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1、第1页，此课件共50页哦10.1 聚合物电性能概述聚合物电性能概述是指聚合物在外加电压或电场作用下的行为及是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其所表现出来的各种物理现象介电性能：介电性能：交变电场交变电场导电性能：导电性能：弱电场弱电场击穿现象：击穿现象：强电场强电场静电现象：静电现象：on the polymer surface第2页，此课件共50页哦绝大多数聚合物是绝缘体，具有卓越的电绝缘性能，绝大多数聚合物是绝缘体，具有卓越的电绝缘性能，其其介电损耗和电导率低，击穿强度高介电损耗和电导率低，击穿强度高，为电器工为电器工业中不可缺少的介电材料和绝缘材料业中不可
2、缺少的介电材料和绝缘材料:电容器：电容器：介电损耗尽可能小，介电常数尽可能大，介电强介电损耗尽可能小，介电常数尽可能大，介电强度很高度很高仪表绝缘：仪表绝缘：电阻率和介电强度高而介电损耗很低绝电阻率和介电强度高而介电损耗很低绝缘材料缘材料无线电遥控技术：无线电遥控技术：优良的高频、超高频绝缘材料优良的高频、超高频绝缘材料第3页，此课件共50页哦导电高分子的研究和应用导电高分子的研究和应用：分子链具有共轭-电子结构的聚合物，如聚乙炔、聚苯胺等，通过不同的方式掺杂，可以具有半导体（电导率=10-10-102 Scm-1）甚至导体（=102-106 Scm-1）的电导率。电学性质的测量也成为研究聚合
3、物结构与分子运动的电学性质的测量也成为研究聚合物结构与分子运动的一种有效手段：一种有效手段：非常灵敏地反映材料内部结构的变非常灵敏地反映材料内部结构的变化和分子运动状况化和分子运动状况第4页，此课件共50页哦一、电介质的极化现象一、电介质的极化现象二、极化机理二、极化机理三、介电性能三、介电性能四、影响介电性能的因素四、影响介电性能的因素10.2 聚合物聚合物介电性能介电性能第5页，此课件共50页哦介电性能：介电性能：指指高高聚聚物物在在电电场场作作用用下下，表表现现出出对对静静电电能能的的储储存存和和损损耗耗的的性性质质，通通常常用用介介电电常常数数和和介介电电损损耗耗来来表表示示。这这是是
4、由由于于聚聚合合物物分分子子在电场作用下发生在电场作用下发生极化极化引起的引起的 第6页，此课件共50页哦一、聚合物电介质在外电场中的极化聚合物电介质在外电场中的极化现象1 1、介电极化、介电极化 在在外电场外电场作用下，或多或少会引起价电子或原子核的作用下，或多或少会引起价电子或原子核的相对位移，造成了电荷的重新分布，称为极化。相对位移，造成了电荷的重新分布，称为极化。主要有以下几种极化主要有以下几种极化：（：（1）电子极化（）电子极化（2）原子极化（原子极化（3）偶极极化（）偶极极化（4）界面极化。）界面极化。前前两种产生的偶极矩称诱导偶极矩，后一种为永久两种产生的偶极矩称诱导偶极矩，后一
5、种为永久偶极矩的取向极化。偶极矩的取向极化。第7页，此课件共50页哦2 2、极化机理：、极化机理：电子极化：外电场作用下分子中各个电子极化：外电场作用下分子中各个电子极化：外电场作用下分子中各个电子极化：外电场作用下分子中各个原子或离子的价电子云相对原子或离子的价电子云相对原子或离子的价电子云相对原子或离子的价电子云相对原子核的位移，原子核的位移，原子核的位移，原子核的位移，使分子带上偶极矩使分子带上偶极矩使分子带上偶极矩使分子带上偶极矩。极化过程所需的时间极短，约为。极化过程所需的时间极短，约为。极化过程所需的时间极短，约为。极化过程所需的时间极短，约为1010-13-131010-15-1
6、5s s 原子极化：原子极化：分子骨架分子骨架在外电场作用下发生变形造成的，使分子带在外电场作用下发生变形造成的，使分子带上偶极矩上偶极矩。如。如CO2分子是直线形结构分子是直线形结构O=C=O，极化后变成个，极化后变成个 ，分子中正负电荷中心发生了相对位移。极化所需要的时间约为分子中正负电荷中心发生了相对位移。极化所需要的时间约为10-13s并伴有微量能量损耗。并伴有微量能量损耗。以上两种极化统称为以上两种极化统称为变形极化变形极化或或诱导极化诱导极化其极化率不随温度变化而变化，聚合物在其极化率不随温度变化而变化，聚合物在高频区高频区均能发生变形极均能发生变形极化或化或诱导极化诱导极化第8页
