第九章聚合物的电性能与光性能

温度对取向极化（介电常数）的影响：
温度↑分子热运动加剧，对偶极取向干扰大——极化↓ 温度↑粘度降低分子间相互作用减小，容易转向——极化↑ 一般：温度较低时前者为影响较大，温度较高时后者为主
四. 影响介电性能的因素
频率
频率很高：tg 较小
作用时间分子运动时间
频率很低：tg 较小
几种高透过率材料的极限透过率
PS
n 1.60 T% 89.9
PMMA
1.49 92.5
PC
1.59 90.1
PET
1.58 90.5
石英
1.45 93.5
9.2.3 透明性与光导
二. 光导纤维——全反射 光从介质 空气 入射角 < 反射角 o 当 达到90 时则将不产生折射——全反射 全反射时的临界入射角：n sin = 1
较高的导电性能
三.影响高聚物导电性能的因素
温度对导电性能的影响：
v Ae
E
RT
T—温度
E—活化能 A、R—常数 o 如：PMMA T=20 C时 o T~100 C时
v 10 cm
v 1014 cm
16
三.影响高聚物导电性能的因素
结晶、取向和交联：
使高聚物丧失电绝缘的性能——击穿 击穿性能的表征——击穿强度 E
VC 击穿的电压 E d 聚合物的厚度
千伏 单位 毫米
9.1.3 高聚物的击穿 击穿的两种形式 电击穿

热击穿

漏电流使聚合物发热 发热使温度升高 进而使电阻率 进一步使漏电流 继续使温度 电阻率直至击穿
9.1.2 高聚物的导电性能
一.导电性的表征——电阻率
S v R v cm d
l s R s d
体积电阻系数 表面电阻系数 S：电极面积 d：厚度 l：电极长度 RV：体积电阻 RS：表面电阻
二. 高聚物的漏电流（体积电阻率）
高聚物的体积电阻率：1010~1020 之间
光弹性效应：
应力作用——使介质产生光学各向异性
应力去除——介质恢复各向同性
n = n// - n
9.2.3 透明性与光导 一. 透明性的衡量——透过率 T
T= I / Io
Io 、I 分别为入射、透射光强
反射——与介质折射率有关 光损失 吸收——与介质化学结构、波长有关 散射——与介质微观的聚集状态有关 非晶聚合物散射损耗小 结晶聚合物散射损耗大
9.2.1 折射、反射和吸收
三.吸收 光的吸收 与聚合物的化学结构和光的波长有关 聚合物在可见光区一般无特殊的吸收 聚合物在红外、紫外区有特殊的吸收带 光谱分析基本原理： 原子或基团振动频率=光波频率时有吸收
9.2.2 双折射
介质在相互垂直的两个方向折射率之差
高分子薄膜、纤维各向异性明显n大
三.影响高聚物导电性能的因素
分子结构——高聚物导电性能的内在因素
16 ~18 10 cm （PE等） 饱和的非极性高聚物： v
一般的极性高聚物： 共轭结构的高聚物： 电荷转移络合物 自由基-离子化合物 有机金属聚合物等
v 1012~15 cm （PVC等） v 104~10 cm（聚乙炔等）
四. 影响介电性能的因素
温度 T
温度很低： 分子运动松弛时间 > 电场变化的作用时间 t 极化转向不能进行 tg 0 温度很高： 分子运动松弛时间 < 电场变化的作用时间 t 极化转向滯后电场变化极小 0 特定温度：分子运动松弛时间 ~ 电场变化的作用时间 t 介质损耗 t g 有最大值 注意：电导损耗对tg 的影响，当温度足够高时可成主要损耗
二. 介电常数（系数）ε
Q S o C：含有电介质电容器的电容 C U d
Co：该真空电容器的电容
ε
Qo S Co o U d
-12 法拉 / 米 为真空电容率 = 8 85 10 o
二. 介电常数ε
介电常数
C Co
描述电介质材料储存电能大小的物理量
ε
是宏观上反映电介质极化程度参数 ε 大——极化强 ε 小——极化弱
第七章 高聚物的电学和光学性能
桂林理工大学 材料科学与工程学院 高分子材料与工程专业 彭锦雯
内容提要
高聚物的电学性能
介电性能、电导性能和电强度 高聚物的光学性能 折反射、双折射、透明性和光导性
9.1
高聚物的电学性能
高聚物的介电性能
高聚物的介电常数(系数)
高聚物的介电损耗(介质损耗)
作用时间分子运动时间
适当频率： tg 最大
作用时间~分子运动时间
四. 影响介电性能的因素
电压
外电场电压增大偶极取向、电导损耗 ∴电压增大将导致高聚物介电损耗tg的 增塑剂 增塑剂加入分子间作用减小极化转向容易 相当于温度 加入极性增塑剂增加新的极化作用 使 tg 和ε 杂质——对介电性能影响很大 导电杂质和极性杂质（如水）



