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1、聚合物及多组分聚合物的聚合物及多组分聚合物的结构与介电性能结构与介电性能聚合物及多组分聚合物的结构与介电性能聚合物及多组分聚合物的结构与介电性能聚合物介电性：聚合物介电性：聚合物在外电场的作用下，由于聚合物在外电场的作用下，由于分子极化引起电能的分子极化引起电能的储存储存和和损耗损耗的性质。的性质。绝缘材料绝缘材料电容器材料电容器材料压电材料压电材料热释电材料热释电材料铁电材料铁电材料介电材料分类示意图介电材料分类示意图聚合物及多组分聚合物的结构与介电性能聚合物及多组分聚合物的结构与介电性能极化：极化：在外电场的作用下，电介质分子或者其中在外电场的作用下，电介质分子或者其中 某些基团中电荷分布
2、发生相应变化。某些基团中电荷分布发生相应变化。极极化化类类型型电子极化电子极化原子极化原子极化取向极化取向极化界面极化界面极化价电子云价电子云相对原子相对原子核的位移核的位移聚合物及多组分聚合物的结构与介电性能聚合物及多组分聚合物的结构与介电性能电子极化电子极化极化过程：极化过程：10-1510-13s聚合物及多组分聚合物的结构与介电性能聚合物及多组分聚合物的结构与介电性能原子极化原子极化分子骨架在分子骨架在外电场下发外电场下发生变形生变形极化过程一般极化过程一般10-13s聚合物及多组分聚合物的结构与介电性能聚合物及多组分聚合物的结构与介电性能取向极化取向极化极性分子极性分子延外场方延外场方
3、向排列向排列极化过程一般极化过程一般10-9s聚合物及多组分聚合物的结构与介电性能聚合物及多组分聚合物的结构与介电性能界面极化界面极化产生于非产生于非均相介质均相介质界面处界面处在外电场的作用下，电在外电场的作用下，电介质中的介质中的电子电子或或离子离子在在界面处界面处堆积的结果。堆积的结果。极化需时几分之一极化需时几分之一至几至几分钟，甚至更长。分钟，甚至更长。定义：定义：含有电介质的电容器含有电介质的电容器电容与相应真空电容器的电电容与相应真空电容器的电容比。容比。真空的真空的等于等于1 1，空气，空气的的接近接近1 1，大多数非极性高，大多数非极性高聚物的聚物的为为2 2左右，极性高聚左
4、右，极性高聚物的物的为为2 21010。（。（ ）Q0Q介电常数介电常数介电损耗介电损耗 在交变电场中，在交变电场中，电介质电介质由于消耗部分电能由于消耗部分电能而发热的现象。而发热的现象。在交变电场中，介电常数可以写成复数形式在交变电场中，介电常数可以写成复数形式介质损耗角正切介质损耗角正切介电损耗产生的原因介电损耗产生的原因电导损耗电导损耗偶极的取偶极的取向极化向极化聚合物名称tan*104聚合物名称tan*104聚四氟乙烯2环氧树脂20-100聚乙烯 2硅橡胶40-100聚丙烯2-3氯化聚醚100四氟乙烯-六氟乙烯共聚3聚酰亚胺40-150聚苯乙烯1-3聚氯乙烯70-200交联苯乙烯5聚
5、氨酯150-200聚砜6-8ABS树脂40-300聚碳酸酯9氯丁橡胶300天然橡胶2-30尼龙6100-400丁苯橡胶20尼龙66140-600丁基橡胶30PMMA400-600聚甲醛40酚醛树脂600-1000聚邻苯二甲酸二丙烯酯80硝化纤维素900-1200常见聚合物常见聚合物tan(20，50Hz)聚合物及多组分聚合物的结构与介电性能聚合物及多组分聚合物的结构与介电性能聚合物的介聚合物的介电性能的影响因素性能的影响因素结构结构频率与温度频率与温度添加剂添加剂聚偏氟乙烯（PVDF）具有较高的介电常数。由于分子链中H原子与 F 原子的电负性不同，会在 PVDF 分子链中产生偶极矩。在外加电场
6、的作用下，PVDF分子中正、负电荷中心发生分离，产生电偶极矩，发生取向极化。（1 1）极性：）极性：偶极取向极化对介电性质影响最大。极性偶极取向极化对介电性质影响最大。极性越大，越大，tantan越大。越大。1.分子结构分子结构15 介电常数是宏观物理量介电常数是宏观物理量, ,反映了电介质的极化能力反映了电介质的极化能力, ,大小大小由材料本身的性质决定。在外电场下电介质材料的极化由材料本身的性质决定。在外电场下电介质材料的极化作用越强作用越强, ,介电常数就越大。介电常数就越大。表表1 1 不同极性高分子材料的分子偶极矩和介电常数范围不同极性高分子材料的分子偶极矩和介电常数范围聚合物聚合物
7、类型型分子偶极矩分子偶极矩u范范围介介电常数常数范范围非极性高分子非极性高分子 u=02-2.32-2.3弱极性高分子弱极性高分子 0u0.5D2.3-3.02.3-3.0 中等极性高分子中等极性高分子0.5Du0.7D4.0-7.04.0-7.0分子聚集态结构的影响：分子聚集态结构的影响：玻璃态：链段运动被冻结，结构单元上的极性基团取向受链玻璃态：链段运动被冻结，结构单元上的极性基团取向受链段牵制，取向能力低，对段牵制，取向能力低，对介电常数影响小介电常数影响小高弹态：链段活动能力大，极性基团取向受链段牵制较小，高弹态：链段活动能力大，极性基团取向受链段牵制较小，对介电常数影响大。高弹态下，
