热学、电学性能
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36
3.2 介电性能
1. 极化
极化：介质在外加电场的作 用下产生感应电荷的现象。
电介质：在电场作用下，能建立 极化的一切物质。通常是指电阻 率大于1010· cm的一类在电场中 以感应而并非传导的方式呈现其 电学性能的物质。
电介质 电介质极化示意图
电介质主 介电常数、介电损耗、介电强度 要性能：
37
2. 介电常数
介电常数：表征电绝缘材料 介质极化的一个宏观参数， 它是将材料作为电容器介质 时，电容与真空为介质对同 尺寸电容器的电容之比
Q0
Q
Qb Q Qb Q0 1 Q0 Q0 Q0
Q —— 有介质存在进行充电时极板上的总电荷 Qb —— 纯粹因电介质极化引起极板上的感应电荷 Q0 —— 电极间为真空时充电极板上的电荷
38
Q C U
Q0 C0 U0
C Q C0 Q0
C C0
C —— 平板电容器放入介质时的电容量
C0 ——电极间为真空时的电容量
39
3. 介电损耗
电介质材料在交变电场作用下由于发热而消耗 的能量称为介电损耗 原因： 电导（漏导）损耗：通过介质的漏导电流引 起的电流损耗 极化损耗：电介质在电场中发生极化取向时， 由于极化取向与外加电场有相位差而产生的极 化电流损耗
26
2.3 比热
1. 基本概念
物质的比热代表其储存热量的能力 定义: 单位质量的物质升温1℃所吸收的热量 C 1 Q / T 真比热 m 平均比热 C 1 Q / T1 T2 m 定压比热 CP 1 m Q / T P
定容比热
CV
1 Q / T m
16
水在0到4℃之间是热缩冷胀这一反常性质,对江河 湖泊中的动植物的生命有着重要的影响和意义
冰＜0℃
4℃ ﹌
≡4℃
0~4℃
＞ 4℃
17
3. 线膨胀系数测试方法
试验设备：热膨胀仪 可对试样进行均匀加热、能控制升温速度、 测定试样长度及其相应伸长量
△t，L0，△L → 绘制膨胀-温度曲线 样品：圆柱体 正方体 0 长方体
11
体膨胀系数：
V V t V0
αV —体膨胀系数 各向同性： 各向异性：
V 3
V a b c
12
如果固体在受热时不能自由膨胀， 就会在体内产生很大的应力。此应 力的值相当于将固体压缩到原长l0：
L L0 t
L n E E L
抗静电剂：具有表面活性的功能，通过增加材料 的吸湿性而提高表面导电性，从而消除静电现象 的一种物质。
43
本次课小结
第二章 材料的热学性能
线膨胀系数 热传导系数 比热
第三章 材料的电学性能
导电性能：电阻率 介电性能：介电常数、介电损耗 介电强度
作业
1. 电介质有哪些主要的性能指标？ 2. 什么是介电损耗？电介质为什么会产 生介电损耗？
32
结构型导电高分子材料：
高聚物自身具有共扼π键等特殊结构而具备 导电功能，如聚乙炔、聚苯胺（PAn）、 聚吡咯（PPy）、聚噻吩（PTh）、聚对 苯（PPP）、聚苯亚乙烯（PPV）等
复合型导电高分子材料：
在高聚物中添加炭黑（CB）、石墨 （GP）、碳纤维或金属粉末等导电物质
33
2.表面电阻率
L L t
18
百分表
样品 石英棒
19
平均线膨胀系数：
L K L0 t
K：仪器常数 △t：t1 –t2温度差
20
2.2 热传导
1. 基本概念
（1） 热传导 材料的内部存在温度梯度时，热能将从高 温区流向低温区，这一过程称为热传导。
21
（2）热传导定律
2. 导热系数的测试方法
稳态法
在传热过程中，沿热流 方向上各点的温度不同， 但不随时间而变化
按照热 流状态
非稳态法 各点的温度不但因
位置而异且随时间 而变化
25
稳态测试法
Q S T t h
导热速率
Q h t S T
S —导热面积，m2 λ —导热系数，W/（m· K） h —样品厚度，m
铁轨预留伸缩 缝不足，受热 应力扭曲变形
9
