第八章 高聚物的电学性质1分析

高聚物的电学性能一、几个基本概念1、高聚物的介电性：高聚物在外电场作用下由于分子极化将引起电能的贮存和损耗，这种性能称为介电性，通常用介电常数和介电损耗来表示。

2、分子的极化：在外电场作用下，电介质分子或者其中某些基团中电荷分布发生的相应变化称为极化，包括电子极化、原子极化、取向极化、界面极化。

3、介电常数（介电系数）：定义含有电介质的电容器的电容与相应真空电容器的电容之比为该电容器的介电常数e。

e是衡量电介质极化程度的宏观物理量，它可以表征电介质贮存电能的能力。

4、介电损耗：在交变电场中电介质消耗一部分能量而发热的现象称为介电损耗。

高聚物的介电损耗可分为电导损耗和偶极损耗，其中前者是非极性高聚物介电损耗的主要部分；后者是极性高聚物介电损耗的主要部分.5、介电击穿：在强电场中（107~108V/m),随着电压的升高，高聚物的电绝缘性能会逐渐下降，电压升高到一定数值时，高聚物中因有很大的电流通过而完全失去了绝缘性质，大量电能迅速释放，有时甚至伴随着物理破坏（如材料局部烧毁等），这些现象统称为介电击穿。

一、高聚物的导电特点1、材料导电原理：2、载流子：电子、空穴、正负离子3、材料的导电性与载流子的多少及其运动速度有关4、材料导电性的表示方法：电阻率(体积电阻率与表面电阻率）或电导率5、大多数高聚物导电性很低，属绝缘体，有部分高聚物具有半导体、导体的导电率聚合物的导电机理：导电载流子可以是电子、空穴、正负离子；无共轭双键的非极性高聚物主要是离子导电共轭聚合物、聚合物的电荷转移聚合物、聚合物的自由其-离子化合物和有机金属聚合物具有强的电子电导（表现为半导体或导体）。

二、表面电阻率和体积电阻率1、表面电阻率Rs：表征高聚物表面的导电性，规定为单位正方形表面上两刀形电极之间的电阻，单位为欧姆2、体积电阻率Rv:表征高聚物体内导电性，是体积电流方向的直流场强与该处体积电流密度之比，单位为欧姆*米3、三、高聚物的导电性与分子结构的关系1、饱和非极性聚合物具有最好的绝缘性2、极性高聚物的电绝缘性较饱和非极性聚合物差3、共轭高聚物是高分子半导体材料4、电荷转移络合物和自由基-离子化合物是高电子电导材料，通过电子给予体和电子接受体之间的电荷转移而传递电子导电5、有机金属聚合物：将金属原子引入聚合物主链，其电子电导增加四、影响高聚物导电性的因素1、分子量：分子量增加电子电导增加，离子电导下降2、结晶与取向：离子电导率下降，电子电导增加3、交联：离子电导下降，电子电导增加4、杂质：使绝缘高聚物导电性增加5、添加剂：如极性增塑剂、导电填料等可使导电性提高6、湿度：增加电导性（极性高聚物较显著）7、温度：温度升高导电性增加五、高聚物的静电现象1、静电现象：任何两种物质，互相接触或磨擦时，只要其内部结构中电荷载体的能量分布不同，在它们各自的表面就会发生电荷再分配重新分离后，每一种物质都将带有比其接触或磨前过量的正（或负）电荷，这种现象称为静电现象；2、高聚物在生产、加工、使用过种中常会带有大量的电荷，变成带电体，绝缘性的高聚物静电消除缓慢。