7、，此课件共50页哦偶极极化（偶极极化（取向极化）：取向极化）：是具有是具有永久偶极矩的极性分子永久偶极矩的极性分子沿外场方向排列的现象。极化所沿外场方向排列的现象。极化所需要的时间长，一般为需要的时间长，一般为10-9s，发生于低频区域。，发生于低频区域。极化偶极矩极化偶极矩 的大小，与外电场强度（的大小，与外电场强度（E）有关，比例系数）有关，比例系数 称为分称为分子极化率。子极化率。(a)无电场无电场 （b）有电场）有电场图图1 1 偶极子在电场中取向偶极子在电场中取向第9页，此课件共50页哦按照极化机理不同，有电子极化率按照极化机理不同，有电子极化率 ，原子极化率，原子极化率 和取向极化
8、率和取向极化率=（为永久偶极矩为永久偶极矩）对于对于极性分子极性分子:对于对于非极性分子非极性分子:根据高聚物中各种基团的有效偶极矩，可以把高聚物按极性大小分为四类：根据高聚物中各种基团的有效偶极矩，可以把高聚物按极性大小分为四类：非极性：非极性：PE、PP、PTFE弱极性：弱极性：PS、NR极性：极性：PVC、PA、PVAc、PMMA强极性：强极性：PVA、PET、PAN、酚醛树脂、氨基树脂、酚醛树脂、氨基树脂高聚物的有效偶极矩与所带基团的偶极矩不完全一致，结构对称性会导致偶极矩部高聚物的有效偶极矩与所带基团的偶极矩不完全一致，结构对称性会导致偶极矩部分或全部相互抵消。分或全部相互抵消。第1
9、0页，此课件共50页哦二、聚合物的介电性能二、聚合物的介电性能1 1、介电常数介电常数 介质电容器的电容介质电容器的电容C比真空比真空电容器电容器C0的电容增加的倍数。的电容增加的倍数。式中：式中：为极板上的原有电荷，为极板上的原有电荷，为感应电荷。为感应电荷。真空真空电介电介质质图图2 平行板电容器示意图平行板电容器示意图第11页，此课件共50页哦是衡量高聚物极化程度的宏观物理量。是衡量高聚物极化程度的宏观物理量。表征表征电介质储存电荷和电能的能力，从上式可以看出，电介质储存电荷和电能的能力，从上式可以看出，介电常数越大，极板上产生的感应电荷介电常数越大，极板上产生的感应电荷Q和储存和储存的
10、电能越多。的电能越多。第12页，此课件共50页哦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率存在着如下的关系率存在着如下的关系率存在着如下的关系：式中式中 、M、分别为电介质的摩尔极化率、分子量和密度，分别为电介质的摩尔极化率、分子量和密度，N0为阿为阿佛加德罗常数。对非极性介质，此式称佛加德罗常数。对非极性介质，此式称Clausius-Mosotti方程；对极方程；对极性介质，此式称性介质，此式称Debye方程
11、。方程。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，得知，对非极性介质，介电系数与介质的光折射率对非极性介质，介电系数与介质的光折射率n的平方相等，的平方相等，此式联系着介质的电学性能和光学性能。此式联系着介质的电学性能和光学性能。第13页，此课件共50页哦2、介电损耗介电损耗定义：聚合物在交变电场中取向极化时，伴随着能量消耗，使介质本身发热，这种定义：聚合物在交变电场中取向极化时，伴随着能量消耗，使介质本身发热，这种现象称为聚合物的介电损耗。现象称为聚合物的介电损耗。产生原因：产生原因：（1）电导损耗电
12、导损耗：指电介质所含的含有指电介质所含的含有导电载流子导电载流子在电场作用下流动时，因在电场作用下流动时，因克服克服电阻所消耗的电能。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，故常聚合物导电性很差，故电导损耗一般很小。电导损耗一般很小。（2）极化损耗 ：这是由于分子这是由于分子偶极子偶极子的取向极化造成的的取向极化造成的。取向极化是一个松弛过。取向极化是一个松弛过程程，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，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电能