桥梁
伸缩缝
10
2. 线膨胀系数
• 固态物体的长度随温度的上升而增加。由 实验结果得知：物体长度增加的比例与上 升的温度成正比。
L t L0
L t L0
• α—线膨胀系数，为温度上升1℃时，物体长 度的增加量与起始长度的比值。在一般温度 范围內，α的值都很小，且几乎不变。
29
3.1 导电性能
1. 电阻率与导电 电阻率
L R S
●
L—长度 S—横截面积
评定导电性的基本参数
ρ<10-2Ω m，导体
> 1010Ω m，绝缘体
●
二者之间，半导体
30
2000年Nobel 化学奖 Heeger、MacDiarmid(美)、白川英树(日) 导电高分子研究，聚乙炔掺杂后，电导率提高 了1000万倍（接近铝、铜）
Vห้องสมุดไป่ตู้
27
2. 基本方法
铜块量热计混合法（即降落法）：
试样在加热炉内恒温加热一段时间，达 到一定温度后落至紫铜块量热计内，试 样释放的热量被量热计完全吸收，测量 试样和紫铜块量热计的温度变化值，即 可求出试样的平均比热
28
第三章 材料的电学性能
导电性能 电学 性能 介电性能
材料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
40
例：聚合物作电工绝缘材料、电缆包皮：介电损 耗越小越好。否则，不仅消耗较多电能，还会引 起材料本身发热，加速材料老化破坏，引发事故
通信电缆
41
4. 介电强度
电击穿：当电场强度超 过某一临界值时，电介 质就丧失其绝缘性能
介电强度表征绝缘材料承受电压的能力， 用在规定的试验条件下，试样在均匀电场 中被击穿的电压值与试样厚度比值表示。
材料性能测试技术
Performance Testing of Materials
上次课的主要内容
第一章 材料的力学性能
1.9 材料的磨损性能 1.10 材料的高温力学性能
本次课的主要内容
第二章 材料的热学性能 第三章 材料的电学性能
3
本次课的重点、难点
重点： 热膨胀，热传导，电阻率，介电常数 难点： 介电性能
第二章 材料的热学性能
热膨胀 热学 性能 热传导 比热
5
2.1 热膨胀 1、概述
大多数物体都会随温度的升高而发生长度 或体积的变化，这一现象称为热膨胀。
水泥路面
钢铁大桥
水泥大桥
大型建筑物……
6
热膨胀实例
膨胀节
7
膨胀节
8
铁轨
每经一段长度,铁轨之间就留 有空隙,其目的是 预留热膨胀 的空间,以免铁轨弯曲变形
Ub Eb d
Eb：介电强度，kV/m Ub：击穿电压，kV d ： 试样厚度，m
聚合物的介电强度可达1000 MV/m
42
5. 静电现象
静电现象：两种物体互相接触和摩擦时会有电子 的转移而使一个物体带正电另一个带负电的现象。 产生原因：高电阻率使其有可能积累大量静电荷 →例如聚丙烯腈纤维因摩擦可产生高达1500v的静 电压。 消除方法： 采用抗静电剂提高材料的表面导电性
比例系数称为导热系数。
23
（3）导热系数（热导率）
Q d S t dx x0
称为导热系数
•导热系数是反映材料导热性能的重要参数
• 大→导热性能↑→良热导体； 小→导热 性能↓→不良热导体。
• 金属的比非金属大；固体的比液体的大； 气体的最小。 24
d dx x0
表示x0处与S垂直的温度梯度
在t时间内经Ｓ传递的热量为Q：
Q d S t dx x0
傅立叶热 传导定律
22
Q d S t dx x0
Q t
传热速率
负号代表热量传递方向是从高温区传至低温区
13
“热胀冷缩”是材料对温度变化响应的最 普遍规律。但情况有时也相反，材料对温 度变化响应是“热缩冷胀”，即材料具有 负的膨胀系数。 有极少数物质，如锑、铋、镓等金属和在 0℃~4℃之间的水，具有遇热收缩、受冷 膨胀的现象。
14
水的“热缩冷胀”对水中动植物生命的意 义
15
水的“热缩冷胀”对水中动植物生命的意 义
Thank you !
