材料的电学性质(1)

体积电流方向的直流场强与该处体积电流 密度之比。
v
Rv
S h
U Iv
h S
U Is
bl
4
100克PVC中加入Fe-Al/Al2O3对电阻的影响
12Ω)
PVC的的的的的的的(×10
60000
50000
40000
30000
20000
10000
0
0
2
4
6
8
Fe-Al-Al O 的的的的(的)
23
5
电导率
36
介电击穿现象与介电强度
• 在高电压下，大量电能迅速释放， 电极之间的材料局部被烧毁，材 I 料从介电状态突然变成导电状态， 称介电击穿。 dU/dI=0时的电压称 击穿电压，记作Ub。
• 介h之电比强，度即Eb材是料材能料长击期穿承电受压的与最厚大度
场强，也称击穿场强，单位为 MV/m。
0
Eb
• 聚合物中导电载流子可以是电子Βιβλιοθήκη Baidu空穴，也可以是 正离子、负离子。
• 多数聚合物中存在离子电导：
– 带有强极性基团的聚合物发生本征离解产生电导离子； – 聚合、加工过程中引入的催化剂、添加剂、填料、水份及
其他杂质也可提供导电离子
• 共轭聚合物、聚合物的电荷转移络合物、聚合物的 自由基-离子化合物及有机金属聚合物等具有强的电 子电导。
正、负电荷中心间的距离r和电荷中心所带电量q的乘积， 称偶极矩μ=r×q
30
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。
17
聚乙炔，其掺杂的电导率大幅度提高，掺杂到 6.67%时，能隙将消失。
18
共轭
图 3 三维、二维和一维碳化合物材料
19
聚乙炔链上的共轭缺陷（载流子） 20
1.什么是传统机械按键设计？
传统的机械按键设计是需要手动按压按键触动PCBA上的开关按键来实现功 能的一种设计方式。
传统机械按键结构层图：
• 电压的影响： – 电压增大，一方面使极化增大，另一方面使电导 电流增大，都造成介电损耗增大
35
其他影响介电损耗的因素
• 增塑剂的影响： – 加入非极性增塑剂使介电损耗峰向低温方向移动 （在较低温度下就出现较大的介电损耗）； – 加入极性增塑剂使介电损耗增加，浓度增加也使 损耗峰移向低温方向
• 杂质的影响： – 导电杂质或极性杂质的存在会增加聚合物的电导 电流和极化率，使介电损耗增加
7
⑶ 不同材料的电导率
①金属 自由电子 电导率高 导电性好 ②硅 半导体 ③离子固体 室温绝缘体 T高 电导率大 （无机 非金属） ④高分子 杂质致有导电性，导电高分子
8
各种材料在室温的电导率
金属和合金
Σ (Ω-1.m-1)
非金属
银 铜，工业纯 金 铝, 工业纯 Al-1.2%,Mn 合金 钠 钨， 工业纯 黄铜（70%Cu-30%Zn 镍,工业纯 纯铁,工业纯 钛,工业纯 不锈钢，301型 镍 铬 合 金 (80%Ni20%Cr）
( 物理意义为载流子在单位电场中的迁移速度) μ=ν/E m2/(v.s)
平均漂移速度（drift velocity）ν，m/s
11
•影响电子电导率的因素： 温度、杂质、缺陷
(A)声子对迁移率的影响,可写成
μL=aT-3/2
(B)杂质离子对迁移率的影响,可写成
μI=bT3/2
12
单质金属中主要是电声子相互作用,电导率的温 度关系为
Ub h
Ub
U
37
聚合物的介电击穿机理
• 本征击穿：在高电压电场作用下，聚合物中微量杂质产生的离子
或电子被电场加速沿电场方向作高速运动，与大分子碰撞激发新的电 子，新的电子获得能量由激发更多的电子，恶性循环的结果导致击穿。 其主要影响因素是聚合物的结构与电场强度，与冷却条件、外加电压 方式（持续或脉冲）和时间及试样的厚度无关。
T/2
T
t
t
32
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。
* ' i" '
0
'
=
0
1
2 2
" = (0 )
• 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。
26
聚合物中的极化现象
• 聚合物中的偶极极化其 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， 称介电松弛谱。
tan"
T
27
介电常数
C Q
C0 Q0
介电常数e 是衡量电介质极化的宏观物理量，表征电介 质贮存电能的能力。 聚合物的介电常数在1.8～8.4之间，多数为2～4。
28
聚合物的介电常数
• 介电常数决定于介质的极化，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。 • 介电常数成为分子极性大小的衡量。
15
发现并发展了导电聚合物 2000年诺贝尔化学奖获得者
Alan J. Heeger 1/3 of the prize USA
University of California anta Barbara, CA, USA b. 1936
Alan G. MacDiarmid 1/3 of the prize USA
电导G： G 1 I
RU
•电导率
•(1) 表征材料导电性的大小。 单位：S. m-1, （Ω.m）-1
•⑵ 根据电导率对材料的分类
6
材料的分类及其电导率
材料
电阻率
电导率
超导体 导体
半导体 绝缘体
0 10-8-10-5 10-5-107 107-1018
∞ 105-108 10-7-105 10-18-10-7
按键
PCBA
开关键
传统机械按键设计要点：
1.合理的选择按键的类型，尽量选择 平头类的按键，以防按键下陷。
2.开关按键和塑胶按键设计间隙建议 留0.05~0.1mm，以防按键死键。 3.要考虑成型工艺，合理计算累积公 差，以防按键手感不良。
阳离子自由基的产生和移动
聚乙炔异构化产生孤子及移动
22
聚合物的导电特点
第六章 材料的物理性能
• 三、材料的电学性质 • 四、材料的磁学性质
1
三、材料的电学性能
