第八章 高聚物的电学性质1分析
高聚物的电学性能
电介质的极化现象
h
7
高分子电介质的极化现象
电子极化 原子极化
原子的价电子云 分子骨架
位移极化 /变形极化
诱导偶极矩
取向极化 极性分子沿电场方向排布取向
偶极极化
e电子 a原子 μ取向 α极化率 El 作用在分子上的局部电场强度 μ 偶极矩
h
8
极性分子取向极化作用示意图
无电场时
有电场时
电场强度、温度很低
h
17
h
18
影响介电损耗的因素
分子结构
分子极性大小 极性基团密度 极性基团的可动性
外加频率
温度
电压
增塑剂
杂质高聚物
h
19
影响介电损耗的因素
介电常数大而介电损耗不大
h
20
影响介电损耗的因素
分子结构 外加频率
温度
电压
增塑剂
杂质高聚物
h
21
影响介电损耗的因素
分子结构 外加频率 温度
电压 增塑剂 杂质高聚物
结晶区 非晶区
α
链段
β γ 1 极性侧基绕C－C的旋转 2 环单元的构象振荡 3 主链局部链段的运动
晶区：
1 晶区中高分子的链段的运动 2 结晶表面上的局部链段运动 3 晶格缺陷处的基团运动
h
31
固体高聚物的介电松弛过程
h
32
h
33
h
34
介电常数 介电损耗 介电击穿
h
35
介电击穿：在高压下，大量的电能迅速释放，使电极之间的 材料局部被烧毁的现象。
h
9
高分子电介质的极化现象
电子极化 原子极化
原子的价电子云 分子骨架
高聚物的电性能课件
响介电性能。
空间电荷效应
03
高聚物中的空间电荷会在电场作用下发生迁移，影响介电常数
和介电损耗。
03
高聚物的静电现象
简介
高聚物静电是指高分子材料在加工、运输和使用过程中因摩擦而产生静电的现象。
高聚物静电的产生与高分子材料的性质、环境条件以及操作过程中的摩擦、接触等 有关。
高聚物静电的产生会导致一系列问题，如材料表面的污染、吸附灰尘、影响产品质 量等。
THANKS
高聚物静电的危害与预防
危害
高聚物静电的产生会导致材料表 面的污染、吸附灰尘、影响产品 质量等问题，甚至可能引发火灾 或爆炸等安全事故。
预防
为防止高聚物静电的产生和危害 ，可以采取一系列措施，如增加 环境湿度、使用抗静电剂、改善 加工工艺等。
高聚物静电的应用
应用
高聚物静电在某些领域 也有着重要的应用，如 静电喷涂、静电除尘、
高聚物的介电性能在电子、通信、航 空航天等领域具有广泛的应用，如绝 缘材料、电容器等。
影响高聚物介电性能的因素
01
02
03
04
分子结构
高聚物的分子结构对其介电性 能具有显著影响，如极性基团
的数量和排列方式等。
温度和频率
介电性能随温度和频率的变化 而变化，不同高聚物的变化规
律可能不同。
湿度
湿度对高聚物的介电性能也有 影响，湿度较高时，介电常数
飞机和汽车材料
高聚物电磁屏蔽材料可以 用于制造飞机和汽车的金 属化玻璃、门板等部件， 以提高其电磁屏蔽性能。
军事领域
高聚物电磁屏蔽材料可以 用于制造军事装备的隐身 涂层，以提高其隐身性能 。
05
高聚物的电热性能
简介
高聚物的电学性能
介电强度与击穿场强
介电强度
表示高聚物在电场作用下抵抗电击穿的能力，与高分子的结 构、形态、杂质含量等因素有关。
击穿场强
高聚物发生电击穿时的临界电场强度，一般随着温度升高而 降低，同时也受到湿度、电压波形等条件的影响。
04 高聚物压电性能
压电效应原理及分类
压电效应原理
指某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出 现正负相反的电荷。
界面相容性的改善
通过添加界面改性剂或使用特殊制备工艺，改善高聚物与其他功能 材料之间的界面相容性，提高复合材料的性能稳定性。
多层次结构设计
设计多层次结构的高聚物复合材料，实现材料在不同尺度上的电学性 能优化。
表面处理法
表面处理技术的选择
采用等离子体处理、化学接枝等表面处理技术，对高聚物表面进 行改性。
应用领域及前景展望
温差发电可利用工业余热、汽车 尾气等废热源进行发电，节能环 保。
传感器领域，高聚物热电材料可 用于制作温度传感器、流量传感 器等器件。
高聚物热电材料在温差发电、制 冷和传感器等领域具有广泛应用 前景。
