高聚物的电性能
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高聚物的介电常数
介 2.
1 2
电24.0
3
常23.5
数ε23.0～～ 4
～～
′210.
205. △湿度对高聚物非0介极00电性性高20的聚影物40响的介60电8常温（0 数℃100与度）温
度1的-P关P；系2-HDPE；3-LDPE；
4-PTFE
9 ε7 ′ 60
5 Hz
3 60 Hz
1000 Hz 1000 2ε
低电压 区
高电压区 绝缘破坏区
I
电流-电压曲线 击穿电压强度：连续对高聚物材料升高电压，电当压试V样被击穿时的电压和试样厚度的比
值称为击穿电压强度。
Eb
V h
§8-3 高聚物的击穿电压强度 介电击穿的形式、原因及决定因素
高压电场
本征击穿
加速
离子
运动
少数自由电子
获能 碰撞
新的 电子
高聚物材料
介电击 穿形式
V 高聚物介电损耗示意图
－高聚物将电能转变为热能损耗的程度。
△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电流，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。
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
0.抗0静. 电0. 剂0. 2 345
0. 6
抗静 电剂 加入 量对 静电 荷的 影响
1PVC
2-PE
3-PP
§8-4 高聚物的静电现象
抗静电剂的选择 对抗静电剂的要求
亲水性强 与高聚物的相溶性好 容易分散混合 稳定性好 无毒、无味、无害 加入后不影响高聚物其他性能
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
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
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。
介电性能
介电性能求助编辑介电性能是指在电场作用下,表现出对静电能的储蓄和损耗的性质，通常用介电常数和介质损耗来表示.材料应用高频技术时，如实木复合地板采用高频热压时介电性能是非常重要的性质。
介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，原外加电场(真空中)与最终介质中电场比值即为介电常数(permittivity),又称诱电率。
目录编辑本段简介无机介质材料表现出来的介电性能的应用中，还涉及到介电常数、介电损耗因子和介电强度等。
介电常数又叫介质常数、介电系数或电容率，它是表示绝缘能力特性的一个系数，以字母ε表示，单位为法/米如果有高介电常数的材料放在电场中，场的强度会在电介质内有可观的下降。
编辑本段损耗因子仅与介质有关，其大小可作为绝缘材料的判据。
介质由介电状态变为导电状态的临界电场强度称为介电强度。
常见溶剂的介电常数：H2O (水) 78.5HCOOH (甲酸) 58.5CH3COOH(乙酸)6.15CH3COOC2H5(乙酸乙酯)6.02HCON(CH3)2 (N,N-二甲基甲酰胺)36.7CH3OH (甲醇) 32.7C2H5OH (乙醇) 24.5CH3CH2CH2-OH(正丙醇)20.1CH3CH2CH2CH2-OH（正丁醇）17.8n-C6H13OH （正己醇）13.3CH3COCH3 (丙酮) 20.7C6H6 (苯) 2.28CCl4 (四氯化碳) 2.24n-C6H14 （正己烷）1.88CH3SOCH3（二甲基亚砜，DMSO）47.2编辑本段特性是指物质分子中的束缚电荷(只能在分子线度范围内运动的电荷)对外加电场的响应特性,它主要由相对介电常数εr'、相对介质损耗因数εr〃、介质损耗角正切tanδ和介质等效阻抗等参数来表征。
油和水（纯净的水）都属绝缘体。
但纯净的水的介电性能远远高于油。
拿相对介电常数来讲，水的介电常数是81，而变压器油的在3-5之间。
高聚物的介电性能高聚物的介电性能是指高聚物在电场作用下，表现出对静电能的储存和损耗的性质，通常用介电常数和介电损耗来表示。
高聚物的介电常数与结构的关系
高聚物的介电常数与结构的关系高分子材料作为一类重要的材料，在电子器件、能源存储等领域具有广泛的应用前景。
其中，高聚物的介电常数是一个非常重要的性质，它直接影响着高聚物材料在电子器件中的性能表现。
本文将探讨高聚物的介电常数与结构之间的关系。
首先，介电常数是衡量材料电绝缘性能的一个重要指标，它反映了材料在电场中储存和释放电能的能力。
对于高聚物材料来说，介电常数的值通常较高，因为高聚物分子链中存在着大量的极性基团。
这些极性基团能够极化，并在外界电场作用下产生电偶极矩，从而实现电能的储存和释放。
其次，高聚物的结构对其介电常数有着直接的影响。
高聚物的结构可以分为线性结构、分支结构和网络结构等。
一般情况下，线性结构的高聚物具有较低的介电常数，而分支结构和网络结构的高聚物则具有较高的介电常数。
