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材料电学性能

发布时间：2018-07-01 03:06:38 来源：文档文库

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高分子材料的电学性能

高分子092班学号：5701109061 姓名：林尤琳

摘要：种类繁多的高分子材料的电学性能是丰富多彩的。多数聚合物材料具有卓越的电绝缘性能，其电阻率高、介电损耗小，电击穿强度高，加之又具有良好的力学性能、耐化学腐蚀性及易成型加工性能，使它比其他绝缘材料具有更大实用价值，已成为电气工业不可或缺的材料。

关键词：高分子材料电学性能静电导电介电常数

高分子材料的电学性能是指在外加电场作用下材料所表现出来的介电性能、导电性能、电击穿性质以及与其他材料接触、摩擦时所引起的表面静电性质等。电学性能是材料最基本的属性之一，这是因为构成材料的原子和分子都是由电子的相互作用形成的，电子相互作用是材料各种性能的根源。电子的微观相互作用同时是产生材料宏观性能，包括电学性能的微观基础。在电场作用下产生的电流、极化现象、静电现象、光发射和光吸收现象都与其材料内部的电子运动相关。深入、系统了解材料的电学性能在材料的制备、应用等方面都具有非常重要的意义。（1）

一、聚合物的介电性

介电性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。(2)

根据高聚物中各种基团的有效偶极距μ，可以把高聚物按极性的大小分成四类：

非极性（μ＝0）：聚乙烯、聚丙烯、聚丁二烯、聚四氟乙烯等

弱极性（μ≤0.5）：聚苯乙烯、天然橡胶等

极性（μ＞0.5）：聚氯乙烯、尼龙、有机玻璃等

强极性（μ＞0.7）：聚乙烯醇、聚酯、聚丙烯腈、酚醛树脂、氨基塑料等

聚合物在电场下会发生以下几种极化：（1）电子极化，（2）原子极化，（3）偶极极化。聚合物的极化程度用介电常数ε表示

式中：V为直流电压；Qo、Q分别为真空电容器和介质电容器的两极板上产生的电荷；Q’为由于介质极化而在极板上感应的电荷。

非极性分子只有电子和原子极化，ε较小；极性分子除有上述两种极化外，还有偶极极化，ε较大。此外还有以下因素影响ε：

（1）极性基团在分子链上的位置。在主链上的极性基团活动性小，影响小；在柔性侧基上的极性基团活动性大，影响大。

（2）分子结构的对称性。分子结构对称的，极性会相互抵消或部分抵消。

（3）分子间作用力。增加分子间作用力（交联、取向、结晶）会使ε较大；减少分子间作用力（如支化）会使ε较小。

（4）物理状态。高弹态比玻璃态的极性基团更易取向，所以ε较大。

聚合物在交变电场中取向极化时，伴随着能量损耗，使介质本身发热，这种现象称为聚合物的介电损耗。通常用介电损耗角正切tanδ来表示介电损耗。一般高聚物的介电损耗时非常小的，tanδ＝10－3～10－4。

介电损耗主要是取向极化引起的，通常ε越大的因素也越会导致较大的介电损耗。非极性聚合物理论上讲没有取向极化，应当没有介电损耗，但实际上总是有杂质（水、增塑剂等）存在，其中极性杂质会引起漏导电流，而使部分电能转变为热能，称电导损耗。

二、聚合物的导电性能

材料的导电性能主要取决于两个参数：单位体积试样中载流子浓度和载流子迁移率。

高聚物存在两种导电机理：电子电导（电子、空穴）和离子电导（正、负离子）。一般高聚物主要是离子电导。有强极性原子或基团的高聚物在电场下产生本征解离，可产生导电离子。而非极性高聚物本应不导电，它的理论计算的比体积电阻1025Ω•cm，但实际上要小好几个数量级，原因是杂质带来的。这些杂质是少量没有反应的单体，残留的催化剂、助剂以及水份，都能在电场下离解而成为导电的主要载流子。

