第七章 高聚物的电学性质
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高聚物的介电性
计算值
2.20 2.15 2.55 2.82 2.0 3.20 2.94 3.45
实验值
高聚物
2.3 2.2 2.55 2.6 2.1 2.25 2.6/3.7 3.4
聚α-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 聚对苯二甲酸乙二酯(无定型) 聚碳酸酯 聚已二酰已二胺
计算值
3.20 2.80 3.26 2.95 2.65 3.40 3.00 4.14
－ － － －－ －－ －
高聚 物在 电场 中极 化示 意图
§8-1 高聚物的介电性
二、高聚物的介电性
▲高聚物的介电常数（dielectric constant）
△定义
C Q0 Q'
C0
Q0
显然，高聚物极化程度越大，极板感应产生的电荷Q’越大，介电常数越大。 △常见高聚物的介电常数
高聚物
聚乙烯（外推到无定型） 聚丙烯（无定型） 聚氯化苯乙烯 聚四氟乙烯（无定型） 聚氯乙烯 聚醋酸乙烯酯 聚甲基丙烯酸甲酯 聚α-氯代丙烯酸甲酯
0.24 0.3 0.48 0.96 1.55 4.8 15.8 687 720 3770
聚聚聚聚 聚聚 氯 聚 聚 聚聚维聚 醋 纤聚
四丙乙苯 苯偏 化 碳 氯 丙对尼甲 酸 维酰
氟烯烯乙 醚二 聚 酸 乙 烯苯纶基 纤 素胺
乙 烯 氯 醚酯 烯 腈二 丙维
烯
乙
甲烯
烯
酸酸
乙甲
二酯
酯
二、静电的利与弊
实验值
3.1 2.7/3.4
3.1 3.1 2.6 2.9/3.2 2.6/3.0 4.0
§8-1 高聚物的介电性
▲高聚物的介电损耗（dielectric loss）
第七章 高聚物的电学性能
2. 相对介电系数ε
——电介质电容器的电容（电量）与相应真空电容器的电容 （电量）之比，即 C Q C 0 Q0 电介质的极化程度越大，Q 值越大，ε 也越大。
介电系数是是一个无量纲的量， 是衡量电介质极化程度的宏 观物理量，表征电介质贮存电能能力的大小。
18
介电系数的大小 介质的极化
高分子结构及其 物理状态
取向极化 贡献最大
电子极化
原子极化
极性分子 极性大小 偶极矩
19
3.摩尔极化度、介电常数ε与分子极化率α 的关系
极化度P——如果单位体积内有N个分子，每个分子产生的 偶极矩为μ，则单位体积内的偶极矩称为介质的极化度P 。
P=Nμ=NαE
Clausius - Mosotti方程 非极性介质 极性介质
极化结果——相当于外电场在分子上引入一个附加偶极矩μ
10
3. 分子偶极矩和分子极化率
极化结果——相当于外电场在分子上引入一个附加偶极矩μ
外 加 偶 极 矩 E1 E1 — — 作 用 在 分 子 上 的 局 部 场 强 度 电 比例常数 — —分子极化率 a )诱 导 偶 极 矩 1 d E1 ( e a )E1
偶极 具 有 永 久 偶 极 矩 的 极 性 慢， 10-9s以上；损耗较大能 极性高聚 (取向) 分子(或偶极子)沿电场方 量（克服本身惯性和旋转阻 物 极化 向转动，从优取向 力）；依赖温度和频率 界面 极化 载 流 子 在 界 面 处 聚 集 产 极慢，几分之一秒至几分钟、共混、复 生的极化 几小时 合材料
q.d
偶极矩是一个矢量，化学上习惯规定其方向从正到负，单位 是C.m(库仑.米) ； 分子偶极矩可用来表示分子极性的强弱； 非极性分子——正负电荷中心重合； 极性分子——正负电荷中心不重合，永久偶极矩。
高聚物的电学性能课件
表面電阻率是沿試樣表面電流方向的直流 場強與該處單位長度的表面電流之比。
單位：歐·米 體積電阻率是體積電流方向的直流場強與 該處體積電流密度之比。
二、聚合物的導電性及高聚物的靜電現象
