第8章高分子材料的电学性能.课件.ppt
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- 高分子材料 电学 性能 课件
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1、第第8 8章章 高分子材料的电学性能高分子材料的电学性能高分子材料的电学性能高分子材料的电学性能 是指在外加电场作用下材料所表现出来的是指在外加电场作用下材料所表现出来的介电性介电性能能、导电性能导电性能、电击穿性质电击穿性质以及与其他材料接触、摩以及与其他材料接触、摩擦时所引起的擦时所引起的表面静电性质表面静电性质等。等。高分子材料可以是绝缘体、半导体、导体和超导体高分子材料可以是绝缘体、半导体、导体和超导体多数高分子材料具有卓越的电绝缘性能,其电阻多数高分子材料具有卓越的电绝缘性能,其电阻率高、介电损耗小,电击穿强度高率高、介电损耗小,电击穿强度高导电高分子的研究和应用近年来取得突飞猛进的
2、发展导电高分子的研究和应用近年来取得突飞猛进的发展本本 章章 内内 容容 电学性能:主要包括电学性能:主要包括导电性能和介电性能导电性能和介电性能。本章讨论高分子材料的导电、介电机理及其影响因素,本章讨论高分子材料的导电、介电机理及其影响因素,导电、介电性能参数的测定与应用,热电性能。导电、介电性能参数的测定与应用,热电性能。l高聚物的介电性能高聚物的介电性能l高聚物的导电性能与导电高分子材料高聚物的导电性能与导电高分子材料l高聚物的电击穿高聚物的电击穿l高聚物的静电作用高聚物的静电作用8.1 8.1 高聚物的介电性能高聚物的介电性能l高聚物在外电场作用下出现的对电能的储存和损高聚物在外电场作
3、用下出现的对电能的储存和损耗的性质,称为耗的性质,称为介电性介电性l用用介电系数介电系数和和介电损耗介电损耗来表示。来表示。l在外电场的作用下,电介质分子中电荷分布所发在外电场的作用下,电介质分子中电荷分布所发生的相应变化称为生的相应变化称为极化极化l极化决定了高聚物的介电行为极化决定了高聚物的介电行为一、分子极化一、分子极化分子极化分子极化变形极化或变形极化或诱导极化诱导极化电子极化电子极化价电子云相对原子核的位移价电子云相对原子核的位移原子极化原子极化原子核之间的相对位移原子核之间的相对位移取向极化取向极化10-15 10-13 s10-13 s以上以上10-9 s以上以上界面极化界面极化
4、诱导偶极矩诱导偶极矩Ed121dd称为变形极化率;1和2分别为电子极化率和原子极化率取向极化取向极化 发生在具有永久偶极矩的极性分子中发生在具有永久偶极矩的极性分子中EEKT02023KT3200l非极性分子在外电场中只产生非极性分子在外电场中只产生诱导偶极矩诱导偶极矩l极性分子产生的是极性分子产生的是诱导偶极矩诱导偶极矩和和取向偶极矩取向偶极矩之和之和E21KTdd3200高分子链的偶极矩是整个分子链中所有偶极矩的矢量和高分子链的偶极矩是整个分子链中所有偶极矩的矢量和CR2n034nn1112型型型CH2CR2nCH2CHRn介质的极化度介质的极化度EnnP00二、介电系数二、介电系数 真空
5、平板电容器的电容真空平板电容器的电容C0与与施加在电容器上的直流电压施加在电容器上的直流电压V及极板上产生的电荷及极板上产生的电荷Q0VQC/0000/CVQQVQC介电系数介电系数 含有电介质电容器的电容与该真空电容器的电容之比含有电介质电容器的电容与该真空电容器的电容之比00/1/QQCC介电系数反映了电介质储存电荷和电能的能力介电系数反映了电介质储存电荷和电能的能力03421NMP可以通过测量电介质介电系数可以通过测量电介质介电系数求得分子极化率求得分子极化率非极性介质非极性介质dNMP003421MnnPR21220摩尔折射率摩尔折射率2n对非极性高聚物也是适用的对非极性高聚物也是适用