制冷方面，高聚物热电材料可制 成小型、轻便的制冷器件，用于 电子设备的散热等。
随着材料科学的发展和技术进步 ，高聚物热电材料的性能将不断 提高，应用领域也将进一步拓展 。
成空穴电流。这也是导电高聚物或有机半导体的一种导电机制。
02
空穴浓度与迁移率
空穴导电性能与空穴浓度和迁移率密切相关。高空穴浓度和高迁移率有
助于提高空穴导电性能。
03
能量带隙与载流子生成
能量带隙大小影响载流子（电子和空穴）的生成和复合过程，进而影响
高聚物的电学性能
高聚物的电学性能一、几个基本概念1、高聚物的介电性：高聚物在外电场作用下由于分子极化将引起电能的贮存和损耗，这种性能称为介电性，通常用介电常数和介电损耗来表示。
2、分子的极化：在外电场作用下，电介质分子或者其中某些基团中电荷分布发生的相应变化称为极化，包括电子极化、原子极化、取向极化、界面极化。
3、介电常数（介电系数）：定义含有电介质的电容器的电容与相应真空电容器的电容之比为该电容器的介电常数e。
e是衡量电介质极化程度的宏观物理量，它可以表征电介质贮存电能的能力。
4、介电损耗：在交变电场中电介质消耗一部分能量而发热的现象称为介电损耗。
高聚物的介电损耗可分为电导损耗和偶极损耗，其中前者是非极性高聚物介电损耗的主要部分；后者是极性高聚物介电损耗的主要部分.5、介电击穿：在强电场中（107~108V/m),随着电压的升高，高聚物的电绝缘性能会逐渐下降，电压升高到一定数值时，高聚物中因有很大的电流通过而完全失去了绝缘性质，大量电能迅速释放，有时甚至伴随着物理破坏（如材料局部烧毁等），这些现象统称为介电击穿。
一、高聚物的导电特点1、材料导电原理：2、载流子：电子、空穴、正负离子3、材料的导电性与载流子的多少及其运动速度有关4、材料导电性的表示方法：电阻率(体积电阻率与表面电阻率）或电导率5、大多数高聚物导电性很低，属绝缘体，有部分高聚物具有半导体、导体的导电率聚合物的导电机理：导电载流子可以是电子、空穴、正负离子；无共轭双键的非极性高聚物主要是离子导电共轭聚合物、聚合物的电荷转移聚合物、聚合物的自由其-离子化合物和有机金属聚合物具有强的电子电导（表现为半导体或导体）。
二、表面电阻率和体积电阻率1、表面电阻率Rs：表征高聚物表面的导电性，规定为单位正方形表面上两刀形电极之间的电阻，单位为欧姆2、体积电阻率Rv:表征高聚物体内导电性，是体积电流方向的直流场强与该处体积电流密度之比，单位为欧姆*米3、三、高聚物的导电性与分子结构的关系1、饱和非极性聚合物具有最好的绝缘性2、极性高聚物的电绝缘性较饱和非极性聚合物差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-离子化合物是高电子电导材料，通过电子给予体和电子接受体之间的电荷转移而传递电子导电5、有机金属聚合物：将金属原子引入聚合物主链，其电子电导增加四、影响高聚物导电性的因素1、分子量：分子量增加电子电导增加，离子电导下降2、结晶与取向：离子电导率下降，电子电导增加3、交联：离子电导下降，电子电导增加4、杂质：使绝缘高聚物导电性增加5、添加剂：如极性增塑剂、导电填料等可使导电性提高6、湿度：增加电导性（极性高聚物较显著）7、温度：温度升高导电性增加五、高聚物的静电现象1、静电现象：任何两种物质，互相接触或磨擦时，只要其内部结构中电荷载体的能量分布不同，在它们各自的表面就会发生电荷再分配重新分离后，每一种物质都将带有比其接触或磨前过量的正（或负）电荷，这种现象称为静电现象；2、高聚物在生产、加工、使用过种中常会带有大量的电荷，变成带电体，绝缘性的高聚物静电消除缓慢。
第八章 高聚物电学性质PPT课件
介电损耗温度谱示意图
28
在这些图谱上，高聚物的介电损耗 一般都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。按照这些 损耗峰在图谱上出现的先后，在温 度谱上从高温到低温，在频率谱上 从低频到高频，依次用、、命 名。
第八章 高聚物电学性质
• 第一节 概述 • 第二节 高聚物的极化及介电常数 • 第三节 高聚物的介电损耗 • 第四节 高聚物的导电性 • 第五节 高聚物的介电击穿 • 第六节 高聚物的静电现象、危害和防止
