高聚物的介电性能
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）
第七章 高聚物的电学性能
2. 相对介电系数ε
——电介质电容器的电容（电量）与相应真空电容器的电容 （电量）之比，即 C Q C 0 Q0 电介质的极化程度越大，Q 值越大，ε 也越大。
介电系数是是一个无量纲的量， 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
介电系数的大小 介质的极化
高分子结构及其 物理状态
取向极化 贡献最大
电子极化
原子极化
极性分子 极性大小 偶极矩
19
3.摩尔极化度、介电常数ε与分子极化率α 的关系
极化度P——如果单位体积内有N个分子，每个分子产生的 偶极矩为μ，则单位体积内的偶极矩称为介质的极化度P 。
P=Nμ=NαE
Clausius - Mosotti方程 非极性介质 极性介质
极化结果——相当于外电场在分子上引入一个附加偶极矩μ
10
3. 分子偶极矩和分子极化率
极化结果——相当于外电场在分子上引入一个附加偶极矩μ
外 加 偶 极 矩 E1 E1 — — 作 用 在 分 子 上 的 局 部 场 强 度 电 比例常数 — —分子极化率 a )诱 导 偶 极 矩 1 d E1 ( e a )E1
偶极 具 有 永 久 偶 极 矩 的 极 性 慢， 10-9s以上；损耗较大能 极性高聚 (取向) 分子(或偶极子)沿电场方 量（克服本身惯性和旋转阻 物 极化 向转动，从优取向 力）；依赖温度和频率 界面 极化 载 流 子 在 界 面 处 聚 集 产 极慢，几分之一秒至几分钟、共混、复 生的极化 几小时 合材料
q.d
偶极矩是一个矢量，化学上习惯规定其方向从正到负，单位 是C.m(库仑.米) ； 分子偶极矩可用来表示分子极性的强弱； 非极性分子——正负电荷中心重合； 极性分子——正负电荷中心不重合，永久偶极矩。
第4章高聚物的电性能
导电聚合物的应用
导电高聚物的应用
电子导电高聚物
导电材料 电极材料 电显示材料 化学反应催化剂 有机分子开关
离子导电高聚物 代替电解质材料 全固态电池
各种电极材料 氧化还原导电高聚物
特种电极修饰材料
6
• 用于储能元件(如电容器)时，要求介电常数要大， 这使得单位体积中储存的能量大；
• 用于一般绝缘体时，要求介电常数小，以减小流过 的电容电流。
第四章 高聚物的电学性能
1
• 4个物理过程：在外电场作用下，高分子电容器材料储 存能量产生极化、消耗电场能量（损耗）、产生微小 电流（电导）、在高场作用下发生破坏（击穿）
• 4个参数：介电常数、介电损耗角正切、电导率（电阻 率）、电场强度
• 电性能主要是研究这四个参数与四个物理过程之间的 相互关系。
21
• 如果单位体积内有N个分子，每个分子产生的 平均偶极矩为μ，则单位体积内的偶极矩P为
P N NE
P称为电介质的极化度或极化强度，它表明 在外电场中电介质极化度与分子极化率之间 的关系。
22
4. 界面极化(interfacial polarization)
• 非均相介质界面两边的组分具有不同的极 性，在电场作用下将引起电荷在两界面处 聚集，从而产生极化。
• 这种极化所需要的时间较长，从几分之一 秒到几分钟。
23
• 一般非均质聚合物材料如共混聚合物、填充聚合 物和泡沫聚合物都能产生界面极化。
• 均质聚合物也会因含有杂质或缺陷以及聚合物中 非晶区与晶区共存等而产生界面，在这些界面上 同样能产生极化。