1 高聚物的導電特點 2 表面電阻率和體積電阻率 3 高聚物的導電性與分子結構的關係 4 影響高聚物導電性的因素 5 高聚物的靜電現象 6 靜電的危害與防止
晶區：
1 晶區中高分子的鏈段的運動 2 結晶表面上的局部鏈段運動 3 晶格缺陷處的基團運動
固體高聚物的介電鬆弛過程
介電常數 介電損耗 介電擊穿
介電擊穿：在高壓下，大量的電能迅速釋放，使電極之間的 材料局部被燒毀的現象。
形成機理：
本征擊穿 熱擊穿 放電擊穿
二、聚合物的導電性及高聚物的靜電現象
分子極性大小
極性基團在分子鏈上的位置 分子結構的對稱性 交聯、拉伸、支化
主鏈 側基
介電常數 介電損耗 介電擊穿
介電損耗：電介質在交變電場中，由於消耗一部分電能，使介質本
生髮熱的現象。
產生原因：
1 電介質中含有能導電的載流子，其在外加電場的作用下，產生電導 電流，消耗掉一部分能量，轉化為熱能——電導損耗。 2 電介質在交變電場下的極化過程中，與電場發生能量交換
化學改性 複合紡絲技術 表面塗覆 共混紡絲技術
3 高聚物的導電性與分子結構的關係
飽和非極性高聚物 本身電絕緣性優異、外帶雜質 聚苯乙烯、聚乙烯
極性高聚物
本征電離
聚碸、聚醯胺、聚丙烯腈、聚氯乙烯
共軛高聚物
電子離域 碳纖維
電荷轉移絡合物 電子轉移
自由基－離子化合物 電子遷移
有機金屬聚合物 電子電導
二、聚合物的導電性及高聚物的靜電現象
單位：歐·米 體積電阻率是體積電流方向的直流場強與 該處體積電流密度之比。
二、聚合物的導電性及高聚物的靜電現象
1 高聚物的導電特點 2 表面電阻率和體積電阻率 3 高聚物的導電性與分子結構的關係 4 影響高聚物導電性的因素 5 高聚物的靜電現象 6 靜電的危害與防止
晶區：
1 晶區中高分子的鏈段的運動 2 結晶表面上的局部鏈段運動 3 晶格缺陷處的基團運動
固體高聚物的介電鬆弛過程
介電常數 介電損耗 介電擊穿
介電擊穿：在高壓下，大量的電能迅速釋放，使電極之間的 材料局部被燒毀的現象。
形成機理：
本征擊穿 熱擊穿 放電擊穿
二、聚合物的導電性及高聚物的靜電現象
分子極性大小
極性基團在分子鏈上的位置 分子結構的對稱性 交聯、拉伸、支化
主鏈 側基
介電常數 介電損耗 介電擊穿
介電損耗：電介質在交變電場中，由於消耗一部分電能，使介質本
生髮熱的現象。
產生原因：
1 電介質中含有能導電的載流子，其在外加電場的作用下，產生電導 電流，消耗掉一部分能量，轉化為熱能——電導損耗。 2 電介質在交變電場下的極化過程中，與電場發生能量交換
化學改性 複合紡絲技術 表面塗覆 共混紡絲技術
3 高聚物的導電性與分子結構的關係
飽和非極性高聚物 本身電絕緣性優異、外帶雜質 聚苯乙烯、聚乙烯
極性高聚物
本征電離
聚碸、聚醯胺、聚丙烯腈、聚氯乙烯
共軛高聚物
電子離域 碳纖維
電荷轉移絡合物 電子轉移
自由基－離子化合物 電子遷移
有機金屬聚合物 電子電導
二、聚合物的導電性及高聚物的靜電現象
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。
高分子物理课件 - 四川大学 - 冉蓉 - 第七章 高聚物的电学性能
常见聚合物介电损耗角正切
影响介电损耗tgδ的因素
高聚物的极性增大 极化程度增大 tgδ↑
*
CH2
O *
<
*
CH2
CHOR *
有杂质 本体聚合物
tgδ↑
<
乳液聚合物
7.6 高聚物的导电性
高聚物绝缘性的量度——绝缘电阻（率） 体积电阻RV（率） 表面电阻RS（率） 高聚物导电性的量度——电导（率） 体积电导（率） 表面电导（率）
N
N
N
最 新 应 用
掺杂导电态： 电池、电色显示器件、超电容的电极材料、静电屏蔽 材料、金属防腐材料、电解电容器、微波吸收隐身材料、 电致发光器件、正极修饰材料、透明导电涂层、化学和生 物传感器、导电纤维等。 中性半导态： 电致发光材料、场效应管（FET）半导体材料 等。