13、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。克服介质的内粘滞阻力上，这部分损耗有时是很大的。问题：问题：非极性非极性polymer？极性？极性polymer？第14页，此课件共50页哦 介电损耗表征：介电损耗表征：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加电场的变对于电介质电容器，在交流电场中，因电介质取向极化跟不上外加电场的变化，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化，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是9090，而等于，而等于=90-=90-常用复数介电常数来表示介电常数和介电损耗两方面的性质常用
14、复数介电常数来表示介电常数和介电损耗两方面的性质：为实部，即通常实验测得的为实部，即通常实验测得的为虚部，称介电损耗因素为虚部，称介电损耗因素 介电损耗介电损耗一般高聚物的介电损耗一般高聚物的介电损耗：第15页，此课件共50页哦式中式中称介电损耗角，称介电损耗角，介电损耗正切。介电损耗正切。的物的物理意义是在每个交变电压周期中，介质损耗的能量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。与储存能量之比。越小，表示能量损耗越小。越小，表示能量损耗越小。理想电容器（即真空电容器）理想电容器（即真空电容器）=0 =0，无能量损失。，无能量损失。正比于正比于 ，故也常用，故也常用 表示材
15、料介电损耗的大表示材料介电损耗的大小。小。第16页，此课件共50页哦 应用应用（1 1）聚合物作电工绝缘材料、电缆包皮、护套或电聚合物作电工绝缘材料、电缆包皮、护套或电容器介质材料：容器介质材料：介电损耗越小越好。否则，不仅消耗介电损耗越小越好。否则，不仅消耗较多电能，较多电能，还会引起材料本身发热，加速材料老化破还会引起材料本身发热，加速材料老化破坏，引发事故。坏，引发事故。（2 2）需要利用介电损耗进行需要利用介电损耗进行聚合物高频干燥、塑料薄聚合物高频干燥、塑料薄膜高频焊接或大型聚合物制件高频热处理时膜高频焊接或大型聚合物制件高频热处理时，则要求材，则要求材，则要求材，则要求材料有较大的
16、值。料有较大的值。料有较大的值。料有较大的值。第17页，此课件共50页哦热合热合PVC等极性材料是适宜的。而等极性材料是适宜的。而PE薄膜等非极性材薄膜等非极性材料就很难用高频热合。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。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。解决这个问题。第18页，此课件共50页哦(3)(3)高聚物的高聚物的介电松弛谱介电松弛谱 高分子高分子分子运动的时间与温度依赖性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。可在
17、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。借助于介电参数的变化可研究聚合物的松弛行为。在固定频率下测试固体固体聚合物试样的介电常数和介电损耗随温度的变化、或者在一定温度下测试试样的介电性质随频率的变化，可得同分子运动有关的特征谱图，称之为聚合物的介电松弛谱，前者为温度谱，后者为频率谱它与力学松弛谱一样用于研究高聚物的转变，特别是它与力学松弛谱一样用于研究高聚物的转变，特别是多重转变。多重转变。测定聚合物介电松弛谱的方法主要有测定聚合物介电松弛谱的方法主要有热释电流法（热释电流法（TSC）。）。TSC属低频测属低频测量，频率在量，频率在10-310-5Hz范围，分辩率高于
