聚合物电学性能讲解
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第十章 聚合物的电性能、光学性能热性能
• 在高压下，大量的电能迅速地释放，使电极 之间的材料局部地被烧毁，这种现象就称为 介电击穿。
• dU／dI ＝0处的电压Ub称为击穿电压。 • 击穿电压是介质可承受电压的极限。
介电强度
介电强度的定义是击穿电压 Ub 与绝缘 体厚度 h 的比值，即材料能长期承受 的最大场强：
Eb = U b ／ h Eb就是介电强度，或称击穿场强
绝缘料的热稳定性能
(a)基础树脂
(b)接枝料
(c)交联料
（3）导热性
热量从物体的一个部分传到另一个部分或者从一个 物体传到另一个相接触的物体，从而使系统内各处 的温度相等，叫作热传导。 热导率λ是表征材料热传导能力大小的参数。 常用差示扫描量热仪（DSC）测聚合物的热导率。
介电损耗温度谱示意图
在这些图谱上，高聚物的介电损耗一般都出现 一个以上的极大值，分别对应于不同尺寸运动 单元的偶极子在电场中的松弛损耗。按照这些 损耗峰在图谱上出现的先后，在温度谱上从高 温到低温，在频率谱上从低频到高频，依次用 、、命名 。
三种聚乙烯的介电谱（100KHz）
两种聚四氟乙烯的介电谱（1KHz）
介电强度仪，意大利CEAST公司制造，用于测定在 工频下电绝缘材料的介电强度和击穿电压。
10.1.4
高聚物的导电性
材料的导电性是用电阻率 或电导率
来表示的。当试样加上直流电压U时，
如果流过试样的电流为 I，则按照欧姆
定律，试样的电阻R = U / I
试样的电阻与试样的厚度h成正比，与试样的 面积 S成反比 R = · h / S 比例常数 称为电阻率 对试样的电导有G = · S / h 比例常数 称为电导率 电阻率与电导率都不再与试样的尺寸有关，而 只决定于材料的性质，它们互为倒数，都可用 来表征材料的导电性。
第7章__聚合物的电讲解
3 高聚物的介电损耗 3 .1 交变电场与介电损耗 在交变电场中电介质消耗一部分电能而发热的 现象称为介电损耗。 非极性聚合物以电导损耗为主， 极性聚合物以偶极损耗为主.
在交流电场下的介电常数：
实数部分ε’表示与电场同相位的极化，反映电 能的储存，为实验测得的介电常数。虚数部 分ε’’是与电场相差900的极化，反映损耗的能 量，称为损耗因子
第7章 聚合物的电学性能
绝大多数高分子材料具有优良的电绝缘性能。 从日常的电线、电缆绝缘材料到电子附件的 绝缘包封材料均得到广泛的应用，其体积电 阻率范围宽达26个数量级。
高分子半导体、导体、超导体、光导体和 驻极体
聚合物的电学性能是指聚合物在外 加电场作用下的行为，包括在交变电 场中的介电性能，在弱电场中的导电 性能，在强电场中的电击穿及聚合物 表面的静电现象。
7.1 聚合物的介电性能 1 高分子的极化
在外加电场作用下聚合物分子中的电荷分 布发生变化，表现出使分子的偶极矩增大 的现象，称为极化。
极化方式： 电子极化：价电子发生位移 原子极化：原子核发生位移 偶极极化：产生分子取向 界面极化：电子或离子在两相界面上聚集
取向极化 被”冻结”,就 得到驻极体
非极性分子仅产生电子极化和原子极化，称为 变形极化或诱导极化
e电子极化率， a原子极化率
极性分子在电场中取向而产生取向偶极矩
极性分子除在外电场中产生的总偶极矩：
2 聚合物介电常数ε 介电常数ε衡量极化的程度。 介电常数是指电介质在电极极板间的电容c 与在真空中的电容co的比值，是一个无因 次量：
极化程度越大． 介电常数越大， 绝缘性能越差
2.1 高分子结构与 介电常数
2.1.1 高分子极性越大, 介电常数越大
聚合物电学性能
影响聚合物介电性能的因素
高聚物的分子结构
交变电场的频率
影响高聚物介电性的因素 温度 湿度 增塑剂