目前存在的问题
加工性不好 稳定性不好 较难合成结构均一 的聚合物
物体导电的基础
——内部具有能自由迁移的自由电子或空穴。 聚合物的电子类型： 内层电子——紧靠原子核，一般不参与反应，正常电场 下无移动能力。 σ电子——成键电子，键能较高，离域性小，定域电子。 ｎ电子——与杂原子结合，孤离存在时无离域性。 π电子——两个成键电子Ｐ电子重叠而成，孤离存在时具 有有限的离域性，电场作用下可作局部定向移动，随π电子 共轭体系的增大，离域性增大。
解决低导电率的方法——掺杂
根据能带理论，能带区如果部分填充就可以产生电导。 减少价带中的电子——Ｐ型掺杂 向空能带区中的注入电子——ｎ型掺杂
聚乙炔， PA 聚对苯，PPP 聚苯乙炔，PPV
导电高聚物目前的主要种类
S S N N N S
S
聚噻吩 PTh
N
高聚物的电学性能
电介质的极化现象
h
7
高分子电介质的极化现象
电子极化 原子极化
原子的价电子云 分子骨架
位移极化 /变形极化
诱导偶极矩
取向极化 极性分子沿电场方向排布取向
偶极极化
e电子 a原子 μ取向 α极化率 El 作用在分子上的局部电场强度 μ 偶极矩
h
8
极性分子取向极化作用示意图
无电场时
有电场时
电场强度、温度很低
h
17
h
18
影响介电损耗的因素
分子结构
分子极性大小 极性基团密度 极性基团的可动性
外加频率
温度
电压
增塑剂
杂质高聚物
h
19
影响介电损耗的因素
介电常数大而介电损耗不大
h
20
影响介电损耗的因素
分子结构 外加频率
温度
电压
增塑剂
杂质高聚物
h
21
影响介电损耗的因素
分子结构 外加频率 温度
电压 增塑剂 杂质高聚物
结晶区 非晶区
α
链段
β γ 1 极性侧基绕C－C的旋转 2 环单元的构象振荡 3 主链局部链段的运动
晶区：
1 晶区中高分子的链段的运动 2 结晶表面上的局部链段运动 3 晶格缺陷处的基团运动
h
31
固体高聚物的介电松弛过程
h
32
h
33
h
34
介电常数 介电损耗 介电击穿
h
35
介电击穿：在高压下，大量的电能迅速释放，使电极之间的 材料局部被烧毁的现象。
h
9
高分子电介质的极化现象
电子极化 原子极化
原子的价电子云 分子骨架
高聚物的电学性质及其它性质
PC Materials
2.58
2.97-3.17
酚醛树脂
硝化纤维素
5.0-6.5
7.0-7.5
WHUT
WUHAN UNIVERSITY of TECHNOLOGY
介电损耗
• 电介质在交变电场中由于消耗一部分电能而介 质本身发热的现象称介电损耗。 • 产生介电损耗的原因：
– 电介质中含有载流子，在外电场作用下产生电导电 流消耗掉部分电能转化为热能，称电导损耗； – 电介质的取向是一个松弛过程，取向时，部分电能 损耗于克服介质的内滞阻力上转化为热能，发生松 弛损耗。
•非极性分子只有电子极化和原子极 化。 Materials
WHUT
WUHAN UNIVERSITY of TECHNOLOGY
取向极化
• 也称偶极极化，是具有永久偶极矩（m）的极性分子 沿外场方向取向排列导致极化的现象。
– 偶极矩（m）：正负电荷中心之间的距离d与极上电荷q的乘 积；m=qd；矢量，单位为库仑· 米或德拜（Debye，D）， 1D=3.33×10-30库仑· 米
极化与介电现象
• 在外场作用下，电介质分子或其中某些基团中 电荷分布发生的变化称极化，电场、力、温度 等都可以产生极化现象。
• 在外电场的作用下，由于分子极化引起的电能 的贮存和损耗称介电；相应的性质称介电性。
• 在外力、电场的作用下产生的极化称介电极化， 包括电子极化、原子极化、取向极化、界面极 化等。
Materials
WHUT
电子极化
WUHAN UNIVERSITY of TECHNOLOGY
