第九章高聚物的電性能

1、學習目的要求學習目的要求學習并掌握高聚物常見的電學性能。9 9高聚物的電性能高聚物的電性能總論總論高聚物具有體積電阻率高（10161020cm）、介電常數(shù)小（2）、介質損耗低（104）等半導體特殊優(yōu)良的電性能，同時某些高聚物還具有優(yōu)良的導電性能。另外，由于高聚物成型加工容易，品型多，故在電器方法應用廣泛。9-19-1高聚物的介電性高聚物的介電性一、高聚物分子的極化一、高聚物分子的極化定義定義高聚物的介電性是指高聚物在電場的作用下，表現(xiàn)出對靜電能的儲蓄的損耗的性質。高聚物的極性與類別高聚物的極性與類別高聚物的極化（高聚物的極化（polarization）是電解質在電場的作用下分子內束縛電荷產(chǎn)生彈

2、性位移或偶極子沿電場的從優(yōu)取向，在電場方向的電解質兩端呈現(xiàn)異號電荷的現(xiàn)象。強極性高聚物（PVA、PAN、PET、酚醛樹脂、氨基樹脂等）高聚物的極性類別非極性高聚物（PE、PP、PTFE等）弱極性高聚物（PS、PIP等）極性高聚物（PVC、PA、PVAC、PMMA等）介電性的表示方法介電常數(shù)介電損耗影響高聚物介電性的因素高聚物的極性高聚物的極化9-19-1高聚物的介電性高聚物的介電性高聚物的極化形式高聚物的極化形式極化形式極化機理特點適用對象電子極化電子云的變形極快，10121015s；無能量損耗；不依賴溫度和頻率所有高聚物原子極化各原子之間的相對位移稍快， 1012s；損耗微量能量；不依賴溫度

3、所有高聚物偶極極化極性分子（或偶極子）沿電場方向轉動，從優(yōu)取向慢， 109s以上；損耗較大能量；依賴溫度和頻率極性高聚物界面極化載流子在界面處聚集產(chǎn)生的極化極慢，幾分之一秒至幾分鐘、幾小時共混、復合材料高聚物在電場中極化示意圖9-19-1高聚物的介電性高聚物的介電性二、高聚物的介電性二、高聚物的介電性高聚物的介電常數(shù)（高聚物的介電常數(shù)（dielectric constant）定義定義顯然，高聚物極化程度越大，極板感應產(chǎn)生的電荷Q越大，介電常數(shù)越大。常見高聚物的介電常數(shù)常見高聚物的介電常數(shù)000QQQCC高聚物計算值實驗值高聚物計算值實驗值聚乙烯（外推到無定型）聚丙烯（無定型）聚氯化苯乙烯聚四氟

4、乙烯（無定型）聚氯乙烯聚醋酸乙烯酯聚甲基丙烯酸甲酯聚-氯代丙烯酸甲酯2.202.152.552.822.03.202.943.452.32.22.552.62.12.252.6/3.73.4聚-氯代丙烯酸乙酯聚甲基丙烯酸乙酯聚丙烯腈聚甲醛聚苯醚聚對苯二甲酸乙二酯(無定型)聚碳酸酯聚已二酰已二胺3.202.803.262.952.653.403.004.143.12.7/3.43.13.12.62.9/3.22.6/3.04.09-19-1高聚物的介電性高聚物的介電性高聚物的介電損耗（高聚物的介電損耗（dielectric loss）定義定義是電介質在交變電場的作用下，將一部分電能轉變?yōu)闊崮芏鴵p

