第九章 高分子材料的电学性能PPT推荐.ppt
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,非极性分子本身无偶极矩,在外电场作用下,原子内部价电子云相对于原子核发生位移,使正负电荷中心分离,分子带上偶极矩;
或者在外电场作用下,电负性不同的原子之间发生相对位移,使分子带上偶极矩。
这种极化称感应极化,又称诱导极化或变形极化。
感应极化,其中由价电子云位移引起的极化称电子极化;
由原子间发生相对位移引起的极化称原子极化。
原子极化比电子极化弱得多,极化过程所需的时间略长。
感应极化产生的偶极矩为感应偶极矩,对各向同性介质,与外电场强度成正比:
(9-1)式中:
称感应极化率;
为电子极化率;
原子极化率。
感应偶极矩,和的值不随温度而变化,仅取决于分子中电子云和原子的分布情况。
电子极化和原子极化在所有电介质中(包括极性介质和非极性介质)都存在。
极性分子本身具有永久偶极矩,通常状态下由于分子的热运动,各偶极矩的指向杂乱无章,因此宏观平均偶极矩几乎为零。
当有外电场时,极性分子除发生电子极化和原子极化外,其偶极子还会沿电场方向发生转动、排列,产生分子取向,表现出宏观偶极矩。
这种现象称取向极化或偶极极化(图9-1)。
取向极化或偶极极化,图9-1极性分子的取向极化,取向极化产生偶极矩的大小取决于偶极子的取向程度,研究表明,取向偶极矩与极性分子永久偶极矩的平方成正比,与外电场强度成正比,与绝对温度成反比。
即:
式中称取向极化率,k为波尔兹曼常数。
由于极性分子永久偶极矩远大于感应偶极矩,故取向偶极矩大于感应偶极矩。
(9-2),取向偶极矩,极性分子沿电场方向转动、排列时,需要克服本身的惯性和旋转阻力,所以完成取向极化过程所需时间比电子极化和原子极化长。
尤其对大分子,其取向极化可以是不同运动单元的取向,包括小侧基、链段或分子整链,因此完成取向极化所需时间范围也很宽。
取向极化时因需克服分子间相互作用力,因此也消耗部分能量。
以上讨论单个分子产生的偶极矩,对各向同性介质,若单位体积含个分子,每个分子产生的平均偶极矩为,则单位体积内的偶极矩P为,(9-3),P称介质极化率,为分子极化率。
对非极性介质,;
对极性介质,。
除上述三种极化外,还有一种产生于非均相介质界面处的界面极化。
由于界面两边的组分可能具有不同的极性或电导率,在电场作用下将引起电荷在两相界面处聚集,从而产生极化。
共混、填充聚合物体系以及泡沫聚合物体系有时会发生界面极化。
对均质聚合物,在其内部的杂质、缺陷或晶区、非晶区界面上,都有可能产生界面极化。
界面极化,聚合物在外电场作用下贮存和损耗电能的性质称介电性,这是由于聚合物分子在电场作用下发生极化引起的,通常用介电系数和介电损耗表示。
(二)聚合物的介电性能,(9-4),1、介电系数已知真空平板电容器的电容与施加在电容器上的直流电压V及极板上产生的电荷有如下关系:
当电容器极板间充满均质电介质时,由于电介质分子的极化,极板上将产生感应电荷,使极板电荷量增加到(图9-2)。
(9-5),图9-2介质电容器感应电荷示意图,电容器电容相应增加到C。
两个电容器的电容之比,称该均质电介质的介电系数,即,(9-6),介电系数,介电系数反映了电介质储存电荷和电能的能力.从上式可以看出,介电系数越大,极板上产生的感应电荷Q和储存的电能越多。
(9-7),根据上式,我们可以通过测量电介质介电系数求得分子极化率。
另外实验得知,对非极性介质,介电系数与介质的光折射率n的平方相等,此式联系着介质的电学性能和光学性能。
式中:
、M、分别为电介质的摩尔极化率、分子量和密度,为阿佛加德罗常数。
