高分子物理课件10聚合物的电学性能、热性能和光学性能

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。
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➢以上两种极化统称为变形极化或诱导极化。 其极化率不随温度变化而变化，聚合物在高频区 均能发生变形极化或诱导极化
➢ 对聚合物而言，取向极化的本质与小分子相同， 但具有不同运动单元的取向，从小的侧基到整个 分子链。
➢ 完成取向极化所需的时间范围很宽，与力学松弛 时间谱类似，也具有一个时间谱，称作介电松弛 谱。
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5.介电常数
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➢ 真空电容器的电容为
➢ 因此可在三方面采取适当的措施，消除已经产 生的静电。
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➢ 静电沿绝缘体表面消失的速度取决于绝缘体表面 电阻率的大小。
（1）提高空气的湿度 可以在亲水性绝缘体表面形成连续的水膜，加上 空气中的CO2和其他电离杂质的溶解，而大大提 高表面导电性。
（2）使用抗静电剂 它是一些阳离子或非离子型活性剂。通常用喷雾 或浸涂的办法涂布在高聚物表面，形成连续相， 以提高表面的导电性。有时为了延长作用的时间， 可将其加入塑料中，让它慢慢扩散到塑料表面而 起作用。
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（3）纤维纺丝工序上油的措施 给纤维表面涂上一层具有吸湿性的油剂，它吸收 空气中的水分而增加纤维的导电性，达到去静电 的效果。
（4）提高高聚物的体积电导率 最方便的方法是添加炭黑、金属细粉或导电纤维， 制成防静电橡皮或防静电塑料。
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第六节 高聚物的热性能
➢ 高聚物的耐热性能（热稳定性能） ➢ 高聚物的导热性能 ➢ 高聚物的热膨胀性能 ➢ 高聚物的比热（热容）
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§1 高聚物的热学性能
1—1 耐热性能（热稳定性能） 热稳定性能——高聚物的弱点 “热”在实际应用中的重要性
使用寿命 小型化 轻量化 可靠性 使用条件
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三、高聚物的介电松弛谱
➢ 实际体系对外场刺激响应的滞后统称为松弛现象。
➢在交变电场E = E0 cosωt（E0为交变电流峰值）的 作用下，电位移矢量也是时间的函数。 由于聚合物介质的粘滞力作用，偶极取向跟不上外 电场变化，电位移矢量迟后于施加电场，相位差为δ，
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第四节 高聚物的介电击穿
➢ 前面是讨论高聚物在弱电场中的行为。 ➢ 在强电场（107~108伏/米）中，随着电场强度进
一步升高，电流～电压间的关系已不再符合欧姆 定律，dU／dI逐渐减小，电流比电压增大得更快。
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一、介电击穿现象
➢ 绝大多数聚合物是绝缘体，具有卓越的电绝缘性 能，其介电损耗和电导率低，击穿强度高，为电 器工业中不可缺少的介电材料和绝缘材料
➢ 例如，用于制造电容器，用于仪表绝缘和无线电 遥控技术等
➢ 高聚物的电学性质往往非常灵敏地反映材料内部 结构的变化和分子运动状况，因此电学性质的测 量，作为力学性质测量的补充，已成为研究高聚 物的结构和分子运动的一种有力的手段
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第十章 聚合物的电学性能、热性能 和光学性能
➢ 第一节 概述 ➢ 第二节 聚合物的介电性能 ➢ 第三节 高聚物的导电性能 ➢ 第四节 高聚物的介电击穿 ➢ 第五节 高聚物的静电现象、危害
和防止 ➢ 第六节 高聚物的热性能 ➢ 第七节 高聚物的光学性能
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二、介电强度
➢介电强度的定义是击穿电压Ub与绝缘体厚 度h 的比值，即材料能长期承受的最大场强： Eb = Ub／h Eb就是介电强度，或称击穿场强。
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第五节 高聚物的静电现象、 危害和防止
➢ 绝缘体表面的静电可以通过三条途径消失： （1）通过空气（雾气）消失 （2）沿着表面消失 （3）通过绝缘体体内消失
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1—1 耐热性能
➢耐热性：高聚物处于高温条件下
保持其性能的能力
耐热性能的表征
短时耐热性
长时耐热性
Tg、Tf、Tm、Td
耐热等级
马丁耐热温度
AE B FH C
热变形温度
105 120 135 155 180 >180℃
维卡软化点
温度指数
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第一节 概述
➢ 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。
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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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试样的电阻与试样的厚度h成正比，与试 样的面积 S成反比
R = ·h / S 比例常数 称为电阻率
对试样的电导有
G = ·S / h 比例常数 称为电导率
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显然，电阻率与电导率都不再与试样的尺 寸有关，而只决定于材料的性质，它们互为 倒数，都可用来表征材料的导电性。
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（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。
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二、介电损耗的意义及其产生原因 1.介电损耗的意义
电介质在交变电场中，由于消耗一部分电能，使 介质本身发热，这种现象就是介电损耗。
2、介电损耗产生的原因
（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。
即 D=D0 cos(ωt-δ)=D1 cosωt + D2 sinωt。
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D=D0 cos(ωt-δ)=D1 cosωt +D2 sinωt
D1 — 电位移矢量跟上施加电场的部分 D2 — 电位移矢量滞后于施加电场的部分
D1=D0cosδ D2 = D0 sinδ
T
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短时耐热性的评定
➢ 维卡软化点
10*10*3 mm3
1 mm2 圆拄体针
1 kg 力
升温：50oC/hr
深入1mm
T
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长时耐热性能的评定
➢ 目的:
– 了解聚合物材料在某一 特定工作温度下能使用 多长时间(使用寿命)
– 或是在一般的使用寿命 下能用于最高的使用温 度(温度指数) 。
C0
Q0 U
➢ 如果在上述Q，Q = Q0 +Q′，此时， 电容也相应增加为C 。
CQ U
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➢ 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 Q
C0 Q0
➢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。
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固体高聚物的介电松弛综合图
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三种聚乙烯的介电谱（100KHz）
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两种聚四氟乙烯的介电谱（1KHz）
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第三节 高聚物的导电性
➢ 材料的导电性是用电阻率 或电导率 来
➢固体高聚物，当频率固定时在某温度范围内或当 温度固定时在某频率范围内介电损耗情况，可以得 到一特征的图谱，称为高聚物的介电松弛谱，前者 为温度谱，后者为频率谱。
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介电损耗温度谱示意图
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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 。
3. 取向极化
➢ 取向极化又称偶极极化，是具有永久偶极矩的极 性分子沿外场方向排列的现象。
➢ 由于极性分子沿外电场方向的转动需要克服本身 的惯性和旋转阻力。
➢ 极化所需要的时间长，一般为10-9s，发生于低频 区域。
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4.介电松弛谱
➢ 外电场强度越大，偶极子的取向度越大；温度越 高，分子热运动对偶极子的取向干扰越大，取向 度越小。
表示的。当试样加上直流电压U时，如果流 过试样的电流为I，则按照欧姆定律，试样 的电阻R = U / I 。