第九章聚合物的电性能与光性能详解
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电容器：ε大 、tgδ小、ρ和 E大 电器绝缘： tgδ小、ρ和 E大 无线、通讯及遥控：高频性能优良
9.1.1 高聚物的介电性能
介电 性能
• 高聚物在外电场作用下出现的 电能储存和损耗的性质
• 由高聚物的分子在外电场中 的极化引起的
• 介电常数ε和介质损耗tgδ 可描述其介电性能
一.分子的极化
四. 影响介电性能的因素
频率
频率很高：tg 较小 作用时间分子运动时间
频率很低：tg 较小 作用时间分子运动时间
适当频率： tg 最大 作用时间~分子运动时间
四. 影响介电性能的因素
电压 外电场电压增大偶极取向、电导损耗 ∴电压增大将导致高聚物介电损耗tg的
增塑剂 增塑剂加入分子间作用减小极化转向容易 相当于温度 加入极性增塑剂增加新的极化作用 使 tg 和ε
温度很高： 分子运动松弛时间 < 电场变化的作用时间 t 极化转向滯后电场变化极小 0
特定温度：分子运动松弛时间 ~ 电场变化的作用时间 t
介质损耗 t g 有最大值 注意：电导损耗对tg 的影响，当温度足够高时可成主要损耗
温度对取向极化（介电常数）的影响：
温度↑分子热运动加剧，对偶极取向干扰大——极化↓ 温度↑粘度降低分子间相互作用减小，容易转向——极化↑ 一般：温度较低时前者为影响较大，温度较高时后者为主
ε大——极化强 ε小——极化弱
三.介质损耗tg
介质损耗：在交变电场中电介质产生的损耗而 发热
介质损耗的原因：
分子极化过程中——由于分子运动克服内摩擦力 作功消耗电能为“极化损耗”
微量的导电载流子在交变电场下运动时—— 克服内摩擦力作功消耗电能为“电导损耗”
极性高聚物的介质损耗主要是极化损耗 介质损耗的利用：高频加热（薄膜袋封口等）
（10 几~ -10秒）
二. 介电常数（系数）ε
C：含有电介质电容器的电容
C
Q U
o
S d
Co：该真空电来自百度文库器的电容
Co
Qo U
o
S d
εo 为真空电容率 = 88510-12 法拉 / 米
二. 介电常数ε
介电常数 C Co
描述电介质材料储存电能大小的物理量
ε 是宏观上反映电介质极化程度参数
极化——在外电场作用下，电介质（高聚物）分子 中电荷分布发生相应变化的现象。
电子极化：电子云相对原字核的位移 极化程度（极化率αe）很小，极化时间很短10-15~13秒
原子极化：原子核之间的相对位移 极化程度（极化率αa）更小，极化时间短10-13秒
取向（分子）极化：极性分子的转向运动 极化程度（取向极化率αμ），极化时间与运动单元大小 有关
高聚物的电导性能 高聚物的电强度(介电强度)
9.1 高聚物的电学性能
高聚物的电学性能： 高聚物在外电场作用下的行为 及其表现出来的各种物理现象 介电常数ε
高聚物的 介电损耗 tgδ 电学性能 绝缘电阻（系数）ρ
介电强度 E
9.1 高聚物的电学性能
电气工程应用中对高聚物的电学性能有不 同的要求:
杂质——对介电性能影响很大 导电杂质和极性杂质（如水）
9.1.2 高聚物的导电性能 一.导电性的表征——电阻率
v
Rv
S d
cm
s
Rs
l
d
体积电阻系数
表面电阻系数
S：电极面积 d：厚度 l：电极长度
RV：体积电阻 RS：表面电阻
二. 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：
温度高,分子热运动激烈极化分子不易排列整齐, αμ低
一.分子的极化
取向极化——在外电场作用下极性电介 质分子发生转向运动 极性分子在电场中的转动
一.分子的极化
极化过程： 需要克服分子间的相互作用 需要时间——对小分子可忽略（10 -8~10秒）
高聚物分子运动单元有大有小（多重性） 极化过程是一个松弛过程,不能忽略
四. 影响介电性能的因素
高聚物的分子结构
非极性高聚物μ= 0～0.5 D
介电常数ε 和介质损耗 tg 较低
ε：22～2.7