1
整体概述
概况一
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概况二
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• 电子极化是外电场作用下分子中各个
原子或离子的价电子云相对原子核的 位移。
• 极化过程所需的时间极短，约为
10-13~10-15s。
• 当除去电场时，位移立即恢复，无能
量损耗，所以也称可逆性极化或弹性
极化。
10
2.原子极化
• 分子骨架在外电场作用下发生变形造
成的。
• 如CO2分子是直线形结构O=C=O，极
• 定义含有电介质的电容器的电容C与相
应真空电容器的电容之比为该电介质
的介电常数ε，即
C
C0 Q0
17
电介质的极化程度越大，Q 值越 大，ε 也越大。
介电常数是衡量电介质极化程度 的宏观物理量，表征电介质贮存 电能能力的大小。
18
第三节 高聚物的介电损耗
一、介电损耗的意义及其产生原因 1.介电损耗的意义
7
• 本章将简要介绍高聚物的极
化，介电常数、介电损耗、绝 缘电阻、介电强度以及静电等 现象和概念。
高聚物电学性质
9
1.电子极化
• 电子极化是外电场作用下分子中各个原 子或离子的价电子云相对原子核的位移。 • 极化过程所需的时间极短，约为 10-13~10-15s。 • 当除去电场时，位移立即恢复，无能量 损耗，所以也称可逆性极化或弹性极化。
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2.原子极化
• 分子骨架在外电场作用下发生变形造 成的。 • 如CO2分子是直线形结构O=C=O，极 化后变成个 ，分子中正负电荷中 心发生了相对位移。 • 极化所需要的时间约为10-13s并伴有 微量能量损耗。
2
第一节 概述
什么是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介电性能、 导电性能、电击穿性质以及与其他材料接触、摩擦时所引 起的表面静电性质等。
大多数高聚物固有的电绝缘性质已长期被利用来约束和保 护电流，使它沿着选定的途径在导体里流动，或用来支持 很高的电场，以免发生电击穿。 品种繁多的高聚物，有着极宽的电学性能指标范围，它们 的介电常数从略大于1到103或更高，电阻率的范围超过 20个数量级，耐压可高达100万伏以上。
ε = C / C 0 = 1 + Q ′ / Q0
介电系数反映了电介质储存电荷和电能的能力. 从上式可以看出，介电系数越大，极板上产生的感应电 荷Qˊ和储存的电能越多。电介质的极化程度越大，Q 值越 大，ε 也越大。 介电常数是衡量电介质极化程度的宏观物理量，表征电介质 贮存电能能力的大小。 19
21
（2） 极化损耗 这是由于分子偶极子的取向极化造成的。 取向极化是一个松弛过程，交变电场使偶极子转向时，转 动速度滞后于电场变化速率，使一部分电能损耗于克服介质 的内粘滞阻力上，这部分损耗有时是很大的。 对非极性聚合物而言，电导损耗可能是主要的。 对极性聚合物的介电损耗而言，其主要部分为极化损耗。
第8章高分子材料的电学性能
第8章高分子材料的电学性能高分子材料是一类由大量重复单元（称为聚合物）构成的化合物，具有广泛的应用领域。
在这些材料中，电学性能是其中一个重要的特性。
本文将讨论高分子材料的电学性能，包括导电性、介电性和电子运输性质，并介绍一些相关的应用领域。
导电性是一个材料传导电流的能力。
在高分子材料中，导电性通常与电荷传输和电荷载流子浓度有关。
对于一些高分子材料，如导电聚合物，导电路径可以通过特殊的化学修饰或添加导电添加剂来实现。
这些材料在导电方面表现出色，因此在电池、太阳能电池、传感器和导电涂层等领域有着广泛的应用。
介电性是材料在外加电场下储存电能的能力。
高分子材料的介电性通常与材料的极化行为相关。
通过改变高分子材料的结构和组成，可以调节材料的介电性能，从而用于电容器、绝缘材料和电子陶瓷等应用。
高分子材料在这些领域的应用主要是基于其低成本、良好的加工性能和机械强度。
电子运输性质是电子在高分子材料中传输的能力。
