第十章 聚合物的电学性能
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2.原子极化 是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。
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，故极化所需要 的时间长，一般为10-9s，发生于低频区域。
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4.界面极化
产生于非均相介质界面处的极化。 是由于在外电场作用下，电介质中电子或 离子在界面处堆积的结果。极化所需时间 较长，从几分之一秒至几分钟。
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6.介电常数
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真空电容器的电容为 C Q0 0
V
(10 1)
如果在上述电容器的两极板间充满电介质， 电介质分子的极化会产生感应电荷Q′，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
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一、介电损耗的意义及其产生原因
1.介电损耗的意义
聚合物在交变电场中取向极化时，一部分 电能用于克服介质的内阻力（即能量损 耗），使介质本身发热，这种现象称为聚 合物的介电损耗。
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二、导电性的表征
对聚合物加一个直流电源时，通过的电流为表面 电流IS和体积电流IV之和： I= IS + IV 相应地电阻也可分为体积电阻RV和表面电阻RS，有 1/R=1/RV +1/RS 为了比较不同材料的导电性，通常用电阻率表示。 即 体积电阻率（比体积电阻）ρV=RV· s/D （Ω.cm） 表面电阻率（比表面电阻）ρS=RS· l/b （Ω） 式中：s，D，l，b分别为试样的面积、厚度、电极 的长度和电极间的距离
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Logo 三、影响介电性的因素
① 结构
tgδ取决于材料的极性：分子极性↗，极 性基团密度↗，则ε和tgδ↗。而其中tgδ 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），tgδ较小。 交联、取向或结晶使分子间作用力增加， ε减少；支化减少分子间作用力，ε增加。
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10.1.2
聚合物的介电损耗与介电松弛
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D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，即 D=D0 cos(ωt-δ)=D1 cosωt + D2 sinωt
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二、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。
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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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聚合物的电学性质是指聚合物在外加电压 或电场作用下的行为及其所表现出来的各 种物理现象。研究聚合物的电学性质，具 有非常重要的理论和实际意义。 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
大一些才好。
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四、聚合物的介电松弛谱
固体聚合物，当频率固 定时在某温度范围内， 或当温度介电损耗情况， 可以得到一特征的图谱， 称为聚合物的介电松弛 谱，前者为温度谱，后 者为频率谱。
介电损耗温度谱示意图
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③ 外来物的影响
加入增塑剂使体系粘度降低，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ε和tgδ都增大（见图8-13）。
介电损耗的应用：聚合物在作电工绝缘材料（电 线外皮）或电容器材料使用时，要求其介电损耗 越小越好（tgδ↗→漏电、火灾）；相反在塑料 高频焊接或使用高频加热器等情况下，要求tgδ
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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。
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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。
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三种聚乙烯的介电谱（100KHz）
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Logo 两种聚四氟乙烯的介电谱（1KHz）
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10.2 聚合物的导电性能
一、聚合物的导电机理 聚合物主要存在两种导电机理： 1、一般聚合物主要是离子电导。有强极性原子或基 团的聚合物在电场下产生本征解离，可产生导电 离子。非极性聚合物本应不导电，理论上比体积 电阻为1025Ω.cm，但实际上要大许多数量级，原 因是杂质（未反应的单体、残留催化剂、助剂以 及水分）离解带来的。 2、聚合物导体、半导体主要是电子电导。
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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。
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电阻率（未特别注明时指体积电阻率）是材 料最重要的电学性质之一。按ρV将材料分为 导体、半导体和绝缘体三类。 导体 0～103Ω.cm 半导体 103～108Ω.cm 绝缘体 108～1018Ω.cm以上 有时也用电导率表示，电导率是电阻率的倒 数。
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在这些图谱上，聚合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 。
10.1 聚合物的介电性能 大多数聚合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。 品种繁多的聚合物，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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D=D0 cos(ωt-δ)=D1 cosωt +D2 sinωt 式中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 令 D1 / E 0 ＝ ε ′ D 2 / E0 ＝ ε ″
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第十章 聚合物的电学性能