18、动态力学和以往的介电范围，分辩率高于动态力学和以往的介电方法。方法。第19页，此课件共50页哦介电损耗温度谱示意图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，分别对应于出现一个以上的极大值，分别对应于不同不同尺寸运动单元的偶极子在电场中的介电尺寸运动单元的偶极子在电场中的介电损耗损耗(因偶极子的取向极化过程伴随着因偶极子的取向极化过程伴随着分子运动过程分子运动过程，运动模式各异，其松弛时运动模式各异，其松弛时间也不一致间也不一致,其受阻程度不同其受阻程度不同)按照这些损耗按照这些损耗峰在图谱上出现的先后，在温度谱上从高温峰在
19、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，依次用到低温，在频率谱上从低频到高频，依次用、命名。命名。第20页，此课件共50页哦 介介电电性性能能和和动动态态力力学学性性能能有有哪哪些些表表观观相相似似性性，从从分子尺度上加以说明。分子尺度上加以说明。答答：聚聚合合物物的的电电性性能能常常常常和和它它们们的的机机械械行行为为有有关关。电电阻阻系系数数类类似似黏黏度度，而而介介电电常常数数和和介介电电损损耗耗因因子子类类似似于于弹弹性性柔柔量量和和机机械械损损耗耗因因子子（内内耗耗）。介介电电损损耗耗因因子子和和机机械械损损耗耗因因子子谱谱图图中中的的主主峰峰在在相同的转变
20、温度下出现。相同的转变温度下出现。在分子长度上它们是有关的，因为同属松弛过在分子长度上它们是有关的，因为同属松弛过程，一个是由偶极子跟随着电场的变化而变化所程，一个是由偶极子跟随着电场的变化而变化所引起的，而另一个是大分子跟随着外加力场的变引起的，而另一个是大分子跟随着外加力场的变化所引起的。化所引起的。图图3 PMMA的的 和和 之间的比较之间的比较第21页，此课件共50页哦另外：另外：图图3是是PMMA的介电损耗同力的介电损耗同力学损耗角正切随温度的变化，可学损耗角正切随温度的变化，可以看到存在两种运动机理的电学以看到存在两种运动机理的电学与力学响应。与力学响应。其中其中 转变对应于玻转变
21、对应于玻璃化转变，对力学性能较敏感，璃化转变，对力学性能较敏感，转变对应于酯基运动，对介电性能更转变对应于酯基运动，对介电性能更敏感。敏感。第22页，此课件共50页哦三、影响聚合物介电性能的因素三、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：决定聚合物介电损耗大小的内在因素：分子极性大小和极性基团的密度分子极性大小和极性基团的密度 极性基团的可动性极性基团的可动性第23页，此课件共50页哦分分子子极极性性越越大大，一一般般来来说说 和和 都都增增大大。非非极极性性聚聚合
22、合物物具具有有低低介介电电系系数数（约约为为2 2）和和低低介介电电损损耗耗（小小于于1010-4-4）；极极性性聚聚合合物物具具有有较较高高的的介介电电常常数数和和介介电电损损耗耗。一一些些常常见见聚聚合合物物的的介介电电系数和介电损耗值见表系数和介电损耗值见表。1、结构、结构极性基团位置的影响：极性基团位置的影响：主链上的极性基团主链上的极性基团 影响小影响小侧基上的极性基团侧基上的极性基团 影响大影响大第24页，此课件共50页哦表表常见聚合物的介电系数（常见聚合物的介电系数（60HZ）和介电损耗角正切）和介电损耗角正切聚聚 合合 物物聚聚 合合 物物聚四氟乙聚四氟乙烯2.02聚碳酸聚碳酸
23、酯2.973.719四四氯乙乙烯六氟丙六氟丙烯共聚物共聚物2.13聚聚砜3.1468聚丙聚丙烯2.223聚聚氯乙乙烯3.23.670200聚三氟聚聚三氟聚乙乙烯2.2412聚甲基聚甲基丙丙烯酸酸甲甲酯3.33.9400600低密度聚低密度聚乙乙烯2.252.352聚甲聚甲醛3.740高密度聚高密度聚乙乙烯2.302.352尼尼龙6 63.8100400ABSABS树酯2.45.040300尼尼龙66664.0140600聚苯乙聚苯乙烯2.453.1013酚酚醛树酯5.06.56001000高抗冲聚高抗冲聚苯乙苯乙烯2.454.75硝化硝化纤维素素7.07.59001200聚苯聚苯醚2.5820