这是因为分支结构和网络结构的高聚物具有更多的分子运动自由度，能够更好地响应外界电场的作用，从而实现更高的电极化程度。
此外，高聚物中的官能团和侧链结构也会对介电常数产生影响。
官能团和侧链结构的引入可以改变高聚物的极性，从而影响其分子极化能力。
一些具有极性官能团的高聚物，如羟基、酮基和醚基等，在外界电场作用下能够更容易地产生分子极化，从而具有较高的介电常数。
最后，高聚物的晶型结构和晶化程度也会对介电常数产生一定的影响。
晶型结构的不同会导致高聚物分子链的排列方式发生变化，从而影响其分子极化能力。
晶化程度的提高则意味着高聚物分子链的有序程度增加，分子极化能力也相应增强，因此介电常数也会有所增加。
综上所述，高聚物的介电常数与其结构密切相关。
高聚物的结构、官能团和晶型结构等因素都会对介电常数产生影响。
对于高聚物材料的设计和制备来说，需要充分考虑这些因素，以达到所需的介电常数和电子器件性能要求。
随着对高分子材料性质研究的不断深入，相信我们对高聚物的介电常数与结构之间的关系会有更深入的认识。
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• 在一般电气设备中用的电介质和绝缘体，均要求介 电损耗小。
• 微波元件中的吸收材料，要求损耗因数大，以便吸 收大量电磁能，转变为热能 。
7
• 介电常数 • 介电损耗 • 高聚物的介电击穿 • 高聚物的电老化 • 高聚物的介电松弛谱 • 介电分析测试技术及仪器 • 动态介电分析在高聚物中的应用
8
第一节 介 电 常 数
第四章 高聚物的电学性能
1
• 4个物理过程：在外电场作用下，高分子电容器材料储 存能量产生极化、消耗电场能量（损耗）、产生微小 电流（电导）、在高场作用下发生破坏（击穿）
• 4个参数：介电常数、介电损耗角正切、电导率（电阻 率）、电场强度
• 电性能主要是研究这四个参数与四个物理过程之间的 相互关系。
• 在电场作用下，电负性较大的的原子偏向正 极，电负性较小的的原子偏向负极，化学键 键角发生改变，分子骨架发生变形的极化即 原子位移极化。 因为原子质量较大，运动速度比电子慢， 原子位移极化时间稍长，约为10-13s。
15
• 例如CO2分子，本来是O=C=O直线型结构，在 外电场中，电负性较大的氧原子略微偏向正极， 电负性较小的碳原子略微偏向负极，发生各原子 之间的相对位移，结果键角OCO小于180°，使分 子的正负电荷中心位置发生变化。
24
高聚物的极化形式
极化 形式
电子 极化
原子 极化
偶极 极化
界面 极化
极化机理
电子云的变形
各原子之间的相对位移
极性分子（或偶极子）沿 电场方向转动，从优取向 载流子在界面处聚集产生 的极化
特点
适用对象
极快，10－13～10－15s；无能 量损耗；不依赖温度和频率
21
• 如果单位体积内有N个分子，每个分子产生的 平均偶极矩为μ，则单位体积内的偶极矩P为
P N NE
P称为电介质的极化度或极化强度，它表明 在外电场中电介质极化度与分子极化率之间 的关系。
22
4. 界面极化(interfacial polarization)
• 非均相介质界面两边的组分具有不同的极 性，在电场作用下将引起电荷在两界面处 聚集，从而产生极化。
• 介电常数的物理含义 • 介质极化 • 介电常数与分子极化率的关系 • 高聚物的介电常数 • 影响高聚物介电常数的因素
9
一、介电常数的物理含义
平行板电容器
C0
Q0 U
0
S d
C
Q U
0
S d
ε0称为真空电容率，ε0=8.85×10-12F/m。
ε即为介电常数，表征电介质贮存电能能力的大小
电介质的极化程度越大，则极板上的电荷越多， 介电常数也就越大，因此，介电常数反映了电介质 的极化程度。
构成原子的电子云在外电场作用下产生了相对于 原子核的位移，使正负电荷中心不再重合，于是就 形成了感应偶极矩，这种极化称为电子位移极化。 电子云的移动很小，运动速度很快，电子极化时间 极短，约为10-15s，因此介质材料在1015Hz频率以下 的外电场作用下，均会产生电子位移极化。
14
2. 原子位移极化(atomic polarization)
10
二、介质极化
• 在电场作用下，感应偶极子和/或固有偶极子沿电 场方向择优排列的结果，在介质与电极的交界面形 成了束缚电荷，这些电荷的极性与电极极性相反， 这种现象称为介质极化（polarization）。
• 偶极矩μ qd
• 偶极矩是一个矢量，其方向由负电荷指向正电荷， 单位是德拜(Debye)， 1德拜＝1 10－29 库。仑 米
5
导电聚合物的应用
导电高聚物的应用
电子导电高聚物
导电材料 电极材料 电显示材料 化学反应催化剂 有机分子开关
离子导电高聚物 代替电解质材料 全固态电池
各种电极材料 氧化还原导电高聚物
特种电极修饰材料
6
• 用于储能元件(如电容器)时，要求介电常数要大， 这使得单位体积中储存的能量大；
• 用于一般绝缘体时，要求介电常数小，以减小流过 的电容电流。
3 11
介 质 极 化 示 意 图
12
• 各种介质材料由于其组成结构不同，在相 同环境和外电场条件下，它们的极化形式 与极化程度也各不相同。根据形成极化的 机理不同，可分为电子位移极化、原子位 移极化、偶极子转向极化、界面极化等。
