高分子物理 聚合物的性质
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第九章 聚合物的其他性质
? 9.1 聚合物的电学性质 ? 9.2 聚合物的光学性质 ? 9.3 聚合物的透气性 ? 9.4 高分子的表面和界面性质
? 9.1 聚合物的电学性质
? 高聚物的电学性质：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。
? 在交变电场中的介电性质 ? 在弱电场中的导电性质 ? 在强电场中的击穿现象 ? 在聚合物表面的静电现象
? 温度 ：
? ? Ae E / RT
9.1.4聚合物的电致发光性质
? 带电粒子注入使聚合物处于激发态而产生
跃迁辐射，这种辐射称为电致发光。
? 聚苯撑乙炔（PPV）发光材料：
9.1.5 聚合物的介电击穿
? 在强电场(107—108伏／米)中，材料突然从
介电状态变成导电状态，大量的电能迅速 地释放，使电极之间的材料局部地被烧毁， 这种现象就称为介电击穿。
PM
?
N~a
3?0
?
? ?1 ??2
M
?
? 对于非极性介质，分子极化率是电子极化
率和原子极化率之和
：
PM
?
3N?~0（ae
?
aa )
? 对于极性介质，还要加一项由于极性分子
在电场作用下的取向而产生的极化率：
PM
?
3N?~0（ae
?
aa
?
?2 )
3kT
? 按照偶极矩的大小，可将聚合物大致归为
下面四类：
P ? Q' / S ? (? ? 1)?0 E ? ?? 0 E
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。χ=ε-1
是材料的极化率
? 分子极矩：对于一个分子来说，极化的结果
相当于外电场在分子上引起一个附加偶极矩：
?
? ? ? El
? El 是分子上的局部电场强度，α是分子极化率。 ? 极化强度P 是单位体积内分子偶极矩的矢量和
C
?
Q U
?
?C0
?
?? 0
S d
?
?' S
d
? 介电常数 ：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 ? Q
C0 Q0
?电介质的极化：在电场作用下，使介质出现 宏观的偶极，这一现象称为电介质的极化。 对于平行板间各向同性的均匀电介质，极化 强度等于极化电荷密度，即
?
P=Nμ=NαEl
? N是单位体积内的分子数。
? 材料的介电常数决定于分子极矩。
? ? 1 Na
? Clausius 和Mosotti 导出：? ? 2 ? 3?0
? 如果介质的分子量为M，密度为ρ，利用
Avogadro 常数有 ? ? 1 M ? N~a
? ? 2 ? 3?0
? 定义摩尔极化强度PM:
? 主要特点：高电阻、绝缘体。
9.1.1 聚合物的介电性质
? 真空电容器的电容为
C0
?
Q0 U
? 真空电容器 的电容决定于电容器的几何尺寸，
如果每个极板的面积为S，而两极板间的距 离为d ，则有
C0
?
?0
S d
? 如果在上述电容器的两极板间充满电介质，
这时极板上的电荷将增加到Q，Q = Q0 +Q′， 此时，电容也相应增加为C
铁电高分子
9.1.2 聚合物的介电松弛与介电损耗
? 分子偶极矩的极化也是一个松弛过程，因此，在
交变电场中要损耗能量 ——介电损耗。
? 介质的极化可以分为变形极化 P d与取向极化 P r两
种，
?
P=P d+P r
? 变形可以瞬间完成，取向是松弛的。介电常数与
频率有关，在极高频率（光频）下，取向极化为
0 。而
Pd ? ?0 (?? ? 1)E
? ?? 是光频下介电常数的极限值 。
? 如果是静电场：P ? ?0 (?s ? 1)E
Pr ? ?0 (?s ? ?? )E
t? ?
? ?S 是静电介电常数。其中Pr在平衡态前是
逐渐增大的，因为取向极化是松弛过程，
所以：
?
Pr ? Pr (1 ? e? t /? ) ? ?0 (?s ? ?? )E(1 ? e?t /? )
t? ?
? 考虑交变电场：E ? E0ei? t
? Pd没有位差，而Pr有位差， Pd ? ?0 (?? ? 1)E0ei? t
?
Pr
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Pr ,0ei? t
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Pd
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? 这样P是复数，介电常数也是复数：
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? 这就是Debye色散关系。
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R? U I
G? 1 ? I RU
R?? h G?? S
S
h
? 电阻率：单位是欧 ·米，是单位厚度和单位面积试
样的电阻值；
? 电导率：单位是欧 -1．米-1，是单位厚度、单位面
积试样的电导值。
? 材料的导电性是由于物质内部存在传递电流的自
由电荷（ 载流子）。
? 材料导电性的优劣，还与这些载流子的运动速度
有关。
? ? ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱq?
? 从导电机理来看，在聚合物中，存在电子电导，
也存在离子电导，即导电载流子可以是电子、空 穴，也可以是正、负离子。
? 饱和的非极性聚合物 具有最好的电绝缘性能。
? 极性聚合物的电绝缘性次之。 ? 共轭聚合物 是高分子半导体材料。 ? 电荷转移络合物和自由基 —离子化合物是另一类
高电子电导性的有机化合物。
tan ?
?
? ?'
?
(?s ? ?? )?? ? s ? ? 2? 2? ?