• 电子极化是外电场作用下分子中各原子或离子 的价电子云相对原子核产生位移而导致的极化。 • 极化过程所需时间极短，约10-13～10-15秒。 • 极化率不随温度变化而变化。 • 除去外电场，位移立即恢复，无能量损耗，也 称可逆极化或弹性极化。
2.58
2.97-3.17
酚醛树脂
硝化纤维素
5.0-6.5
7.0-7.5
WHUT
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介电损耗
• 电介质在交变电场中由于消耗一部分电能而介 质本身发热的现象称介电损耗。 • 产生介电损耗的原因：
– 电介质中含有载流子，在外电场作用下产生电导电 流消耗掉部分电能转化为热能，称电导损耗； – 电介质的取向是一个松弛过程，取向时，部分电能 损耗于克服介质的内滞阻力上转化为热能，发生松 弛损耗。
•非极性分子只有电子极化和原子极 化。 Materials
WHUT
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取向极化
• 也称偶极极化，是具有永久偶极矩（m）的极性分子 沿外场方向取向排列导致极化的现象。
– 偶极矩（m）：正负电荷中心之间的距离d与极上电荷q的乘 积；m=qd；矢量，单位为库仑· 米或德拜（Debye，D）， 1D=3.33×10-30库仑· 米
极化与介电现象
• 在外场作用下，电介质分子或其中某些基团中 电荷分布发生的变化称极化，电场、力、温度 等都可以产生极化现象。
• 在外电场的作用下，由于分子极化引起的电能 的贮存和损耗称介电；相应的性质称介电性。
• 在外力、电场的作用下产生的极化称介电极化， 包括电子极化、原子极化、取向极化、界面极 化等。
Materials
WHUT
电子极化
WUHAN UNIVERSITY of TECHNOLOGY
• 电子极化是外电场作用下分子中各原子或离子 的价电子云相对原子核产生位移而导致的极化。 • 极化过程所需时间极短，约10-13～10-15秒。 • 极化率不随温度变化而变化。 • 除去外电场，位移立即恢复，无能量损耗，也 称可逆极化或弹性极化。
高聚物的电性能课件
响介电性能。
空间电荷效应
03
高聚物中的空间电荷会在电场作用下发生迁移，影响介电常数
和介电损耗。
03
高聚物的静电现象
简介
高聚物静电是指高分子材料在加工、运输和使用过程中因摩擦而产生静电的现象。
高聚物静电的产生与高分子材料的性质、环境条件以及操作过程中的摩擦、接触等 有关。
高聚物静电的产生会导致一系列问题，如材料表面的污染、吸附灰尘、影响产品质 量等。
THANKS
高聚物静电的危害与预防
危害
高聚物静电的产生会导致材料表 面的污染、吸附灰尘、影响产品 质量等问题，甚至可能引发火灾 或爆炸等安全事故。
预防
为防止高聚物静电的产生和危害 ，可以采取一系列措施，如增加 环境湿度、使用抗静电剂、改善 加工工艺等。
高聚物静电的应用
应用
高聚物静电在某些领域 也有着重要的应用，如 静电喷涂、静电除尘、
高聚物的介电性能在电子、通信、航 空航天等领域具有广泛的应用，如绝 缘材料、电容器等。
影响高聚物介电性能的因素
01
02
03
04
分子结构
高聚物的分子结构对其介电性 能具有显著影响，如极性基团
的数量和排列方式等。
温度和频率
介电性能随温度和频率的变化 而变化，不同高聚物的变化规
律可能不同。
湿度
湿度对高聚物的介电性能也有 影响，湿度较高时，介电常数
飞机和汽车材料
高聚物电磁屏蔽材料可以 用于制造飞机和汽车的金 属化玻璃、门板等部件， 以提高其电磁屏蔽性能。
军事领域
高聚物电磁屏蔽材料可以 用于制造军事装备的隐身 涂层，以提高其隐身性能 。
05
高聚物的电热性能
简介
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1. 2. 3. 4. 5. 6.