8、对介电常数影响大。高弹态下，介电常数介电常数、损耗角大于玻璃损耗角大于玻璃态态介电常数介电常数 玻璃态玻璃态高弹态高弹态聚氯乙烯聚氯乙烯 3.515 聚酰胺聚酰胺 4.05.01.分子结构分子结构2.频率频率与温度与温度s s”tantanlog 在研究尼龙在研究尼龙 610 610 的介电性能的过程中发现，在的介电性能的过程中发现，在100Hz100Hz时，介电时，介电常数和损耗因子随常数和损耗因子随温度增加而迅速增大温度增加而迅速增大；而在；而在1MHz 1MHz 时，介电时，介电常数随温度变大而变大的趋势减弱，损耗因子随常数随温度变大而变大的趋势减弱，损耗因子随温度增大先增温度增大先增大
9、后减小大后减小。111X P., Z X. Y.J. European Polymer Journal, 2011, 47(5): 1031-1038. 2.频率与频率与温度温度改性改性BaTiOBaTiO3 3/EPR/EPR复合材料的电性能复合材料的电性能BaTiOBaTiO3 3粉末粉末混合均匀混合均匀冷压冷压热压固化热压固化对对BaTiOBaTiO3 3进行表面处理进行表面处理环氧树脂环氧树脂1wt%KH5501wt%KH550偶联剂和偶联剂和丙酮丙酮BaTiOBaTiO3 3/EPR/EPR复合材料复合材料实验3.3.添加剂添加剂随着随着BaTiOBaTiO3 3含量含量 ，电导率，
10、电导率 随着频率随着频率 ，电导率，电导率不同不同BaTiOBaTiO3 3含量对含量对BaTiOBaTiO3 3-Epoxy -Epoxy 复合材料的复合材料的电导率随频率的变化电导率随频率的变化电导率分析电导率分析填料的加入，增加了陶瓷填料的加入，增加了陶瓷- -聚合聚合物物界面区域界面区域，而界面区域的电，而界面区域的电导率大于单相本身的电导率导率大于单相本身的电导率不同不同BaTiOBaTiO3 3 含量对含量对BaTiOBaTiO3 3-Epoxy -Epoxy 复合材料的复合材料的介电损耗的影响介电损耗的影响介电损耗分析介电损耗分析填充量过高，会使填料填充量过高，会使填料分散不分散
11、不均匀均匀，增加其，增加其界面极化界面极化，因此，因此介电损耗增加。介电损耗增加。 随着随着BaTiOBaTiO3 3含量含量 ，介电损耗，介电损耗 但是在体积含量低但是在体积含量低30 vol% 30 vol% 时，时， 介电损耗介电损耗小小随着频率随着频率 , ,介电损耗介电损耗高介电常数材料的应用高介电常数材料的应用1.高储能密度电容器的介电材料高储能密度电容器的介电材料2.高压电缆均化电场的应力锥材料高压电缆均化电场的应力锥材料3.嵌入式微电容器嵌入式微电容器4.人工肌肉和药物释放智能外衣材料人工肌肉和药物释放智能外衣材料高高tan值材料的应用值材料的应用 高聚物的高频干燥高聚物的高频
12、干燥高聚物的高频干燥高聚物的高频干燥 塑料薄膜高频焊接塑料薄膜高频焊接塑料薄膜高频焊接塑料薄膜高频焊接大型高聚物制件的高频热处理大型高聚物制件的高频热处理大型高聚物制件的高频热处理大型高聚物制件的高频热处理应用方面应用方面RC =2(4L2/ P2 +L2/ T2):金属线电阻率金属线电阻率,:线间绝缘层的介电常数线间绝缘层的介电常数,P :金属线间距离金属线间距离,L :连线长度连线长度, T :线的厚度线的厚度低介电常数材料低介电常数材料降低聚合物材料介电常数的方法降低聚合物材料介电常数的方法增加聚合物材料的自由体积增加聚合物材料的自由体积增加聚合物材料的自由体积增加聚合物材料的自由体积含
13、萘结构的芳基醚聚合物含萘结构的芳基醚聚合物含萘结构的芳基醚聚合物含萘结构的芳基醚聚合物含萘结构的芳基醚含萘结构的芳基醚含萘结构的芳基醚含萘结构的芳基醚聚合物有较大的萘聚合物有较大的萘聚合物有较大的萘聚合物有较大的萘结构侧基，能增加结构侧基，能增加结构侧基，能增加结构侧基，能增加聚合物材料的自由聚合物材料的自由聚合物材料的自由聚合物材料的自由体积，从而降低材体积，从而降低材体积，从而降低材体积，从而降低材料介电常数。料介电常数。料介电常数。料介电常数。Z E S，NEW CHEMICAL MATERIALS，2007，35(7):11.降低聚合物材料介电常数的方法降低聚合物材料介电常数的方法赵春
14、宝,绝缘材料，2010：33对称氟取代对称氟取代对称氟取代对称氟取代氟原子具有较强的电负性, 可以降低高分子的电子和离子的极化率, 达到降低高分子介电常数的目的。同时, 氟原子的引入降低了高分子链的规整性, 使得高分子链的堆砌更加不规则, 分子间空隙增大而降低介电常数。含氟聚酰亚胺材料的介电常数为2.3 2 .8.降低聚合物材料介电常数的方法降低聚合物材料介电常数的方法Berned, Adv Mater,2002:1041生成纳米微孔材料生成纳米微孔材料生成纳米微孔材料生成纳米微孔材料采用物理发泡制备微孔采用物理发泡制备微孔PI，当孔洞，当孔洞含鼠为含鼠为4 0 % 时时, IP 的介电常数可的介电常数可降至降至1. 7 , 同时膜的物理化学性能同时膜的物理化学性能变化不大。变化不大。谢谢！