• 界面极化主要影响低频率(10－5～102Hz)下的介电 性能。
41
偶极转向滞后电场
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。
介电性能
介电性能求助编辑介电性能是指在电场作用下,表现出对静电能的储蓄和损耗的性质，通常用介电常数和介质损耗来表示.材料应用高频技术时，如实木复合地板采用高频热压时介电性能是非常重要的性质。
介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，原外加电场(真空中)与最终介质中电场比值即为介电常数(permittivity),又称诱电率。
目录编辑本段简介无机介质材料表现出来的介电性能的应用中，还涉及到介电常数、介电损耗因子和介电强度等。
介电常数又叫介质常数、介电系数或电容率，它是表示绝缘能力特性的一个系数，以字母ε表示，单位为法/米如果有高介电常数的材料放在电场中，场的强度会在电介质内有可观的下降。
编辑本段损耗因子仅与介质有关，其大小可作为绝缘材料的判据。
介质由介电状态变为导电状态的临界电场强度称为介电强度。
常见溶剂的介电常数：H2O (水) 78.5HCOOH (甲酸) 58.5CH3COOH(乙酸)6.15CH3COOC2H5(乙酸乙酯)6.02HCON(CH3)2 (N,N-二甲基甲酰胺)36.7CH3OH (甲醇) 32.7C2H5OH (乙醇) 24.5CH3CH2CH2-OH(正丙醇)20.1CH3CH2CH2CH2-OH（正丁醇）17.8n-C6H13OH （正己醇）13.3CH3COCH3 (丙酮) 20.7C6H6 (苯) 2.28CCl4 (四氯化碳) 2.24n-C6H14 （正己烷）1.88CH3SOCH3（二甲基亚砜，DMSO）47.2编辑本段特性是指物质分子中的束缚电荷(只能在分子线度范围内运动的电荷)对外加电场的响应特性,它主要由相对介电常数εr'、相对介质损耗因数εr〃、介质损耗角正切tanδ和介质等效阻抗等参数来表征。
油和水（纯净的水）都属绝缘体。
但纯净的水的介电性能远远高于油。
拿相对介电常数来讲，水的介电常数是81，而变压器油的在3-5之间。
高聚物的介电性能高聚物的介电性能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。
高聚物的介电常数与结构的关系
高聚物的介电常数与结构的关系高分子材料作为一类重要的材料，在电子器件、能源存储等领域具有广泛的应用前景。
其中，高聚物的介电常数是一个非常重要的性质，它直接影响着高聚物材料在电子器件中的性能表现。
本文将探讨高聚物的介电常数与结构之间的关系。
首先，介电常数是衡量材料电绝缘性能的一个重要指标，它反映了材料在电场中储存和释放电能的能力。
对于高聚物材料来说，介电常数的值通常较高，因为高聚物分子链中存在着大量的极性基团。
这些极性基团能够极化，并在外界电场作用下产生电偶极矩，从而实现电能的储存和释放。
其次，高聚物的结构对其介电常数有着直接的影响。
高聚物的结构可以分为线性结构、分支结构和网络结构等。
一般情况下，线性结构的高聚物具有较低的介电常数，而分支结构和网络结构的高聚物则具有较高的介电常数。
这是因为分支结构和网络结构的高聚物具有更多的分子运动自由度，能够更好地响应外界电场的作用，从而实现更高的电极化程度。
此外，高聚物中的官能团和侧链结构也会对介电常数产生影响。
官能团和侧链结构的引入可以改变高聚物的极性，从而影响其分子极化能力。