概述 高聚物的极化及介电常数 高聚物的介电损耗 高聚物的导电性 高聚物的介电击穿 高聚物的静电现象、危害和防止
大多数高聚物固有的电绝缘性质已长期被利用 来约束和保护电流，使它沿着选定的途径在导体里 流动，或用来支持很高的电场，以免发生电击穿。 品种繁多的高聚物，有着极宽的电学性能指标 范围，它们的介电常数从略大于1到103或更高，电 阻率的范围超过20个数量级，耐压可高达100万伏 以上。
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。在固定频率下测试聚合物试样的介 电系数和介电损耗随温度的，可得同分子 运动有关的特征谱图，称之为聚合物的介电松弛谱 ，前者为温度谱，后者为频率谱。
1 . 介电损耗的意义及其产生原因
介电损耗的意义 电介质在交变电场中，由于消耗一部分电能，使 介质本身发热，这种现象就是介电损耗。
（1）电介质中含有能导电的载流子，它在外加电场 的作用下，产生电导电流，消耗掉一部分电能，转 化为热能，称为电导损耗。 （2）电介质在交变电场下的极化过程中，与电场发 生能量交换。取向极化过程是一个松弛过程，电场 使偶极子转向时，一部分电能损耗于克服介质的内 粘滞阻力上，转化为热量，发生松弛损耗；变形极 化是一种弹性过程或谐振过程，当电场的频率与原 子或电子的固有振动频率相同时，发生共振吸收， 损耗电场能量最大。
电介质的极化 极化强度P
Q - Q0 P （ ）E 0 E 0 -1 S
P N NE t
极化强度是单位体积内分子偶极矩的矢量和。 分子极化率，是衡量介质在外电场中极化程度的微 观物理量。
电介质的极化程度越大，Q 值越大，ε 也越大。
介电常数，表征电介质储存电荷能力的大小。也是衡 量介质在外电场中极化程度的一个宏观物理量。聚 合物的介电常数在2.0至7.0之间。
极性分子的正负电荷重心本来就是不重合的，自 身带有固有偶极子。将极性分子置于电场中时， 除了诱导极化外，偶极子将沿电场方向择优排列， 即取向极化。取向过程要克服偶极子本身的惯性 与旋转阻力， 故所需时间要比诱导极化长得多， 一般约为10-9s。因为分子的热运动要使偶极子取 向趋于杂乱，所以，取向极化产生的取向偶极矩 除了同有效电场强度有关外还同温度有关。
在一定温度下， 聚合物介电性质同频率有关。当频 率与取向松弛时间相匹配时， ε ″出现极大值。而 ε′则随频率增加呈阶梯式下降，其降落区域与ε″出 现极值点相对应，这一频率范围通常称为反常色散 区域。变形极化一般跟得上电场的变化， 是一种谐 振过程。但在光频的振动频率范围内，在红外区和 紫外区的频率可分别与原子和电子的振动频率相当 ， 发生共振吸收，造成能量损耗。
真空电容器的电容为
Q0 C0 U
如果在上述电容器的两极板间充满电介质，这时极 板上的电荷将增加到Q，Q = Q0 +Q′，此时，电 容也相应增加为C Q C U 定义含有电介质的电容器的电容 C 与相应真空 电容器的电容之比为该电介质的介电常数ε，即
C Q C0 Q0
介电常数的大小决定于介质的极化，而介质的极化 与介质的分子结构及其所处的物理状态相关。 分子的极性大小是用偶极矩来衡量的。而分子的偶 极矩等于分子中所有键矩的矢量和。
电介质极化过程与分子运动的难易有关。在一定 频率下，温度很低时，分子运动困难，极化程度有 限，因此ε′和ε″都较低。随着温度的升高，介质黏 度下降，极化程度增大，当温度升高一定数值时， 偶极既有较大程度的取向极化，又跟不上电场的变 化，此时ε′迅速上升、ε″出现极值。再进一步升高 温度，偶极取向阻力将进一步减弱，偶极取向趋于 同电场同步变化，ε′增至最大，ε″则要降低。
极性聚合物带有固有偶极子， 偶 极子的取向极化过程伴随着分子运动 过程。高分子的运动单元尺寸大小不 同，运动模式各异，其松弛时间也不 一致。不同尺寸的运动单元及其协同 运动对应于不同环境下的偶极子取向， 因其受阻程度不同而在介电松弛谱上 出现一系列损耗峰，介电系数则在相 应的温度或频率下发生突变。这种现 象同动态力学谱的复柔量的变化相似。 习惯上按照介电损耗峰在谱图上出现 的顺序从高温次用α，β，γ等命名。
前面是讨论高聚物在弱电场中的行为。
在强电场（107~108伏/米）中，随着电场强度
进一步升高，电流～电压间的关系已不再符合欧
姆定律，dU／dI逐渐减小，电流比电压增大得
更快。
当达到dU／dI ＝0时，即使维持电压不变，电流 仍然继续增大，材料突然从介电状态变成导电状态。 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 = Ub／h Eb就是介电强度，或称击穿场强.
