高聚物的电学性能
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
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
第八章 高聚物的电学性质1分析
间位置的程度，决定了键是极性还是非极 性以及键极性的强弱。
正负电荷分布各有一个中心，正负电荷中ห้องสมุดไป่ตู้
心正好重合的分子为非极性分子，不重合 的便成为极性分子。
键极性强弱和分子极性强弱
化学上的μ方向与物理上的相反（电子
负）
分子极化分类
极性分子取向极化作用示意图
P Nα El
三、介电常数与分子极化强度的 关系
四、高聚物的介电常数和结构的 关系
极性基团的影响
思考题
分子结构对介电常数的影响
酚醛塑料极性很大，但介电常数不大，为
什么？
五、高聚物的介电损耗
介电损耗原因
（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。
介电损耗的表征
常见高聚物介电损耗角正切tanδ
影响介电损耗的因素
1、分子结构的影响：
分子极性越大，极性基团密度越 分子极性的大小 大，则介电损耗越大。一般非极 性高聚物的tanδ在 10 ，而极性 极性基团的密度 高聚物的tanδ在 10 数量级。 极性基团的可动性 当极性基团位于高聚物的β位上或柔性侧基 的末端时，由于其取向极化的过程是一个 独立的过程，引起的介电损耗并不大，但 仍能对介电常数有较大的贡献。（见课本 表8-4）
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
高聚物的电学性能
介电强度与击穿场强
介电强度
表示高聚物在电场作用下抵抗电击穿的能力，与高分子的结 构、形态、杂质含量等因素有关。
击穿场强
高聚物发生电击穿时的临界电场强度，一般随着温度升高而 降低，同时也受到湿度、电压波形等条件的影响。
04 高聚物压电性能
压电效应原理及分类
压电效应原理
指某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出 现正负相反的电荷。
界面相容性的改善
通过添加界面改性剂或使用特殊制备工艺，改善高聚物与其他功能 材料之间的界面相容性，提高复合材料的性能稳定性。
多层次结构设计
设计多层次结构的高聚物复合材料，实现材料在不同尺度上的电学性 能优化。
表面处理法
表面处理技术的选择
采用等离子体处理、化学接枝等表面处理技术，对高聚物表面进 行改性。
应用领域及前景展望
温差发电可利用工业余热、汽车 尾气等废热源进行发电，节能环 保。
传感器领域，高聚物热电材料可 用于制作温度传感器、流量传感 器等器件。
高聚物热电材料在温差发电、制 冷和传感器等领域具有广泛应用 前景。
制冷方面，高聚物热电材料可制 成小型、轻便的制冷器件，用于 电子设备的散热等。
随着材料科学的发展和技术进步 ，高聚物热电材料的性能将不断 提高，应用领域也将进一步拓展 。
成空穴电流。这也是导电高聚物或有机半导体的一种导电机制。
02
空穴浓度与迁移率
空穴导电性能与空穴浓度和迁移率密切相关。高空穴浓度和高迁移率有
助于提高空穴导电性能。
03
能量带隙与载流子生成
能量带隙大小影响载流子（电子和空穴）的生成和复合过程，进而影响
第九章 高聚物的电性能
15
ε ′
10 15 9
ε ″ 20
1.0
3
0 0.5
5
0
20
40
60 T(℃)
80
100
0
20
40
60 T(℃)
80
100
增塑剂加入量对PVC介电性能的影响
△杂质对高聚物介电性的影响 规律：导电性或极性杂质的存在，增加高聚物电导电流的极化率，使介电损耗增大。 ▓实例 HDPE杂质1.9%降到0.03%时，tanδ 从14×10-4降到tanδ 14×10-4
＋ ＋ 分离 ＋
| | | | |
＋
＋ A 带 电
A 电中性
B
B
物体的静电现象
§9-4 高聚物的静电现象
▲高聚物的带电半衰期与带电序列
高 聚 物 半衰期，s 正电荷