5、耗的現(xiàn)象。一般用損耗角的正切值表示。式中實驗測得的介電常數(shù)；高聚物將電能轉變?yōu)闊崮軗p耗的程度。介電損耗的原因介電損耗的原因對非極性高聚物對非極性高聚物在交變電場中，所含的雜質產(chǎn)生的漏導電流，載流子流動時，克服內摩擦阻力而作功，使一部分電能轉變?yōu)闊崮?，屬于歐姆損耗。對極性高聚物對極性高聚物在交變電場中極化時，由于黏滯阻力，偶極子的轉動取向滯后于交變電場的變化，致使偶極子發(fā)生強迫振動，在每次交變過程中，吸收一部分電能成熱能而釋放出來，屬于偶極損耗。損耗的大小取決于偶極極化的松弛特性。VVIIcab 高聚物介電損耗示意圖 tan量每周期內介電儲存的能量每周期內介電損耗的能CVIW9-19-1高聚物的

6、介電性高聚物的介電性部分高聚物的介電損耗部分高聚物的介電損耗高聚物介電損耗（tan）60Hz103Hz106Hz高密度聚乙烯低密度聚乙烯聚丙烯聚苯乙烯聚四氟乙烯聚碳酸酯聚已內酰胺聚已二酰已二胺聚甲基丙烯酸甲酯聚氯乙烯聚偏乙烯ABS聚甲醛0.00020.00050.00050.00010.00030.00020.00090.014 0.040.010 0.060.04 0.060.08 0.150.007 0.020.004 0.0340.0040.0020.00050.0002 0.00080.0001 0.00030.00020.00210.02 0.040.011 0.060.03 0.0

7、50.07 0.160.009 0.0170.002 0.0120.00030.00050.0001 0.00050.0001 0.00040.00020.0100.03 0.040.03 0.040.02 0.030.04 0.1400.006 0.0190.007 0.0260.0049-19-1高聚物的介電性高聚物的介電性三、影響高聚物介電性的因素三、影響高聚物介電性的因素高聚物分子結構對介電性的影響高聚物分子結構對介電性的影響規(guī)律：規(guī)律：與T一定，極性、極性基團密度，介電常數(shù)與介電損耗。實例實例前兩表頻率對高聚物介電性的影響頻率對高聚物介電性的影響影響高聚物介電性的因素高聚物的分子結構

8、交變電場的頻率溫度濕度增塑劑(T1)(T1)(T1)(T1)(T1)(T1)隨頻率增加而降低，并且在較低和較高時為零。隨頻率增加存在極大值，并且，頻率較高和較低時為零。 T1T2T39-19-1高聚物的介電性高聚物的介電性溫度對高聚物介電性的影響溫度對高聚物介電性的影響對非極性高聚物，溫度升高，介電常數(shù)下降；對極性高聚物，隨溫度的升高而出現(xiàn)峰值。濕度對高聚物介電性的影響濕度對高聚物介電性的影響2.002.052.102.302.352.400204060801001234溫度（）介電常數(shù)非極性高聚物的介電常數(shù)與溫度的關系1-PP；2-HDPE；3-LDPE；4-PTFE506070809010

9、03579121000Hz1000Hz60Hz60HzPVAC的介電性能與溫度的關系溫度（）介電性介電常數(shù)（50Hz）介電損耗（50Hz）相對濕度酚醛樹脂聚氯乙烯（電纜料）31.7%63%97%9.7110.415.87.407.508.0031.7%63%97%0.3420.3580.4480.1110.1130.136濕度，介電常數(shù)與介電損耗9-19-1高聚物的介電性高聚物的介電性增塑劑對高聚物介電性的影響增塑劑對高聚物介電性的影響規(guī)律：規(guī)律：對非極性高聚物，隨加入增塑劑量的增加將曲線推向高頻率區(qū)；對極性高聚物，隨增塑劑量的增加，介電常數(shù)和介電損耗增大。實例實例PVC 雜質對高聚物介電性的

10、影響雜質對高聚物介電性的影響規(guī)律：規(guī)律：導電性或極性雜質的存在，增加高聚物電導電流的極化率，使介電損耗增大。 實例實例HDPE雜質1.9%降到0.03%時，tan從1410-4降到tan1410-4 20406080100T()05101520406080100T()00.51.01.503915200391520增塑劑加入量對PVC介電性能的影響9-29-2高聚物的導電性高聚物的導電性一、高聚物的導電類型一、高聚物的導電類型導電性導電性在電場作用下，物體中載流子發(fā)生移動的現(xiàn)象。用電導率或電阻率表示。在直流電場下，物體的電導率表示為：式中 電導率； n載流子的濃度； e電子電荷； 載流子的移動