高聚物的电学性质是指聚合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 在聚合物表面的静电现象
绝大多数聚合物是绝缘体，具有卓越的电绝缘性 能，其介电损耗和电导率低，击穿强度高，为电 器工业中不可缺少的介电材料和绝缘材料。例如， 用于制造电容器，用于仪表绝缘和无线电遥控技 术等。 高聚物的电学性质往往非常灵敏地反映材料内部 结构的变化和分子运动状况，因此电学性质的测 量，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。 电学性质的测量方法，由于可以在很宽的频率范 围下进行观察，显示出有更大的优越性。
实际体系对外场刺激响应的滞后统称为松弛现象。 在交变电场E = E0 cosωt（E0为交变电流峰值） 的作用下，电位移矢量也是时间的函数。由于聚 合物介质的粘滞力作用，偶极取向跟不上外电场 变化，电位移矢量迟后于施加电场，相位差为δ，
即
D=D0 cos(ωt-δ)=D1 cosωt + D2 sinωt
除了变形极化和取向极化外， 还有一种发生在非 均相介质界面处的极化。它是在外电场作用下， 介质中的电子或离子在界面处堆积造成的，称为 界面极化。这种极化一般需时很长，从几分之一 秒至几分钟，甚至更长。因此其测量要使用低频 技术。这种界面极化现象可用来研究高分子多相 体系的界面行为。
分子极性的大小同其组成有关，双原子分子的 偶极矩是化学键的键矩，而多原子分子的偶极矩 是各个键矩的矢量和。 高分子极性一方面同化学键的极性有关，另一 方面要受到分子结构的对称性的限制。 介电系数大小还同偶极子取向的难易程度有关。 极性单元在高分子链中的位置不同时，介电系数 可有很大差别。主链上的极性基团以及同主链刚 性连接的极性侧基的活动性较小，而柔性极性侧 基的活动性较大，后者将对介电系数有较大的贡 献。
40
PE-CF-CNT复合体系的电热材料
HDPE与CF及CF-VGCF复合膜在不同的外加电压下的发热性能。
这种导电发热材料，通过施加不同电压，温度在室温到 90℃可控。碳纳米管的添加，既可以提高发热效率，又有 利于保持良好的形态稳定性。利用这种性能可以制备不同 形态和尺寸的发热膜，用于地热或户外服装等保温材料。
PTC强度先增大后减小
DSC测试结果
交流电阻率与温度的关系
60℃ R
fc
80℃
100℃
100℃
125℃
变温交流响应
AC电阻率 VS 温度
AC交流率与温度的关系 AC与DC相类似的PTC效应
临界频率与主曲线
ξ 相关长度
fc
1/ a
-b (3.1)
主曲线 (Master Curve)
绝缘体表面的静电可以通过三条途径消失： （1）通过空气（雾气）消失 （2）沿着表面消失 （3）通过绝缘体体内消失 因此可在三方面采取适当的措施，消除已 经产生的静电。
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。
电导是载流子电场的作用下在介质中的移动。
常见的共轭聚合物
1974年Shirakawa（白川英树）偶然发现的聚乙炔 （PA）自支撑膜的制备方法。
1977年与Macdiarmaid及Heeger合作发现这种方 法PA膜经过AsF5掺杂后变成导体
2000年诺贝尔化学奖
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
同时，升高温度对取向极化还有一种与上述机理相 反的作用：在高温下分子热运动加剧，将不利于偶 极子的取向，或者说，促进偶极子的解取向，结果 使取向极化率降低。介电系数随温度的变化要视哪 种作用占优势而定。一般来说，在不太高的温度范 围内，取向作用占优势，介电系数随温度升高而增 加；在温度很高时，解取向作用占优势，介电系数 随温度升高而减小。
在外电场作用下分子的电荷分布要发生变化，这 种现象称为极化。按照极化机理的不同，可分为 电子极化、原子极化与取向极化。 1.