一些具有极性官能团的高聚物，如羟基、酮基和醚基等，在外界电场作用下能够更容易地产生分子极化，从而具有较高的介电常数。
最后，高聚物的晶型结构和晶化程度也会对介电常数产生一定的影响。
晶型结构的不同会导致高聚物分子链的排列方式发生变化，从而影响其分子极化能力。
晶化程度的提高则意味着高聚物分子链的有序程度增加，分子极化能力也相应增强，因此介电常数也会有所增加。
综上所述，高聚物的介电常数与其结构密切相关。
高聚物的结构、官能团和晶型结构等因素都会对介电常数产生影响。
对于高聚物材料的设计和制备来说，需要充分考虑这些因素，以达到所需的介电常数和电子器件性能要求。
随着对高分子材料性质研究的不断深入，相信我们对高聚物的介电常数与结构之间的关系会有更深入的认识。
高聚物的介电性能
高聚物的介电性能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。
（1）介电极化绝大多数高聚物是优良的电绝缘体，有高的电阻率，低介电损耗、高的耐高频性和高的击穿强度。
但在外电场作用下，或多或少会引起价电子或原子核的相对位移，造成了电荷的重新分布，称为极化。
主要有以下几种极化：（1）电子极化，（2）原子极化，（3）偶极极化。
前两种产生的偶极矩称诱导偶极矩，后一种为永久偶极矩的取向极化。
极化偶极矩（）的大小，与外电场强度（E）有关，比例系数称为分子极化率。
＝E按照极化机理不同，有电子极化率，原子极化率（上述两者合称变形极化率＝＋）和取向极化率。
＝（为永久偶极矩）因而对于极性分子＝＋＋对于非极性分子＝＋根据高聚物中各种基团的有效偶极矩，可以把高聚物按极性大小分为四类：非极性：PE、PP、PTFE弱极性：PS、NR极性：PVC、PA、PVAc、PMMA强极性：PVA、PET、PAN、酚醛树脂、氨基树脂高聚物的有效偶极矩与所带基团的偶极矩不完全一致，结构对称性会导致偶极矩部分或全部相互抵消。
介电常数是表示高聚物极化程度的宏观物理量，它定义为介质电容器的电容C比真空电容器C0的电容增加的倍数。
式中：为极板上的原有电荷，为感应电荷。
介电常数的大小决定于感应电荷的大小，所以它反映介质贮存电能的能力。
宏观物理量与微观物理量之间的关系可以用Clausius-Mosotti方程给出：摩尔极化度P＝（对非极性介质）＝（对极性介质）（2）介电损耗聚合物在交变电场中取向极化时，伴随着能量消耗，使介质本身发热，这种现象称为聚合物的介电损耗。
常用复数介电常数来同时表示介电常数和介电损耗两方面的性质：为实部，即通常实验测得的；为虚部，称介电损耗因素。
＝+＝式中：为静电介电系数；为光频介电系数；为偶极的松弛时间。
介电损耗为＝，一般高聚物的介电损耗很少，＝10-2～10-4，与的关系可用Debye方程描述：式中：N为单位体积中的分子数。
高聚物的介电性
对于交变电场，高聚物的介电常数会随着频率的升高而降低，这是因为频率越高，分子响应速度越难跟上电场的 变化。
06
高聚物的介电性能的应用
电容器和电绝缘材料
电容器
高聚物的介电性能使其成为制造电容器的重要材料。由于高聚物具有高介电常 数和低介电损耗，它们能够存储更多的电荷，从而提高电容器的储能密度。
频率
频率对高聚物的介电损耗也有影响，通常随着频率的升高，介电损耗 减小。
湿度
湿度对高聚物的介电性能也有影响，湿度增大通常会导致介电损耗增 大。
介电损耗的测量方法
交流电桥法
利用交流电桥测量高聚物的复介 电常数，进而计算出介电损耗角 正切计算介电 损耗角正切值。
高聚物的介电性
• 引言 • 高聚物的介电常数 • 高聚物的电导率 • 高聚物的介电损耗 • 高聚物的介电性能与材料性能的关系 • 高聚物的介电性能的应用
