高聚物的电性能
高聚物的介电常数
介 2.
1 2
电24.0
3
常23.5
数ε23.0～～ 4
～～
′210.
205. △湿度对高聚物非0介极00电性性高20的聚影物40响的介60电8常温（0 数℃100与度）温
度1的-P关P；系2-HDPE；3-LDPE；
4-PTFE
9 ε7 ′ 60
5 Hz
3 60 Hz
1000 Hz 1000 2ε
低电压 区
高电压区 绝缘破坏区
I
电流-电压曲线 击穿电压强度：连续对高聚物材料升高电压，电当压试V样被击穿时的电压和试样厚度的比
值称为击穿电压强度。
Eb
V h
§8-3 高聚物的击穿电压强度 介电击穿的形式、原因及决定因素
高压电场
本征击穿
加速
离子
运动
少数自由电子
获能 碰撞
新的 电子
高聚物材料
介电击 穿形式
V 高聚物介电损耗示意图
－高聚物将电能转变为热能损耗的程度。
△介电损' '耗的原因
对非极性'高聚物 在交变电场中，所含的杂质产生的漏导电流，载流子流动时，克服
内摩擦阻力而作功，使一部分电能转变为热能，属于欧姆损耗。
对极性高聚物 在交变电场中极化时，由于黏滞阻力，偶极子的转动取向滞后于交变
电场的变化，致使偶极子发生强迫振动，在每次交变过程中，吸收一部分电能成热能而释
0.抗0静. 电0. 剂0. 2 345
0. 6
抗静 电剂 加入 量对 静电 荷的 影响
1PVC
2-PE
3-PP
§8-4 高聚物的静电现象
抗静电剂的选择 对抗静电剂的要求
亲水性强 与高聚物的相溶性好 容易分散混合 稳定性好 无毒、无味、无害 加入后不影响高聚物其他性能
第7章__聚合物的电讲解
3 高聚物的介电损耗 3 .1 交变电场与介电损耗 在交变电场中电介质消耗一部分电能而发热的 现象称为介电损耗。 非极性聚合物以电导损耗为主， 极性聚合物以偶极损耗为主.
在交流电场下的介电常数：
实数部分ε’表示与电场同相位的极化，反映电 能的储存，为实验测得的介电常数。虚数部 分ε’’是与电场相差900的极化，反映损耗的能 量，称为损耗因子
第7章 聚合物的电学性能
绝大多数高分子材料具有优良的电绝缘性能。 从日常的电线、电缆绝缘材料到电子附件的 绝缘包封材料均得到广泛的应用，其体积电 阻率范围宽达26个数量级。
高分子半导体、导体、超导体、光导体和 驻极体
聚合物的电学性能是指聚合物在外 加电场作用下的行为，包括在交变电 场中的介电性能，在弱电场中的导电 性能，在强电场中的电击穿及聚合物 表面的静电现象。
7.1 聚合物的介电性能 1 高分子的极化
在外加电场作用下聚合物分子中的电荷分 布发生变化，表现出使分子的偶极矩增大 的现象，称为极化。
极化方式： 电子极化：价电子发生位移 原子极化：原子核发生位移 偶极极化：产生分子取向 界面极化：电子或离子在两相界面上聚集
取向极化 被”冻结”,就 得到驻极体
非极性分子仅产生电子极化和原子极化，称为 变形极化或诱导极化
e电子极化率， a原子极化率
极性分子在电场中取向而产生取向偶极矩
极性分子除在外电场中产生的总偶极矩：
2 聚合物介电常数ε 介电常数ε衡量极化的程度。 介电常数是指电介质在电极极板间的电容c 与在真空中的电容co的比值，是一个无因 次量：
极化程度越大． 介电常数越大， 绝缘性能越差
2.1 高分子结构与 介电常数
2.1.1 高分子极性越大, 介电常数越大
聚合物的电学、热学和光学性能—聚合物的电学性能(高分子物理课件)
表征材料电性能的另一个重主要参量是电导率。电导率的定义可以由欧姆定律给出：当施加的电场产生电流时，电流密度J正比于电场强度E，其比例常数，即为电导率σ，即：电导率σ= J(电流密度) /E(电场强度) 电导率与电阻率关系为σ=1/ρ，单位为西门子每米，即S/m。 电导率的大小反映了物质输送电流的能力。ρ愈小,σ愈大，材料导电性能就越好。
界面极化
PE能否发生取向极化？纯PE，界面极化能否发生？
思考题
介电性指在电场作用下,构成物质的带电粒子只能产生微观上的位移而不能进行宏观上的迁移的性质，宏观表现出对静电能的储蓄和损耗的性质，这是由于聚合物分子在电场作用下发生极化引起的，通常用介电系数ε和介电损耗表示。
二、聚合物的介电性能
例如喷涂在聚合物表面的抗静电剂，通过其亲水基团吸附空气中的水分子，会形成一层导电的水膜，使静电从水膜中跑掉。
在涤纶电影片基上涂敷抗静电剂烷基二苯醚磺酸钾，结果片基表面电阻率降低7~8个数量级。
另外，根据制造复合型导电高分子材料的原理，在聚合物基体中填充导电填料如炭黑、金属粉、导电纤维等也同样能起到抗静电作用。
相对于本征型导电高分子而言，这种复合材料的制备无论在理论上还是应用上都比较成熟，具有成型简便、重量轻、可在大范围内根据需要调节材料的电学和力学性能、成本低廉等优点，因而得以广泛开发应用。
复合型导电高分子的基体有：
常用的导电填料有：
碳类（石墨、炭黑、碳纤维ห้องสมุดไป่ตู้石墨纤维等）
金属类（金属粉末、箔片、丝、条或金属镀层的玻璃纤 维、玻璃珠等）