1) 电子极化
电子极化是指在外电场中每个原子的价电子云相 对于原子核发生位移。由于电子运动速度很快， 极化过程所需时间极短，大约只有10-15～10-13s。 当除去电场时，位移立即恢复，无能量损耗，所 以也称可逆性极化或弹性极化。
固定填料含量 采用直流(DC)电学响应
R=ρ Tm/ρ R
T
PTC跳跃温度对填料含量
有强烈的依赖性
改变填料含量
结合交流(AC)电学响应
概述 高聚物的极化及介电常数 高聚物的介电损耗 高聚物的导电性 高聚物的介电击穿 高聚物的静电现象、危害和防止
大多数高聚物固有的电绝缘性质已长期被利用 来约束和保护电流，使它沿着选定的途径在导体里 流动，或用来支持很高的电场，以免发生电击穿。 品种繁多的高聚物，有着极宽的电学性能指标 范围，它们的介电常数从略大于1到103或更高，电 阻率的范围超过20个数量级，耐压可高达100万伏 以上。
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。在固定频率下测试聚合物试样的介 电系数和介电损耗随温度的，可得同分子 运动有关的特征谱图，称之为聚合物的介电松弛谱 ，前者为温度谱，后者为频率谱。
1 . 介电损耗的意义及其产生原因
介电损耗的意义 电介质在交变电场中，由于消耗一部分电能，使 介质本身发热，这种现象就是介电损耗。
（1）电介质中含有能导电的载流子，它在外加电场 的作用下，产生电导电流，消耗掉一部分电能，转 化为热能，称为电导损耗。 （2）电介质在交变电场下的极化过程中，与电场发 生能量交换。取向极化过程是一个松弛过程，电场 使偶极子转向时，一部分电能损耗于克服介质的内 粘滞阻力上，转化为热量，发生松弛损耗；变形极 化是一种弹性过程或谐振过程，当电场的频率与原 子或电子的固有振动频率相同时，发生共振吸收， 损耗电场能量最大。
电介质的极化 极化强度P
Q - Q0 P （ ）E 0 E 0 -1 S
P N NE t
极化强度是单位体积内分子偶极矩的矢量和。 分子极化率，是衡量介质在外电场中极化程度的微 观物理量。
电介质的极化程度越大，Q 值越大，ε 也越大。
介电常数，表征电介质储存电荷能力的大小。也是衡 量介质在外电场中极化程度的一个宏观物理量。聚 合物的介电常数在2.0至7.0之间。
极性分子的正负电荷重心本来就是不重合的，自 身带有固有偶极子。将极性分子置于电场中时， 除了诱导极化外，偶极子将沿电场方向择优排列， 即取向极化。取向过程要克服偶极子本身的惯性 与旋转阻力， 故所需时间要比诱导极化长得多， 一般约为10-9s。因为分子的热运动要使偶极子取 向趋于杂乱，所以，取向极化产生的取向偶极矩 除了同有效电场强度有关外还同温度有关。
在一定温度下， 聚合物介电性质同频率有关。当频 率与取向松弛时间相匹配时， ε ″出现极大值。而 ε′则随频率增加呈阶梯式下降，其降落区域与ε″出 现极值点相对应，这一频率范围通常称为反常色散 区域。变形极化一般跟得上电场的变化， 是一种谐 振过程。但在光频的振动频率范围内，在红外区和 紫外区的频率可分别与原子和电子的振动频率相当 ， 发生共振吸收，造成能量损耗。
真空电容器的电容为
Q0 C0 U
如果在上述电容器的两极板间充满电介质，这时极 板上的电荷将增加到Q，Q = Q0 +Q′，此时，电 容也相应增加为C Q C U 定义含有电介质的电容器的电容 C 与相应真空 电容器的电容之比为该电介质的介电常数ε，即
C Q C0 Q0
介电常数的大小决定于介质的极化，而介质的极化 与介质的分子结构及其所处的物理状态相关。 分子的极性大小是用偶极矩来衡量的。而分子的偶 极矩等于分子中所有键矩的矢量和。
电介质极化过程与分子运动的难易有关。在一定 频率下，温度很低时，分子运动困难，极化程度有 限，因此ε′和ε″都较低。随着温度的升高，介质黏 度下降，极化程度增大，当温度升高一定数值时， 偶极既有较大程度的取向极化，又跟不上电场的变 化，此时ε′迅速上升、ε″出现极值。再进一步升高 温度，偶极取向阻力将进一步减弱，偶极取向趋于 同电场同步变化，ε′增至最大，ε″则要降低。
极性聚合物带有固有偶极子， 偶 极子的取向极化过程伴随着分子运动 过程。高分子的运动单元尺寸大小不 同，运动模式各异，其松弛时间也不 一致。不同尺寸的运动单元及其协同 运动对应于不同环境下的偶极子取向， 因其受阻程度不同而在介电松弛谱上 出现一系列损耗峰，介电系数则在相 应的温度或频率下发生突变。这种现 象同动态力学谱的复柔量的变化相似。 习惯上按照介电损耗峰在谱图上出现 的顺序从高温次用α，β，γ等命名。
前面是讨论高聚物在弱电场中的行为。
在强电场（107~108伏/米）中，随着电场强度
进一步升高，电流～电压间的关系已不再符合欧
姆定律，dU／dI逐渐减小，电流比电压增大得
更快。
当达到dU／dI ＝0时，即使维持电压不变，电流 仍然继续增大，材料突然从介电状态变成导电状态。 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 = Ub／h Eb就是介电强度，或称击穿场强.