01
引言
介电性的定义
介电性是指物质在电场作用下，表现出对电荷的束缚能力。在电场中，介质内的 带电粒子将受到电场力的作用，产生位移极化、取向极化和松弛极化等现象。
高聚物的电导率很低，通常在10^-15 - 10^-10 S/m之间， 表明高聚物是良好的绝缘材料。
影响高聚物电导率的因素
分子结构
高聚物的分子结构对其电导率有显著影响。极性基团和非极性基 团的比例、分子链的规整度等都会影响高聚物的电导率。
温度
随着温度的升高，高聚物的电导率通常会增大。这是由于温度升高 导致分子热运动加剧，增加了载流子的迁移率。
网络分析法
通过网络分析仪测量高聚物的复 介电常数，进而计算出介电损耗 角正切值。
05
高聚物的介电性能与材料性能的关系
分子结构对介电性能的影响
第六章高聚物的电学性能（ＰＤＦ）
第六章高聚物的电学性能¾交变电场¾弱电场¾强电场¾发生在聚合表面¾光导电¾压电¾热电（焦电）¾热释电¾驻极体等在外电场F 作用下，诱导偶极矩µ1为由取向极化引起的偶极矩µ2在外电场作用下所产生的偶极矩µ为αe ——电子极化率αa ——原子极化率αo ——取向极化率µ0——永久（固有）偶极矩E ——材料内部的场强，又称为局域场强E ≠F高聚物的有效偶极矩（单体单元偶极矩）与所带基团的偶极矩不完全一致，结构对称性会导致偶极矩部分或全部相互抵消介电系数：表征材料介电性能的主要参数（ε）含有该材料的电容器之电容C 与其在真空下的电容C 0之比值物理意义是电介质电容器储电能力的大小，在微观上则是电介质的极化能力式中，ε0为直流电场中的静电介电常数；M为高聚物的相对分子质量；ρ为密度；P为摩尔极化度；为阿伏加德罗常数。
克劳修斯-莫索提（Clausius-Mossotti）公式宏观的介电系数（ε）和微观的分子极化率（α）均反映了电介质材料的极化能力对于极性高聚物德拜（Debye）方程N~在高频电场下（>1014Hz），即极化时间为10-14s时，取向极化和原子极化都不容易发生，记这时的介电系数为ε（光频介电系数）∞对于非极性介质，介电系数ε与介质的光折射率n的平方相等介电损耗一个理想电容器的外电场作用下能储存电能，当外电场移去时，所储存的电能又全部释放出来，形成电源，没有能量损耗对于交变电压V=V 0e iwt ，理想电容器的电流I 理想和电压有90º相位差，ε1为介电系数，ε2为介电损耗因子，决定电介质内电能转变成热能的损耗程度对于高聚物电介质，在每一周期内所放出的能量就不等于所储存的能量，因为完成高聚物电介质偶极取向需要克服分子间相互作用而消耗一部分电能，这时，介电损耗介电损耗：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的现象产生介电损耗的原因：1. 电导损耗：电介质中含有能导电的载流子在外加电场的作用下，产生电导电流，消耗一部分电能转化为热能。
高聚物介电性能
□□＝□□－i□□式中□□为实数部分,□□为虚数部分，因此□。
介电性能与温度 高聚物的介电性能有显著的频率和温度依赖性。具有单一松弛时间的电介质（实际上高聚物松弛时间分布很宽，是个谱）的介电性能的频率依赖性由德拜色散方程给出：
□ (2n xingneng
高聚物介电性能
dielectric properties of polymers
在外加电场中只有束缚电荷作有限位移的材料称电介质，一般来说，高聚物都是电介质。电介质的性能可用介电常数和介电损耗正切 tg□两个参数来表征。介电常数 □是电容器中充满该材料时的电容量与在真空时的电容量之比，真空的□等于1，空气的□接近1，大多数非极性高聚物的□为2左右，极性高聚物的□为2～10。