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本章学习目的
1、熟悉聚合物的极性与介电性能。 2、了解聚合物的介电松弛谱。 3、掌握聚合物的导电性。 4、掌握聚合物的静电现象。
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聚合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，已成为研究聚合物的结构和分子运动 的一种有力的手段 电学性质的测量方法，由于可以在很宽的 频率范围下进行观察，显示出有更大的优 越性。
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非均质聚合物材料，如共混、发泡、填充
聚合物等都能产生界面极化。
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5.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。 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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在静电粉末涂装时，粉末涂料粒子带电，借助于库 仑力吸附到被涂物面上，库仑力越大，其静电吸附 效果越好。库仑力F可用下式表示;F=q/16πεh2 式中:q一表示粉末涂料粒子所带的电荷量; ε一真空介电常数; h一粉末涂料粒子和被涂物之间的距离 当q值越大，库仑力也就越大。当粉末涂料的电阻率 小于109Q. cm时，其粉末粒子易放出带电电荷，粉 末粒子易从被吸附的工件上脱落。因此，粉末涂料 的电阻率以控制在1010-1014Ω. cm之间为宜。
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② 频率ω和温度T
与力学松弛相似
ω→0 时：极化完全跟得上电场变化，ε′最大， 损耗小，即ε″→0 和tgδ→0 ； ω→∞时：偶极取向极化不能进行，只能发生变形 极化，ε″→0，损耗小； ω适中：偶极取向不能完全跟上外电场变化，介电 损耗出现峰值。 T↙↙：聚合物粘度大，运动困难，ε″↙，ε′↙， 损耗小； T↗↗：运动容易，损耗小； T适中：可取向，但不能完全跟上，ε″↗，损耗峰。
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本章将简要介绍聚合物的极化，介电常
数、介电损耗、绝缘电阻、介电强度以及 静电等现象和概念。
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10.1.1 介电极化和介电常数
一、电介质在外电场中的极化现象
在外电场的作用下，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
ε′— 实测的介电系数，代表体系的储电能 ε″— 损耗因子，代表体系的耗能部分
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通常，用损耗角正切 tgδ表征聚合物电介质耗能与 储能之比，即 tgδ=ε″/ε′ 取真空的相对介电系数为 1，则非极性聚合物的介 电系数在2左右，损耗角正切小于110-4；极性聚合 物的损耗角正切在110-1～510-3之间。
Q C V
(10 2)
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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
(10 3)
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， 表征电介质储存电能能力的大小。
极化（电子极化、原子极化、取向极化、
界面极化）
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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 10-15～10-13s。 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。 对称原子、非极性分子只能发生电子极化。 例：PE、PTEF、PIB
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2.原子极化 是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。
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，故极化所需要 的时间长，一般为10-9s，发生于低频区域。
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4.界面极化
产生于非均相介质界面处的极化。 是由于在外电场作用下，电介质中电子或 离子在界面处堆积的结果。极化所需时间 较长，从几分之一秒至几分钟。
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6.介电常数
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真空电容器的电容为 C Q0 0
V
(10 1)
如果在上述电容器的两极板间充满电介质， 电介质分子的极化会产生感应电荷Q′，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
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一、介电损耗的意义及其产生原因
1.介电损耗的意义
聚合物在交变电场中取向极化时，一部分 电能用于克服介质的内阻力（即能量损 耗），使介质本身发热，这种现象称为聚 合物的介电损耗。
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二、导电性的表征
对聚合物加一个直流电源时，通过的电流为表面 电流IS和体积电流IV之和： I= IS + IV 相应地电阻也可分为体积电阻RV和表面电阻RS，有 1/R=1/RV +1/RS 为了比较不同材料的导电性，通常用电阻率表示。 即 体积电阻率（比体积电阻）ρV=RV· s/D （Ω.cm） 表面电阻率（比表面电阻）ρS=RS· l/b （Ω） 式中：s，D，l，b分别为试样的面积、厚度、电极 的长度和电极间的距离
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Logo 三、影响介电性的因素
① 结构
tgδ取决于材料的极性：分子极性↗，极 性基团密度↗，则ε和tgδ↗。而其中tgδ 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），tgδ较小。 交联、取向或结晶使分子间作用力增加， ε减少；支化减少分子间作用力，ε增加。
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10.1.2
聚合物的介电损耗与介电松弛
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D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，即 D=D0 cos(ωt-δ)=D1 cosωt + D2 sinωt
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二、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。