• 1. 结构因素是决定高聚物介电性的内在原因，包括是高聚物 分子极性大小和极性基团的密度，以及极性基团的可动性。 a. 分子极性 • 根据单体单元偶极矩的大小，可将高聚物大致归为四类
• 单体单元偶极矩增加，高分子极性增加，介电系数和介电损 耗增加。
• 高聚物的压电极化与热电极化力场可以是应变恒定或应力 恒定的，由此导致的电极化（P）改变可分别用压电系数 d和e表示
• 式中，d是压电应变系数，e是压电应力系数，A是电极面 积，P为电极化强度，X代表外应力，S代表应变，E是电 场强度，T是温度 • 由温度改变导致的焦电性可由焦电系数p表示
• 高聚物的压电极化与热电极化
位置发生了变化。极化所需时间约为10-13s，并伴有微量能量损耗；适用
对象：所有高聚物
电子极化和原子极化是由于分子中正负电荷中心发生位移或分子变形引起
的，所以统称为变形极化或诱导极化，其极化率不随温度变化而变化。
iii. 取向极化（又称偶极极化）: 是指在外电场的作用下，极性分子沿电 场方向排列而发生取向。 由于极性分子沿外电场方向的转动需要克服本身的惯性和旋转阻力， 所以极化所需时间长，而且由于高分子运动单元可从小的侧基到整个大分 子链，所以完成取向极化所需的时间范围很宽，一般为10-9s，发生在低频 区域，适用对象：极性高聚物
第 7 章
聚合物的电学性能
第一节：聚合物的介电极化和介电松弛行为
第二节：聚合物的压电极化与焦电极化
莫芳
电学性质： 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，包括在交变电场中的介电性质、在
聚合物的电学、热学和光学性能—聚合物的电学性能(高分子物理课件)
导电高分子
表征材料电性能的另一个重主要参量是电导率。电导率的定义可以由欧姆定律给出：当施加的电场产生电流时，电流密度J正比于电场强度E，其比例常数，即为电导率σ，即：电导率σ= J(电流密度) /E(电场强度) 电导率与电阻率关系为σ=1/ρ，单位为西门子每米，即S/m。 电导率的大小反映了物质输送电流的能力。ρ愈小,σ愈大，材料导电性能就越好。
界面极化
PE能否发生取向极化？纯PE，界面极化能否发生？
思考题
介电性指在电场作用下,构成物质的带电粒子只能产生微观上的位移而不能进行宏观上的迁移的性质，宏观表现出对静电能的储蓄和损耗的性质，这是由于聚合物分子在电场作用下发生极化引起的，通常用介电系数ε和介电损耗表示。
二、聚合物的介电性能
例如喷涂在聚合物表面的抗静电剂，通过其亲水基团吸附空气中的水分子，会形成一层导电的水膜，使静电从水膜中跑掉。
在涤纶电影片基上涂敷抗静电剂烷基二苯醚磺酸钾，结果片基表面电阻率降低7~8个数量级。
另外，根据制造复合型导电高分子材料的原理，在聚合物基体中填充导电填料如炭黑、金属粉、导电纤维等也同样能起到抗静电作用。
相对于本征型导电高分子而言，这种复合材料的制备无论在理论上还是应用上都比较成熟，具有成型简便、重量轻、可在大范围内根据需要调节材料的电学和力学性能、成本低廉等优点，因而得以广泛开发应用。
复合型导电高分子的基体有：
常用的导电填料有：
碳类（石墨、炭黑、碳纤维ห้องสมุดไป่ตู้石墨纤维等）
金属类（金属粉末、箔片、丝、条或金属镀层的玻璃纤 维、玻璃珠等）
聚合物与聚合物摩擦时，介电系数大的聚合物带正电，介电系数小的带负电。另外聚合物的摩擦起电顺序与其逸出功顺序也基本一致，逸出功高者一般带负电。
表征材料电性能的另一个重主要参量是电导率。电导率的定义可以由欧姆定律给出：当施加的电场产生电流时，电流密度J正比于电场强度E，其比例常数，即为电导率σ，即：电导率σ= J(电流密度) /E(电场强度) 电导率与电阻率关系为σ=1/ρ，单位为西门子每米，即S/m。 电导率的大小反映了物质输送电流的能力。ρ愈小,σ愈大，材料导电性能就越好。