11、度。高聚物的導電類型高聚物的導電類型高聚物的導電類型電子導電離子導電氧化還原導電ne9-29-2高聚物的導電性高聚物的導電性導電高聚物的應用導電高聚物的應用導電高聚物的應用電子導電高聚物導電材料電極材料電顯示材料化學反應催化劑有機分子開關離子導電高聚物代替電解質材料全固態(tài)電池氧化還原導電高聚物各種電極材料特種電極修飾材料9-29-2高聚物的導電性高聚物的導電性二、高聚物的絕緣電阻二、高聚物的絕緣電阻高聚物絕緣電阻的表示形式表面電阻率體積電阻率dSRVV平等電極blRSS環(huán)狀電極12ln2DDRSS測量電極環(huán)電極對電極試樣絕緣絕緣電阻電阻測定測定9-39-3高聚物的擊穿電壓強度高聚物的擊穿電壓強

12、度一、一、擊穿電壓與擊穿電壓強度擊穿電壓與擊穿電壓強度介電擊穿：介電擊穿：隨著電壓的不斷增加至某極限值后，出現(xiàn)電阻率降低到極小，電流增加，產(chǎn)生局部導電而使高聚物材料喪失絕緣性能的現(xiàn)象。擊穿電壓：擊穿電壓：導致高聚物材料擊穿的電壓。電流電流-電壓曲線電壓曲線擊穿電壓強度：擊穿電壓強度：連續(xù)對高聚物材料升高電壓，當試樣被擊穿時的電壓和試樣厚度的比值稱為擊穿電壓強度。高電壓區(qū)低電壓區(qū)絕緣破壞區(qū)I電壓 VhVEb9-39-3高聚物的擊穿電壓強度高聚物的擊穿電壓強度介電擊穿的形式、原因及決定因素介電擊穿的形式、原因及決定因素介電擊介電擊穿形式穿形式本征擊穿本征擊穿熱擊穿熱擊穿放電引起的擊穿放電引起的擊穿

13、高聚物材料高聚物材料高壓電場高壓電場離子少數(shù)自由電子加速運動獲能碰撞新的電子大量自由電子介電損耗產(chǎn)生熱量T導電率老化變質氣泡電離放電電子離子放熱老化變質9-39-3高聚物的擊穿電壓強度高聚物的擊穿電壓強度常見高聚物的擊穿電壓強度常見高聚物的擊穿電壓強度1000-100-20051015溫度（）123456擊穿電壓強度106（V / cm）幾種高聚物的擊穿電幾種高聚物的擊穿電壓強度與溫度的關系壓強度與溫度的關系1-聚甲基丙烯酸甲酯2-聚乙烯醇3-氯代聚乙烯4-聚苯乙烯5-聚乙烯6-聚異丁烯高聚物Eb高聚物Eb高聚物Eb聚乙烯聚丙烯聚甲基丙烯酸甲酯聚氯乙烯聚苯乙烯18-2820-2618-2214

14、-2016-20聚砜酚醛樹脂環(huán)氧樹脂聚乙烯醇聚丙烯薄膜17-2212-1616-2040-60100-140聚苯乙烯薄膜聚酯薄膜聚酢亞胺薄膜芳香聚酰胺薄膜50-60100-13080-11070-909-39-3高聚物的擊穿電壓強度高聚物的擊穿電壓強度二、耐電壓性與耐電弧性二、耐電壓性與耐電弧性耐電壓性：耐電壓性：指迅速將電壓升高到制品標準規(guī)定的電壓，停留1min（或按制品標準規(guī)定的時間），觀察制品是否被擊穿，若未被擊穿，則此電壓為該制品的耐電壓值。此數(shù)值表示高聚物制品的耐電壓能力。耐電弧性：耐電弧性：在一定的高壓電場下，兩極間的氣體被擊穿產(chǎn)生電弧、火花的作用，致使高聚物表面形成導電層所需要時

