下，可以用一般情况下，可以用均方偶极距均方偶极距表征高分子的极性。表征高分子的极性。(8-37)本讲稿第十一页，共四十一页高聚物的介电常数除与偶极距有关外，还与高分子的高聚物的介电常数除与偶极距有关外，还与高分子的其其它结构因素它结构因素有关：有关：1.极性基团在分子链上的位置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高聚物介质所处的物理状态3.分子结构对称性的影响分子结构对称性的影响4.交联、拉伸和支化的影响交联、拉伸和支化的影响本讲稿第十二页，共四十一

11、页第二节第二节高聚物的介电损耗高聚物的介电损耗一、一、介电损耗产生的原因介电损耗产生的原因介电损耗介电损耗：电介质在：电介质在交变电场交变电场中，由于消耗一部分电能使介中，由于消耗一部分电能使介质本身发热的现象。质本身发热的现象。产生介电损耗的原因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外加电场电导损耗：电介质中含有能导电的载流子在外加电场的作用下，产生电导电流，消耗一部分电能转化为热能。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

12、分电能损耗于克服介质的内粘用下，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。滞阻力上，转化为热能。本讲稿第十三页，共四十一页产生介电损耗的条件产生介电损耗的条件：1.偶极子的运动与电场的运动同步，偶极子的运动与电场的运动同步，无损耗。无损耗。2.偶极子在电场的作用下发生偶极子在电场的作用下发生强迫运动，产生介电损耗。强迫运动，产生介电损耗。3.偶极子不发生取向极化，能量损偶极子不发生取向极化，能量损耗很小。耗很小。本讲稿第十四页，共四十一页二、二、介电损耗的表征介电损耗的表征在在真空电容器真空电容器极板上施加一电压，极板上施加一电压，就会就会对应产生一对应产生一电流电

13、流式中式中U0为电压峰值，为电压峰值，为交流电压角频率为交流电压角频率可以看出电流的相位比电压领先可以看出电流的相位比电压领先90，只存在无功的电容电，只存在无功的电容电流，所以真空电容器不损耗能量。流，所以真空电容器不损耗能量。(8-41)(8-40)本讲稿第十五页，共四十一页如果在真空电容器中引入电介质，此时电容器的电容如果在真空电容器中引入电介质，此时电容器的电容C=*C0，*为复介电为复介电常数，此时电容器上的电流：常数，此时电容器上的电流：Ic相当于流过相当于流过“纯电容纯电容”的电流，电流和电压的相位角相差的电流，电流和电压的相位角相差90，Ir相当于流相当于流过过“纯电阻纯电阻”

14、的电流，电流和电压的相位相同。的电流，电流和电压的相位相同。(8-42)(8-44)本讲稿第十六页，共四十一页介电损耗介电损耗：tg称为介电损耗角正切，用来表征材料介电损耗的大称为介电损耗角正切，用来表征材料介电损耗的大小。小。介电损耗角正切介电损耗角正切tg的物理意义：每个周期内介质损耗的能的物理意义：每个周期内介质损耗的能量与介质贮存的能量的比值。量与介质贮存的能量的比值。(8-46)本讲稿第十七页，共四十一页三、三、影响介电损耗的因素影响介电损耗的因素1.分子结构的影响分子结构的影响：高聚物分子的极性大小、密度、以及极性基团的可动性，高聚物分子的极性大小、密度、以及极性基团的可动性，决定

15、介电损耗的大小；高聚物分子极性越大，极性基团密度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。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偶极矩大的高聚物，其介电常数和介电损耗也都较大。较大。末端极性基团对介电损耗影响不大，对介电常数末端极性基团对介电损耗影响不大，对介电常数贡献较大。贡献较大。非极性高聚物的非极性高聚物的tg一般在一般在10-4，而极性高聚物的，而极性高聚物的tg一般在一般在10-2。本讲稿第十八页，共四十一页2.频率的影响频率的影响在交变电场中介质发生极化，在交变电场中介质发生极化，上式称为上式称为Debye色散方程色散方程。

16、式中，式中，*为复介电常数，为复介电常数，为光频时的介电常数，为光频时的介电常数，s为静为静电介电常数，电介电常数，为交变电场的角频率，为交变电场的角频率，是平均松弛时间，是平均松弛时间，或称为最可几松弛时间，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时所需的时时所需的时间。间。(8-55)本讲稿第十九页，共四十一页本讲稿第二十页，共四十一页Cole-Cole图的方程为：图的方程为：(8-62)本讲稿第二十一页，共四十一页介电常数和介电损耗频率的关系介电常数和介电损耗频率