第8章高分子材料的电学性能高分子材料是一类由大量重复单元（称为聚合物）构成的化合物，具有广泛的应用领域。

在这些材料中，电学性能是其中一个重要的特性。

本文将讨论高分子材料的电学性能，包括导电性、介电性和电子运输性质，并介绍一些相关的应用领域。

导电性是一个材料传导电流的能力。

在高分子材料中，导电性通常与电荷传输和电荷载流子浓度有关。

对于一些高分子材料，如导电聚合物，导电路径可以通过特殊的化学修饰或添加导电添加剂来实现。

这些材料在导电方面表现出色，因此在电池、太阳能电池、传感器和导电涂层等领域有着广泛的应用。

介电性是材料在外加电场下储存电能的能力。

高分子材料的介电性通常与材料的极化行为相关。

通过改变高分子材料的结构和组成，可以调节材料的介电性能，从而用于电容器、绝缘材料和电子陶瓷等应用。

高分子材料在这些领域的应用主要是基于其低成本、良好的加工性能和机械强度。

电子运输性质是电子在高分子材料中传输的能力。

高分子材料的电子运输性质主要与材料的载流子迁移率和载流子浓度有关。

通过调节材料的化学结构和组成，可以实现高分子材料的电子运输性能的调控。

这些材料在有机电子学和光电子学等领域有着广泛的应用，如有机太阳能电池、有机场效应晶体管和有机发光二极管等。

除了以上的基本电学性能，高分子材料还可以通过添加导电添加剂、纳米填料和各种化学修饰来实现特殊的电学性能。

例如，通过掺杂导电添加剂，可以调节材料的导电性能，提高电导率。

通过添加纳米填料，可以改善材料的介电性能和力学强度。

通过化学修饰，可以改变材料的表面性质，如表面电导率和阻抗。

综上所述，高分子材料的电学性能是其重要的特性之一、在导电性、介电性和电子运输性质等方面的研究为高分子材料在电子学和光电子学等领域的应用提供了理论基础和技术支持。

未来，随着对高分子材料电学性能研究的深入，这些材料在先进电子器件和能源转换等领域的应用有望得到更好地开发和应用。

7.4 聚合物的电学性质一提起高聚物的电学性质，人们马上会想起高聚物是一种优良的电绝缘体，广泛用作电线包皮。

这的确是高聚物优良的电学性质的一个重要方面，即高的电阻率、很高的耐高频性、高的击穿强度，所以是一种理想的电绝缘材料。

其实有的高聚物还具有大的介电常数和很小的介电损耗，从而可以用作薄膜电容器的电介质。

还有其他具有特殊电功能的高聚物相继出现，比如高聚物驻极体、压电体、热电体、光导体、半导体、导体、超导体等。

研究高聚物的电学性质，除了生产上的实用价值外，它还有重要的物理意义，因为高聚物的电学性质往往最灵敏地反映高分子内部结构和分子运动之间的关系。

电学性质能在比力学性质更宽的频率范围内测定，测定精确性和灵敏性都高，因而成为研究高分子结构和分子运动的有力手段。

7.4.1 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。

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。

它定义为介质电容器的电容比真空电容器增加的倍数式中：V为直流电压；Q0、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。

介电常数的大小决定于感应电荷Q’的大小，所以它反映介质贮存电能的能力。

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。

0C C =ε 第八章 高聚物的其它性质第一部分 内容简介第一节 高聚物的极化及介电常数一、电介质在外场中的极化介电常数：=∈/∈0Ｃ、Ｃ０ 分别是电容器和真空电容器的电容，∈、∈0分别为电容器和真空电容器的电容率。

极化强度：P=Q/S（对于平行板间各向同性的电介质，极化强度等于极化电荷密度）P=(ε -1)∈0E大分子极化方式：电子极化诱导极化 （位移极化或变形极化） 原子极化取向极化界面极化分子极化率：μ=αE lμ为外电场在分子上引起的一个附加偶极矩α为分子极化率α=αd+αμ=αe+αa+αμαe、αa、αμ分别为电子极化率、原子极化率和取向极化率，E l为作用在分子上的局部电场强度二、电介质在外场中的极化第二部分教学要求主要内容：（1）高聚物的介电、导电性及应用（2）高聚物的粘合机理、粘合强度及影响因素（3）高聚物的透气性及影响因素掌握内容：（1）极化、介电常数、介电损耗、体积电阻、表面电阻的概念（2）粘合强度的概念（3）气体渗透系数的概念理解内容：（1）极化机理（2）介电常数、介电损耗、粘合强度、透气性的影响因素了解内容：（1）导电机理（2）击穿机理（3）介电松弛谱（4）静电起因（5）粘合机理名词解释介电常数介电损耗介电松弛谱表面电阻率体积电阻率粘合性剥离混合性剥离内聚性剥离气体渗透系数高聚物有几种极化方式？何为介电性？介电常数的表达式是什么？其物理意义是什么？讨论以下因素对介电常数的影响：（1）柔顺性（2）外场频率（3）作用温度试用介质电容器推导：tgδ=ε’/ε”并说明tgδ的物理意义。

导出在交变电场中单位体积的介电损耗功率与电场频率的关系式，并讨论当ω→∞时介质的损耗情况。

试推导Debye色散方程式，并求出复介电常数*ε的实部'ε、虚部"ε以及"ε、m ax δtg的特征值表达式。

m ax何为载流子？简述高聚物的导电机理。

要使高聚物具有导电性有哪些途径？何为电击穿？高聚物的电击穿有哪几种机理？何为静电现象？如何消除有害的静电现象？简述粘合吸附理论和粘合扩散理论的要点，并讨论粘合强度的影响因素。