高分子材料的电子运输性质主要与材料的载流子迁移率和载流子浓度有关。
通过调节材料的化学结构和组成，可以实现高分子材料的电子运输性能的调控。
这些材料在有机电子学和光电子学等领域有着广泛的应用，如有机太阳能电池、有机场效应晶体管和有机发光二极管等。
除了以上的基本电学性能，高分子材料还可以通过添加导电添加剂、纳米填料和各种化学修饰来实现特殊的电学性能。
例如，通过掺杂导电添加剂，可以调节材料的导电性能，提高电导率。
通过添加纳米填料，可以改善材料的介电性能和力学强度。
通过化学修饰，可以改变材料的表面性质，如表面电导率和阻抗。
综上所述，高分子材料的电学性能是其重要的特性之一、在导电性、介电性和电子运输性质等方面的研究为高分子材料在电子学和光电子学等领域的应用提供了理论基础和技术支持。
未来，随着对高分子材料电学性能研究的深入，这些材料在先进电子器件和能源转换等领域的应用有望得到更好地开发和应用。
聚合物电性能
7.4 聚合物的电学性质一提起高聚物的电学性质，人们马上会想起高聚物是一种优良的电绝缘体，广泛用作电线包皮。
这的确是高聚物优良的电学性质的一个重要方面，即高的电阻率、很高的耐高频性、高的击穿强度，所以是一种理想的电绝缘材料。
其实有的高聚物还具有大的介电常数和很小的介电损耗，从而可以用作薄膜电容器的电介质。
还有其他具有特殊电功能的高聚物相继出现，比如高聚物驻极体、压电体、热电体、光导体、半导体、导体、超导体等。
研究高聚物的电学性质，除了生产上的实用价值外，它还有重要的物理意义，因为高聚物的电学性质往往最灵敏地反映高分子内部结构和分子运动之间的关系。
电学性质能在比力学性质更宽的频率范围内测定，测定精确性和灵敏性都高，因而成为研究高分子结构和分子运动的有力手段。
7.4.1 聚合物的介电性介电性是指高聚物在电场作用下，表现出对静电能的储存和损耗的性质。
通常用介电常数和介电损耗来表示。
根据高聚物中各种基团的有效偶极距μ，可以把高聚物按极性的大小分成四类：非极性（μ＝0）：聚乙烯、聚丙烯、聚丁二烯、聚四氟乙烯等弱极性（μ≤0.5）：聚苯乙烯、天然橡胶等极性（μ＞0.5）：聚氯乙烯、尼龙、有机玻璃等强极性（μ＞0.7）：聚乙烯醇、聚酯、聚丙烯腈、酚醛树脂、氨基塑料等聚合物在电场下会发生以下几种极化：（1）电子极化，（2）原子极化，（3）偶极极化。
聚合物的极化程度用介电常数ε表示。
它定义为介质电容器的电容比真空电容器增加的倍数式中：V为直流电压；Q0、Q分别为真空电容器和介质电容器的两极板上产生的电荷；Q’为由于介质极化而在极板上感应的电荷。
介电常数的大小决定于感应电荷Q’的大小，所以它反映介质贮存电能的能力。
非极性分子只有电子和原子极化，ε较小；极性分子除有上述两种极化外，还有偶极极化，ε较大。
此外还有以下因素影响ε：（1）极性基团在分子链上的位置。
在主链上的极性基团活动性小，影响小；在柔性侧基上的极性基团活动性大，影响大。
第8章 高分子材料的电学性能
材料科学与工程学院
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➢大分子交联会妨碍极性基团取向，使介电系数降低 ➢支化结构会使大分子间相互作用力减弱，分子链 活动性增强，使介电系数增大
➢结晶高聚物在低于熔点温度下，介电系数和介电 损耗都随结晶度的提高而下降
材料科学与工程学院
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（2）温度和交变电场频率的影响
'
0
1
2 2
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第8章 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介电性 能、导电性能、电击穿性质以及与其他材料接触、摩 擦时所引起的表面静电性质等。 ➢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 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发展
