第10章-高聚物的电学性质.pptVIP

第10章 高聚物的电学性质 电学性质：指高聚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响应。 主要内容： 高聚物的极化现象，介电系数及其与结构关系 介电损耗及影响因素 高聚物的导电性质，导电材料分子结构特征 高聚物的电击穿 高聚物的静电现象 10.1 高聚物的极化及介电性质 10.1.1极化现象 高聚物材料在外电场作用下其内部分子和原子的电荷分布发生变化，这种现象称为极化。 电介质在外电场下发生极化的现象，是其内部分子和原子的电荷在电场中运动的宏观表现。 成键电子对的电子云偏离两成键原子的中间位置的程度，决定了键是极性的还是非极性的以及极性的强弱。 各原子在分子中的位置和排列，使分子具有确定的几何构型和构象，分子中的核电荷和电子云也各有一定的分布，正负电荷各有一个中心，正负电荷中心相重合的分子为非极性分子，不相重合形成极性分子。 按照极化机理的不同，可分为电子极化、原子极化、取向极化和界面极化。 电子极化:是指分子中各原子的价电子云在外电场作用下，相对于原子核向正极方向偏移，使分子的正负电荷中心的位置发生变化。 原子极化。是指分子或基团中的各原子核在外电场作用下彼此间发生相对位移。 电子极化和原子极化统称为位移极化或变形极化。产生的偶极矩为诱导偶极矩。 偶极矩是一个矢量。分子偶极矩可用来表示分子极性的强弱。 取向极化或偶极极化。 具有固有偶极矩的极性分子，在没有外电场时，由于分子的热运动，偶极矩指向各个方向的机会相同，所以大量分子的总平均偶极矩为零，介质表现为电中性。在外电场的作用下，极性分子沿电场方向排列而发生取向，这种现象称为取向极化或偶极极化。 界面极化 外电场的作用下，电介质中的电子或离子在非均相介质界面处聚集所引起的极化。 界面极化现象可用来研究高分子多相体系（共混物）的界面行为。 取向极化产生取向偶极矩。 变形极化产生诱导偶极矩。 极性分子在外电场中各种极化作用所产生的总偶极矩为诱导偶极矩和取向偶极矩之和。 非极性分子不发生取向极化。 10.1.2高聚物的介电系数 （1）介电系数及其与极化率的关系 如果在一真空平行板电容器上加以直流电压U，在两个板上将产生一定量的电荷Q0；当平行板间充满电介质时，这时极板上的电荷将增加到Q，定义这两个电荷量之比为此电介质的介电系数ε： 介电系数是一个无量纲量，表征电介质贮存电能能力的大小。 介电系数和极化率分别是表征电介质在外电场中极化程度的宏观物理量和微观物理量。 （2）介电系数与高聚物结构的关系 极性分子的取向极化对极化率的贡献最大。 a.电介质分子极性大小是介电系数大小的主要决定因素。分子极性增加将使介电系数增大。 分子极性的大小可用偶极矩来衡量。多原子分子的偶极矩等于分子中各键矩的矢量和。对于高聚物分子，其偶极矩是各单元偶极矩的矢量和.通常可以用重复单元的偶极矩作为高分子极性的一种指标。 b.极性基团在分子链上的位置不同，对介电系数的影响就不同。一般说来，主链上的极性基团活动性小，对介电系数影响较小。而侧基上的极性基团，特别是柔性的极性侧基，因其活动性较大，对介电系数的影响较大。 c.高聚物所处的力学状态决定了基团对高聚物介电系数贡献的大小。橡胶态与黏流态的极性高聚物的介电系数大。 d.分子对称性越高，介电系数越小。对于主链含有不对称碳原子的高聚物，其电荷分布的对称性同立体构型有关，就同一高聚物而言，全同立构介电系数高，间同立构介电系数较低，而无规立构的介电系数介于两者之间。 e.交联与拉伸，降低极性基团的活动性而使介电系数减小。相反，支化使分子间的相互作用减弱，因而使介电系数提高。 按照偶极矩的大小，可将高聚物大致归为下面四类： 非极性高聚物偶极矩= ε= 2.0～2.30 D 弱极性高聚物0＜偶极矩≤0.5D ε= 2.3～3.0 中等极性高聚物0.5D＜偶极矩≤0.7D ε= 3.0～4.0 强极性高聚物偶极矩＞0.7D ε= 4.0～7.0 10.1.3高聚物的介电损耗 在交变电场中，电容器中的电介质消耗一部分电能而发热，这种现象称为介电损耗。 真空电容器的电流领先电压90o相位，因此只存在无功的纯电容电流，不损耗能量。 电容器电流分为两个部分：一部分电流领先电压90O相位角，相当于流过理想电容器的纯电容电流，不产生能量损耗，用Ic表示；另一部分电流与电压同相位，相当于流过“纯电阻”的电流，有能量损耗，用Ir表示。 称为介电损耗角正切，表征材料介电损耗大小。 电介质电容器的损耗功率P为 产生介电损耗有两个原因： （1）偶极子取向极化时，由于介质的粘滞阻力，偶极子跟不上电场变化，需克服介质的内摩擦阻力而产生的偶极损耗； （2）电介质中含有的各种极性杂质可成为能