高聚物的电性能

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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，其分子极化率
d
0
d
2 0
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3KT
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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
• 在一般电气设备中用的电介质和绝缘体，均要求介 电损耗小。
• 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
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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。
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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。
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。
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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
• 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。
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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)
• 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。
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)
• 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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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)
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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
• 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。