聚合物与聚合物摩擦时，介电系数大的聚合物带正电，介电系数小的带负电。另外聚合物的摩擦起电顺序与其逸出功顺序也基本一致，逸出功高者一般带负电。
高分子物理课件 - 四川大学 - 冉蓉 - 第七章 高聚物的电学性能
常见聚合物介电损耗角正切
影响介电损耗tgδ的因素
高聚物的极性增大 极化程度增大 tgδ↑
*
CH2
O *
<
*
CH2
CHOR *
有杂质 本体聚合物
tgδ↑
<
乳液聚合物
7.6 高聚物的导电性
高聚物绝缘性的量度——绝缘电阻（率） 体积电阻RV（率） 表面电阻RS（率） 高聚物导电性的量度——电导（率） 体积电导（率） 表面电导（率）
N
N
N
最 新 应 用
掺杂导电态： 电池、电色显示器件、超电容的电极材料、静电屏蔽 材料、金属防腐材料、电解电容器、微波吸收隐身材料、 电致发光器件、正极修饰材料、透明导电涂层、化学和生 物传感器、导电纤维等。 中性半导态： 电致发光材料、场效应管（FET）半导体材料 等。
目前存在的问题
加工性不好 稳定性不好 较难合成结构均一 的聚合物
物体导电的基础
——内部具有能自由迁移的自由电子或空穴。 聚合物的电子类型： 内层电子——紧靠原子核，一般不参与反应，正常电场 下无移动能力。 σ电子——成键电子，键能较高，离域性小，定域电子。 ｎ电子——与杂原子结合，孤离存在时无离域性。 π电子——两个成键电子Ｐ电子重叠而成，孤离存在时具 有有限的离域性，电场作用下可作局部定向移动，随π电子 共轭体系的增大，离域性增大。
解决低导电率的方法——掺杂
根据能带理论，能带区如果部分填充就可以产生电导。 减少价带中的电子——Ｐ型掺杂 向空能带区中的注入电子——ｎ型掺杂
聚乙炔， PA 聚对苯，PPP 聚苯乙炔，PPV
导电高聚物目前的主要种类
S S N N N S
S
聚噻吩 PTh
N
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
聚合物电学性能
Chapter10 聚合物的电性能
• 热合PVC等极性材料是适宜的。而PE薄膜等非极 性材料就很难用高频热合。
• 轮胎经高频热处理消除内应力，可大幅度延长使 用寿命。
• 塑料注射成型时常因含水而产生气泡，经高频干 燥能很好解决这个问题。
Chapter10 聚合物的电性能
(3)高聚物的介电松弛谱
□ 高分子分子运动的时间与温度依赖性可在其介电性质上得 到反映。借助于介电参数的变化可研究聚合物的松弛行为。
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
Chapter10 聚合物的电性能
• 偶极极化（取向极化）：
是具有永久偶极矩的极性分子沿外场方向排列的现象。极 化所需要的时间长，一般为10-9s，发生于低频区域。
(a)无电场
（b）有电场
图1 偶极子在电场中取向
Chapter10 聚合物的电性能
三、影响聚合物介电性能的因素
• 高分子材料的介电性能首先与材料的极性有关。 这是因为在几种介质极化形式中，偶极子的取向 极化偶极矩最大，影响最显著。
• 决定聚合物介电损耗大小的内在因素： ①分子极性大小和极性基团的密度 ② 极性基团的可动性
Chapter10 聚合物的电性能
Chapter10 聚合物的电性能
• 介电损耗温度谱示意图
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 场中的介电损耗(因偶极子的取向极化 过程伴随着分子运动过程，运动模式 各异，其松弛时间也不一致,其受阻程 度不同)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。
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。
聚合物的电性能及导电高分子材料
1、结构
□ 分子极性越大，一般来说 和
t都g增大。非极性聚
合物具有低介电系数（ε约为2）和低介电损耗（小于10-
4）；极性聚合物具有较高的介电常数和介电损耗。一些常
见聚合物的介电系数和介电损耗值见表。
□ 极性基团位置的影响：tg
主链上的极性基团
影响小
侧基上的极性基团
影响大
NORTH UNIVERSITY OF CHINA
NORTH UNIVERSITY OF CHINA
影响聚合物介电性能的因素
高分子材料的介电性能首先与材料的极性有关。这 是因为在几种介质极化形式中，偶极子的取向极化 偶极矩最大，影响最显著。 决定聚合物介电损耗大小的内在因素： ①分子极性大小和极性基团的密度 ② 极性基团的可动性
NORTH UNIVERSITY OF CHINA
□交联、取向或结晶使分子间作用力增加限制了分子的运
动， 、 tg减 少；支化减少分子间作用力， 增加， 增tg大
NORTH UNIVERSITY OF CHINA
2、 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 tg 都增