15、間的長短表示高聚物對電弧、電火花的抵抗能力。9-49-4高聚物的靜電現(xiàn)象高聚物的靜電現(xiàn)象一、靜電現(xiàn)象（一、靜電現(xiàn)象（electrostatic effect）高聚物靜電現(xiàn)象的產(chǎn)生高聚物靜電現(xiàn)象的產(chǎn)生主要產(chǎn)生于高聚物與成型加工設備之間的摩擦、拉幅、拉絲等過程。AAABBB電中性兩相電荷帶電|接觸或 摩擦分離物體的靜電現(xiàn)象物體的靜電現(xiàn)象9-49-4高聚物的靜電現(xiàn)象高聚物的靜電現(xiàn)象高聚物的帶電半衰期與帶電序列高聚物的帶電半衰期與帶電序列二、靜電的利與弊靜電的利與弊靜電的有利之處靜電的有利之處靜電噴涂、靜電印刷、靜電照像、靜電吸塵等。靜電的不利之處靜電的不利之處影響外觀、相互黏結、電器準確性、靜電火花

16、、磁帶雜音等。高聚物半衰期，s正電荷負電荷聚乙烯基咪唑賽璐璐聚N，N-二甲丙烯酰胺聚丙烯酸羊毛棉花聚n-乙烯基吡咯酮聚丙烯腈聚已二酰已二胺聚乙烯醇0.10.30.661.52.53.64166793684700.240.30.480.961.554.815.86877203770聚四氟乙烯聚丙烯聚苯乙烯聚乙烯聚苯醚聚偏二氯乙烯氯化聚醚聚碳酸酯聚氯乙烯聚丙烯腈聚對苯二甲酸乙二酯維尼綸聚甲基丙烯酸甲酯醋酸纖維纖維素聚酰胺9-49-4高聚物的靜電現(xiàn)象高聚物的靜電現(xiàn)象三、靜電的防止靜電的防止靜電的防止辦法靜電消除器接地導出環(huán)境濕度調節(jié)加入抗靜電劑陽離子型陰離子型兩性離子型非離子型高分子型靜電荷1071

17、06105104103102101105101520吸水率（%）聚酰胺木棉麻羊毛絡素纖維膠粘纖維醋酸纖維10005001005010543200.10.20.30.40.50.6抗靜電劑（%）靜電荷靜電荷水率的關系抗靜電劑加入量對靜電荷的影響1-PVC2-PE3-PP9-49-4高聚物的靜電現(xiàn)象高聚物的靜電現(xiàn)象抗靜電劑的選擇抗靜電劑的選擇對抗靜電劑的要求親水性強與高聚物的相溶性好容易分散混合穩(wěn)定性好無毒、無味、無害加入后不影響高聚物其他性能9-59-5高聚物的其他電性能高聚物的其他電性能一、壓電性一、壓電性壓電性：壓電性：指高聚物在機械力的作用下，所表現(xiàn)出來的電學性能。壓電性的表現(xiàn)形式：壓電性的表現(xiàn)形式：壓電性的應用：壓電性的應用：話筒、傳感器高聚物的其他電性能高聚物駐極體的壓電、熱電性能力能轉換成電訊號熱能轉換成電訊號光能轉換成電訊號高聚物光電性能靜電復印機鼓激光打印機鼓壓電性的表現(xiàn)形式正壓電性力形變極化電場逆壓電性電場極化形變力9-59-5高聚物的其他電性能高聚物的其他電性能二、熱電性二、熱電性駐極體：駐極體：極化了的電介質，如果具有長壽命的非平衡電偶矩，則為駐極體。常見的高分子駐極體：常見的高分子駐極體：聚偏二氟乙烯、聚丙烯、聚對苯二甲酸乙二酯等高分子駐極體形成：高分子駐極體形成：駐極體薄膜熱電性（熱電效應）：熱電性（熱電效