tanδ称介电损耗正切，tanδ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。tanδ
越小，表示能量损耗越小。
表示材料介电损耗的大小。
材料科学与工程学院
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影响聚合物介电性能的因素
（1）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 ➢非极性聚合物具有低介电系数（ε约为2）和低介 电损耗（tgδ<10-4）； ➢极性聚合物具有较高的介电常数和介电损耗 ➢同一聚合物高弹态下的介电系数和介电损耗要 比玻璃态下大
P0
n2 n2
1 2
M
n 2 联系着介质的电学性能 和光学性能
对非极性高聚物也是适用的
材料科学与工程学院
12
Debye方程
极性电介质
P~ 1 M 2
4 3
第八章：聚合物的电性质
在理论上，聚合物的电学性质往往最灵敏的反映 了聚合物内部结构与精细运动之间的关系。尤其可在 相当宽的频率范围内进行观察，所得的结果有时比力 学性能的更可靠，更深入。因此聚合物电学性能的研 究已成为高分子物理学科研究高分子运动最重要的手 段之一。 通过聚合物电性能的研究可以为电气工程提供选 材的数据和理论依据。
非极性聚合物的tgδ<1X10-4,极性聚合物的
tgδ=1X10-1～5X10-3 在交变电量中介电系数写成复数形式
*
ε*=ε′-iε″ 通常用作绝缘材料或电容器材料的聚合物要求tgδ越 小越好。否则不仅会消耗较多的电能，还会引起材料本 身发热，加速材料老化。如果需要对聚合物高频加热进 行干燥，模塑或对塑料薄膜进行高频焊接，则要求聚合 物具有较高的tgδ值。
1
S R h
h G S
上式中，ρ—电阻率，Ω.m； ζ—电导率，Ω-1 .m-1 显然电阻率或电导率与材料的尺寸无关，而只 决定于材料的性质，故用来表征材料的导电性，电 阻率越小或导电率越大，则导电性越好。
有时需要分别表示材料表面和内部不同的导电性， 其指标为表面电阻率和体积电阻率。 通过试样表面的电流Ｉs Ｉ 相应R 通过试样体积内的电流ＩV Rs—表面电阻 RV—体积电阻
电阻越大，或电阻率越高，电导率越小，绝缘性 越好。 按电阻率或电导率的大小可分为绝缘体，半导体， 导体，超导体。 电阻率(Ω .m) 绝缘体 半导体 导体 超导体 1018 ～107 107 ～10-5 10-5 ～10-8 <10-8 电导率(Ω-1 .m-1 ) 10-18 ～10-7 10-7 ～105 105 ～108 >108
弱极性聚合物： 0<μ≤0.5 ε=2.3～3.0 tgδ=4x10-4 ～10-3 ρv=1015 ～1016 如：PS，PＩB，NR
高聚物的介电性
计算值
2.20 2.15 2.55 2.82 2.0 3.20 2.94 3.45
实验值
高聚物
2.3 2.2 2.55 2.6 2.1 2.25 2.6/3.7 3.4
聚α-氯代丙烯酸乙酯 聚甲基丙烯酸乙酯 聚丙烯腈 聚甲醛 聚苯醚 聚对苯二甲酸乙二酯(无定型) 聚碳酸酯 聚已二酰已二胺
计算值
3.20 2.80 3.26 2.95 2.65 3.40 3.00 4.14
－ － － －－ －－ －
高聚 物在 电场 中极 化示 意图
§8-1 高聚物的介电性
二、高聚物的介电性
▲高聚物的介电常数（dielectric constant）
△定义
C Q0 Q'
C0
Q0
显然，高聚物极化程度越大，极板感应产生的电荷Q’越大，介电常数越大。 △常见高聚物的介电常数
高聚物
聚乙烯（外推到无定型） 聚丙烯（无定型） 聚氯化苯乙烯 聚四氟乙烯（无定型） 聚氯乙烯 聚醋酸乙烯酯 聚甲基丙烯酸甲酯 聚α-氯代丙烯酸甲酯
0.24 0.3 0.48 0.96 1.55 4.8 15.8 687 720 3770
聚聚聚聚 聚聚 氯 聚 聚 聚聚维聚 醋 纤聚
四丙乙苯 苯偏 化 碳 氯 丙对尼甲 酸 维酰
氟烯烯乙 醚二 聚 酸 乙 烯苯纶基 纤 素胺
乙 烯 氯 醚酯 烯 腈二 丙维
烯
乙
甲烯
烯
酸酸
乙甲
