高分子物理高聚物电学性能教学课件PPT

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1、第八章 高聚物电学性能高聚物电学性能：在外加电压或电场作用下高聚物材料 的行为以及它所表现出的各种物理现象（ 交变电场下的介电性质；弱电场下的导电 性；强电场下的击穿现象；表面静电现象 等）。第一节 高聚物的介电常数和介电损耗 8.1.1 高聚物介电系数 一、介电系数（） * 电介质在外电场作用下产生极化现象， 为 衡量材料极化程度的宏观物理量。* 定义：为电容器的电容（C）或电量（Q） 比真空时增加的倍数，即储电能力的大小。(8-3)二、极化强度（P）* 极化强度是描述电介质极化程度大小的物理量，它与 介电系数、电场强度（E）之间的关系如下：P = (-1) 0 E (8-7)*Clausi

2、us-Mosotti方程 (-1) / (+2) = Na / 3 0 (8-31)式中N 为单位体积分子数，a为分子极化率， 0为真空 电容率。两边同乘M / 得： (-1) / (+2) M / = a / 3 0 (8-32)式中为Avogadro常数，M为分子量， 为密度。* 摩尔极化率PMPM = a / 3 0 所以，PM = (-1) / (+2) M / （8-33）* 极化率a极性介质：a = ae+ aa +2 / 3kT非极性介质：a = ae+ aa式中ae为电子极化， aa为原子极化， 为偶极矩* 偶极矩（），则 例：聚偏氯乙烯、硝化纤维素 = 48PE 0 = 2.

3、3* 侧基为极性基因对 影响大，且当T ， 则 例：聚氯乙烯 室温 = 3.5 Tg = 15* 分子对称性 ，则 例：PTFE（聚四氟乙烯） 0， = 0* 交联度，则 ；支化度，则 。 三、高聚物结构对介电系数的影响一、介电松弛 * 交变电场作用下，偶极子转动因受分子间内摩擦力影响 而落后于电场变化。 *取向极化过程是松弛过程，偶极子转动落后于电场变化。二、介电损耗 * 交变电场作用下，材料内部消耗部分电能用于克服介质 内部粘滞阻力而转化为热量散发出。 * 原因：材料（电介质）中能导电的载流子产生电导电流 以及克服自身内粘滞阻力而消耗部分电能（松弛损耗 ），并转变为热损失。8.1.2 高聚

4、物介电损耗图8-7 取向极化跟随电场变化 情况*在交流电的电场作用下，介电系数具有复数形式。* 定义：复介电系数* = + i (8-43)：实数，接近测定的介电系数：虚数部分，介电损耗* 介电损耗角正切三、复介电损耗tg =(8-46)五、介电松弛谱 交变电场作用下，固 定频率时材料的tg 随 温度（T）变化，或固 定温度时tg 随频率（ ）变化的特征谱图。表征分子运动：主松弛，链段运 动；，次级松弛，对 应较小运动单元（侧 基、曲轴转动）。图8-16 介电损耗角正切温度谱 六、高聚物结构对介电损耗影响 u分子极性，则tg 值，且移向高温 。例：PVC tg = 0.7102 0.02PEO

5、 tg = 2104u 极性分子的侧链或基团间的C数，则tg 且移 向低温。1，聚丁二酸乙二酯 2，聚己二酸乙二酯 3，聚癸二酸乙二酯图8-13 几种乙二醇聚酯的tg 与温度的关系。温度tg102u结晶度、取向度、交联度，则tg 值，但 峰移 向高温。例：聚对苯二甲酸乙二醇酯（1）非晶态； （2）晶态； （3）取向态tg 102温度图8-16 聚对苯二甲酸乙二醇酯的tg 与温度的关系。8.1.3 应用 一、电容器的电介质* 要求：tg 小，且 大例：聚碳酸酯 tg = 0.0009, = 3（优良电 介质材料）二、电工绝缘材料* 要求： 较大，且tg 小例：PE，PS （tg 2 104； 2