6、的联系着介质的电学性能联系着介质的电学性能和光学性能和光学性能Debye方程方程 极性电介质极性电介质)3(3421200KTNMPd非极性介质的摩尔极化强度与温度无关非极性介质的摩尔极化强度与温度无关极性介质的摩尔极化强度随温度升高而减小极性介质的摩尔极化强度随温度升高而减小三、影响高聚物介电系数的因素三、影响高聚物介电系数的因素 (1)高聚物分子结构)高聚物分子结构分子极性越大,极化程度越大,介电系数越就越大分子极性越大,极化程度越大,介电系数越就越大非极性聚合物,非极性聚合物, = 0D, = 2.0 2.3弱极性聚合物,弱极性聚合物, 0 0.5D, = 2.3 3.0中等极性聚合物,
7、中等极性聚合物,0.5 0.7D, = 4.0 7.0(2)外加电场频率)外加电场频率低频电场中,介电系数就是静电场下的数值低频电场中,介电系数就是静电场下的数值0 0频率超过某一范围时,介电系数减小。频率超过某一范围时,介电系数减小。高频电场下,最后只会发生电子极化,介电系数高频电场下,最后只会发生电子极化,介电系数达到最小值。达到最小值。(3)温度的影响)温度的影响非极性高聚物的介电系数与温度关系不大非极性高聚物的介电系数与温度关系不大极性高聚物一般来说在温度不太高时,介电系数极性高聚物一般来说在温度不太高时,介电系数增加,到超过一定温度范围后,介电系数减小。增加,到超过一定温度范围后,介
8、电系数减小。三、介电损耗三、介电损耗 电介质在电介质在交变电场交变电场中极化时,会因极化方向的变化中极化时,会因极化方向的变化而损耗部分能量而发热,称而损耗部分能量而发热,称介电损耗介电损耗。u电导损耗:电导损耗:电介质所含的微量导电载流子在电场电介质所含的微量导电载流子在电场作用下流动时,因克服电阻所消耗的电能。作用下流动时,因克服电阻所消耗的电能。u极化损耗:极化损耗:由于分子偶极子的取向极化造成的。由于分子偶极子的取向极化造成的。非极性聚合物,电导损耗是主要的。非极性聚合物,电导损耗是主要的。极性聚合物,其主要部分为极化损耗极性聚合物,其主要部分为极化损耗只有当电场变化速度与微观运动单元
9、的本征极化速只有当电场变化速度与微观运动单元的本征极化速度相当时,介电损耗才较大度相当时,介电损耗才较大真空电容器真空电容器200*0*0*tieVCVCidtdVCtiI电介质电容器电介质电容器CRiIIVCCiVCiidtdVCtiI *00*0*0* i复介电系数复介电系数 为实数部分,即试验测得的介电系数为实数部分,即试验测得的介电系数为虚数部分,称为损耗因子。为虚数部分,称为损耗因子。 *0VCIC“纯电容纯电容”的电流的电流“纯电阻纯电阻”的电流的电流*0VCIR 用用“电阻电阻”电流与电流与“电容电容”电流之比表征介质的介电损耗电流之比表征介质的介电损耗 *0*0tanVCVCI
10、ICR tan称介电损耗正切,称介电损耗正切,tan的物理意义是在每个交变的物理意义是在每个交变电压周期中,介质损耗的能量与储存能量之比。电压周期中,介质损耗的能量与储存能量之比。tan越小,表示能量损耗越小。越小,表示能量损耗越小。表示材料介电损耗的大小。表示材料介电损耗的大小。 影响聚合物介电性能的因素影响聚合物介电性能的因素(1)高聚物的分子结构)高聚物的分子结构高分子材料的介电性能首先与材料的极性有关高分子材料的介电性能首先与材料的极性有关非极性聚合物具有低介电系数(非极性聚合物具有低介电系数(约为约为2)和低介)和低介电损耗(电损耗(tg CHnx+ + x I3-还原掺杂还原掺杂