24、聚偏氟聚偏氟乙乙烯8.4第25页，此课件共50页哦 聚乙烯醇缩醛类的介电损耗与温度的关系如下图（图聚乙烯醇缩醛类的介电损耗与温度的关系如下图（图10-4），图中曲线加），图中曲线加“1，2，3，4”，试解释分子结构对介电性能的影响。，试解释分子结构对介电性能的影响。n=0 缩乙醛缩乙醛n=1 缩丙醛缩丙醛n=2 缩丁醛缩丁醛n=6 缩辛醛缩辛醛由由图图可可见见，缩缩醛醛的的侧侧链链越越短短，其其侧侧基基运运动动越越困困难难，极极性性基基团团取取向向越越困困难难，松松弛弛也也越越慢慢，介介电电损耗也越高，而且所出现的松弛峰值也在高温，故图上的损耗也越高，而且所出现的松弛峰值也在高温，故图上的ta
25、n峰值次序为：峰值次序为：T()lgtan图图10-4聚乙烯醇缩醛类的介电损耗与温度的关系聚乙烯醇缩醛类的介电损耗与温度的关系第26页，此课件共50页哦050T()lgtan3214132几种乙二醇的聚酯几种乙二醇的聚酯（1）丁二酸）丁二酸（2）己二酸）己二酸（3）癸二酸）癸二酸根据图根据图10-5说说明这几种高分子材料的介电损耗明这几种高分子材料的介电损耗与温度的关系与温度的关系图图10-5几种高分子材料的介电损耗几种高分子材料的介电损耗与温度的关系与温度的关系脂肪族聚酯随着主链上脂肪族聚酯随着主链上CH2数目的增加，数目的增加，分子极性减少，从而介电损耗较小。分子极性减少，从而介电损耗较小
26、。第27页，此课件共50页哦交联、取向或结晶交联、取向或结晶使分子间作用力增加限制了分子的运动，使分子间作用力增加限制了分子的运动，、减少；支化减少分子间作用力，减少；支化减少分子间作用力，增加，增加，增大增大 分子链活动能力对偶极子取向有重要影响，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，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，因此小，因此同一聚合物高弹态下的介电
27、系数和介电损耗要比玻璃态下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。大。如聚氯乙烯的介电常数在玻璃态时为如聚氯乙烯的介电常数在玻璃态时为3.5，到高弹态增加到，到高弹态增加到约约15，聚酰胺的介电常数玻璃态为，聚酰胺的介电常数玻璃态为4.0，到高弹态增加到近，到高弹态增加到近50。第28页，此课件共50页哦图图106为三种不同涤纶薄膜的介电损耗与温度的关系，从凝聚态结为三种不同涤纶薄膜的介电损耗与温度的关系，从凝聚态结构上的差别，解释这三种曲线的不同构上的差别，解释这三种曲线的不同 1000100200246810132PETTg=61103Hz时时T()102lgtan图图10-
28、6 三种涤纶薄膜的介电损耗与温度的关系三种涤纶薄膜的介电损耗与温度的关系1、非晶态、非晶态 2、结晶态、结晶态 3、取向态、取向态由图由图10-6可见，非晶态的可见，非晶态的峰最突峰最突出，这是非晶相线形高分子链段出，这是非晶相线形高分子链段运动能力大，损耗电能的典型峰运动能力大，损耗电能的典型峰（曲线（曲线1）；而晶态和取向态（曲）；而晶态和取向态（曲线线2和和3），由于链段受到晶格和），由于链段受到晶格和取向结构的束缚，所以取向结构的束缚，所以峰都不明峰都不明显。三条曲线上显。三条曲线上峰相差不多，说峰相差不多，说明在此区域内，侧基或某些链节明在此区域内，侧基或某些链节的松弛运动受凝聚态结
29、构的影响的松弛运动受凝聚态结构的影响较小。较小。第29页，此课件共50页哦PVCPVC的极性基团密度几乎是氯丁橡胶的的极性基团密度几乎是氯丁橡胶的1 1倍，问室倍，问室温下介电常数哪种温下介电常数哪种polymerpolymer的大？的大？升高温度至升高温度至TgTg以上后，以上后，PVCPVC的介电常数会增大还是的介电常数会增大还是减少？减少？思考题思考题第30页，此课件共50页哦2、外来物的影响外来物的影响增塑剂的加入使体系黏度降低，有利于取向增塑剂的加入使体系黏度降低，有利于取向极化，介电损耗峰移向低温。极性增塑剂或极化，介电损耗峰移向低温。极性增塑剂或导电性杂质的存在会使导电性杂质的存