□ (3)
□ □ (4)式(2)、(3)、(4)中□□和□□分别为色散区两侧高频和低频区的介电常数，称为未松弛和已松弛介电常数；□ 为角频率；□为松弛时间。
高聚物介电性能与温度的关系是通过松弛时间 □与温度的依赖性相联系的，即：
□式中□□为常数；□为活化能;□为气体常数;□为绝对温度。
介电色散 由式(3)、(4)可知,□□和□□为lg□□的函数,当□□＝1时，□□发生骤变而□□出现峰值,这种现象称为介电色散。高分子介电色散是基团和链段松弛过程的表现，因此，高聚物的介电性能温度谱或频率谱是研究高聚物转变和松弛以及分子运动的重要方法之一。
介电常数 表征电解质极化的宏观参数，它与分子极化率□之间的关系由克劳修斯－莫索提公式给出：
□式中М为分子量；□□为密度；□□为阿伏伽德罗数。分子极化率包括电子极化率□□和原子极化率□□,□并与极性电介质在直流电场时的静介电常数□□和分子的有效偶极矩□□有关。
2015第十章高聚物的电学性质
真空电容器
电介质电容器
Q>Q0
介电系数
介电系数ε ：电介质电容器与真空平行板电容器极板电 容或电荷量之比
C Q C0 Q0
电介质电容 器的电容 真空电容器 的电容
介电系数：无量纲量，反映电介质贮存电能能力的大小。 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。
介电系数与极化率的关系
P NEl
高聚物的介电性质
在外电场作用下，由于聚合物分子发生极化，使其作为电介 质的电容器的电容量比真空电容器的增加。聚合物贮存电能 的性质称介电性。通常用介电系数ε表示。 （1）介电系数及其与极化率的关系
C0 Q0 / U
真空平 板电容 器的电 容 极板 上的 电荷 直流 电压
平行板电容器上的电荷： 电场作用下，电介 质极化产生表面束缚 电荷Q’，形成反向附 加电场，使电介质内 部电场强度减小。 为维持电场强度(E ＝U/d)不变，电源向 极板补充Q’电量，使 极化反电场被抵消。
介电损耗的影响因素
（1）高聚物的分子结构 分子极性越大，极性基团密度越高，介电系数和介电损耗 越大。非极性高聚物 10-4，极性高聚物 10-2。
极性基团的活动性。位于柔性侧基的极性基团取向极化的 过程相对独立，阻力较小，介电损耗较小，但对介电系数 的贡献较大。 通过在非极性高分子主链上引入柔性极性侧基的方法可获 得介电系数较大、而介电损耗小的材料，以满足特种电容 器的要求。
高温时，分子热运动加剧，偶极解取向，介电系数下降。
（4）增塑剂
增塑剂含量增加，介电损耗峰向低温方向移动
极性增塑 剂，带来 附加偶极 损耗，介 电损耗增 加。
三类极性不同的高聚物/增塑剂体系的介电损耗变化情况 （a）极性/极性 (b)极性/非极性 (c)非极性/极性
高聚物的电性能
第7章 高聚物的电性能高聚物的电性能是指聚合物在外加电压或电场作用下的行为及其表现出的各种物理现象，包括在交变电场中的介电性质，在弱电场中的导电性质，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。
高分子材料，当前在电工应用中，主要作电绝缘材料和电介质。
它表现出非常宽广的电学性能指标：耐压可高达50×104V(温度范围由-269℃到300℃甚至更宽)；电阻率可达20个数量级以上；介电常数从小于2一直到100。
此外，它还有优越的高频性能。