界面极化
PE能否发生取向极化？纯PE，界面极化能否发生？
思考题
介电性指在电场作用下,构成物质的带电粒子只能产生微观上的位移而不能进行宏观上的迁移的性质，宏观表现出对静电能的储蓄和损耗的性质，这是由于聚合物分子在电场作用下发生极化引起的，通常用介电系数ε和介电损耗表示。
二、聚合物的介电性能
例如喷涂在聚合物表面的抗静电剂，通过其亲水基团吸附空气中的水分子，会形成一层导电的水膜，使静电从水膜中跑掉。
在涤纶电影片基上涂敷抗静电剂烷基二苯醚磺酸钾，结果片基表面电阻率降低7~8个数量级。
另外，根据制造复合型导电高分子材料的原理，在聚合物基体中填充导电填料如炭黑、金属粉、导电纤维等也同样能起到抗静电作用。
相对于本征型导电高分子而言，这种复合材料的制备无论在理论上还是应用上都比较成熟，具有成型简便、重量轻、可在大范围内根据需要调节材料的电学和力学性能、成本低廉等优点，因而得以广泛开发应用。
复合型导电高分子的基体有：
常用的导电填料有：
碳类（石墨、炭黑、碳纤维ห้องสมุดไป่ตู้石墨纤维等）
金属类（金属粉末、箔片、丝、条或金属镀层的玻璃纤 维、玻璃珠等）
聚合物与聚合物摩擦时，介电系数大的聚合物带正电，介电系数小的带负电。另外聚合物的摩擦起电顺序与其逸出功顺序也基本一致，逸出功高者一般带负电。
聚合物电学性能
Chapter10 聚合物的电性能
• 热合PVC等极性材料是适宜的。而PE薄膜等非极 性材料就很难用高频热合。
• 轮胎经高频热处理消除内应力，可大幅度延长使 用寿命。
• 塑料注射成型时常因含水而产生气泡，经高频干 燥能很好解决这个问题。
Chapter10 聚合物的电性能
(3)高聚物的介电松弛谱
□ 高分子分子运动的时间与温度依赖性可在其介电性质上得 到反映。借助于介电参数的变化可研究聚合物的松弛行为。
以上两种极化统称为变形极化或诱导极化 其极化率不随温度变化而变化，聚合物在高频区均能发生变 形极化或诱导极化
Chapter10 聚合物的电性能
• 偶极极化（取向极化）：
是具有永久偶极矩的极性分子沿外场方向排列的现象。极 化所需要的时间长，一般为10-9s，发生于低频区域。
(a)无电场
（b）有电场
图1 偶极子在电场中取向
Chapter10 聚合物的电性能
三、影响聚合物介电性能的因素
• 高分子材料的介电性能首先与材料的极性有关。 这是因为在几种介质极化形式中，偶极子的取向 极化偶极矩最大，影响最显著。
• 决定聚合物介电损耗大小的内在因素： ①分子极性大小和极性基团的密度 ② 极性基团的可动性
Chapter10 聚合物的电性能
Chapter10 聚合物的电性能
• 介电损耗温度谱示意图
在这些图谱上，高聚物的介电损耗一 般都出现一个以上的极大值，分别对 应于不同尺寸运动单元的偶极子在电 场中的介电损耗(因偶极子的取向极化 过程伴随着分子运动过程，运动模式 各异，其松弛时间也不一致,其受阻程 度不同)按照这些损耗峰在图谱上出现 的先后，在温度谱上从高温到低温， 在频率谱上从低频到高频，依次用、 、命名。
聚合物的电学性质
聚合物的静电现象任何两个固体，不论其化学组成是否相同，只要它们的物理状态不同，其内部结构中电荷载体能量的分布也就不同。
这样两个固体接触时，在固-固表面就会发生电荷的再分配。
在它们重新分离之后，每一固体将带有比接触或摩擦前更多的正（或负）电荷。
这种现象称为静电现象。
高聚物在生产、加工和使用过程中会与其他材料、器件发生接触或摩擦，会有静电发生。
由于高聚物的高绝缘性而使静电难以漏导，吸水性低的聚丙烯腈纤维加工时的静电可达15千伏以上。
电子从材料的表面逸出，需要克服原子核的吸引作用，它所需的最小能量可用功函数（即逸出功）来表征。
摩擦时电子从功函数小的一方转移到功函数大的一方，使两种材料分别带上不同的静电荷。