46
表面电阻：在试样的某一表面上两电极间U/I
表面电阻率：单位面积内的表面电阻，ρs。
ρs不是表征材料本身特性的参数，而是一个有 关材料表面污染特性的参数。测得的表面电阻 率值主要反映被测试样表面污染的程度。
2 s Rs D2 ln( ) D1
Rs：试样表面电阻，Ω D1 ：测量电极直径，cm D2 ：保护电极直径，cm
Alan J. Heeger
Alan G. MacDiarmid
Hideki Shirakawa
31
白川英树（Shirakawa）从事聚乙炔聚合机理 研究，韩国研修生出现幸运的失误，使白川得 到银色聚乙炔膜。偶然的机遇，麦克迪尔米德 （MacDiarmid）首先注意到白川的聚乙炔膜。
三人在美国合作研究，两个月后，聚乙炔的电 导率提高了7位数。 黑格（Heeger）为了说明聚乙炔的导电性，提 出孤子的概念，才有了薄膜显示材料的诞生。
34
表面电阻仪
35
3. 体积电阻率
体积电阻：在试样的相对两表面上放置的 两电极间U/I=Rv
体积电阻率：单位体积内的体积电阻，ρv
ρv可作为选择绝缘材料的一个参数，随温度 和湿度的变化而显著变化。
S v Rv d
Rv： 试样体积电阻，Ω S ：测量电极有效面积，m2 d ： 试样厚度，m
3.2 介电性能
1. 极化
极化：介质在外加电场的作 用下产生感应电荷的现象。
电介质：在电场作用下，能建立 极化的一切物质。通常是指电阻 率大于1010· cm的一类在电场中 以感应而并非传导的方式呈现其 电学性能的物质。
电介质 电介质极化示意图
电介质主 介电常数、介电损耗、介电强度 要性能：
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2. 介电常数
介电常数：表征电绝缘材料 介质极化的一个宏观参数， 它是将材料作为电容器介质 时，电容与真空为介质对同 尺寸电容器的电容之比
Q0
Q
Qb Q Qb Q0 1 Q0 Q0 Q0
Q —— 有介质存在进行充电时极板上的总电荷 Qb —— 纯粹因电介质极化引起极板上的感应电荷 Q0 —— 电极间为真空时充电极板上的电荷
38
Q C U
Q0 C0 U0
C Q C0 Q0
C C0
C —— 平板电容器放入介质时的电容量
C0 ——电极间为真空时的电容量
39
3. 介电损耗
电介质材料在交变电场作用下由于发热而消耗 的能量称为介电损耗 原因： 电导（漏导）损耗：通过介质的漏导电流引 起的电流损耗 极化损耗：电介质在电场中发生极化取向时， 由于极化取向与外加电场有相位差而产生的极 化电流损耗
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2.3 比热
1. 基本概念
物质的比热代表其储存热量的能力 定义: 单位质量的物质升温1℃所吸收的热量 C 1 Q / T 真比热 m 平均比热 C 1 Q / T1 T2 m 定压比热 CP 1 m Q / T P
定容比热
CV
1 Q / T m
16
水在0到4℃之间是热缩冷胀这一反常性质,对江河 湖泊中的动植物的生命有着重要的影响和意义
冰＜0℃
4℃ ﹌
≡4℃
0~4℃
＞ 4℃
17
3. 线膨胀系数测试方法
试验设备：热膨胀仪 可对试样进行均匀加热、能控制升温速度、 测定试样长度及其相应伸长量
△t，L0，△L → 绘制膨胀-温度曲线 样品：圆柱体 正方体 0 长方体
11
体膨胀系数：
V V t V0
αV —体膨胀系数 各向同性： 各向异性：
V 3