研究高聚物的电学性质有很大的实际意义。
一方面，工程技术应用上需要选择及合成合适的高聚物材料：制造电容器应选用介电损耗小而介电常数尽可能大的材料；绝缘要求选用介电损耗小而电阻系数高的材料；电子工业需要优良高频和超高频绝缘材料；纺织工业需要使材料有一定导电性能，避免电荷积聚而给加工使用造成因难。
另一方面，高聚物的电学性能往往非常灵敏地反映了材料内部结构的变化，因而是研究高聚物结构分子运动的一种有力手段。
7.1 高聚物的极化及介电常数7.1.1 分子的极性和极化 1.分子的极性分子由原子以一定的几何构型组成的。
对整个分子来说，若其中电子层的电荷与核电荷中心相重合，这种分子叫做非极性分子，若中心不重合则称为极性分子。
有机化合物和高分子化合物主要由共价键构成，这种键的本质是成键电子对的电子层在成键方向上重叠的结果。
由于共价键的电子层分布可以恰好在两个成键原子的中间，也可以偏向电负性较大的原子一边，前者称为非极性键，后者称为极性键。
分子的极性或键的极性常用偶极距µr表示，它是两个电荷中心之间的距离d 和极上电荷q 的乘积： qd µ=r物的偶极矩数值。
表7–1 某些共价键的键距和分子的偶极距 键距分子偶极距 键 键距（D ）键 键距（D ）化合物 偶极距（D ）C －C 0 C=N 0.9 CH 4 0 C=C 0 C －F 1.83 C 6H 6 0 C －H 0.2 C －Cl 2.05 H 2O 1.85 C －N 0.4 C=O 2.5 CH 3Cl 1.86 C －O0.9C ≡N3.5C 2H 5OH1.76高聚物分子的偶极距也符合偶极距的矢量加和规律。
高分子物理_电性能
注意：表中偶极矩大小是以高聚物重复单元计。
一、高分子的极化
2、高分子的极化(polarization) 极化是指电解质在电场作用下，分子内束缚的电荷产生弹 性位移或偶极子转向排列，从而对外呈现出极性的现象。 极化的类型 电子极化(electron polarization) 原子极化(atom polarization) 偶极极化(dipole polarization)
对极性高聚物，温度较低时，随温度升高，介电常数增大；而温度 较高时，则随温度升高，介电常数减小。
不管是何种高聚物，温度升高时，介电损耗均会增大。
4、湿度(moisture)
因为水是极性分子，所以当高聚物吸湿后，使电导和极化均增大， 从而使介电常数和介电损耗增大。 影响程度的大小取决于材料的吸湿程度，这种吸湿性一是与高聚物 的结构有关，如极性高聚物容易吸湿，所以影响大；二是与环境的 湿度大小有关。
另，聚丙烯腈纤维不导电，但如经高温焦化处理后，则能导电，这 就是碳纤维(carbon fiber)。
值得指出的是，一般来说，所有用作半导体和导体的高聚物都具有 共轭结构，并且具有共轭结构的高聚物也是耐高温材料，但并不是 所有（形式上的）共轭结构的高聚物都是导电高聚物。
第三节
高聚物的电击穿性能
1、电击穿现象
非极性高聚物的介电常数较小，通常在2~3左右。极性高聚物则较 大，且极性越强，介电常数越大。 交联能阻碍极化，因而使介电常数降低。 应用： 通信电缆材料的介电常数越小越好。通常采用PE、PP和PS等。 电容器则宜采用介电常数较大的材料以提高电容量；
高压电机、开关等宜选用介电常数相近的材料做组合介质。
在弱电场作用下，高聚物是绝缘体。但随着电压的不断升高，流过 材料的电流不断增大，当电压超过某一极限值后（强电场下），材 料的绝缘性能完全丧失而导电。这种现象称为电击穿。
7.1.1-3介电性的影响因素.
