聚合物的结构及介电性能

2.频率与温度
εs
ε’
tanδ
ε∞
ε”
log ω
2.频率与温度
在研究尼龙 610 的介电性能的过程中发现，在100Hz时，介 电常数和损耗因子随温度增加而迅速增大；而在1MHz 时，介 电常数随温度变大而变大的趋势减弱，损耗因子随温度增大 先增大后减小。[1]
[1]X P., Z X. Y.[J]. European Polymer Journal, 2011, 47(5): 1031-1038.
降低聚合物材料介电常数的方法
① 增加聚合物材料的自由体积
含萘结构的芳基 醚聚合物有较大 的萘结构侧基， 能增加聚合物材 料的自由体积， 从而降低材料介 电常数。
含萘结构的芳基醚聚合物
Z E S，NEW CHEMICAL MATERIALS，2007，35(7):11.
Q0
定义：含有电介质的电容器 电容与相应真空电容器的电 容比。真空的ε 等于1，空气 的ε 接近1，大多数非极性高 聚物的ε 为2左右，极性高聚 物的ε 为2～10。（2.6 ～ 3.8）
Q
介电损耗
在交变电场中，电介质由于消耗部分电能而 发热的现象。 在交变电场中，介电常数可以写成复数形式
-i
高介电常数材料的应用
1.高储能密度电容器的介电材料 2.高压电缆均化电场的应力锥材料 3.嵌入式微电容器 4.人工肌肉和药物释放智能外衣材料
高tanδ 值材料的应用
① 高聚物的高频干燥 ② 塑料薄膜高频焊接 ③大型高聚物制件的高频热处理
低介电常数材料 应用方面
RC =2ρε(4L2/ P2 +L2/ T2) ρ:金属线电阻率, ε:线间绝缘层的介电常数, P :金属线间距离, L :连线长度, T :线的厚度
不同BaTiO3含量对BaTiO3-Epoxy 复合材料 的电导率随频率的变化
介电损耗分析
★随着BaTiO3含量 ，介电损耗 但是在体积含量低30 vol% 时， 介电损耗小 ★随着频率 ,介电损耗
填充量过高，会使填料分散不 均匀，增加其界面极化，因此 介电损耗增加。
不同BaTiO3 含量对BaTiO3-Epoxy 复合材料的 介电损耗的影响
聚合物及多组分聚合物的结构与介电性能
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聚合物介电性：聚合物在外电场的作用下， 由于分子极化引起电能的储存和损耗的性质。
表征方式
介电常数 介电损耗
介电材料分类示意图
绝缘材料
电容器材料
压电材料 热释电材料
铁电材料
聚合物及多组分聚合物的结构与介电性能
极化：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相应变化。
介电常数是宏观物理量,反映了电介质的极化能力,大小 由材料本身的性质决定。在外电场下电介质材料的极化 作用越强,介电常数就越大。
表1 不同极性高分子材料的分子偶极矩和介电常数范围
聚合物类型 非极性高分子 弱极性高分子 中等极性高分子 强极性高分子
分子偶极矩u范围 u=0 0<u<0.5D 0.5D<u<0.7D u>0.7D
聚氨酯 ABS树脂 氯丁橡胶 尼龙6
70-200
150-200 40-300 300 100-400
丁苯橡胶
丁基橡胶
20
30
尼龙66
PMMA
140-600
400-600
聚甲醛
聚邻苯二甲酸二丙烯酯
40
80
酚醛树脂
硝化纤维素
600-1000
900-1200
聚合物及多组分聚合物的结构与介电性能
聚合物的介电性能的影响因素
聚合物名称 聚四氟乙烯 聚乙烯 聚丙烯 四氟乙烯-六氟乙烯共聚 tanδ*104 <2 2 2-3 <3 聚合物名称 环氧树脂 硅橡胶 氯化聚醚 聚酰亚胺 tanδ*104 20-100 40-100 100 40-150
聚苯乙烯
交联苯乙烯 聚砜 聚碳酸酯 天然橡胶
1-3
5 6-8 9 2-30
聚氯乙烯
介质损耗角正切
tan
介电损耗产生的原因
电导损耗
导电载流子 产生导电电 流 消耗电能转 化为热能
取向极化时，存在 克服偶极子转向的 粘滞阻力，消耗电 能，转化为热能
偶极的取 向极化 能量 交换
变形极化时，当电 场频率与原子或电 子的固有频率相同 时，发生共振吸收
常见聚合物tanδ(20℃，50Hz)
介电常数ε范围 2-2.3 2.3-3.0 3.0-4.0 4.0-7.0
15
1.分子结构
• 分子聚集态结构的影响： • 玻璃态：链段运动被冻结，结构单元上的极性基团取向受链 段牵制，取向能力低，对介电常数影响小 • 高弹态：链段活动能力大，极性基团取向受链段牵制较小， 对介电常数影响大。高弹态下，介电常数、损耗角大于玻璃 态 介电常数 聚氯乙烯 聚酰胺 玻璃态 3.5 4.0 高弹态 15 5.0
极性分子 延外场方 向排列
极化过程一般 10-9s
聚合物及多组分聚合物的结构与介电性能
界面极化
产生于非 均相介质 界面处
在外电场的作用下，电 介质中的电子或离子在 界面处堆积的结果。
极化需时几分之一 至几 分钟，甚至更长。
介电常数
C Q /U Q Q0 Q C0 Q0 / U Q0 Q0
结构
频率与温度
添加剂
1.分子结构 （1）极性：偶极取向极化对介电性质影响最大。极性 越大，tanδ越大。
聚偏氟乙烯（PVDF）具有较高的介电常数。由于分子链中H原子与 F 原 子的电负性不同，会在 PVDF 分子链中产生偶极矩。在外加电场的作用 下，PVDF分子中正、负电荷中心发生分离，产生电偶极矩，发生取向 极化。
极 化 类 型
电子极化
原子极化
取向极化 界面极化
聚合物及多组分聚合物的结构与介电性能
电子极化
价电子云 相对原子 核的位移
极化过程：10-15~10-13s
聚合物及多组分聚合物的结构与介电性能
原子极化
分子骨架在 外电场下发 生变形
极化过程一般 10-13s
聚合物及多组分聚合物的结构与介电性能
取向极化
3.添加剂 改性BaTiO3/EPR复合材料的电性能
实验
BaTiO3粉末 1wt%KH550偶联剂和 丙酮 环氧树脂 混合均匀 对BaTiO3进行表面处理
冷压
热压固化
BaTiO3/EPR复合材料
电导率分析
随着BaTiO3含量 随着频率
，电导率
，电导率
填料的加入，增加了陶瓷-聚合 物界面区域，而界面区域的电 导率大于单相本身的电导率