6、.3 3.1）三、高频焊接以及大型制件高频热处理* 要求：tg 很高例：PVC焊条，tg = 70200 104第二节 高聚物的导电性及静电现象 8.2.1 高聚物导电性一、导电高分子* 电导率（）：绝缘体 1018 107（欧厘米）1半导体 107 103（欧厘米）1导 体 103 108（欧厘米）1* 本征型导电高分子电导率处于半导体范畴例：聚乙炔经AsF5掺杂膜 103 （欧厘米）1；聚吡咯（PPV）、聚噻吩（PTh）、聚苯胺（Pan)的掺杂态 0 103 表 8-1二、影响高聚物导电性的因素 1、共轭高聚物提供大量电子载流子例：聚氮化硫 (SN)n , 聚乙炔 ，聚苯乙炔2、电子转移络

7、合物、自由基离子化合物电子给予体和接受体之间靠电子转移完成例：聚2乙烯吡啶碘3、有机金属聚合物金属原子引入聚合物主链例：聚铜酞菁（二维电子通道）4、分子量电子电导：M ，电导率 离子电导：离子迁移 ，电导率 5、结晶、取向 ，电导率 例：聚三氟氯乙烯 结晶度10 50电导率下降10 1000倍6、交联 ，电导率 链段活动小，则自由体积 使离子电导下降7、导电杂质掺杂，电导率 掺杂物：I2，Li，BF4，ClO4，AsF5，FeCl4 掺杂是氧化还原过程，实质是电荷转移三、应用1透明电极：导电高分子制备柔软、透明电极。2印刷电路板：聚吡咯、聚苯胺用于线路板可简化 工艺步骤，且无毒害。3微波和高频

8、焊接：聚苯胺类导电高分子tan 很高 ，在微波作用下可与PE熔融而粘接。4功能材料：导电高分子掺杂、反掺杂用于气体分 离膜、传感器。8.2.2 高聚物驻极体和热释电流 一、驻极体u永久极化的绝缘体。u形成：高聚物加热至Tg以上，在外电场作用下分子 链偶极取向后立即冷却，使极化电流冻结，亦称永 磁体。例：聚偏二氟乙烯（传声隔膜、扩音器件）二、热释电流u驻极体置于两极之间并一同升温，则两极间有电流 通过。由于被冻结的偶极子运动产生极化电流。u用于研究分子运动（I T曲线，峰）。 8.2.3 高聚物静电现象 一、静电现象 u两种高聚物相互磨擦时，两接触面发生电荷再分 配，它们分开后各带过量的正或负电

9、荷。 u原因：高聚物导电率很低，无法使表面静电荷传 递出去。例：合成纤维摩擦产生电辉光。二、危害、消除、利用 u危害：静电荷电压高达15千伏、危险；吸尘影响 质量；火灾事故。 u消除：表面抗静电剂；化学处理（炭黑、金属粉 ）；静电消除器。 u利用：静电复印、静电织绒8.2 聚合物的光学性质8.2.1 简介一、光学性质介质在光的作用下所表现出来的行为以及各种物理 现象，如对光的吸收、反射、折射、透射等现象。 它反应了高聚物内部结构的变化和分子运动。二、聚合物与无机玻璃的性质比较高聚物光学透过 性无色低密度（ 轻质）优良的力 学性能无机 玻 璃脆代 替优良的成 型和加工 性多功能性光学透过 性好8

10、.2.2 聚合物的光学性能一、透明性和无色不吸收或散射任何可见电磁辐射。大多数高聚物由单键 或孤立双键或苯环连接的原子组成，它们只吸收红外区或通过 电子转移吸收紫外光区的电磁辐射。所有可见光可通过高聚物 使它呈透明性和无色性。如果有相邻双键存在，则可吸收部分 可见光。二、线性光学性能光波是一种电磁波，当它通过各向同性的电介质时，可 激发交变的电磁场(电介质的价电子偏离平衡位置形成偶极子 ，使介质极化)。极化强度与电介质的极化率有关，当场强较 低时，极化强度P与极化率成正比关系。 0根据Maxwell电磁场理论，在交变的电磁场中，Nj具有本征频率j束缚态内的电子数密度j阻尼系数e电子电荷m电子质