聚乙烯基咪唑 赛璐璐 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 0.1 0.3 0.66 1.5 2.5 3.6 41 667 936 8470§9-1 高聚物ຫໍສະໝຸດ 介电性一、高聚物分子的极化
▲定义 高聚物的介电性是指高聚物在电场的作用下，表现出对静电能的储蓄的损耗的性质。 高聚物的极性 高聚物的极化 介电常数 介电损耗
影响高聚物介电性的因素
▲高聚物的极性与类别
介电性的表示方法
高聚物的极性类 别
非极性高聚物（PE、PP、PTFE等） 弱极性高聚物（PS、PIP等） 极性高聚物（PVC、PA、PVAC、PMMA等） 强极性高聚物（PVA、PAN、PET、酚醛树脂、氨基树脂等）
φ
V
高聚物介电损耗示意图
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高聚物的电学性能
一、几个基本概念
1、高聚物的介电性：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，这种性能称为介电性，通常用介电常数和介电损耗来表示。
2、分子的极化：在外电场作用下，电介质分子或者其中某些基团中电荷分布发生的相应变化称为极化，包括电子极化、原子极化、取向极化、界面极化。
3、介电常数（介电系数）：定义含有电介质的电容器的电容与相应真空电容器的电容之比为该电容器的介电常数e。
e是衡量电介质极化程度的宏观物理量，它可以表征电介质贮存电能的能力。
4、介电损耗：在交变电场中电介质消耗一部分能量而发热的现象称为介电损耗。
高聚物的介电损耗可分为电导损耗和偶极损耗，其中前者是非极性高聚物介电损耗的主要部分；后者是极性高聚物介电损耗的主要部分.
5、介电击穿：在强电场中（107~108V/m),随着电压的升高，高聚物的电绝缘性能会逐渐下降，电压升高到一定数值时，高聚物中因有很大的电流通过而完全失去了绝缘性质，大量电能迅速释放，有时甚至伴随着物理破坏（如材料局部烧毁等），这些现象统称为介电击穿。
一、高聚物的导电特点
1、材料导电原理：
2、载流子：电子、空穴、正负离子
3、材料的导电性与载流子的多少及其运动速度有关
4、材料导电性的表示方法：电阻率(体积电阻率与表面电阻率）或电导率
5、大多数高聚物导电性很低，属绝缘体，有部分高聚物具有半导体、导体的导电率
聚合物的导电机理：导电载流子可以是电子、空穴、正负离子；无共轭双键的非极性高聚物主要是离子导电共轭聚合物、聚合物的电荷转移聚合物、聚合物的自由其-离子化合物和有机金属聚合物具有强的电子电导（表现为半导体或导体）。
二、表面电阻率和体积电阻率
1、表面电阻率Rs：表征高聚物表面的导电性，规定为单位正方形表面上两刀形电极之间的电阻，单位为欧姆
2、体积电阻率Rv:表征高聚物体内导电性，是体积电流方向的直流场强与该处体积电流密度之比，单位为欧姆*米
3、
三、高聚物的导电性与分子结构的关系
1、饱和非极性聚合物具有最好的绝缘性
2、极性高聚物的电绝缘性较饱和非极性聚合物差
3、共轭高聚物是高分子半导体材料
4、电荷转移络合物和自由基-离子化合物是高电子电导材料，通过电子给予体和电子接受体之间的电荷转移而传递电子导电
5、有机金属聚合物：将金属原子引入聚合物主链，其电子电导增加
四、影响高聚物导电性的因素
1、分子量：分子量增加电子电导增加，离子电导下降
2、结晶与取向：离子电导率下降，电子电导增加
3、交联：离子电导下降，电子电导增加
4、杂质：使绝缘高聚物导电性增加
5、添加剂：如极性增塑剂、导电填料等可使导电性提高
6、湿度：增加电导性（极性高聚物较显著）
7、温度：温度升高导电性增加
五、高聚物的静电现象
1、静电现象：任何两种物质，互相接触或磨擦时，只要其内部结构中电荷载体的能量分布不同，在它们各自的表面就会发生电荷再分配重新分离后，每一种物质都将带有比其接触或磨前过量的正（或负）电荷，这种现象称为静电现象；
2、高聚物在生产、加工、使用过种中常会带有大量的电荷，变成带电体，绝缘性的高聚物静电消除缓慢。
六、静电的危害与防止
1、给加工环节带来困难：如合成纤维生产静电给生产造成困难
2、静电作用往往影响产品质量
3、静电作用有时可能影响人身或设备安全
4、加入抗静电剂
5、利用高聚物静电现象：静电复印。