•直流电场 •交变电场——介电性质
介电常数的定义，交变电场中的介电损耗的成因及 影响因素
•弱电场 ——导电性质
电导率和电阻率的定义、载流子定义、电导率的基 本参数及影响因素，超导电性的定义、超导体的特性
•强电场 ——击穿现象 •材料表面——静电现象
在电场作用下能作定向运动的带电粒子。如 半导体中的自由电子与空穴，导体中的自 由电子，电解液中的正、负离子，放电气 体中的离子等。
10
决定电导率的基本参数
载流子类型 charge carrier—— 电子、空穴、正离子、 负离子
载流子数 charge carrier density----n, 个/m3 载流子迁移率 electron mobility
6.3*107 5.85*107 4.25*107 3.45*107 2.96*107 2.1*107 1.77*107 1.66*107 1.46*107 1.03*107 0.24*107 0.14*107 0.093*107
石墨
SiC 锗，纯 硅，纯 苯酚甲醛（电木） 窗玻璃 氧化铝（Al2O3） 云母 甲基丙烯酸甲酯 氧化铍（BeO） 聚乙烯 聚苯乙烯 金刚石 石英玻璃 聚四氟乙烯
2
3.1电阻率和电导率
电阻R：
RU I
某种材料制成的长1米、横截面积是1平方毫米的在常温 下导线的电阻，叫做这种材料的电阻率。
体积电阻率：V , Ω·m 表面电阻率：S , Ω
3
表面电阻率与体积电阻率
• 聚合物的表面和本体中具有不同的导电特性。
• 表面电阻率：rs
s
Rs
l b
U Is
b l
体积电阻率rv：
29
聚合物的介电常数
• 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：0< ≤0.5， e =2.3-3.0 – 中等极性聚合物：0.5D< ≤0.7D， e =3.0-4.0 – 强极性聚合物： >0.7D， e =4.0-7.0
24
聚合物的导电性与分子结构
• 电荷转移络合物和自由基-离子化合物具有高电导 性：聚2-乙烯基吡啶-碘的电导率约0.1W-1·m-1；
• 有机金属聚合物金属离子引入聚合物主链，具有 更高的电导率，聚酞菁铜电导率约5W-1·m-1。
25
3.2 极化与介电现象
• 在外场(电场、力、温度)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。
• 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。
T
• 温度升高还可能使电导电流增大，到一定程度时，电导损耗 成为主要的损耗。
34
其他影响介电损耗的因素
• 分子结构的影响： – 分子极性越大、极性基团密度越大，介电损耗越 大；非极性聚合物的tand在10-4数量级，极性聚合 物在10-2数量级
Σ （Ω-1.m-1）
105 (平均) 10 2.2 4.3*10-4 10-7-10-11 <10-10 10-10-10-12 10-11-10-15 〈10-12 10-12-10-15 〈10-14 〈10-14 〈10-14 〈10-16 〈10-16 9
载流子的定义
电流载体，称载流子。 载流子指可以自由移动的带有电荷的物质 微粒，如电子和离子。
0 2
1 2 2
tan = " (0 )
' 0 2 2
'
m
1
m
1
0
" tan
" m
" tan
tan m
log 33
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；
23
聚合物的导电性与分子结构
• 饱和的非极性聚合物具有最好的绝缘性能：PS、 PTFE、PE的实测电阻率约1016-18W·m，理论值高 达1023W·m；
• 极性聚合物绝缘性稍差：聚砜、聚酰胺、PAN、 PVC的电阻率约1012-15W·m；
• 共轭高聚物是半导体材料：共轭p电子去定域化提 供了电子载流子。聚丙烯腈脱氢裂解环化产物的 电导率约0.1W-1·m-1；
31
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；
0
• 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；
0
• 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。
Eletronic field Polarization
• 热击穿：在高电压电场作用下，介电损耗产生的热量来不及散发，
使聚合物温度升高，导致电导率升高，产生更多热量，恶性循环的结 果导致聚合物的氧化、熔融和焦化以致击穿。热击穿电压与环境温度、 散热条件、加压时间和升压速度有关。
σ∝T-1。 半导体和绝缘体的电导率随温度变化以指数函数 增大
σ=σ0exp(-Eg/2kT)
13
•影响离子电导率的因 素 • 温度 • 晶体结构 • 晶格缺陷
14
聚合物的电导性 结构型 高分子本身导电 添加型 高分子中添加导电材料
1977年， Heeger 、MacDiarmid 和白川英树发现当聚 乙炔薄膜用Cl2、Br2或I2蒸气氧化后，其电导率可提高 几个数量级。 通过改变催化剂的制备方法和取向，电导率可达105 S·cm－1。（Cu为108 S·cm －1 ）。
University of Pennsylvania Philadelphia, PA, USA b. 1927
白 川 英 树
Hideki Shirakawa 1/3 of the prize Japan
University of Tsukuba Tokyo, Japan b. 1936
16
1974年，白川英树等人用Ziegler-Natta催化剂制备聚乙炔薄膜 铜色（cis-，电导率10－8～10－7 S·cm－1） 银色（trans-，电导率10－3～10－2 S·cm－1）