□分子链活动能力对偶极子取向有重要影响，例如在玻璃 态下，链段运动被冻结，结构单元上极性基团的取向受链 段牵制，取向能力低；而在高弹态时，链段活动能力大， 极性基团取向时受链段牵制较小，因此同一聚合物高弹态 下的介电系数和介电损耗要比玻璃态下大。如聚氯乙烯的 介电常数在玻璃态时为3.5，到高弹态增加到约15，聚酰胺 的介电常数玻璃态为4.0，到高弹态增加到近50。
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导电性聚乙炔的出现不仅打破了高分子仅为绝 缘体的传统观念，而且为低维固体电子学和分子电 子学的建立打下基础，而具有重要的科学意义。上 述三位科学家因此分享2000年诺贝尔化学奖。
第9章-聚合物的热-电和光学性能
41
《2》 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 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
2024/3/3
高分子物理
2
§1高聚物的热学性能
1—1 耐热性能（热稳定性能）
《1》概述 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
2024/3/3
高分子物理
3
1—1 耐热性能
《1》概述
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
2024/3/3
高分子物理
23
1—2 导热性
使用中的要求：隔热材料——导热性小 电绝缘材料——导热性大
聚合物——热绝缘体
（一般聚合物不导电，热不能通告电子传递）
聚合物热量的传递——分子间的碰撞
（分子间排列疏松——导热性较差）
聚合物导热系数范围——10~5010-2 J/s.m.oc
2024/3/3
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）
2024/3/3
高分子物理
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2—2 高聚物的导电性能
《1》导电性的表征——电阻率
v
Rv
S d
cm
s
Rs
l
d
表面电阻系数
体积电阻系数
S：电极面积 d：厚度 l：电极长度
2024/3/3RV：体积电阻 RS：高分表子物面理 电阻
2024/3/3
高分子物理
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《4》影响介电性能的影响 • 电场频率
聚合物电性能
7.4 聚合物的电学性质一提起高聚物的电学性质，人们马上会想起高聚物是一种优良的电绝缘体，广泛用作电线包皮。
这的确是高聚物优良的电学性质的一个重要方面，即高的电阻率、很高的耐高频性、高的击穿强度，所以是一种理想的电绝缘材料。
其实有的高聚物还具有大的介电常数和很小的介电损耗，从而可以用作薄膜电容器的电介质。
还有其他具有特殊电功能的高聚物相继出现，比如高聚物驻极体、压电体、热电体、光导体、半导体、导体、超导体等。
研究高聚物的电学性质，除了生产上的实用价值外，它还有重要的物理意义，因为高聚物的电学性质往往最灵敏地反映高分子内部结构和分子运动之间的关系。
电学性质能在比力学性质更宽的频率范围内测定，测定精确性和灵敏性都高，因而成为研究高分子结构和分子运动的有力手段。
7.4.1 聚合物的介电性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。
根据高聚物中各种基团的有效偶极距μ，可以把高聚物按极性的大小分成四类：非极性（μ＝0）：聚乙烯、聚丙烯、聚丁二烯、聚四氟乙烯等弱极性（μ≤0.5）：聚苯乙烯、天然橡胶等极性（μ＞0.5）：聚氯乙烯、尼龙、有机玻璃等强极性（μ＞0.7）：聚乙烯醇、聚酯、聚丙烯腈、酚醛树脂、氨基塑料等聚合物在电场下会发生以下几种极化：（1）电子极化，（2）原子极化，（3）偶极极化。
聚合物的极化程度用介电常数ε表示。
它定义为介质电容器的电容比真空电容器增加的倍数式中：V为直流电压；Q0、Q分别为真空电容器和介质电容器的两极板上产生的电荷；Q’为由于介质极化而在极板上感应的电荷。
介电常数的大小决定于感应电荷Q’的大小，所以它反映介质贮存电能的能力。
非极性分子只有电子和原子极化，ε较小；极性分子除有上述两种极化外，还有偶极极化，ε较大。
此外还有以下因素影响ε：（1）极性基团在分子链上的位置。
在主链上的极性基团活动性小，影响小；在柔性侧基上的极性基团活动性大，影响大。
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。
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。
电沉积 高聚物
电沉积高聚物电沉积高聚物是一种具有广泛应用前景的新型材料，具备多种优秀性能和特点。
本文将从材料性质、制备方法、应用领域等方面，对电沉积高聚物作一详细介绍。