高聚物的电学性质是指聚合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 在聚合物表面的静电现象
绝大多数聚合物是绝缘体，具有卓越的电绝缘性 能，其介电损耗和电导率低，击穿强度高，为电 器工业中不可缺少的介电材料和绝缘材料。例如， 用于制造电容器，用于仪表绝缘和无线电遥控技 术等。 高聚物的电学性质往往非常灵敏地反映材料内部 结构的变化和分子运动状况，因此电学性质的测 量，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。 电学性质的测量方法，由于可以在很宽的频率范 围下进行观察，显示出有更大的优越性。
实际体系对外场刺激响应的滞后统称为松弛现象。 在交变电场E = E0 cosωt（E0为交变电流峰值） 的作用下，电位移矢量也是时间的函数。由于聚 合物介质的粘滞力作用，偶极取向跟不上外电场 变化，电位移矢量迟后于施加电场，相位差为δ，
即
D=D0 cos(ωt-δ)=D1 cosωt + D2 sinωt
除了变形极化和取向极化外， 还有一种发生在非 均相介质界面处的极化。它是在外电场作用下， 介质中的电子或离子在界面处堆积造成的，称为 界面极化。这种极化一般需时很长，从几分之一 秒至几分钟，甚至更长。因此其测量要使用低频 技术。这种界面极化现象可用来研究高分子多相 体系的界面行为。
分子极性的大小同其组成有关，双原子分子的 偶极矩是化学键的键矩，而多原子分子的偶极矩 是各个键矩的矢量和。 高分子极性一方面同化学键的极性有关，另一 方面要受到分子结构的对称性的限制。 介电系数大小还同偶极子取向的难易程度有关。 极性单元在高分子链中的位置不同时，介电系数 可有很大差别。主链上的极性基团以及同主链刚 性连接的极性侧基的活动性较小，而柔性极性侧 基的活动性较大，后者将对介电系数有较大的贡 献。
40
PE-CF-CNT复合体系的电热材料
HDPE与CF及CF-VGCF复合膜在不同的外加电压下的发热性能。
这种导电发热材料，通过施加不同电压，温度在室温到 90℃可控。碳纳米管的添加，既可以提高发热效率，又有 利于保持良好的形态稳定性。利用这种性能可以制备不同 形态和尺寸的发热膜，用于地热或户外服装等保温材料。
PTC强度先增大后减小
DSC测试结果
交流电阻率与温度的关系
60℃ R
fc
80℃
100℃
100℃
125℃
变温交流响应
AC电阻率 VS 温度
AC交流率与温度的关系 AC与DC相类似的PTC效应
临界频率与主曲线
ξ 相关长度
fc
1/ a
-b (3.1)
主曲线 (Master Curve)
绝缘体表面的静电可以通过三条途径消失： （1）通过空气（雾气）消失 （2）沿着表面消失 （3）通过绝缘体体内消失 因此可在三方面采取适当的措施，消除已 经产生的静电。
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。
电导是载流子电场的作用下在介质中的移动。
常见的共轭聚合物
1974年Shirakawa（白川英树）偶然发现的聚乙炔 （PA）自支撑膜的制备方法。
1977年与Macdiarmaid及Heeger合作发现这种方 法PA膜经过AsF5掺杂后变成导体
2000年诺贝尔化学奖
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
同时，升高温度对取向极化还有一种与上述机理相 反的作用：在高温下分子热运动加剧，将不利于偶 极子的取向，或者说，促进偶极子的解取向，结果 使取向极化率降低。介电系数随温度的变化要视哪 种作用占优势而定。一般来说，在不太高的温度范 围内，取向作用占优势，介电系数随温度升高而增 加；在温度很高时，解取向作用占优势，介电系数 随温度升高而减小。
在外电场作用下分子的电荷分布要发生变化，这 种现象称为极化。按照极化机理的不同，可分为 电子极化、原子极化与取向极化。 1.
1) 电子极化
电子极化是指在外电场中每个原子的价电子云相 对于原子核发生位移。由于电子运动速度很快， 极化过程所需时间极短，大约只有10-15～10-13s。 当除去电场时，位移立即恢复，无能量损耗，所 以也称可逆性极化或弹性极化。
固定填料含量 采用直流(DC)电学响应
R=ρ Tm/ρ R
T
PTC跳跃温度对填料含量
有强烈的依赖性
改变填料含量
结合交流(AC)电学响应