30、在会使 和和 都增大。都增大。第31页，此课件共50页哦PVClgtan1.51.00.5-1000100T()(a)图图10-几种高分子材料的介电损耗几种高分子材料的介电损耗与温度的关系与温度的关系这这是是PVCPVC加加增增塑塑剂剂的的情情况况，当当增增塑塑剂剂浓浓度度中中等等时时会会出出现现双双峰峰，低温峰是增塑剂的低温峰是增塑剂的Tg。高温峰是。高温峰是PVCPVC的的Tg。第32页，此课件共50页哦频率和温度与力学松弛相似频率和温度与力学松弛相似:T升高，升高，增大增大3、频率、频率T1T2T2 T10T1T2maxmaxlg12TmaxTmaxTlg122 1图图102介电系数和介
31、电损耗与频率介电系数和介电损耗与频率(a)及温度及温度(b)的关系的关系（a）（b）第33页，此课件共50页哦 思 考 题非极性聚合物是否可以用介电松弛谱表征其分子结构特征第34页，此课件共50页哦一、高聚物的导电机理一、高聚物的导电机理二、导电性的表征二、导电性的表征三、影响导电性的因素三、影响导电性的因素四、四、导电性高分子导电性高分子10.3 聚合物聚合物导电性能导电性能第35页，此课件共50页哦高聚物主要存在两种导电机理：高聚物主要存在两种导电机理：一一般般高高聚聚物物主主要要是是离离子子电电导导。有有强强极极性性原原子子或或基基团团的的高高聚聚物物在在电电场场下下产产生生本本征征解解
32、离离，可可产产生生导导电电离离子子。非非极极性性高高聚聚物物本本应应不不导导电电，理理论论比比体体积积电电阻阻为为1025.cm，但但实实际际上上要要大大许许多多数数量量级级，原原因因是是杂杂质质（未未反反应应的的单单体体、残残留留催催化化剂剂、助助剂剂以以及及水水分分）离解带来的。离解带来的。聚合物导体、半导体主要是电子电导聚合物导体、半导体主要是电子电导。一、高聚物的导电机理高聚物的导电机理第36页，此课件共50页哦电电阻阻率率（未未特特别别注注明明时时指指体体积积电电阻阻率率）是是材材料料最最重重要要的的电电学学性性质质之之一一。按将材料分为导体、半导体和绝缘体三类。按将材料分为导体、半
33、导体和绝缘体三类。导体导体 0103.cm半导体半导体 103108.cm绝缘体绝缘体 1081018.cm以上以上有时也用电导率表示，电导率是电阻率的倒数。有时也用电导率表示，电导率是电阻率的倒数。二、导电性的表征导电性的表征第37页，此课件共50页哦极性聚合物的导电性远大于非极性聚合物。极性聚合物的导电性远大于非极性聚合物。共轭体系越完整，导电性越好。共轭体系越完整，导电性越好。结晶度增大使电子电导增加，但离子电导减少。结晶度增大使电子电导增加，但离子电导减少。“杂质杂质”含量越大，导电性越好。含量越大，导电性越好。温温度度升升高高，电电阻阻率率急急剧剧下下降降，导导电电性性增增加加，利利
34、用用这这点点可可以以测测定定 ，因为时，因为时 1/T曲线有突变。曲线有突变。（6 6）Mn增加使其电子电导增大增加使其电子电导增大比较比较PE PAN聚乙炔的导电性聚乙炔的导电性三、导电性的表征导电性的表征第38页，此课件共50页哦导电性高分子可分为以下三类。导电性高分子可分为以下三类。结结构构型型：聚聚合合物物自自身身具具有有长长的的共共轭轭大大键键结结构构，如如聚聚乙乙炔炔、聚聚苯苯乙乙炔炔、聚聚酞酞菁菁铜铜等等，通通过过“掺杂掺杂”可以提高导电率可以提高导电率6 67 7个数量级，一个典型例子是用个数量级，一个典型例子是用AsFAsF3 3掺杂聚乙炔。掺杂聚乙炔。电电荷荷转转移移复复合