一些主要高分子的功函数及起电次序（tribo-electric series）见表10-1。
表10-1高聚物的摩擦起电序物质在上述序列中的差距越大，摩擦产生的电量也越多。
一般认为摩擦起电序与有一定关系，大的带正电，小的带负电。
静电一般有害，主要是：（1）静电妨碍正常的加工工艺；（2）静电作用损坏产品质量；（3）可能危及人身及设备安全。
因而需要消除静电。
目前较广泛采取的措施是将抗静电剂加到高分子材料中或涂布在表面。
抗静电剂是一些表面活化剂，如阴离子型（烷基磺酸钠、芳基磺酸酯等）、阳离子型（季胺盐、胺盐等）以及非离子型（聚乙二醇等）。
纤维纺丝工序中采取“上油”的办法，给纤维表面涂上一层吸湿性的油剂，增加导电性。
静电现象有时也能加以利用。
如静电复印、静电记录、静电印刷、静电涂敷、静电分离与混合、静电医疗等，都成功地利用了高分子材料的静电作用。
聚合物的其他电学性质（1）力－电性在机械力的作用下，高聚物的电学性质反映主要是压电效应。
将高聚物的试样置于两电极之间，在机械力的作用下，因发生形变（伸长线缩短）而发生极化，同时产生电场，这种现象称正压电效应。
反之，在高聚物试样上加上电场，试样发生相应的形变，同时产生应力，这个现象称为逆压电效应。
高分子物理课件10聚合物的电学性能、热性能和光学性能
2.原子极化
➢ 分子骨架在外电场作用下发生变形造成的。
➢ 如CO2分子是直线形结构O=C=O，极化后变成
个
，分子中正负电荷中心发生了相对位移。
➢ 极化所需要的时间约为10-13s并伴有微量能量损耗。
10 聚合物的电学性能、热性能和光学性能
➢以上两种极化统称为变形极化或诱导极化。 其极化率不随温度变化而变化，聚合物在高频区 均能发生变形极化或诱导极化
➢ 对聚合物而言，取向极化的本质与小分子相同， 但具有不同运动单元的取向，从小的侧基到整个 分子链。
➢ 完成取向极化所需的时间范围很宽，与力学松弛 时间谱类似，也具有一个时间谱，称作介电松弛 谱。
10 聚合物的电学性能、热性能和光学性能
5.介电常数
10 聚合物的电学性能、热性能和光学性能
➢ 真空电容器的电容为
➢ 因此可在三方面采取适当的措施，消除已经产 生的静电。
10 聚合物的电学性能、热性能和光学性能
➢ 静电沿绝缘体表面消失的速度取决于绝缘体表面 电阻率的大小。
（1）提高空气的湿度 可以在亲水性绝缘体表面形成连续的水膜，加上 空气中的CO2和其他电离杂质的溶解，而大大提 高表面导电性。
（2）使用抗静电剂 它是一些阳离子或非离子型活性剂。通常用喷雾 或浸涂的办法涂布在高聚物表面，形成连续相， 以提高表面的导电性。有时为了延长作用的时间， 可将其加入塑料中，让它慢慢扩散到塑料表面而 起作用。
10 聚合物的电学性能、热性能和光学性能
（3）纤维纺丝工序上油的措施 给纤维表面涂上一层具有吸湿性的油剂，它吸收 空气中的水分而增加纤维的导电性，达到去静电 的效果。
（4）提高高聚物的体积电导率 最方便的方法是添加炭黑、金属细粉或导电纤维， 制成防静电橡皮或防静电塑料。
聚合物材料的电学性能研究及其应用
聚合物材料的电学性能研究及其应用聚合物材料在电子技术领域已经占据了重要的位置，其电学性能的研究成为了一个热门的话题。
本文将从聚合物材料的电学性能、研究方法、应用等几个方面进行探讨。
一、聚合物材料的电学性能聚合物材料的电学性能是指它在电场作用下的响应能力，主要包括电导率、介电常数、介质损耗、热释电效应等。
电导率是聚合物材料传导电子的能力。
通常情况下，聚合物材料的电导率很低，但通过掺杂、复合等方式可以提高其电导率，使其成为电器材料的一种良好选择。
介电常数是聚合物材料对电场的响应能力，其值越大代表其对电场的响应能力越强。
一般来说，聚合物材料的介电常数大，介质相对稳定，抗电击穿性能强。
介质损耗是指在电场作用下，介质材料的能量耗散程度。