13
1. 电子位移极化(electronic polarization)
• 这种极化所需要的时间较长，从几分之一 秒到几分钟。
23
• 一般非均质聚合物材料如共混聚合物、填充聚合 物和泡沫聚合物都能产生界面极化。
• 均质聚合物也会因含有杂质或缺陷以及聚合物中 非晶区与晶区共存等而产生界面，在这些界面上 同样能产生极化。
• 界面极化主要影响低频率(10－5～102Hz)下的介电 性能。
2
02
3KT
E
0E
T-绝对温度， μ0-极性分子的永久偶极，
E-外电场强度，K-波尔兹曼常数，
α0-转向极化率。
20
• 非极性电介质分子在外电场中只有诱导偶极矩，
其分子极化率 d ；
• 而极性电介质分子在外电场中产生的偶极矩应为
诱导偶极矩与转向偶极矩之和，其16
电子极化 原子极化
位移极化 变形极化 诱导极化 瞬时极化
• 由电子和原子极化产生的偶极矩称为 诱导偶极矩μ1。
17
• μ1与电场强度E成正比
1 d E (1 2 )E
αd——位移极化率； α1、α2——分别为电子极化率和原子极化 率，α1和α2与温度无关。
18
3. 偶极子转向极化(orientation polarization)
• 具有固有(永久)偶极子在电场作用下沿电场方 向择优取向而呈现的极化。又称取向极化。
• 由于偶极子转动受到周围分子的阻碍作用，极化形成 时间较长，而且分布也很广，约从μs到min以上，其 时间长短强烈依赖于分子间的相互作用。这种现象称 为介质松弛。故转向极化又称为松弛极化。
19
• 由偶极子转向极化得到的转向偶极矩μ2
2
绝大多数高聚物是绝缘体(也称电介质)。
• 高聚物的电性能包括介电性质、导电性质、 静电现象等。
3
• 绝大多数高聚物材料具有卓越的电绝缘性能，如 低的电导率、低的介电损耗和高的击穿强度。使 高聚物在电子电气工业中成为不可缺少的绝缘材 料和介电材料，得到广泛的应用。
4
高 聚 物 的 室 温 电 导 率
• 微波元件中的吸收材料，要求损耗因数大，以便吸 收大量电磁能，转变为热能 。
7
• 介电常数 • 介电损耗 • 高聚物的介电击穿 • 高聚物的电老化 • 高聚物的介电松弛谱 • 介电分析测试技术及仪器 • 动态介电分析在高聚物中的应用
8
第一节 介 电 常 数
第四章 高聚物的电学性能
1
• 4个物理过程：在外电场作用下，高分子电容器材料储 存能量产生极化、消耗电场能量（损耗）、产生微小 电流（电导）、在高场作用下发生破坏（击穿）
• 4个参数：介电常数、介电损耗角正切、电导率（电阻 率）、电场强度
• 电性能主要是研究这四个参数与四个物理过程之间的 相互关系。
• 在电场作用下，电负性较大的的原子偏向正 极，电负性较小的的原子偏向负极，化学键 键角发生改变，分子骨架发生变形的极化即 原子位移极化。 因为原子质量较大，运动速度比电子慢， 原子位移极化时间稍长，约为10-13s。
15
• 例如CO2分子，本来是O=C=O直线型结构，在 外电场中，电负性较大的氧原子略微偏向正极， 电负性较小的碳原子略微偏向负极，发生各原子 之间的相对位移，结果键角OCO小于180°，使分 子的正负电荷中心位置发生变化。
24
高聚物的极化形式
极化 形式
电子 极化
原子 极化
偶极 极化
界面 极化
极化机理
电子云的变形
各原子之间的相对位移
极性分子（或偶极子）沿 电场方向转动，从优取向 载流子在界面处聚集产生 的极化
特点
适用对象
极快，10－13～10－15s；无能 量损耗；不依赖温度和频率
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• 如果单位体积内有N个分子，每个分子产生的 平均偶极矩为μ，则单位体积内的偶极矩P为
P N NE
P称为电介质的极化度或极化强度，它表明 在外电场中电介质极化度与分子极化率之间 的关系。
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4. 界面极化(interfacial polarization)
• 非均相介质界面两边的组分具有不同的极 性，在电场作用下将引起电荷在两界面处 聚集，从而产生极化。
• 介电常数的物理含义 • 介质极化 • 介电常数与分子极化率的关系 • 高聚物的介电常数 • 影响高聚物介电常数的因素
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一、介电常数的物理含义
平行板电容器
C0
Q0 U
0
S d
C
Q U
0
S d
ε0称为真空电容率，ε0=8.85×10-12F/m。
ε即为介电常数，表征电介质贮存电能能力的大小
电介质的极化程度越大，则极板上的电荷越多， 介电常数也就越大，因此，介电常数反映了电介质 的极化程度。
构成原子的电子云在外电场作用下产生了相对于 原子核的位移，使正负电荷中心不再重合，于是就 形成了感应偶极矩，这种极化称为电子位移极化。 电子云的移动很小，运动速度很快，电子极化时间 极短，约为10-15s，因此介质材料在1015Hz频率以下 的外电场作用下，均会产生电子位移极化。