11、(n-doping): CHn + x Na CHnx- + x Na+ 添补后的聚合物形成盐类,产生电流的原因添补后的聚合物形成盐类,产生电流的原因并不是碘并不是碘离子或钠离子而是共轭双键上的电子移动。离子或钠离子而是共轭双键上的电子移动。掺杂导电高分子材料的导电机理掺杂导电高分子材料的导电机理 碘分子从聚乙炔抽取一个电子形成碘分子从聚乙炔抽取一个电子形成I3,聚乙炔分子形成,聚乙炔分子形成带正电荷的自由基阳离子,在外加电场作用下双键上的电子带正电荷的自由基阳离子,在外加电场作用下双键上的电子可以非常容易地移动,结果使双键可以成功地延着分子移动,可以非常容易地移动,结果使双键可以成功地延着分
12、子移动,实现其导电能力。实现其导电能力。+A- 氧氧化化.聚聚乙乙炔炔极极化化子子1、掺杂率对导电高分子材料导电能力的影响、掺杂率对导电高分子材料导电能力的影响 掺杂率小时,电导率随掺杂率小时,电导率随着掺杂率的增加而迅速增加;着掺杂率的增加而迅速增加;当达到一定值后,随掺杂率当达到一定值后,随掺杂率增加的变化电导率变化很小,增加的变化电导率变化很小,此时为饱和掺杂率。此时为饱和掺杂率。高分子材料导电能力的影响因素1.00E-091.00E-071.00E-051.00E-031.00E-011.00E+011.00E+03020406080100120聚乙炔的共轭度(掺碘率3.5,室温测试)
13、电导率,S / m2、共轭链长度对导电高分子材料导电能力的影响、共轭链长度对导电高分子材料导电能力的影响 电子运动的波函数在沿着分子链方向有较大的电子云电子运动的波函数在沿着分子链方向有较大的电子云密度,并且随着共轭链长度的增加,这种趋势更加明显,导密度,并且随着共轭链长度的增加,这种趋势更加明显,导致聚合物电导率的增加。致聚合物电导率的增加。高分子材料导电能力的影响因素3、温度对导电高分子材料导电能力的影响、温度对导电高分子材料导电能力的影响 对金属晶体,温度升高引对金属晶体,温度升高引起的晶格振动阻碍其在晶体中起的晶格振动阻碍其在晶体中的自由运动;而对于聚乙炔,的自由运动;而对于聚乙炔,温
14、度的升高有利于电子从分子温度的升高有利于电子从分子热振动中获得能量,克服其能热振动中获得能量,克服其能带间隙,实现导电过程。带间隙,实现导电过程。高分子材料导电能力的影响因素2.2 复合型导电高分子复合型导电高分子复合型导电高分子中,高分子材料本身并不具备导复合型导电高分子中,高分子材料本身并不具备导电性,只充当了粘合剂的角色。电性,只充当了粘合剂的角色。导电性是通过混合在其中的导电性的物质如炭黑、导电性是通过混合在其中的导电性的物质如炭黑、金属粉末等获得的。金属粉末等获得的。复合型导电高分子用作导电橡胶、导电涂料、导电复合型导电高分子用作导电橡胶、导电涂料、导电粘合剂、电磁波屏蔽材料和抗静电
15、材料,在许多领域粘合剂、电磁波屏蔽材料和抗静电材料,在许多领域发挥着重要的作用。发挥着重要的作用。复合型导电高分子的基体有:复合型导电高分子的基体有:常用的导电填料有:常用的导电填料有:碳类(石墨、炭黑、碳纤维、石墨纤维等)碳类(石墨、炭黑、碳纤维、石墨纤维等) 金属类(金属粉末、箔片、丝、条或金属镀层的玻璃纤金属类(金属粉末、箔片、丝、条或金属镀层的玻璃纤 维、玻璃珠等)维、玻璃珠等)金属氧化物(氧化铝、氧化锡等)。金属氧化物(氧化铝、氧化锡等)。 热塑性树脂(如不饱和聚酯、聚烯烃等),热塑性树脂(如不饱和聚酯、聚烯烃等),热固性树脂(如环氧树脂、酚醛树脂)热固性树脂(如环氧树脂、酚醛树脂)
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