聚合物材料的介质损耗小，因此在高频电路、电磁辐射屏蔽等方面具有优良的性能表现。
热释电效应是指在聚合物材料受到光、热、电等刺激后，可以释放出电荷。
这一特性使得聚合物材料在太阳能电池、传感器等方面有着广泛的应用。
二、聚合物材料电学性能研究方法要研究聚合物材料的电学性能，需要一个完整的实验方法来评估其性能。
在实验中，需要测量聚合物材料的电导率、介电常数、介质损耗等参数，同时还需要探究其热释电效应等特性。
电导率的测量可以通过传统的四接法测量或者交流阻抗谱测量来实现。
介电常数的测量可以使用介电谱或者扫描电子显微镜等技术来实现。
介质损耗的测量可以采用共振技术和非共振技术等方法。
热释电效应的研究则需要使用一些特殊的仪器和设备，如卢米谱仪、光电导测量系统、飞秒光谱仪等。
总体来说，聚合物材料的电学性能研究需要全面考虑其物理和化学特性，采用多种测量和分析方法的综合运用。
三、聚合物材料电学性能在实际应用中的表现聚合物材料由于其良好的电学性能，广泛地应用于电子、信息技术、光学和力学市场。
在信息技术领域，聚合物材料被用于制造电子元器件、光电开关等；在激光波导器和光纤通信市场，聚合物可以承受高温，高速操作上也很好。
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D 令 ' = 1
E0 D '' = 2 E0
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（实测的介电常数，代表体系的储电能力）
（损耗因子，代表体系的耗能部分） （介电损耗）
介电损耗——电介质在交变电场中极化时，伴随着消耗一部分 电能，使介质本身发热，这种现象就是介电损耗。
△介电损耗的原因：
对非极性高聚物：在交变电场中，所含的杂质产生的漏导流， 载流子流动时，克服内摩擦阻力而作功，使一部分电能转变为热 能，属于欧姆损耗。
电介质的介电常数：电介质的电容器的电容与相应真空电容器的电容 之比。即：
= C C0
=
Q Q0
电介质的极化程度越大， Q值越大， 也越大。 是衡量电介质极 化程度的宏观物理量，可表征电介质贮存电能的能力。
高聚物的 在1.8~8.4之间，大多数为2~4
7.1.2 高聚物的介电松弛
实际体系对外场刺激响应的滞后 —— 松弛现象
对非极性高聚物，温度升高，介电常数下降；对极性高聚物，随温度的升高而出现
峰
1
值。 介 电2.40
2
常ε ′数2.35
3
9 ε ′7
4
2.10
2.05
5
～～
1000Hz
3 60Hz
1000Hz
2 ε
″
2.00
0
ii. 原子极化: 分子骨架在外电场作用下发生变形。如：
O=C=O
C OO
在外电场中，电负性较大的氧原子微偏向正极，而电负性较小的碳原子 微偏向负极，发生了各原子核之间的相对位移，使分子的正负电荷中心 位置发生了变化。极化所需时间约为10-13s，并伴有微量能量损耗；适用
对象：所有高聚物
电子极化和原子极化是由于分子中正负电荷中心发生位移或分子变形引起 的，所以统称为变形极化或诱导极化，其极化率不随温度变化而变化。
交变电场：E = E0 cost
E0交变电流峰值 ω是外电场角频率
电位移矢量：D = D0 cos(t - ) = D1 cost + D2 sint
其中： D1 = D0 cos D2 = D0 sin
(电位移矢量跟上施加电场的部分) (电位移矢量滞后于施加电场的部分)
: 由于高聚物介质的粘滞力作用，偶极取向跟不上外电场变化，电位 移矢量滞后于施加电场的相位差
iii. 取向极化（又称偶极极化）: 是指在外电场的作用下，极性分子沿电 场方向排列而发生取向。
由于极性分子沿外电场方向的转动需要克服本身的惯性和旋转阻力， 所以极化所需时间长，而且由于高分子运动单元可从小的侧基到整个大分 子链，所以完成取向极化所需的时间范围很宽，一般为10-9s，发生在低频 区域，适用对象：极性高聚物