17、的关系：随电场频率的增加随电场频率的增加，各极化，各极化过程将在不同的频率范围内过程将在不同的频率范围内出现跟不上电场变化的情况，出现跟不上电场变化的情况，使介电损耗使介电损耗e e出现极大值；出现极大值；由于各极化过程先后完全不由于各极化过程先后完全不能进行能进行，对介电常数不再，对介电常数不再有贡献有贡献，使介电常数，使介电常数e e出出现阶梯形降落。现阶梯形降落。本讲稿第二十二页，共四十一页3.介电常数和介电损耗与温度的关系介电常数和介电损耗与温度的关系：对极性高聚物对极性高聚物：应综合考虑温度对分子间作用力的影：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

18、时，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。时，分子取向的影响占主导。本讲稿第二十三页，共四十一页在给定频率下，介电常数在给定频率下，介电常数开始随温度的升高而增加，开始随温度的升高而增加，进一步升温，介电常数通过进一步升温，介电常数通过一个峰值后，缓慢随温度的一个峰值后，缓慢随温度的升高而下降。升高而下降。当温度足够高时，电导电当温度足够高时，电导电流可能成为主要的损耗。流可能成为主要的损耗。本讲稿第二十四页，共四十一页4.电压的影响电压的影响外加电压增大，高聚物的介电

19、损耗增加。外加电压增大，高聚物的介电损耗增加。本讲稿第二十五页，共四十一页5.增塑剂的影响增塑剂的影响：聚合物聚合物增塑剂体系的极性情况：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。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。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减小。变化而减少，介电损耗峰将单调的逐渐减

20、小。4.非极性聚合物和极性增塑剂：同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。移向低温。本讲稿第二十六页，共四十一页6.杂质的影响杂质的影响杂质（合成材料用的引发剂、催化剂以及各种添杂质（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。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。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。水

21、能明显增加聚合物的介电损耗。本讲稿第二十七页，共四十一页四、四、高聚物的介电松弛谱高聚物的介电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。应于不同尺寸运动单元的偶极子在电场中的松弛损耗。一般一般峰对应高峰对应高分子的链段运动分子的链段运动的松弛损耗，而的松弛损耗，而、对应于较小对应于较

22、小运动单元的次级运动单元的次级松弛损耗。松弛损耗。通过测量高聚通过测量高聚物的介电松弛物的介电松弛谱，可以研究谱，可以研究高聚物的分子高聚物的分子运动。运动。本讲稿第二十八页，共四十一页第三节第三节高聚物的导电性高聚物的导电性一、一、材料导电性的表征材料导电性的表征电阻率（电阻率（）和和电导率（电导率（）是表征材料导电性的宏观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物理量。物质按电导率的大小可以分为绝缘体、半导体、绝缘体、半导体、导体导体和和超导体超导体。不同材料的电导率和电阻率数据：。不同材料的电导率和电阻率数据：本讲稿第二十九页，共四十一页材料的导电性是由于物质内部存在传递

23、电流的自由电荷，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，统称为这些自由电荷包括电子、空穴、正离子、负离子，统称为载流载流子子。(8-70)(8-71)N为单位体积内载流子的数目，为单位体积内载流子的数目，q为每个载流子所带电量，为每个载流子所带电量，v为载流子的为载流子的迁移速度，迁移速度，S是端面面积，是端面面积，m m为载流子的迁移率，为载流子的迁移率，E E为外加电场强度为外加电场强度。本讲稿第三十页，共四十一页材料的电导率：材料的电导率：s s=Nqm m载流子的迁移率载流子的迁移率m m表示单位场强下载流子的迁移速度。表示单位场强

24、下载流子的迁移速度。(8-72)本讲稿第三十一页，共四十一页二、二、高聚物的导电特点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。以由材料本身产生，也可以来自材料外部。1.离子电导离子电导：可以是正和负离子。：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。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。添加剂、填料、水分及其它杂质的解离。2.电子电导电子电导：导电载流子可以是电子和空穴。：导电载流子可以是电子和空穴。共轭聚合物、聚合物的自由基共轭聚