35、合物物：由由电电子子给给体体分分子子和和电电子子受受体体分分子子组组成成的的复复合合物物，目目前前研研究究较较多多的的是是高高分分子子给给体体与与小小分分子子受受体体的的复复合合物物，如如聚聚2-2-乙乙烯烯吡吡啶啶或或聚聚乙乙烯烯基基咔咔唑唑作作为为高高分分子子电电子子给给体。体。碘作为电子受体，可做成高效率的固体电池。碘作为电子受体，可做成高效率的固体电池。添加型：添加型：在树脂中添加导电的金属（粉或纤维）或炭粒等组成。其导电机理是导在树脂中添加导电的金属（粉或纤维）或炭粒等组成。其导电机理是导电性粒子相互接触形成连续相而导电，因而金属粉的含量要超过电性粒子相互接触形成连续相而导电，因而金
36、属粉的含量要超过5050。四、导电性高分子导电性高分子第39页，此课件共50页哦聚对苯撑（聚对苯撑（PPP)聚吡咯衍生物（聚吡咯衍生物（PPy)聚噻吩聚噻吩(PTP)聚苯胺（聚苯胺（PAn)聚对苯撑乙炔衍生物（聚对苯撑乙炔衍生物（PPV)第40页，此课件共50页哦 掺杂掺杂导电态的应用：电池、电色显示器件和超电容（导电态的应用：电池、电色显示器件和超电容（supersuper-capacitor-capacitor）的电的电极材料、静电屏蔽材料、金属防腐蚀材料、电解电容器、微波吸收隐身材料、电致极材料、静电屏蔽材料、金属防腐蚀材料、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
37、电涂层、化学和生物传感器、导电纤维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 中性半导态的应用：电致发光材料、场效应管（）中性半导态的应用：电致发光材料、场效应管（）FETFET）半导体材料）半导体材料目前存在的问题目前存在的问题加工性不好加工性不好稳定性不好稳定性不好较难合成结构均一的较难合成结构均一的polymer发展方向发展方向合成可溶性导电合成可溶性导电polymer复合型导电复合型导电polymer超导超导分子导电分子导电光、电、磁多功能光、电、磁多功能五、导电性高分子最新的应用：导电性高分子最新的应用：第41页，此课件共50页哦一、定义一、定义二、静电的危害二、
38、静电的危害三、消除静电的措施：三、消除静电的措施：四、四、应用应用10.3 聚合物聚合物静电现象静电现象第42页，此课件共50页哦 任何两个固体，不论其化学组成是否相同，只要它们的任何两个固体，不论其化学组成是否相同，只要它们的物理状态不同，其内部结构中电荷载体能量的分布也就不同。物理状态不同，其内部结构中电荷载体能量的分布也就不同。这样两个固体接触时，在固这样两个固体接触时，在固-固表面就会发生电荷的再分配。固表面就会发生电荷的再分配。在它们重新分离之后，每一固体将带有比接触或摩擦前更多在它们重新分离之后，每一固体将带有比接触或摩擦前更多的正（或负）电荷。这种现象称为静电现象。的正（或负）电
39、荷。这种现象称为静电现象。高聚物在生产、加工和使用过程中会与其他材料、器件发生接高聚物在生产、加工和使用过程中会与其他材料、器件发生接触或摩擦，会有静电发生。由于高聚物的高绝缘性而使静电难以漏触或摩擦，会有静电发生。由于高聚物的高绝缘性而使静电难以漏导，吸水性低的聚丙烯腈纤维加工时的静电可达导，吸水性低的聚丙烯腈纤维加工时的静电可达1515千伏以上。千伏以上。一、静电现象：静电现象：第43页，此课件共50页哦二、静电的危害静电的危害 静电妨碍正常的加工工艺；静电妨碍正常的加工工艺；静电作用损坏产品质量；静电作用损坏产品质量；可能危及人身及设备安全可能危及人身及设备安全第44页，此课件共50页哦
40、绝缘体表面的静电可以通过三条途径消失：绝缘体表面的静电可以通过三条途径消失：（1 1）通过空气（雾气）消失）通过空气（雾气）消失 （2 2）沿着表面消失）沿着表面消失 （3 3）通过绝缘体体内消失）通过绝缘体体内消失 因此可在三方面采取适当的措施，消除已经产生的静因此可在三方面采取适当的措施，消除已经产生的静电。电。三、消除静电的措施消除静电的措施第45页，此课件共50页哦 1.1.将抗静电剂加到高分子材料中或涂布在表面。抗静电剂将抗静电剂加到高分子材料中或涂布在表面。抗静电剂是一些表面活化剂，如阴离子型（烷基磺酸钠、芳基磺酸是一些表面活化剂，如阴离子型（烷基磺酸钠、芳基磺酸酯等）、阳离子型（