ε ′(T1) ε ′(T1)
ε ′(T1)
ε ″(T1) ε ″(T1)
″
T1＜T2＜T3
ε ″(T1)
ε
ω
图7.1.1-21 频率对介电的影响
知识点：7.1.1.3 影想介电性的因素
3、温度对高聚物介电性的影响
对非极性高聚物，温度升高，介电常数下降；对
极性高聚物，随温度的升高而出现峰值。
介 电 2.35 常 2.30 数 ～ ～
2.10 2.05 2.00 0 20 40 60 80 100 50 60 70 80 90 100 2.40 1 2 3 9
4
～
介7 电 常5 数
3
60Hz
1000Hz 60Hz 1000Hz 2
温度 非极性高聚物的介电常数与温度的关系 1-PP；2-HDPE；3-LDPE；4-PTFE
介 电 1 损 耗
影响高聚物介电性的因素影响高聚物介电性的因素增塑剂增塑剂湿度湿度温度温度交变电场的频率交变电场的频率高聚物的分子结构高聚物的分子结构知识点
《高 分 子 物 理 》
课程团队：李彩虹 余旺旺 栗娟 苏珺
知识点：7.1.1.3 影想介电性的因素
三、影响高聚物介电性的因素
高聚物的分子结构
影响高聚物 介电性的因素
温度 PVAC的介电性能与温度的关系
图7.1.1-22温度对介电影响（非极性）
图7.1.1-23 温度对介电影响（PVAC）
知识点：7.1.1.3 影想介电性的因素
4、湿度对高聚物介电性的影响
表7.1.1-7 湿度对介电常数的影响 介电性 相对湿 度 介电常数（50Hz） 31.7% 63% 97% 表7.1.1-8 湿度对介电损耗的影响 介电性 相对湿 度 介电损耗（50Hz） 31.7% 63% 97%
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高聚物的介电性能
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。
（1）介电极化
绝大多数高聚物是优良的电绝缘体，有高的电阻率，低介电损耗、高的耐高频性和高的击穿强度。
但在外电场作用下，或多或少会引起价电子或原子核的相对位移，造成了电荷的重新分布，称为极化。
主要有以下几种极化：（1）电子极化，（2）原子极化，（3）偶极极化。
前两种产生的偶极矩称诱导偶极矩，后一种为永久偶极矩的取向极化。
极化偶极矩（）的大小，与外电场强度（E）有关，比例系数称为分子极化率。
＝E
按照极化机理不同，有电子极化率，原子极化率（上述两者合称变形极化率
＝＋）和取向极化率。
＝（为永久偶极矩）
因而对于极性分子＝＋＋
对于非极性分子＝＋
根据高聚物中各种基团的有效偶极矩，可以把高聚物按极性大小分为四类：
非极性：PE、PP、PTFE
弱极性：PS、NR
极性：PVC、PA、PVAc、PMMA
强极性：PVA、PET、PAN、酚醛树脂、氨基树脂
高聚物的有效偶极矩与所带基团的偶极矩不完全一致，结构对称性会导致偶极矩部分或全部相互抵消。
介电常数是表示高聚物极化程度的宏观物理量，它定义为介质电容器的电容C比真空电容器C0的电容增加的倍数。
式中：为极板上的原有电荷，为感应电荷。
介电常数的大小决定于感应电荷的大小，所以它反映介质贮存电能的能力。
宏观物理量与微观物理量之间的关系可以用Clausius-Mosotti方程给出：
摩尔极化度P＝（对非极性介质）
＝（对极性介质）
（2）介电损耗
聚合物在交变电场中取向极化时，伴随着能量消耗，使介质本身发热，这种现象称为聚合物的介电损耗。
常用复数介电常数来同时表示介电常数和介电损耗两方面的性质：
为实部，即通常实验测得的；
为虚部，称介电损耗因素。
＝+
＝
式中：为静电介电系数；为光频介电系数；为偶极的松弛时间。
介电损耗为＝，一般高聚物的介电损耗很少，＝10-2～10-4，与的关系可用Debye方程描述：
式中：N为单位体积中的分子数。
以对作图称为Cole-Cole图，表征电介质偏离Debye松弛的程度。
半圆形为Debye 松弛，偏离时得圆弧形图。