一、材料性质电沉积高聚物具有许多独特的性质，主要包括以下几个方面：1. 优异的导电性能：电沉积高聚物具有良好的导电性能，可在电子器件中起到重要作用，如传感器、电池等。
2. 高比表面积：由于其多孔性结构，电沉积高聚物具有大比表面积，能够提供更多的活性表面，有利于催化反应和吸附分离等过程。
3. 良好的机械性能：电沉积高聚物具有较高的强度和韧性，能够承受一定的机械负荷，适用于工程结构材料。
4. 调控性能：通过调整电沉积条件，可以控制电沉积高聚物的形貌、孔隙结构和组分成分，实现针对不同应用的定制化设计。
二、制备方法电沉积高聚物的制备方法多样，常见的包括电化学沉积法、化学沉积法和物理沉积法等。
下面分别介绍几种常用的制备方法：1. 电化学沉积法：通过在电解质溶液中施加电压或电流，将金属离子还原成金属沉积在电极表面，形成电沉积高聚物。
该方法具有制备简单、工艺条件温和等优点。
2. 化学沉积法：通过化学反应过程，在溶液中加入还原剂或氧化剂，使金属沉积在基底表面，形成电沉积高聚物。
该方法适用于大规模制备，但对反应条件要求较高。
3. 物理沉积法：采用蒸发、溅射或离子束沉积等物理方法，将金属原子或离子直接沉积在基底表面，形成电沉积高聚物。
该方法能够制备出薄膜或纳米结构的电沉积高聚物。
三、应用领域电沉积高聚物具有广泛的应用领域，下面列举几个常见的应用领域：1. 电化学传感器：电沉积高聚物能够作为传感器的灵敏层，用于检测环境中的气体、离子或生化分子等。
其高导电性能和活性表面使其能够实现高灵敏度的检测。
2. 能量存储：电沉积高聚物可用于制备超级电容器和锂离子电池等能量存储装置。
其大比表面积和优异的导电性能使得电能的快速储存和释放成为可能。
3. 催化剂：通过调控电沉积高聚物的成分和形貌，可以制备成具有良好催化性能的材料，用于催化反应，如氢氧化物表面电极，电催化二氧化碳还原等。
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• 微波元件中的吸收材料，要求损耗因数大，以便吸 收大量电磁能，转变为热能 。
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• 介电常数 • 介电损耗 • 高聚物的介电击穿 • 高聚物的电老化 • 高聚物的介电松弛谱 • 介电分析测试技术及仪器 • 动态介电分析在高聚物中的应用
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第一节 介 电 常 数
第四章 高聚物的电学性能
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• 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。
• 在电场作用下，电负性较大的的原子偏向正 极，电负性较小的的原子偏向负极，化学键 键角发生改变，分子骨架发生变形的极化即 原子位移极化。 因为原子质量较大，运动速度比电子慢， 原子位移极化时间稍长，约为10-13s。
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• 例如CO2分子，本来是O=C=O直线型结构，在 外电场中，电负性较大的氧原子略微偏向正极， 电负性较小的碳原子略微偏向负极，发生各原子 之间的相对位移，结果键角OCO小于180°，使分 子的正负电荷中心位置发生变化。
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高聚物的极化形式
极化 形式
电子 极化
原子 极化
偶极 极化
界面 极化
极化机理
电子云的变形
各原子之间的相对位移
极性分子（或偶极子）沿 电场方向转动，从优取向 载流子在界面处聚集产生 的极化
特点
适用对象
极快，10－13～10－15s；无能 量损耗；不依赖温度和频率
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• 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。
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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。
• 介电常数的物理含义 • 介质极化 • 介电常数与分子极化率的关系 • 高聚物的介电常数 • 影响高聚物介电常数的因素
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一、介电常数的物理含义
平行板电容器
C0
Q0 U
0
S d
C
Q U
0
S d
ε0称为真空电容率，ε0=8.85×10-12F/m。
ε即为介电常数，表征电介质贮存电能能力的大小