V a b c
12
如果固体在受热时不能自由膨胀， 就会在体内产生很大的应力。此应 力的值相当于将固体压缩到原长l0：
L L0 t
L n E E L
抗静电剂：具有表面活性的功能，通过增加材料 的吸湿性而提高表面导电性，从而消除静电现象 的一种物质。
43
本次课小结
第二章 材料的热学性能
线膨胀系数 热传导系数 比热
第三章 材料的电学性能
导电性能：电阻率 介电性能：介电常数、介电损耗 介电强度
作业
1. 电介质有哪些主要的性能指标？ 2. 什么是介电损耗？电介质为什么会产 生介电损耗？
32
结构型导电高分子材料：
高聚物自身具有共扼π键等特殊结构而具备 导电功能，如聚乙炔、聚苯胺（PAn）、 聚吡咯（PPy）、聚噻吩（PTh）、聚对 苯（PPP）、聚苯亚乙烯（PPV）等
复合型导电高分子材料：
在高聚物中添加炭黑（CB）、石墨 （GP）、碳纤维或金属粉末等导电物质
33
2.表面电阻率
L L t
18
百分表
样品 石英棒
19
平均线膨胀系数：
L K L0 t
K：仪器常数 △t：t1 –t2温度差
20
2.2 热传导
1. 基本概念
（1） 热传导 材料的内部存在温度梯度时，热能将从高 温区流向低温区，这一过程称为热传导。
21
（2）热传导定律
2. 导热系数的测试方法
稳态法
在传热过程中，沿热流 方向上各点的温度不同， 但不随时间而变化
按照热 流状态
非稳态法 各点的温度不但因
位置而异且随时间 而变化
25
稳态测试法
Q S T t h
导热速率
Q h t S T
S —导热面积，m2 λ —导热系数，W/（m· K） h —样品厚度，m
铁轨预留伸缩 缝不足，受热 应力扭曲变形
9
桥梁
伸缩缝
10
2. 线膨胀系数
• 固态物体的长度随温度的上升而增加。由 实验结果得知：物体长度增加的比例与上 升的温度成正比。
L t L0
L t L0
• α—线膨胀系数，为温度上升1℃时，物体长 度的增加量与起始长度的比值。在一般温度 范围內，α的值都很小，且几乎不变。
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3.1 导电性能
1. 电阻率与导电 电阻率
L R S
●
L—长度 S—横截面积
评定导电性的基本参数
ρ<10-2Ω m，导体
> 1010Ω m，绝缘体
●
二者之间，半导体
30
2000年Nobel 化学奖 Heeger、MacDiarmid(美)、白川英树(日) 导电高分子研究，聚乙炔掺杂后，电导率提高 了1000万倍（接近铝、铜）
Vห้องสมุดไป่ตู้
27
2. 基本方法
铜块量热计混合法（即降落法）：
试样在加热炉内恒温加热一段时间，达 到一定温度后落至紫铜块量热计内，试 样释放的热量被量热计完全吸收，测量 试样和紫铜块量热计的温度变化值，即 可求出试样的平均比热
28
第三章 材料的电学性能
导电性能 电学 性能 介电性能
材料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
40
例：聚合物作电工绝缘材料、电缆包皮：介电损 耗越小越好。否则，不仅消耗较多电能，还会引 起材料本身发热，加速材料老化破坏，引发事故
通信电缆
41
4. 介电强度
电击穿：当电场强度超 过某一临界值时，电介 质就丧失其绝缘性能
介电强度表征绝缘材料承受电压的能力， 用在规定的试验条件下，试样在均匀电场 中被击穿的电压值与试样厚度比值表示。
材料性能测试技术
Performance Testing of Materials