41、季胺盐、胺盐等）以及非离子型（聚酯等）、阳离子型（季胺盐、胺盐等）以及非离子型（聚乙二醇等）。纤维纺丝工序中采取乙二醇等）。纤维纺丝工序中采取“上油上油”的办法，给纤的办法，给纤维表面涂上一层吸湿性的油剂，增加导电性。维表面涂上一层吸湿性的油剂，增加导电性。2.2.提高高聚物的体积电导率提高高聚物的体积电导率最方便的方法是添加炭黑、金属细粉或导电纤维，制最方便的方法是添加炭黑、金属细粉或导电纤维，制成防静电橡皮或防静电塑料。成防静电橡皮或防静电塑料。第46页，此课件共50页哦 静电现象有时也能加以利用。如静电复印、静静电现象有时也能加以利用。如静电复印、静电记录、静电印刷、静电涂敷、静电分离与
42、混电记录、静电印刷、静电涂敷、静电分离与混合、静电医疗等，都成功地利用了高分子材料合、静电医疗等，都成功地利用了高分子材料的静电作用。的静电作用。四、应用应用第47页，此课件共50页哦聚合物的其他电学性质聚合物的其他电学性质一、一、力电性力电性在机械力的作用下，高聚物的电学性质反映主要是压电效应。在机械力的作用下，高聚物的电学性质反映主要是压电效应。将将高高聚聚物物的的试试样样置置于于两两电电极极之之间间，在在机机械械力力的的作作用用下下，因因发发生生形形变变（伸伸长长线线缩缩短短）而而发发生生极极化化，同同时时产产生生电电场场，这这种种现现象象称称正正压压电电效效应应。反反之之，在在高高聚聚
43、物物试试样样上上加加上电场，试样发生相应的形变，同时产生应力，这个现象称为逆压电效应。上电场，试样发生相应的形变，同时产生应力，这个现象称为逆压电效应。产产生生压压电电效效应应的的高高聚聚物物主主要要结结晶晶高高聚聚物物（单单轴轴取取向向）和和高高分分子子驻驻极极体体。如如PVCPVC、PCPC、PTFEPTFE和和HDPEHDPE等。等。利用高聚物的压电效应，可做成话筒、传感器等转换元件。利用高聚物的压电效应，可做成话筒、传感器等转换元件。第48页，此课件共50页哦二、热电性热电性 在热的作用下，高聚物材料具有热释电性，这是非常重要的电学性质。在热的作用下，高聚物材料具有热释电性，这是非常重
44、要的电学性质。驻驻极极体体：将将电电介介质质置置于于高高压压电电场场中中极极化化，随随即即冻冻结结极极化化电电荷荷，可可获获得得静静电电持持久久极极化化，这这种种长寿命的非平衡电矩的电介质称驻极体。长寿命的非平衡电矩的电介质称驻极体。高高聚聚物物驻驻极极体体研研究究从从上上世世纪纪四四十十年年代代开开始始，现现已已投投入入使使用用优优点点聚聚偏偏氟氟乙乙烯烯、PETPET、PPPP、PCPC等等高高聚聚物物超超薄薄薄薄膜膜驻驻极极体体，广广泛泛用用作作电电容容器器传传声声隔隔膜膜，计计算算机机储储存存器器、爆爆炸炸起起爆爆器器、血液凝固加速作用等方面。血液凝固加速作用等方面。高高聚聚物物驻驻极
45、极体体的的制制备备方方法法是是：将将高高聚聚物物薄薄膜膜夹夹在在两两个个电电极极中中，加加热热到到聚聚合合物物的的主主转转变变温温度度以以上上，然然后后施施加加电电场场，使使薄薄膜膜极极化化一一段段时时间间。在在电电场场作作用用下下以以一一定定速速度度缓缓慢慢冷冷却却至至室室温温（或或低低温温），最最后撤去外电场。后撤去外电场。热释电流：将上述高聚物驻极体夹在两电极之间，接上微电流计再程序升温，在热的作用下，激热释电流：将上述高聚物驻极体夹在两电极之间，接上微电流计再程序升温，在热的作用下，激发了分子链偶极的运动而发生解取向极化，释放出退极化电荷，在电流计上记录到退极化电流，发了分子链偶极的运动而发生解取向极化，释放出退极化电荷，在电流计上记录到退极化电流，测得的放电电流随温度的变化称为热释电流谱（测得的放电电流随温度的变化称为热释电流谱（TSCTSC），又称为去极化介电谱或热刺激电流谱。），又称为去极化介电谱或热刺激电流谱。第49页，此课件共50页哦三、光电性三、光电性光光电电导导性性：光光照照射射下下高高聚聚物物的的导导电电性性能能发发生生变变化化的的现现象象。如如聚聚乙乙烯烯基基咔咔唑唑、聚聚萘萘酯酯等等吸吸收收光光能能而而放放出出光光电电子子，使使电电导导率率增增大大。在在信息传递方面得到了一些应用。信息传递方面得到了一些应用。第50页，此课件共50页哦