对聚合物加一直流电源时，发现通过的电流为表面电流和体积电流之和。I=Is＋Iv相应地电阻也可以分为体积电阻Rv和表面电阻Rs。

材料导电性通常用电阻率ρ或电导率σ表示其中：

（一）

式中R为试样的电阻，S为试样截面积，d为试样长度（或厚度，为电流流动方向的长度）。

设单位体积试样中载流子数目为n0，载流子电荷量为q0，载流子迁移率（单位电场强度下载流子的迁移速度）为ν，则材料电导率σ等于：

（二）

在实际应用中，人们将试样的电阻区分为体积电阻和表面电阻。将聚合物电介质置于两平行电极板之间，施加电压V，测得流过电介质内部的电流称体积电流，则体积电阻等于：

（三）

若在试样的同一表面上放置两个电极，施加电压V，测得流过电介质表面的电流称表面电流，则表面电阻定义为：

（四）

根据电极形状不同，表面电流的流动方式不同，表面电阻率的定义也有差别（图4-79）。对于平行电极，，L、b分别是平行电极的长度和间距。对于环型电极，设外环电极内径和内环电极外径分别为D2、D1，。注意表面电阻率与表面电阻同量纲。体积电阻率的定义见（一）式。

体积电阻率是材料重要的电学性质之一，通常按照的大小，将材料分为导体、半导体和绝缘体三类： = =0～103Ω•cm，导体；103～10 8Ω•cm，半导体；108～1018（或>1018Ω•cm，绝缘体。表面电阻率与聚合物材料抗静电性能有关。

三、聚合物的静电特性

（一）静电的产生

任何两个固体，不论其化学组成是否相同，只要他们的物理状态不同（如表面的不均匀性等等），其内部结构中电荷载体能力的分布也就不同。当这样两个固体接触时，在固－固表面上就会发生电荷的再分配，在它们重新分离之后，每一固体将有比接触或摩擦前更多的正（或负）的电荷。这种现象叫静电现象。（3）

静电问题是高分子材料加工和使用中一个相当重要的问题。一般来说，静电是有害因素。常导致事故的发生。

（二）静电的防护

在聚合物的加工与使用过程中，对静电的危害一定要防治。

为消除静电，目前，使用较为广泛的是抗静电剂，即将抗静电剂加到聚合物材料中，或涂布在聚合物材料的表面上，以提高材料表面的导电性，使带电的聚合物材料迅速放电，以防止静电的积聚。

抗静电剂是一些表面活性剂，如阴离子型（肥皂、烷基磺酸钠、芳基磺酸酯等）；阳离子型（季胺盐、胺盐等），以及非离子型（聚乙二醇等）。在塑料中，抗静电剂常作为添加剂添加到塑料中，依靠抗静电剂扩散到塑料表面而起作用。

在纤维纺丝工序中则采取“上油”的措施，给纤维表面涂上一层具有吸湿性的油剂，它吸收空气中的水分而增加导电性。 (4)

高分子的电学性能日渐受到重视，导电高分子的研究和应用近年来取得突飞猛进的发展。以MacDiarmid、Heeger、白川英树等人为代表高分子科学家发现，分子链具有共轭π-电子结构的聚合可通过不同的方式掺杂，可以具有半导体（电导率σ=10-10-102 S•cm-1）甚至导体（σ=102-106 S•cm-1）的电导率。通过结构修饰（衍生物、接枝、共聚）、掺杂诱导、乳液聚合、化学复合等方法人们又克服了导电高分子不溶不熔的缺点，获得可溶性或水分散性导电高分子，大大改善了加工性，使导电高分子进入实用领域。比如导电高分子材料能够弥补传统金属屏蔽材料的不足，在电磁屏蔽领域有着广阔的应用前景。对于本征型导电高分子电磁屏蔽材料，首先要解决的问题是提高电导率和环境稳定性。而掺杂是提高电导率的有效途径。然而去掺杂是导电高分子材料电学和热稳定性差的根本原因可通过阻止脱掺杂过程的发生来改善导电高分子材料稳定性。其次，要解决导电高分子材料加工性和满足绿色化学的要求，从而能够大规模应用。第三，尺寸效应和量子效应使纳米材料具有特异的物理和化学性能从而拓宽了导电高分子材料的技术应用范围，导电高分子电磁屏蔽材料也面临着纳米化的严峻挑战。（5）