tg ： ～10-4
极性高聚物μ＞0.5 D
介电常数ε 和介质损耗 tg 较大
ε：30～7.0
tg ： ～10-1～-3
常见高聚物的ε和 tgδ
高聚物 聚四氟乙烯 聚乙烯 聚丙烯 聚苯乙烯 聚氯乙烯 环氧树脂 硝化纤维素
分子结构——高聚物导电性能的内在因素
饱和的非极性高聚物：v 1016~18 cm （PE等）
一般的极性高聚物： v 1012~15 cm （PVC等） 共轭结构的高聚物： v 104~10 cm（聚乙炔等）
电荷转移络合物 自由基-离子化合物 有机金属聚合物等
较高的导电性能
三.影响高聚物导电性能的因素
瞬时电流 Id ——由电子或原子极化引起 10-13 ~10-15 秒
极化电流 Ia ——由极性基团、偶极取向极化 等引起，随时间逐渐减小0。 10 0~4 秒
漏电电流 I ——由可移动的离子、自由电子等 带电粒子沿电场方向运动形成的稳定电流
高聚物的漏电流（体积电阻率）
三.影响高聚物导电性能的因素
第七章 高聚物的电学和光学性能
桂林理工大学 材料科学与工程学院 高分子材料与工程专业
彭锦雯
内容提要
高聚物的电学性能 介电性能、电导性能和电强度
高聚物的光学性能 折反射、双折射、透明性和光导性
9.1 高聚物的电学性能
高聚物的介电性能
高聚物的介电常数(系数) 高聚物的介电损耗(介质损耗)
高聚物的绝缘性能
ε(60HZ) 2.0 2.25~2.35 2.2 2.45~3.10 3.2~3.6 3.5~5.0 7.0~7.5
tgδ(50HZ) ＜0.0002 ~0.0002
0.0002~3 ＜0.0003
0.007~0.02 0.002~0.01 0.09~0.12
四. 影响介电性能的因素
温度 T
温度很低： 分子运动松弛时间 > 电场变化的作用时间 t 极化转向不能进行 tg 0
温度对导电性能的影响：
E
v Ae RT
E—活化能 A、R—常数 T—温度 如：PMMA T=20 oC时
T~100 oC时
v 1016 cm
v 1014 cm
三.影响高聚物导电性能的因素
结晶、取向和交联：
链段运动困难、自由体积减小 使离子迁移困难——离子电导
9.1.1 高聚物的介电性能
介电 性能
• 高聚物在外电场作用下出现的 电能储存和损耗的性质
• 由高聚物的分子在外电场中 的极化引起的
• 介电常数ε和介质损耗tgδ 可描述其介电性能
一.分子的极化
四. 影响介电性能的因素
频率
频率很高：tg 较小 作用时间分子运动时间
频率很低：tg 较小 作用时间分子运动时间
适当频率： tg 最大 作用时间~分子运动时间
四. 影响介电性能的因素
电压 外电场电压增大偶极取向、电导损耗 ∴电压增大将导致高聚物介电损耗tg的
增塑剂 增塑剂加入分子间作用减小极化转向容易 相当于温度 加入极性增塑剂增加新的极化作用 使 tg 和ε
温度很高： 分子运动松弛时间 < 电场变化的作用时间 t 极化转向滯后电场变化极小 0
特定温度：分子运动松弛时间 ~ 电场变化的作用时间 t
介质损耗 t g 有最大值 注意：电导损耗对tg 的影响，当温度足够高时可成主要损耗
温度对取向极化（介电常数）的影响：
温度↑分子热运动加剧，对偶极取向干扰大——极化↓ 温度↑粘度降低分子间相互作用减小，容易转向——极化↑ 一般：温度较低时前者为影响较大，温度较高时后者为主
ε大——极化强 ε小——极化弱
三.介质损耗tg
介质损耗：在交变电场中电介质产生的损耗而 发热
介质损耗的原因：
分子极化过程中——由于分子运动克服内摩擦力 作功消耗电能为“极化损耗”
微量的导电载流子在交变电场下运动时—— 克服内摩擦力作功消耗电能为“电导损耗”
极性高聚物的介质损耗主要是极化损耗 介质损耗的利用：高频加热（薄膜袋封口等）
（10 几~ -10秒）
二. 介电常数（系数）ε
C：含有电介质电容器的电容
C
Q U
o
S d
Co：该真空电来自百度文库器的电容
Co
Qo U
o
S d
εo 为真空电容率 = 88510-12 法拉 / 米
二. 介电常数ε