二酯
酯
二、静电的利与弊
实验值
3.1 2.7/3.4
3.1 3.1 2.6 2.9/3.2 2.6/3.0 4.0
§8-1 高聚物的介电性
▲高聚物的介电损耗（dielectric loss）
第八章高聚物的电学性质
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：
qd
(8-8)
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 际单位为库仑·米，习惯用德拜(Debye)，简写D。
1 Debye=3.33×10-30库仑·米
按极化机理，分子的极化可分为：
⑴ 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10-15～10-13s。
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。
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 电流可能成为主要的损耗。
弱极性高聚物
0 < ≤0.5D e = 2.3∼3.0
中等极性高聚物 0.5D < ≤0.7D e = 3.0∼4.0
强极性高聚物
> 0.7D 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。
非极性分子的偶极距等于零，Clausius-Mosotti 关系可 写成：
⑵ 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。
第八章高聚物的电学性质
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。
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。
⑴ 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10-15～10-13s。
⑵ 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。
第五节 高聚物的静电现象
一、 实验现象
静电现象
二、 静电起电机理
1.离子电导：可以是正和负离子。 ⑴ 带有强极性原子或基团聚合物的本征解离。 ⑵ 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。
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。
四、 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α峰对应 高分子的链段 运动的松弛损 耗，而β、γ对 应于较小运动 单元的次级松 弛损耗。
四、 高聚物的导电性与分子结构的关系
高聚物的电学性质及其它性质
2.58
2.97-3.17
酚醛树脂
硝化纤维素
5.0-6.5
7.0-7.5
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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。
•非极性分子只有电子极化和原子极 化。 Materials
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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=3.33×10-30库仑· 米
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、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。
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电子极化