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2. 原子位移极化(atomic polarization)
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二、介质极化
• 在电场作用下，感应偶极子和/或固有偶极子沿电 场方向择优排列的结果，在介质与电极的交界面形 成了束缚电荷，这些电荷的极性与电极极性相反， 这种现象称为介质极化（polarization）。
• 偶极矩μ qd
• 偶极矩是一个矢量，其方向由负电荷指向正电荷， 单位是德拜(Debye)， 1德拜＝1 10－29 库。仑 米
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导电聚合物的应用
导电高聚物的应用
电子导电高聚物
导电材料 电极材料 电显示材料 化学反应催化剂 有机分子开关
离子导电高聚物 代替电解质材料 全固态电池
各种电极材料 氧化还原导电高聚物
特种电极修饰材料
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• 用于储能元件(如电容器)时，要求介电常数要大， 这使得单位体积中储存的能量大；
• 用于一般绝缘体时，要求介电常数小，以减小流过 的电容电流。
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介 质 极 化 示 意 图
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• 各种介质材料由于其组成结构不同，在相 同环境和外电场条件下，它们的极化形式 与极化程度也各不相同。根据形成极化的 机理不同，可分为电子位移极化、原子位 移极化、偶极子转向极化、界面极化等。
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1. 电子位移极化(electronic polarization)
• 这种极化所需要的时间较长，从几分之一 秒到几分钟。
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• 一般非均质聚合物材料如共混聚合物、填充聚合 物和泡沫聚合物都能产生界面极化。
• 均质聚合物也会因含有杂质或缺陷以及聚合物中 非晶区与晶区共存等而产生界面，在这些界面上 同样能产生极化。
• 界面极化主要影响低频率(10－5～102Hz)下的介电 性能。
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02
3KT
E
0E
T-绝对温度， μ0-极性分子的永久偶极，
E-外电场强度，K-波尔兹曼常数，
α0-转向极化率。
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• 非极性电介质分子在外电场中只有诱导偶极矩，
其分子极化率 d ；
• 而极性电介质分子在外电场中产生的偶极矩应为
诱导偶极矩与转向偶极矩之和，其16
电子极化 原子极化
位移极化 变形极化 诱导极化 瞬时极化
• 由电子和原子极化产生的偶极矩称为 诱导偶极矩μ1。
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• μ1与电场强度E成正比
1 d E (1 2 )E
αd——位移极化率； α1、α2——分别为电子极化率和原子极化 率，α1和α2与温度无关。
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3. 偶极子转向极化(orientation polarization)
• 具有固有(永久)偶极子在电场作用下沿电场方 向择优取向而呈现的极化。又称取向极化。
• 由于偶极子转动受到周围分子的阻碍作用，极化形成 时间较长，而且分布也很广，约从μs到min以上，其 时间长短强烈依赖于分子间的相互作用。这种现象称 为介质松弛。故转向极化又称为松弛极化。
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• 由偶极子转向极化得到的转向偶极矩μ2
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绝大多数高聚物是绝缘体(也称电介质)。
• 高聚物的电性能包括介电性质、导电性质、 静电现象等。
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• 绝大多数高聚物材料具有卓越的电绝缘性能，如 低的电导率、低的介电损耗和高的击穿强度。使 高聚物在电子电气工业中成为不可缺少的绝缘材 料和介电材料，得到广泛的应用。
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高 聚 物 的 室 温 电 导 率