介电常数 C Co
描述电介质材料储存电能大小的物理量
ε 是宏观上反映电介质极化程度参数
极化——在外电场作用下，电介质（高聚物）分子 中电荷分布发生相应变化的现象。
电子极化：电子云相对原字核的位移 极化程度（极化率αe）很小，极化时间很短10-15~13秒
原子极化：原子核之间的相对位移 极化程度（极化率αa）更小，极化时间短10-13秒
取向（分子）极化：极性分子的转向运动 极化程度（取向极化率αμ），极化时间与运动单元大小 有关
高聚物的电导性能 高聚物的电强度(介电强度)
9.1 高聚物的电学性能
高聚物的电学性能： 高聚物在外电场作用下的行为 及其表现出来的各种物理现象 介电常数ε
高聚物的 介电损耗 tgδ 电学性能 绝缘电阻（系数）ρ
介电强度 E
9.1 高聚物的电学性能
电气工程应用中对高聚物的电学性能有不 同的要求:
杂质——对介电性能影响很大 导电杂质和极性杂质（如水）
9.1.2 高聚物的导电性能 一.导电性的表征——电阻率
v
Rv
S d
cm
s
Rs
l
d
体积电阻系数
表面电阻系数
S：电极面积 d：厚度 l：电极长度
RV：体积电阻 RS：表面电阻
二. 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：
温度高,分子热运动激烈极化分子不易排列整齐, αμ低
一.分子的极化
取向极化——在外电场作用下极性电介 质分子发生转向运动 极性分子在电场中的转动
一.分子的极化
极化过程： 需要克服分子间的相互作用 需要时间——对小分子可忽略（10 -8~10秒）
高聚物分子运动单元有大有小（多重性） 极化过程是一个松弛过程,不能忽略
四. 影响介电性能的因素
高聚物的分子结构
非极性高聚物μ= 0～0.5 D
介电常数ε 和介质损耗 tg 较低
ε：22～2.7
tg ： ～10-4
极性高聚物μ＞0.5 D
介电常数ε 和介质损耗 tg 较大
ε：30～7.0
tg ： ～10-1～-3
常见高聚物的ε和 tgδ
高聚物 聚四氟乙烯 聚乙烯 聚丙烯 聚苯乙烯 聚氯乙烯 环氧树脂 硝化纤维素
分子结构——高聚物导电性能的内在因素
饱和的非极性高聚物：v 1016~18 cm （PE等）
一般的极性高聚物： v 1012~15 cm （PVC等） 共轭结构的高聚物： v 104~10 cm（聚乙炔等）
电荷转移络合物 自由基-离子化合物 有机金属聚合物等
较高的导电性能
三.影响高聚物导电性能的因素
瞬时电流 Id ——由电子或原子极化引起 10-13 ~10-15 秒
极化电流 Ia ——由极性基团、偶极取向极化 等引起，随时间逐渐减小0。 10 0~4 秒
漏电电流 I ——由可移动的离子、自由电子等 带电粒子沿电场方向运动形成的稳定电流
高聚物的漏电流（体积电阻率）
三.影响高聚物导电性能的因素
第七章 高聚物的电学和光学性能
桂林理工大学 材料科学与工程学院 高分子材料与工程专业
彭锦雯
内容提要
高聚物的电学性能 介电性能、电导性能和电强度
高聚物的光学性能 折反射、双折射、透明性和光导性
9.1 高聚物的电学性能
高聚物的介电性能
高聚物的介电常数(系数) 高聚物的介电损耗(介质损耗)
高聚物的绝缘性能
ε(60HZ) 2.0 2.25~2.35 2.2 2.45~3.10 3.2~3.6 3.5~5.0 7.0~7.5
tgδ(50HZ) ＜0.0002 ~0.0002
0.0002~3 ＜0.0003
0.007~0.02 0.002~0.01 0.09~0.12
四. 影响介电性能的因素
温度 T
温度很低： 分子运动松弛时间 > 电场变化的作用时间 t 极化转向不能进行 tg 0
温度对导电性能的影响：
E
v Ae RT
E—活化能 A、R—常数 T—温度 如：PMMA T=20 oC时
T~100 oC时
v 1016 cm
v 1014 cm
三.影响高聚物导电性能的因素
结晶、取向和交联：
链段运动困难、自由体积减小 使离子迁移困难——离子电导