对非极性介质,此式称Clausius-Mosotti方程;
对极性介质,此式称Debye方程。
介电系数在宏观上反映了电介质的极化程度,它与分子极化率存在着如下的关系:
电介质在交变电场中极化时,会因极化方向的变化而损耗部分能量和发热,称介电损耗。
2、介电损耗,是指电介质所含的微量导电载流子在电场作用下流动时,因克服电阻所消耗的电能。
这部分损耗在交变电场和恒定电场中都会发生。
由于通常聚合物导电性很差,故电导损耗一般很小。
产生的原因:
(1)电导损耗,取向极化是一个松弛过程,交变电场使偶极子转向时,转动速度滞后于电场变化速率,使一部分电能损耗于克服介质的内粘滞阻力上,这部分损耗有时是很大的。
对非极性聚合物而言,电导损耗可能是主要的。
对极性聚合物的介电损耗而言,其主要部分为极化损耗。
(2)极化损耗,这是由于分子偶极子的取向极化造成的。
已知分子极化速率很快。
电子极化所需时间约秒,原子极化需略大于秒。
但取向极化所需时间较长,对小分子约大于秒,对大分子更长一些。
极性电介质在交变电场中极化时,如果电场的交变频率很低,偶极子转向能跟得上电场的变化,如图9-3(a),介电损耗就很小。
当交变电场频率提高,偶极子转向与电场的变化有时间差(图9-3(b),落后于电场的变化。
图9-3偶极子取向随电场变化图(a)电场交变频率低,偶极子转向与电场同步变化(b)电场交变频率提高,偶极子转向滞后于电场变化,由此可见,只有当电场变化速度与微观运动单元的本征极化速度相当时,介电损耗才较大。
这是由于介质的内粘滞作用,偶极子转向将克服摩擦阻力而损耗能量,使电介质发热。
若交变电场频率进一步提高,致使偶极子取向完全跟不上电场变化,取向极化将不发生,这时介质损耗也很小。
实验表明,原子极化损耗多出现于红外光频区,电子极化损耗多出现于紫外光频区,在一般电频区,介质损耗主要是由取向极化引起的。
为了表征介电损耗,研究在交变电场中介质电容器的能量损耗情况。
首先考虑真空电容器,电容量为,若在其极板上加一个频率为、幅值为的交变电压,则通过真空电容器的电流为:
(9-8),式中,为虚数单位。
由上式看出,电流的位相比电压超前,即电流复矢量与电压复矢量垂直,其损耗的电功功率为。
(9-9),对于电介质电容器,在交流电场中,因电介质取向极化跟不上外场的变化,将发生介电损耗。
由于介质的存在,通过电容器的电流与外加电压的相位差不再是90,而等于=90-(图9-4)。
仍设,通过电容器的电流为:
式中称复介电系数,定义为。
为复介电系数的实数部分,即试验测得的介电系数;
为复介电系数的虚数部分,称为损耗因子。
图(9-4)交变电场中电容器的电流、电压矢量图,实数部分与交变电压同相位,相当于流过“纯电阻”的电流,这部分电流损耗能量。
由上式可见,通过介质电容器的电流分为两部分:
虚数部分与交变电压的相位差为90,相当于流过“纯电容”的电流,这部分电流不作功;
我们用“电阻”电流与“电容”电流之比表征介质的介电损耗:
正比于,故也常用表示材料介电损耗的大小。
的物理意义是在每个交变电压周期中,介质损耗的能量与储存能量之比。
越小,表示能量损耗越小。
理想电容器(即真空电容器)=0,无能量损失。
式中称介电损耗角,称介电损耗正切。
(9-10),介电损耗,选用高分子材料作电气工程材料时,介电损耗必须考虑。
若选用聚合物作电工绝缘材料、电缆包皮、护套或电容器介质材料,希望介电损耗越小越好。
否则,不仅消耗较多电能,还会引起材料本身发热,加速材料老化破坏,引发事故。
在另一些场合,需要利用介电损耗进行聚合物高频干燥、塑料薄膜高频焊接或大型聚合物制件高频热处理时,则要求材料有较大的或值。
如何应用介电损耗?
