高聚物的电学性能.ppt

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1、高聚物的电学性能,工程应用,电容器,介电损耗尽可能小，介电常数尽可能大，介电强度很高,仪表绝缘,电阻率和介电强度高而介电损耗很低绝缘材料,无线电遥控,优良的高频、超高频绝缘材料,纺织化工,具有一定的导电性,1014 1012 1010 108 106 104 102 0 102 104 106 108 1010 1012 1014 1014 1014,金属,绝缘体,半导体,取向杂化聚乙炔,聚四氟乙烯,尼龙,顺式聚乙炔,反式聚乙炔,掺杂聚苯胺,掺杂聚吡咯,高聚物的室温电导率,/(S/m),一、基本概念二、聚合物的导电性及高聚物的静电现象,一、基本概念,介电性质：交变电场中导电性质：弱电场中击穿现

2、象：强电场聚合物表面：静电现象,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。,高聚物的电学性质,介电常数介电损耗介电击穿,电介质的极化现象,高分子电介质的极化现象,偶极极化,电子极化,原子极化,取向极化,原子的价电子云,分子骨架,位移极化/变形极化,诱导偶极矩,极性分子沿电场方向排布取向,e电子 a原子 取向极化率 El 作用在分子上的局部电场强度 偶极矩,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,高分子电介质的极化现象,偶极极化,电子极化,原子极化,取向极化,原子的价电子云,分子骨架,位移极化/变形极化,诱导偶极矩,极性分子沿电场方向排布取向,

3、e电子 a原子 取向极化率 El 作用在分子上的局部电场强度 偶极矩,高聚物介电常数与高分子结构的关系,分子极性大小,主要决定因素,高聚物介电常数与高分子结构的关系,分子极性大小,主要决定因素,极性基团在分子链上的位置,分子结构的对称性,交联、拉伸、支化,介电常数介电损耗介电击穿,介电损耗：电介质在交变电场中，由于消耗一部分电能，使介质本生发热的现象。,1 电介质中含有能导电的载流子，其在外加电场的作用下，产生电导电流，消耗掉一部分能量，转化为热能电导损耗。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,产生原因：,松弛损耗：取向过程为一松弛过程，电场使偶极子转向时，一部分电能损耗与克

4、服介质的内粘滞阻力上，转化为热量。共振吸收：变形极化为一种弹性过程或谐振过程，党电场的频率与原子或电子的固有振动频率相同时发生。,介电损耗的表征：,表征材料介电损耗大小的物理量。物理意义：每周期内介质损耗的能量与介质贮存的能量的比值。,Tg 介电损耗角正切,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,分子极性大小极性基团密度极性基团的可动性,影响介电损耗的因素,介电常数大而介电损耗不大,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,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,各种频率下介电常数和介电损耗与温度的关系,T变化,变化,极化过程需要

5、时间变化,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,Tg,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,极性增塑剂,非极性增塑剂,影响介电损耗的因素,非极性增塑剂,影响介电损耗的因素,极性增塑剂,影响介电损耗的因素,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,Tg,导电杂质、极性杂质,水,高聚物的介电松弛谱,介电损耗温度谱示意图,非晶态聚合物,链段,1 极性侧基绕CC的旋转2 环单元的构象振荡3 主链局部链段的运动,部分结晶聚合物,链段,1 极性侧基绕CC的旋转2 环单元的构象振荡3 主链局部链段的运动,结晶区 非晶区,晶区：,1 晶区中高

6、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,固体高聚物的介电松弛过程,介电常数介电损耗介电击穿,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。,形成机理：,本征击穿热击穿放电击穿,二、聚合物的导电性及高聚物的静电现象,1 高聚物的导电特点2 表面电阻率和体积电阻率3 高聚物的导电性与分子结构的关系4 影响高聚物导电性的因素5 高聚物的静电现象6 静电的危害与防止,1 高聚物的导电特点,绝缘体 半导体 导体,导电机理,电子空穴,正离子负离子,强极性原子或基团的聚合物催化剂、添加剂、水份等,共轭聚合物电荷转移络合物自由基离子化合物有机金属聚合物

7、,1 高聚物的导电特点,电子导电,P,离子导电,自由体积,离子的迁移,电子的“跃迁”,二、聚合物的导电性及高聚物的静电现象,1 高聚物的导电特点2 表面电阻率和体积电阻率3 高聚物的导电性与分子结构的关系4 影响高聚物导电性的因素5 高聚物的静电现象6 静电的危害与防止,2 表面电阻率和体积电阻率,表面电阻率是沿试样表面电流方向的直流场强与该处单位长度的表面电流之比。,单位：欧姆,体积电阻率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：欧米,二、聚合物的导电性及高聚物的静电现象,1 高聚物的导电特点2 表面电阻率和体积电阻率3 高聚物的导电性与分子结构的关系4 影响高聚物导电性的因素

8、5 高聚物的静电现象6 静电的危害与防止,3 高聚物的导电性与分子结构的关系,饱和非极性高聚物极性高聚物共轭高聚物电荷转移络合物自由基离子化合物有机金属聚合物,本身电绝缘性优异、外带杂质本征电离电子离域电子转移电子迁移电子电导,聚苯乙烯、聚乙烯,聚砜、聚酰胺、聚丙烯腈、聚氯乙烯,碳纤维,二、聚合物的导电性及高聚物的静电现象,1 高聚物的导电特点2 表面电阻率和体积电阻率3 高聚物的导电性与分子结构的关系4 影响高聚物导电性的因素5 高聚物的静电现象6 静电的危害与防止,4 影响高聚物导电性的因素,1 分子结构2 分子量3 结晶与取向4 交联5 杂质6 环境湿度7 材料表观结构,二、聚合物的导电

9、性及高聚物的静电现象,1 高聚物的导电特点2 表面电阻率和体积电阻率3 高聚物的导电性与分子结构的关系4 影响高聚物导电性的因素5 高聚物的静电现象6 静电的危害与防止,4）静电产生的原因：,5 高聚物的静电现象,摩擦产生热量，加速电子运动，静电现象更为严重。,介电系数高的带正电,介电系数低的带负电,玻璃纤维羊毛锦纶粘胶棉蚕丝PVA涤纶PANPEPTFE,二、聚合物的导电性及高聚物的静电现象,1 高聚物的导电特点2 表面电阻率和体积电阻率3 高聚物的导电性与分子结构的关系4 影响高聚物导电性的因素5 高聚物的静电现象6 静电的危害与防止,抗静电机理：,1）离子导电2）电子导电,防止静电的产生加速积聚电荷的泄漏,1）纤维上油2）提高纤维的亲水性3）提高纤维或织物的导电性4）不同纤维的混纺,化学改性复合纺丝技术表面涂覆共混纺丝技术,