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• 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10-13～10-15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 称可逆极化或弹性极化。
8高聚物的其它性质
0C C =ε 第八章 高聚物的其它性质第一部分 内容简介第一节 高聚物的极化及介电常数一、电介质在外场中的极化介电常数：=∈/∈0Ｃ、Ｃ０ 分别是电容器和真空电容器的电容，∈、∈0分别为电容器和真空电容器的电容率。
极化强度：P=Q/S（对于平行板间各向同性的电介质，极化强度等于极化电荷密度）P=(ε -1)∈0E大分子极化方式：电子极化诱导极化 （位移极化或变形极化） 原子极化取向极化界面极化分子极化率：μ=αE lμ为外电场在分子上引起的一个附加偶极矩α为分子极化率α=αd+αμ=αe+αa+αμαe、αa、αμ分别为电子极化率、原子极化率和取向极化率，E l为作用在分子上的局部电场强度二、电介质在外场中的极化第二部分教学要求主要内容：（1）高聚物的介电、导电性及应用（2）高聚物的粘合机理、粘合强度及影响因素（3）高聚物的透气性及影响因素掌握内容：（1）极化、介电常数、介电损耗、体积电阻、表面电阻的概念（2）粘合强度的概念（3）气体渗透系数的概念理解内容：（1）极化机理（2）介电常数、介电损耗、粘合强度、透气性的影响因素了解内容：（1）导电机理（2）击穿机理（3）介电松弛谱（4）静电起因（5）粘合机理名词解释介电常数介电损耗介电松弛谱表面电阻率体积电阻率粘合性剥离混合性剥离内聚性剥离气体渗透系数高聚物有几种极化方式？何为介电性？介电常数的表达式是什么？其物理意义是什么？讨论以下因素对介电常数的影响：（1）柔顺性（2）外场频率（3）作用温度试用介质电容器推导：tgδ=ε’/ε”并说明tgδ的物理意义。
导出在交变电场中单位体积的介电损耗功率与电场频率的关系式，并讨论当ω→∞时介质的损耗情况。
试推导Debye色散方程式，并求出复介电常数*ε的实部'ε、虚部"ε以及"ε、m ax δtg的特征值表达式。
m ax何为载流子？简述高聚物的导电机理。
要使高聚物具有导电性有哪些途径？何为电击穿？高聚物的电击穿有哪几种机理？何为静电现象？如何消除有害的静电现象？简述粘合吸附理论和粘合扩散理论的要点，并讨论粘合强度的影响因素。
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间位置的程度，决定了键是极性还是非极 性以及键极性的强弱。
正负电荷分布各有一个中心，正负电荷中ห้องสมุดไป่ตู้
心正好重合的分子为非极性分子，不重合 的便成为极性分子。
键极性强弱和分子极性强弱
化学上的μ方向与物理上的相反（电子
负）
分子极化分类
极性分子取向极化作用示意图
P Nα El
三、介电常数与分子极化强度的 关系
四、高聚物的介电常数和结构的 关系
极性基团的影响
思考题
分子结构对介电常数的影响
酚醛塑料极性很大，但介电常数不大，为
什么？
五、高聚物的介电损耗
介电损耗原因
（1）电介质中含有能导电的载流子，它在
外加电场的作用下产生电导电流，消耗掉 一部分电能转化为热能，称为电导损耗。 （2）电介质在交变电场下的极化过程中与 电场发生能量交换。取向极化过程是一个 松弛过程，电场使偶极子转向时，一部分 电能损耗于克服介质的内粘滞阻力上转化 为热量，发生松弛损耗；变形极化是一种 弹性过程或谐振过程，当电场的频率与原 子或电子的固有振动频率相同时发生共振 吸收，损耗电场能量最大。
介电损耗的表征
常见高聚物介电损耗角正切tanδ
影响介电损耗的因素
1、分子结构的影响：
分子极性越大，极性基团密度越 分子极性的大小 大，则介电损耗越大。一般非极 性高聚物的tanδ在 10 ，而极性 极性基团的密度 高聚物的tanδ在 10 数量级。 极性基团的可动性 当极性基团位于高聚物的β位上或柔性侧基 的末端时，由于其取向极化的过程是一个 独立的过程，引起的介电损耗并不大，但 仍能对介电常数有较大的贡献。（见课本 表8-4）