聚合物结构及制品的形状 外界的介质环境、温度 电场的频率、加压的方式和电极的形状 聚合物的纯度与杂质含量
9.2 高聚物的光学性能
反射
光
介质
进入介质
吸收 散射 透过
动、热能
9.2.1 折射、反射和吸收
一. 折射
n 1 sin n 2 sin
聚合物 n（1.3~1.7）
光线 ：空气 (n≈1)
链段运动困难、自由体积减小 使离子迁移困难——离子电导 分子堆砌紧密 有利于分子间电子的传递——电子电导
分子量： 分子量增加分子内的通道——电子电导 分子量由于链端效应使自由体积离子电导 杂质、添加剂——使电导明显增加
9.1.3 高聚物的击穿
当所加电场强度达到某一临界值
四. 影响介电性能的因素
高聚物的分子结构

非极性高聚物μ = 0～0.5 D
介电常数ε 和介质损耗 tg 较低 ε ：22～2.7 tg ： ～10-4

极性高聚物μ ＞0.5 D 介电常数ε 和介质损耗 tg 较大 ε ：30～7.0 tg ： ～10-1～-3
常见高聚物的ε和 tgδ
sin n 聚合物的折射率： sin 影响聚合物折射率的因素：

芳环具有较高的折射率 甲基、F原子具有较低的折射率 波长 折射率
9.2.1 折射、反射和吸收 二. 反射
光线垂直由空气介质 反射系数 R
聚合物介质
2
n 1 R 2 n 1
R
所以： 聚合物的 n
介质
温度高,分子热运动激烈极化分子不易排列整齐, α
μ
低
一.分子的极化
取向极化——在外电场作用下极性电介
质分子发生转向运动 极性分子在电场中的转动
一.分子的极化
极化过程：
需要克服分子间的相互作用 需要时间——对小分子可忽略（10 -8~10秒） 高聚物分子运动单元有大有小（多重性） 极化过程是一个松弛过程,不能忽略 （10 几~ -10秒）
高聚物的漏电流包括三个部分：
瞬时电流 Id ——由电子或原子极化引起 10-13 ~10-15 秒 极化电流 Ia ——由极性基团、偶极取向极化 等引起，随时间逐渐减小0。 10 0~4 秒 漏电电流 I ——由可移动的离子、自由电子等 带电粒子沿电场方向运动形成的稳定电流

高聚物的漏电流（体积电阻率）
三.介质损耗tg
介质损耗：在交变电场中电介质产生的损耗而
发热 介质损耗的原因：

分子极化过程中——由于分子运动克服内摩擦力 作功消耗电能为“极化损耗” 微量的导电载流子在交变电场下运动时—— 克服内摩擦力作功消耗电能为“电导损耗”
极性高聚物的介质损耗主要是极化损耗 介质损耗的利用：高频加热（薄膜袋封口等）
高 聚 物 聚四氟乙烯 聚乙烯 聚丙烯 聚苯乙烯 聚氯乙烯 环氧树脂 硝化纤维素 ε(60HZ) 2.0 2.25~2.35 2.2 2.45~3.10 3.2~3.6 3.5~5.0 7.0~7.5 tgδ(50HZ) ＜0.0002 ~0.0002 0.0002~3 ＜0.0003 0.007~0.02 0.002~0.01 0.09~0.12
9.1.1 高聚物的介电性能 高聚物在外电场作用下出现的 电能储存和损耗的性质 由高聚物的分子在外电场中 的极化引起的 介电常数ε 和介质损耗tgδ 可描述其介电性能
介电 性能
一.分子的极化
极化——在外电场作用下，电介质（高聚物）分子 中电荷分布发生相应变化的现象。

电子极化：电子云相对原字核的位移 极化程度（极化率α e）很小，极化时间很短10-15~13秒 原子极化：原子核之间的相对位移 极化程度（极化率α a）更小，极化时间短10-13秒 取向（分子）极化：极性分子的转向运动 极化程度（取向极化率α μ ），极化时间与运动单元大小 有关
高聚物的绝缘性能
高聚物的电导性能 高聚物的电强度(介电强度)
9.1
高聚物的电学性能
高聚物的电学性能： 高聚物在外电场作用下的行为 及其表现出来的各种物理现象 介电常数ε 高聚物的 介电损耗 tgδ 电学性能 绝缘电阻（系数）ρ 介电程应用中对高聚物的电学性能有不 同的要求: 电容器：ε 大 、tgδ 小、ρ 和 E大 电器绝缘： tgδ 小、ρ 和 E大 无线、通讯及遥控：高频性能优良
特征：击穿强度与
带电粒子在电场作用下运 动 当电场强度很高时带电粒 子运动速度极快 高动能的带电粒子碰撞产 生新的带电粒子 连锁反应使带电粒子数量 激增直至击穿
温度、厚度有关