11、量极化率可写成复数形式 = R+il0折光指数n和吸收系数为：0光波的圆频率（=2c/）c真空光速n和是光学材料中最基本的光学常数，它们都是光波频率的 函数。 n随频率变化的性质称为折射率色散。三、非线性光学性能当光波场足够强时，光在电介质中激发的电磁场场强较高 ，高次项的极化率对极化强度的贡献不能忽略，即极化强 度含有光场的二次、三次项的贡献。P = PL+PNL = PL+P(2)+P(3)+PL =0E PNL= (2) 0E E*(2)二阶非线性极化率，其值越大，非线性光学性能越明显二阶非线性效应可实现：倍频（SHG）新产生倍频的光和频（SFG）新产生频率为两束光频率之和的光差频（DF

12、G）新产生频率为两束光频率之差的光四、影响非线性光学活性的因素：1、高分子结构：具有非线性光学发色团，非中心反演对称。 如：共轭的聚丁二炔、高分子侧链液晶2、共混：高分子起载体作用8.2.3 高聚物光学性能的表征一、折光指数（率）和阿贝数折光率与光源、温度、光路的长短、物质对光的敏感度以 及杂质含量有关。透光物质的温度升高,折光率变小; 光线 的波长越短,折光率越大。 标准折光率的测定条件:光源：Na的D线 = 589.3nm温度：20oC1、折光率c为光波在介质中的传播速度2、阿贝数由于同一透明介质对不同波长的光存在折射率的差异，而白 光又是由不同波长的各色光组成的，因此透明物质在折射白 光

13、时会发生色散这一特殊现象。 阿贝数是德国物理学家恩斯特阿贝发 明的物理学数,也称“V-数”,用来衡量介 质的光线色散程度，定义为nd物质在氦黄线d （587.56nm）光谱中的折射率nF 物质在氢兰线F （486.1nm）光谱中的折射率nC物质在 氢红线C（ 656.3nm)光谱中的折射率nF-nC是主色散.用汞绿线(546.07nm) 测阿贝数Ve : 光线色散程度越大阿贝数越小，反之光线色射程度越小阿贝数 越大。光学玻璃的两个重要参数是折射率和阿贝数。光学玻璃 的阿贝数界于20-90之间。二、透光率与黄色指数 1、透光率物质容许光透过的程度 2、黄色指数在标准光源下氧化镁标准白板作基准，从

14、物质对红、绿、蓝三色光的反射率（或透射率）计算所得的表示黄色深浅的一种量度。8.2.4 应用一、光通讯光通讯材料 、光纤光缆 、器件与模块 、生产与测试 、系统与网络 、运营与服务 二、光学激光 光学材料 、元器件、光学仪器、光电光纤传感、激光器 、生产测试设备 、激光应用设备 三、光电显示 发光二极管 、FD平面显示器件及设备、PD投影显示器件与设备 、光学照明产业 常用的光学塑料：1. 聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）：光学透明性、光学稳定 性、抗裂、抗水吸收等性能较好。2. 甲基丙烯酸甲酯和苯乙烯共聚物(NAS) ：约含70聚丙烯 酸酯、30聚苯乙烯，折射率依其组成改变(1.533 1.567)，可机加工、抛光、注模、光学稳定性好。3. 聚碳酸酯(PC): 在较宽温度范围内（137120）性能良 好，适于户外使用，折射率1.586，抗冲击，耐久性好。 高分子科学既是一门基础学科，又是一门应用学科。高分子已成为理学的“化学”学科中与传统的无机化学 、有机化学、分析化学和物理化学并列的二级学科。在工学的“材料”一级学科中，高分子材料与传统的金 属材料和无机非金属材料组成了三大材料，高分子材 料成为材料学科中的一个重要分支。高分子科学是一门具有广阔发展空间的新兴 学科。“高分子科学”仍有许多领域期待我们去 探索，仍有许多理论期待我们去完善！