α α e α a αμ
（2）对于非极性分子不发生取向极化：
α α e α a
界面极化：对于非均相介质，在 外电场作用下，电介质中的电子 或离子在界面处堆积，产生界面 处的极化。
极化时间从几分之一秒到几分钟，甚至更
长 如果单位体积电介质里的分子数为N，则极 化强度P： P N μ 极化强度和分子极化率的关系：
对于一个分子，极化结果相当于外电场在
分子上引起一个附加的偶极距μ，其大小决 El 定于作用在分子上的局部电场强度 。 分子极化率α μ α E l 下面的三种极化率都不随温度改变，只与电 子云分部有关。
变形极化产生的诱导偶极距：
μ 1 α d El
μ 2 αμ El
α d α e α a
取向极化产生的取向偶极距： αμ除了与极性分子的固有偶极距μ的平方成
正比外，还与温度有关。 T ,分子热运动加剧，不易极化，μ2
T ,热运动能量低，分子沿电场方向取向 干扰小，μ2
αμ μ / 3kT
2
k—波兹曼常数
T—温度 （1）对于极性分子三种极化都能发生：
μ μ1 μ2 α d El αμ El ( α e α a αμ）El
平行板电容器的电场强度只与极板距离d和
外加电场U有关：E=U/d 【F—法拉，若平行板间的电位差为1V，则 其带有1C异号电荷时，其两极板间的电压 为1V，则其电容定义为1法拉。】 束缚电荷Q`产生的方向与外加电场相反的 极化附加电场，使电介质内部的电场减弱 ，这就要求电源给极板上补充和极化电荷 Q`相等的电量，即使 Q Q0 Q`极化反 电场被抵消，以维持原来电场强度。
C0 Q0 /U
电容 C0与所加电压大小无关，而取决于电 容的几何尺寸：
C0 ξ 0 * S / d
平行板电容器上的电荷对比图
S——极板的面积 d——两极板之间的间距 12 ξ 0 8.8510 法拉/米，称为真空电容率 若两极板间充满介质：
C Q / U ε * C0 ε *ξ 0 * S / d ξ * S / d
2 2
2 2 ε （ε s ε ） *ω *τ （ / ε s ω τ ε ）
极化强度P—描述电介质极化程度的大小
对于平行板间各向同性的均匀电解质：
P=Q`/S （极化电荷密度）
Q` Q Q0 Q ε C0U Q0 C0U
P( ε 1)C0U / S
又 C0 ξ 0 S / d
U Ed
P ξ 0 ( ε 1) E
二、高分子电介质的极化现象和 分子解释
第八章 高聚物的电学性质
高聚物的电学性质是指聚合物在外加电压 或电场作用下的行为及其所表现出来的各种 物理现象，包括在交变电场中的介电性质、 在弱电场中的导电性质和在强电场中的击穿 现象以及发生在聚合物表面的静电现象。
一、高聚物的极化及介电常数
如果在一真空平行板上加以直流电压U，在
两极板上将产生一定量的电荷 Q0 ，这个真空 电容器的电容 C0为：
4 2
2、频率的影响
随着频率的增加，各种极化过程将在不同的 频率范围内先后出现跟不上电场变化的情 况，ε·阶梯降落。 ε·、ε··和tanδ与频率的关系：
ε ε ( ε s ε ) /(1 ω τ ）
2 2
tan δ ( ε s ε ) *ω * τ /( ε s ε ω τ )
取向极化跟随电场变化示意图
*若电场频率很低，偶极子的转向完全跟得 上电场的变化。 （1）t=0~T/4,电场对偶极子做功，使偶极子 转动取向，偶极子取得能量。 （2）t=T/4~T/2,随着电场强度的减弱，偶极 子由于热运动又回复到原状，在T/4前取得 的能量，在T/4~T/2期间内全部还给系统。 （3）t=T/2~T的后半周期中情况又重复，不 过电场的方向相反，偶极子的取向相反。 *在电场变化的一周中，电场的能量基本不 被损耗。
ε——介电常数，无量纲，它表征电介质贮 存电能力的大小，是介电材料的一个十分 重要的性能指标。
ξ——介质的电容率，表示单位面积和单位 厚度电介质的电容值，单位为法拉/米。 将电介质引入真空电容器，引起极板上的 电荷量增加、电容增大，这是由于在电场 的作用下电介质中的电荷，发生了再分布 靠近极板的介质表面上将产生表面束缚电 荷，结果使介质出现宏观的偶极，这一现 象称为电介质的极化。