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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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聚合物的电学性质是指聚合物在外加电压 或电场作用下的行为及其所表现出来的各 种物理现象。研究聚合物的电学性质，具 有非常重要的理论和实际意义。 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
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四、聚合物的介电松弛谱
固体聚合物，当频率固 定时在某温度范围内， 或当温度介电损耗情况， 可以得到一特征的图谱， 称为聚合物的介电松弛 谱，前者为温度谱，后 者为频率谱。
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③ 外来物的影响
加入增塑剂使体系粘度降低，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ε和tgδ都增大（见图8-13）。
介电损耗的应用：聚合物在作电工绝缘材料（电 线外皮）或电容器材料使用时，要求其介电损耗 越小越好（tgδ↗→漏电、火灾）；相反在塑料 高频焊接或使用高频加热器等情况下，要求tgδ
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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。
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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。
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10.2 聚合物的导电性能
一、聚合物的导电机理 聚合物主要存在两种导电机理： 1、一般聚合物主要是离子电导。有强极性原子或基 团的聚合物在电场下产生本征解离，可产生导电 离子。非极性聚合物本应不导电，理论上比体积 电阻为1025Ω.cm，但实际上要大许多数量级，原 因是杂质（未反应的单体、残留催化剂、助剂以 及水分）离解带来的。 2、聚合物导体、半导体主要是电子电导。
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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。
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电阻率（未特别注明时指体积电阻率）是材 料最重要的电学性质之一。按ρV将材料分为 导体、半导体和绝缘体三类。 导体 0～103Ω.cm 半导体 103～108Ω.cm 绝缘体 108～1018Ω.cm以上 有时也用电导率表示，电导率是电阻率的倒 数。
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在这些图谱上，聚合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 。
10.1 聚合物的介电性能 大多数聚合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。 品种繁多的聚合物，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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D=D0 cos(ωt-δ)=D1 cosωt +D2 sinωt 式中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 令 D1 / E 0 ＝ ε ′ D 2 / E0 ＝ ε ″
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聚合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，已成为研究聚合物的结构和分子运动 的一种有力的手段 电学性质的测量方法，由于可以在很宽的 频率范围下进行观察，显示出有更大的优 越性。
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聚合物等都能产生界面极化。
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5.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。 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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在静电粉末涂装时，粉末涂料粒子带电，借助于库 仑力吸附到被涂物面上，库仑力越大，其静电吸附 效果越好。库仑力F可用下式表示;F=q/16πεh2 式中:q一表示粉末涂料粒子所带的电荷量; ε一真空介电常数; h一粉末涂料粒子和被涂物之间的距离 当q值越大，库仑力也就越大。当粉末涂料的电阻率 小于109Q. cm时，其粉末粒子易放出带电电荷，粉 末粒子易从被吸附的工件上脱落。因此，粉末涂料 的电阻率以控制在1010-1014Ω. cm之间为宜。
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② 频率ω和温度T
与力学松弛相似
ω→0 时：极化完全跟得上电场变化，ε′最大， 损耗小，即ε″→0 和tgδ→0 ； ω→∞时：偶极取向极化不能进行，只能发生变形 极化，ε″→0，损耗小； ω适中：偶极取向不能完全跟上外电场变化，介电 损耗出现峰值。 T↙↙：聚合物粘度大，运动困难，ε″↙，ε′↙， 损耗小； T↗↗：运动容易，损耗小； T适中：可取向，但不能完全跟上，ε″↗，损耗峰。
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数、介电损耗、绝缘电阻、介电强度以及 静电等现象和概念。
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10.1.1 介电极化和介电常数
一、电介质在外电场中的极化现象
在外电场的作用下，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
ε′— 实测的介电系数，代表体系的储电能 ε″— 损耗因子，代表体系的耗能部分
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通常，用损耗角正切 tgδ表征聚合物电介质耗能与 储能之比，即 tgδ=ε″/ε′ 取真空的相对介电系数为 1，则非极性聚合物的介 电系数在2左右，损耗角正切小于110-4；极性聚合 物的损耗角正切在110-1～510-3之间。
Q C V
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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
(10 3)
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， 表征电介质储存电能能力的大小。
极化（电子极化、原子极化、取向极化、
界面极化）
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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 10-15～10-13s。 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。 对称原子、非极性分子只能发生电子极化。 例：PE、PTEF、PIB