? 用ε'和ε”的表达式消去ωτ可得：
（? '? ?s ? ?? )2 ? ? 2 ? (? s ? ?? )2
2
2
? 介电松弛
9.1.3 聚合物的导电性质
? 材料的导电性是用电阻率或电导率来表示的。电
阻和电导为：
? 结构因素对高聚的导电性有明显影响。
? 分子量对聚合物导电性的影响与聚合物的主
要导电机理有关 。
? 结晶与取向使绝缘聚合物的电导率下降 。
? 交联使高分子链段的活动性降低，自由体积
减少，因而离子电导下降。
? 杂质使绝缘聚合物的绝缘性能下降。
? 湿度影响：与聚合物本身的极性和多孔性有
关。
? 添加剂 ：类似于杂质。
? 击穿电压Ub：介质可承受电压的极限。 ? 介电强度：击穿电压与绝缘体厚度h的比值，
? 9.1 聚合物的电学性质 ? 9.2 聚合物的光学性质 ? 9.3 聚合物的透气性 ? 9.4 高分子的表面和界面性质
? 9.1 聚合物的电学性质
? 高聚物的电学性质：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。
? 在交变电场中的介电性质 ? 在弱电场中的导电性质 ? 在强电场中的击穿现象 ? 在聚合物表面的静电现象
? 温度 ：
? ? Ae E / RT
9.1.4聚合物的电致发光性质
? 带电粒子注入使聚合物处于激发态而产生
跃迁辐射，这种辐射称为电致发光。
? 聚苯撑乙炔（PPV）发光材料：
9.1.5 聚合物的介电击穿
? 在强电场(107—108伏／米)中，材料突然从
介电状态变成导电状态，大量的电能迅速 地释放，使电极之间的材料局部地被烧毁， 这种现象就称为介电击穿。
PM
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? 对于非极性介质，分子极化率是电子极化
率和原子极化率之和
：
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? 对于极性介质，还要加一项由于极性分子
在电场作用下的取向而产生的极化率：
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? 按照偶极矩的大小，可将聚合物大致归为
下面四类：
P ? Q' / S ? (? ? 1)?0 E ? ?? 0 E
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。χ=ε-1
是材料的极化率
? 分子极矩：对于一个分子来说，极化的结果
相当于外电场在分子上引起一个附加偶极矩：
?
? ? ? El
? El 是分子上的局部电场强度，α是分子极化率。 ? 极化强度P 是单位体积内分子偶极矩的矢量和
C
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? 介电常数 ：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 ? Q
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?电介质的极化：在电场作用下，使介质出现 宏观的偶极，这一现象称为电介质的极化。 对于平行板间各向同性的均匀电介质，极化 强度等于极化电荷密度，即
?
P=Nμ=NαEl
? N是单位体积内的分子数。
? 材料的介电常数决定于分子极矩。
? ? 1 Na
? Clausius 和Mosotti 导出：? ? 2 ? 3?0
? 如果介质的分子量为M，密度为ρ，利用
Avogadro 常数有 ? ? 1 M ? N~a
? ? 2 ? 3?0
? 定义摩尔极化强度PM:
? 主要特点：高电阻、绝缘体。
9.1.1 聚合物的介电性质
? 真空电容器的电容为
C0
?
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? 真空电容器 的电容决定于电容器的几何尺寸，
如果每个极板的面积为S，而两极板间的距 离为d ，则有
C0
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? 如果在上述电容器的两极板间充满电介质，
这时极板上的电荷将增加到Q，Q = Q0 +Q′， 此时，电容也相应增加为C
铁电高分子
9.1.2 聚合物的介电松弛与介电损耗
? 分子偶极矩的极化也是一个松弛过程，因此，在
交变电场中要损耗能量 ——介电损耗。
? 介质的极化可以分为变形极化 P d与取向极化 P r两
种，
?
P=P d+P r
? 变形可以瞬间完成，取向是松弛的。介电常数与
频率有关，在极高频率（光频）下，取向极化为
0 。而
Pd ? ?0 (?? ? 1)E
? ?? 是光频下介电常数的极限值 。
? 如果是静电场：P ? ?0 (?s ? 1)E
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? ?S 是静电介电常数。其中Pr在平衡态前是
逐渐增大的，因为取向极化是松弛过程，
所以：
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? 电阻率：单位是欧 ·米，是单位厚度和单位面积试
样的电阻值；
? 电导率：单位是欧 -1．米-1，是单位厚度、单位面
积试样的电导值。
? 材料的导电性是由于物质内部存在传递电流的自
由电荷（ 载流子）。
? 材料导电性的优劣，还与这些载流子的运动速度
有关。
? ? ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱq?
? 从导电机理来看，在聚合物中，存在电子电导，
也存在离子电导，即导电载流子可以是电子、空 穴，也可以是正、负离子。
? 饱和的非极性聚合物 具有最好的电绝缘性能。
? 极性聚合物的电绝缘性次之。 ? 共轭聚合物 是高分子半导体材料。 ? 电荷转移络合物和自由基 —离子化合物是另一类
高电子电导性的有机化合物。
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? 介电松弛
9.1.3 聚合物的导电性质
? 材料的导电性是用电阻率或电导率来表示的。电
阻和电导为：
? 结构因素对高聚的导电性有明显影响。
? 分子量对聚合物导电性的影响与聚合物的主
要导电机理有关 。
? 结晶与取向使绝缘聚合物的电导率下降 。
? 交联使高分子链段的活动性降低，自由体积
减少，因而离子电导下降。
? 杂质使绝缘聚合物的绝缘性能下降。
? 湿度影响：与聚合物本身的极性和多孔性有
关。
? 添加剂 ：类似于杂质。
? 击穿电压Ub：介质可承受电压的极限。 ? 介电强度：击穿电压与绝缘体厚度h的比值，