7.1
• 2.频率对高聚物介电性的影响
•
' 随频率增加而降低，并 且在较低和较高时为零
• '' 随频率增加存在极大值，并且，频率较高和较低
时为零。
•
ε′
ε ′(T1) ε ′(T1)
ε ′(T1)
ε″
ε ″(T1)
ε ″(T1)
ε ″(T1)
T1＜T2＜T3
ω
3.温度对高聚物介电性的影响
i. 电子极化: 外电场作用下分子中各个原子或离子的价电子云向正极方 向偏移，发生了电子相对于分子骨架的位移。移动距离小，运动速度快， 时 间 极 短 （ 10-15~10-13s ） ， 除 去 电 场 时 ， 位 移 立 即 恢 复 ， 无 能 量 损 耗 （也称可逆性极化或弹性极化），适用对象：所有高聚物
7.1.1 高聚物的介电极化及介电常数
高聚物在外电场作用下，由于分子极化将引起电能的贮存和损耗，这 种性能称为高聚物的介电性。
高分子内原子间形成共价键的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。
高聚物材料在外电场的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 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。
• 1. 结构因素是决定高聚物介电性的内在原因，包括是高聚物 分子极性大小和极性基团的密度，以及极性基团的可动性。
a. 分子极性 • 根据单体单元偶极矩的大小，可将高聚物大致归为四类
• 单体单元偶极矩增加，高分子极性增加，介电系数和介电损 耗增加。
b. 极性基团的密度 • 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；侧基上的极性基团，特别是柔性的极性侧基的 活动性较大，对介电系数的影响较大。极性基团密度越 大，则介电损耗越大。
c. 极性基团的可动性 • 从整个分子链的活动性考虑，橡胶态与黏流态的极性高
聚物的介电系数要比玻璃态的大。
d. 交联和支化
• 交联降低极性基团的活动性而使介电系数和介电损耗减 小，例如酚醛树脂。支化使分子间的相互作用减弱，增 加分子链的活动性，使介电系数提高。
对极性高聚物: 在交变电场中极化时，由于黏滞阻力，偶极子的 转动取向滞后于交变电场的变化，致使偶极子发生强迫振动，在每 次交变过程中，吸收一部分电能成热能而释放出来，属于偶极损耗。 损耗的大小取决于偶极极化的松弛特性。
影响聚合物介电性能的因素
影响高聚物介电性的因素
高聚物的分子结构 交变电场的频率 温度 湿度 增塑剂
外电场强度越大，偶极子的取向度越大；温度越高，分子热运动对偶 极子的取向干扰越大，取向度越小；
无电场
+
–
+
–
+
–
+
–
+
–
+
–
强电场
iv. 界面极化: 是一种产生于非均相介质界面的极化，由于在外电场作用 下，电介质中的电子或离子在界面处堆积的结果。
极化所需时间较长（几分之一秒到几分钟，甚至更长）。 非均质聚合物材料，如共混聚合物、填充聚合物等能产生界面极化； 均质聚合物也因含有杂质或缺陷以及晶区与非晶区共存而产生界面极化。
第 7 章 聚合物的电学性能
第一节：聚合物的介电极化和介电松弛行为 第二节：聚合物的压电极化与焦电极化
莫芳
电学性质：
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，包括在交变电场中的介电性质、在 弱电场中的导电性质、在强电场中的击穿现象以及 发生在高聚物表面的静电现象。
高聚物的电学性质反映了材料内部结构的变化和分子运动状况，作为 力学性质测量的补充，已成为研究高聚物的结构和分子运动的一种有 力的手段。