上次课的主要内容
第一章 材料的力学性能
1.9 材料的磨损性能 1.10 材料的高温力学性能
本次课的主要内容
第二章 材料的热学性能 第三章 材料的电学性能
3
本次课的重点、难点
重点： 热膨胀，热传导，电阻率，介电常数 难点： 介电性能
第二章 材料的热学性能
热膨胀 热学 性能 热传导 比热
5
2.1 热膨胀 1、概述
大多数物体都会随温度的升高而发生长度 或体积的变化，这一现象称为热膨胀。
水泥路面
钢铁大桥
水泥大桥
大型建筑物……
6
热膨胀实例
膨胀节
7
膨胀节
8
铁轨
每经一段长度,铁轨之间就留 有空隙,其目的是 预留热膨胀 的空间,以免铁轨弯曲变形
Ub Eb d
Eb：介电强度，kV/m Ub：击穿电压，kV d ： 试样厚度，m
聚合物的介电强度可达1000 MV/m
42
5. 静电现象
静电现象：两种物体互相接触和摩擦时会有电子 的转移而使一个物体带正电另一个带负电的现象。 产生原因：高电阻率使其有可能积累大量静电荷 →例如聚丙烯腈纤维因摩擦可产生高达1500v的静 电压。 消除方法： 采用抗静电剂提高材料的表面导电性
比例系数称为导热系数。
23
（3）导热系数（热导率）
Q d S t dx x0
称为导热系数
•导热系数是反映材料导热性能的重要参数
• 大→导热性能↑→良热导体； 小→导热 性能↓→不良热导体。
• 金属的比非金属大；固体的比液体的大； 气体的最小。 24
d dx x0
表示x0处与S垂直的温度梯度
在t时间内经Ｓ传递的热量为Q：
Q d S t dx x0
傅立叶热 传导定律
22
Q d S t dx x0
Q t
传热速率
负号代表热量传递方向是从高温区传至低温区
13
“热胀冷缩”是材料对温度变化响应的最 普遍规律。但情况有时也相反，材料对温 度变化响应是“热缩冷胀”，即材料具有 负的膨胀系数。 有极少数物质，如锑、铋、镓等金属和在 0℃~4℃之间的水，具有遇热收缩、受冷 膨胀的现象。
14
水的“热缩冷胀”对水中动植物生命的意 义
15
水的“热缩冷胀”对水中动植物生命的意 义
Thank you !
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表面电阻：在试样的某一表面上两电极间U/I
表面电阻率：单位面积内的表面电阻，ρs。
ρs不是表征材料本身特性的参数，而是一个有 关材料表面污染特性的参数。测得的表面电阻 率值主要反映被测试样表面污染的程度。
2 s Rs D2 ln( ) D1
Rs：试样表面电阻，Ω D1 ：测量电极直径，cm D2 ：保护电极直径，cm
Alan J. Heeger
Alan G. MacDiarmid
Hideki Shirakawa
31
白川英树（Shirakawa）从事聚乙炔聚合机理 研究，韩国研修生出现幸运的失误，使白川得 到银色聚乙炔膜。偶然的机遇，麦克迪尔米德 （MacDiarmid）首先注意到白川的聚乙炔膜。
三人在美国合作研究，两个月后，聚乙炔的电 导率提高了7位数。 黑格（Heeger）为了说明聚乙炔的导电性，提 出孤子的概念，才有了薄膜显示材料的诞生。
34
表面电阻仪
35
3. 体积电阻率
体积电阻：在试样的相对两表面上放置的 两电极间U/I=Rv
体积电阻率：单位体积内的体积电阻，ρv
ρv可作为选择绝缘材料的一个参数，随温度 和湿度的变化而显著变化。
S v Rv d
Rv： 试样体积电阻，Ω S ：测量电极有效面积，m2 d ： 试样厚度，m