电介质的极化程度越大，则极板上的电荷越多， 介电常数也就越大，因此，介电常数反映了电介质 的极化程度。
构成原子的电子云在外电场作用下产生了相对于 原子核的位移，使正负电荷中心不再重合，于是就 形成了感应偶极矩，这种极化称为电子位移极化。 电子云的移动很小，运动速度很快，电子极化时间 极短，约为10-15s，因此介质材料在1015Hz频率以下 的外电场作用下，均会产生电子位移极化。
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2. 原子位移极化(atomic polarization)
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二、介质极化
• 在电场作用下，感应偶极子和/或固有偶极子沿电 场方向择优排列的结果，在介质与电极的交界面形 成了束缚电荷，这些电荷的极性与电极极性相反， 这种现象称为介质极化（polarization）。
• 偶极矩μ qd
• 偶极矩是一个矢量，其方向由负电荷指向正电荷， 单位是德拜(Debye)， 1德拜＝1 10－29 库。仑 米
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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
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• 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。
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介 质 极 化 示 意 图
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• 各种介质材料由于其组成结构不同，在相 同环境和外电场条件下，它们的极化形式 与极化程度也各不相同。根据形成极化的 机理不同，可分为电子位移极化、原子位 移极化、偶极子转向极化、界面极化等。
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1. 电子位移极化(electronic polarization)
• 这种极化所需要的时间较长，从几分之一 秒到几分钟。
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• 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。
2
02
3KT
E
0E
T-绝对温度， μ0-极性分子的永久偶极，
E-外电场强度，K-波尔兹曼常数，
α0-转向极化率。
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• 非极性电介质分子在外电场中只有诱导偶极矩，
其分子极化率 d ；
• 而极性电介质分子在外电场中产生的偶极矩应为
诱导偶极矩与转向偶极矩之和，其16
电子极化 原子极化
位移极化 变形极化 诱导极化 瞬时极化
• 由电子和原子极化产生的偶极矩称为 诱导偶极矩μ1。
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• μ1与电场强度E成正比
1 d E (1 2 )E
αd——位移极化率； α1、α2——分别为电子极化率和原子极化 率，α1和α2与温度无关。
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3. 偶极子转向极化(orientation polarization)
• 具有固有(永久)偶极子在电场作用下沿电场方 向择优取向而呈现的极化。又称取向极化。
• 由于偶极子转动受到周围分子的阻碍作用，极化形成 时间较长，而且分布也很广，约从μs到min以上，其 时间长短强烈依赖于分子间的相互作用。这种现象称 为介质松弛。故转向极化又称为松弛极化。
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• 由偶极子转向极化得到的转向偶极矩μ2
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绝大多数高聚物是绝缘体(也称电介质)。
• 高聚物的电性能包括介电性质、导电性质、 静电现象等。
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• 绝大多数高聚物材料具有卓越的电绝缘性能，如 低的电导率、低的介电损耗和高的击穿强度。使 高聚物在电子电气工业中成为不可缺少的绝缘材 料和介电材料，得到广泛的应用。
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高 聚 物 的 室 温 电 导 率