固体聚合物在不同温度下或不同频率下观察介电损耗的情况，得到的温度谱或频率谱称为高聚物的介电松弛谱，它与力学松弛谱一样用于研究高聚物的转变，特别是多重转变。
测定聚合物介电松弛谱的方法主要有热释电流法（TSC）。
TSC属低频测量，频率在10-3～10-5Hz 范围，分辩率高于动态力学和以往的介电方法。
（3）影响介电性的因素
①结构
分子极性越大，一般来说高聚物的介电性能
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。
（1）介电极化
绝大多数高聚物是优良的电绝缘体，有高的电阻率，低介电损耗、高的耐高频性和高的击穿强度。
但在外电场作用下，或多或少会引起价电子或原子核的相对位移，造成了电荷的重新分布，称为极化。
主要有以下几种极化：（1）电子极化，（2）原子极化，（3）偶极极化。
前两种产生的偶极矩称诱导偶极矩，后一种为永久偶极矩的取向极化。
极化偶极矩（）的大小，与外电场强度（E）有关，比例系数称为分子极化率。
＝E
按照极化机理不同，有电子极化率，原子极化率（上述两者合称变形极化率
＝＋）和取向极化率。
＝（为永久偶极矩）
因而对于极性分子＝＋＋
对于非极性分子＝＋
根据高聚物中各种基团的有效偶极矩，可以把高聚物按极性大小分为四类：
非极性：PE、PP、PTFE
弱极性：PS、NR
极性：PVC、PA、PVAc、PMMA
强极性：PVA、PET、PAN、酚醛树脂、氨基树脂
高聚物的有效偶极矩与所带基团的偶极矩不完全一致，结构对称性会导致偶极矩部分或全部相互抵消。
介电常数是表示高聚物极化程度的宏观物理量，它定义为介质电容器的电容C比真空电容器C0的电容增加的倍数。
式中：为极板上的原有电荷，为感应电荷。
介电常数的大小决定于感应电荷的大小，所以它反映介质贮存电能的能力。
宏观物理量与微观物理量之间的关系可以用Clausius-Mosotti方程给出：
摩尔极化度P＝（对非极性介质）
＝（对极性介质）
（2）介电损耗
聚合物在交变电场中取向极化时，伴随着能量消耗，使介质本身发热，这种现象称为聚合物的介电损耗。
常用复数介电常数来同时表示介电常数和介电损耗两方面的性质：
为实部，即通常实验测得的；
为虚部，称介电损耗因素。
＝+
＝
式中：为静电介电系数；为光频介电系数；为偶极的松弛时间。
介电损耗为＝，一般高聚物的介电损耗很少，＝10-2～10-4，与的关系可用Debye方程描述：
式中：N为单位体积中的分子数。
以对作图称为Cole-Cole图，表征电介质偏离Debye松弛的程度。
半圆形为Debye 松弛，偏离时得圆弧形图。
固体聚合物在不同温度下或不同频率下观察介电损耗的情况，得到的温度谱或频率谱称为高聚物的介电松弛谱，它与力学松弛谱一样用于研究高聚物的转变，特别是多重转变。
测定聚合物介电松弛谱的方法主要有热释电流法（TSC）。
TSC属低频测量，频率在10-3～10-5Hz 范围，分辩率高于动态力学和以往的介电方法。
（3）影响介电性的因素
①结构
分子极性越大，一般来说和都增大。
而其中还对极性基团的位置敏感，极
性基团活动性大的（比如在侧基上），较小。
交联、取向或结晶使分子间作用力增加，减少；支化减少分子间作用力，增加。
②频率和温度
与力学松弛相似
③外来物的影响
增塑剂的加入使体系黏度降低，有利于取向极化，介电损耗峰移向低温。
极性增塑剂或
导电性杂质的存在会使和都增大。
聚合物在作电工绝缘材料或电容器材料使用时，要求其介电损耗越小越好，相反在塑料
高频焊接或高频“热处理”等情况下，要求大一些才好。
和都增大。
而其中还对极性基团的位置敏感，极性基团活动性大的（比如在
侧基上），较小。
交联、取向或结晶使分子间作用力增加，减少；支化减少分子间作用力，增加。
②频率和温度
与力学松弛相似
③外来物的影响
增塑剂的加入使体系黏度降低，有利于取向极化，介电损耗峰移向低温。
极性增塑剂或
导电性杂质的存在会使和都增大。
聚合物在作电工绝缘材料或电容器材料使用时，要求其介电损耗越小越好，相反在塑料
高频焊接或高频“热处理”等情况下，要求大一些才好。