要改!
3、影响聚合物介电性能的因素,
(1)分子结构的影响,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。
分子偶极矩等于组成分子的各个化学键偶极矩(亦称键矩)的矢量和。
对大分子而言,由于构象复杂,难以按构象求整个大分子平均偶极矩,所以用单体单元偶极矩来衡量高分子极性。
按单体单元偶极矩的大小,聚合物分极性和非极性两类。
一般认为偶极矩在00.5D(德拜)范围内属非极性的,偶极矩在0.5D以上属极性的。
聚氯乙烯中CCl(2.05D)和CH键矩不同,不能相互抵消,故分子是极性的。
非极性聚合物具有低介电系数(约为2)和低介电损耗(小于);
聚乙烯分子中CH键的偶极矩为0.4D,但由于分子对称,键矩矢量和为零,故聚乙烯为非极性的。
聚四氟乙烯中虽然CF键偶极矩较大(1.83D),但CF对称分布,键矩矢量和也为零,整个分子也是非极性的。
极性聚合物具有较高的介电常数和介电损耗。
表9-1常见聚合物的介电系数(60HZ)和介电损耗角正切,分子链活动能力对偶极子取向有重要影响。
例如在玻璃态下,链段运动被冻结,结构单元上极性基团的取向受链段牵制,取向能力低;
而在高弹态时,链段活动能力大,极性基团取向时受链段牵制较小,因此同一聚合物高弹态下的介电系数和介电损耗要比玻璃态下大。
如聚氯乙烯的介电系数在玻璃态时为3.5,到高弹态增加到约15,聚酰胺的介电系数玻璃态为4.0,到高弹态增加到近50。
大分子交联也会妨碍极性基团取向,使介电系数降低。
典型例子是酚醛树脂,虽然这种聚合物极性很强,但交联使其介电系数和介电损耗并不很高。
相反,支化结构会使大分子间相互作用力减弱,分子链活动性增强,使介电系数增大。
(2)温度和交变电场频率的影响,温度的影响,温度升高一方面使材料粘度下降,有利于极性基团取向,另一方面又使分子布朗运动加剧,反而不利于取向。
由图9-5可见,当温度低时,介质粘度高,偶极子取向程度低且取向速度极慢,因此和都很小。
图9-5聚氯乙烯的和的温度依赖性(曲线上的数字为增塑剂含量),随着温度升高,介质粘度降低,偶极子取向能力增大(因而增大),但由于取向速度跟不上电场的变化,取向时消耗能量较多,所以也增大。
温度进一步升高,偶极子取向能完全跟得上电场变化,增至最大,但同时取向消耗的能量减少,又变小。
温度很高时,偶极子布朗运动加剧,又会使取向程度下降,能量损耗增大。
上述影响主要是对极性聚合物的取向极化而言;
对非极性聚合物,由于温度对电子极化及原子极化的影响不大,因此介电系数随温度的变化可以忽略不计。
聚合物体系中加入增塑剂可以降低材料粘度,利于偶极子取向,与升高温度有相同的效果。
图9-5中,加入增塑剂使介电损耗的峰值向低温区域移动,介电系数也在较低温度下开始上升。
聚合物体系中若加入极性增塑剂,还会因为引入新的偶极损耗而使材料介电损耗增加。
电场频率的影响,与材料的动态力学性能相似,高分子材料的介电性能也随交变电场频率而变。
当电
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- 第九章 高分子材料的电学性能 第九 高分子材料 电学 性能