25、合物、聚合物的自由基离子化合物、电子转移络合离子化合物、电子转移络合物、有机金属聚合物等特殊结构的聚合物。物、有机金属聚合物等特殊结构的聚合物。本讲稿第三十二页，共四十一页三、三、表面电阻率和体积电阻率表面电阻率和体积电阻率表面电阻率表面电阻率：规定为单位正方形表面上两刀形电极：规定为单位正方形表面上两刀形电极之间的电阻。之间的电阻。体积电阻率体积电阻率：体积电流方向的直流场强与该处体积电：体积电流方向的直流场强与该处体积电流密度之比。流密度之比。(8-73)l为刀型电极的长度，为刀型电极的长度，b为两电极之为两电极之间的距离。间的距离。表面电阻率是沿试样表面电流方向表面电阻率是沿试样表面电流

26、方向的直流场强与该处单位长度的表面的直流场强与该处单位长度的表面电流之比，单位是电流之比，单位是。本讲稿第三十三页，共四十一页(8-74)h是试样的厚度（即两电极之间的距离），是试样的厚度（即两电极之间的距离），S是电极的面积，是电极的面积，U是外加电压，是外加电压，Rv是体积电阻，是体积电阻，Iv是体积电流。是体积电流。体积电阻率是体积电流方向的直流场强与该处体积电流密体积电阻率是体积电流方向的直流场强与该处体积电流密度之比，单位是度之比，单位是m。本讲稿第三十四页，共四十一页四、四、高聚物的导电性与分子结构的关系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；饱和的

27、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；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；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电荷转移络合物和自由基离子化合物具有高的电子离子化合物具有高的电子电导性；电导性；5.有机金属聚合物的电子电导增加。有机金属聚合物的电子电导增加。本讲稿第三十五页，共四十一页五、五、影响高聚物导电性的其它因素影响高聚物导电性的其它因素1.分子量的影响分子量的影响2.结晶与取向的影响结晶与取向的影响3.交联的影响交联的影响4.杂质的影响杂质的影响5.湿度的影响湿度的影响6.增塑剂的影响增塑剂的影响7.加入导电填料使聚合物的导

28、电性提高加入导电填料使聚合物的导电性提高8.温度的影响温度的影响本讲稿第三十六页，共四十一页第四节第四节高聚物的介电击穿高聚物的介电击穿一、一、介电击穿现象和介电强度介电击穿现象和介电强度介电击穿介电击穿：在高压下，大量的电能迅速释放，使电极之：在高压下，大量的电能迅速释放，使电极之间的材料局部被烧毁，这种现象称为介电击穿。间的材料局部被烧毁，这种现象称为介电击穿。击穿电压：击穿电压：dU/dI=0处的电压处的电压Ub。击穿电压是介质可承受电压的极限。击穿电压是介质可承受电压的极限。本讲稿第三十七页，共四十一页介电强度介电强度Eb：又称为击穿场强，单位：又称为击穿场强，单位MV/m，是材料能长

29、，是材料能长期承受的最大场强。定义为击穿电压与绝缘体厚度的比值。期承受的最大场强。定义为击穿电压与绝缘体厚度的比值。(8-77)二、二、高聚物介电击穿的机理高聚物介电击穿的机理1.本征击穿本征击穿本讲稿第三十八页，共四十一页2.热击穿热击穿3.放电引起击穿放电引起击穿本讲稿第三十九页，共四十一页三、三、高聚物的实际介电强度高聚物的实际介电强度纯粹均匀的固体绝缘高聚物的本征介电强度很高，通常大于纯粹均匀的固体绝缘高聚物的本征介电强度很高，通常大于100MV/m，但是实际高聚物的介电强度往往因各种因素影响而偏，但是实际高聚物的介电强度往往因各种因素影响而偏低。低。聚合物老化、降解、变质也会严重影响其实际介电强度。聚合物老化、降解、变质也会严重影响其实际介电强度。本讲稿第四十页，共四十一页第五节第五节高聚物的静电现象高聚物的静电现象一、一、实验现象实验现象静电现象静电现象二、二、静电起电机理静电起电机理1.接触起电接触起电2.摩擦起电摩擦起电三、三、静电的危害和防止静电的危害和防止有利有弊有利有弊静电力用：静电涂敷、静电印刷、静电分离和混合等。静电力用：静电涂敷、静电印刷、静电分离和混合等。本讲稿第四十一页，共四十一页