第8章高分子材料的电学性能课件

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,材料科学与工程学院,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,第,8,章 高分子材料的电学性能,第8章 高分子材料的电学性能,材料科学与工程学院,2,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。,高分子材料可以是绝缘体、半导体、导体和超导体,多数高分子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,导电高分子的研究和应用近年来取得突飞猛进的发展,材料科学与工程学院2高分子材料的电学性能,材料科学与工程学院,3,本 章 内 容,电学性能：主要包括,导电性能和介电性能,。,本章讨论高分子材料的导电、介电机理及其影响因素，导电、介电性能参数的测定与应用，热电性能。,高聚物的介电性能,高聚物的导电性能与导电高分子材料,高聚物的电击穿,高聚物的静电作用,材料科学与工程学院3本 章 内 容 电学性,材料科学与工程学院,4,8.1,高聚物的介电性能,高聚物在外电场作用下出现的对电能的储存和损耗的性质，称为,介电性,用,介电系数,和,介电损耗,来表示。,在外电场的作用下，电介质分子中电荷分布所发生的相应变化称为,极化,极化决定了高聚物的介电行为,材料科学与工程学院48.1 高聚物的介电性能高聚,材料科学与工程学院,5,一、分子极化,分子极化,变形极化或,诱导极化,电子极化,价电子云相对原子核的位移,原子极化,原子核之间的相对位移,取向极化,10,-15, 10,-13,s,10,-13,s,以上,10,-9,s,以上,界面极化,材料科学与工程学院5一、分子极化分子极化变形极化,材料科学与工程学院,6,诱导偶极矩,d,称为变形极化率；,1,和,2,分别为电子极化率和原子极化率,材料科学与工程学院6诱导偶极矩d称为变形极化率,材料科学与工程学院,7,取向极化,发生在具有永久偶极矩的极性分子中,材料科学与工程学院7取向极化 发生在具有永久偶极,材料科学与工程学院,8,非极性分子在外电场中只产生,诱导偶极矩,极性分子产生的是,诱导偶极矩,和,取向偶极矩,之和,材料科学与工程学院8非极性分子在外电场中只产生诱,材料科学与工程学院,9,高分子链的偶极矩是整个分子链中所有偶极矩的矢量和,介质的极化度,材料科学与工程学院9高分子链的偶极矩是整个分子链,材料科学与工程学院,10,二、介电系数,真空平板电容器的电容,C,0,与施加在电容器上的直流电压,V,及极板上产生的电荷,Q,0,材料科学与工程学院10二、介电系数 真空平板电容,材料科学与工程学院,11,介电系数,含有电介质电容器的电容与该真空电容器的电容之比,介电系数反映了电介质储存电荷和电能的能力,可以通过测量电介质介电系数,求得分子极化率,材料科学与工程学院11介电系数 含有电介质电容,材料科学与工程学院,12,非极性介质,摩尔折射率,对非极性高聚物也是适用的,联系着介质的电学性能和光学性能,材料科学与工程学院12非极性介质 摩尔折射率 对,材料科学与工程学院,13,Debye,方程,极性电介质,非极性介质的摩尔极化强度与温度无关,极性介质的摩尔极化强度随温度升高而减小,材料科学与工程学院13Debye方程 极性电介质,材料科学与工程学院,14,三、影响高聚物介电系数的因素,（,1,）高聚物分子结构,分子极性越大，极化程度越大，介电系数越就越大,非极性聚合物，,= 0D,，,= 2.0 2.3,弱极性聚合物，,0 , 0.5D,，,= 2.3 3.0,中等极性聚合物，,0.5 0.7D,，,= 4.0 7.0,材料科学与工程学院14三、影响高聚物介电系数的因,材料科学与工程学院,15,（,2,）外加电场频率,低频电场中，介电系数就是静电场下的数值,0,频率超过某一范围时，介电系数减小。,高频电场下，最后只会发生电子极化，介电系数达到最小值。,材料科学与工程学院15（2）外加电场频率 低频电,材料科学与工程学院,16,（,3,）温度的影响,非极性高聚物的介电系数与温度关系不大,极性高聚物一般来说在温度不太高时，介电系数增加，到超过一定温度范围后，介电系数减小。,材料科学与工程学院16（3）温度的影响 非极性高,材料科学与工程学院,17,三、介电损耗,电介质在,交变电场,中极化时，会因极化方向的变化而损耗部分能量而发热，称,介电损耗,。,电导损耗：,电介质所含的微量导电载流子在电场作用下流动时，因克服电阻所消耗的电能。,极化损耗：,由于分子偶极子的取向极化造成的。,非极性聚合物，电导损耗是主要的。,极性聚合物，其主要部分为极化损耗,材料科学与工程学院17三、介电损耗 电介质在交变,材料科学与工程学院,18,只有当电场变化速度与微观运动单元的本征极化速度相当时，介电损耗才较大,材料科学与工程学院18只有当电场变化速度与微观运,材料科学与工程学院,19,真空电容器,电介质电容器,材料科学与工程学院19真空电容器 电介质电容器,材料科学与工程学院,20,复介电系数,为实数部分，即试验测得的介电系数,为虚数部分，称为损耗因子。,“纯电容”的电流,“纯电阻”的电流,材料科学与工程学院20复介电系数 为实数部分，即,材料科学与工程学院,21,用“电阻”电流与“电容”电流之比表征介质的介电损耗,tan,称介电损耗正切，,tan,的物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。,tan,越小，表示能量损耗越小。,表示材料介电损耗的大小。,材料科学与工程学院21用“电阻”电流与“电容”电,材料科学与工程学院,22,影响聚合物介电性能的因素,（,1,）高聚物的分子结构,高分子材料的介电性能首先与材料的极性有关,非极性聚合物具有低介电系数（,约为,2,）和低介电损耗（,tg, CH,n,x+,+ x I,3,-,还原掺杂,(,n,-doping): CH,n,+ x Na, CH,n,x-,+ x Na,+,添补后的聚合物形成盐类，产生电流的原因,并不是碘离子或钠离子而是共轭双键上的电子移动。,材料科学与工程学院80导电高分子材料的掺杂途径氧,材料科学与工程学院,81,掺杂导电高分子材料的导电机理,碘分子从聚乙炔抽取一个电子形成,I,3,，聚乙炔分子形成带正电荷的自由基阳离子，在外加电场作用下双键上的电子可以非常容易地移动，结果使双键可以成功地延着分子移动，实现其导电能力。,+,A,-,氧,化,.,聚,乙,炔,极,化,子,材料科学与工程学院81掺杂导电高分子材料的导电机,材料科学与工程学院,82,1,、掺杂率对导电高分子材料导电能力的影响,掺杂率小时，电导率随着掺杂率的增加而迅速增加；当达到一定值后，随掺杂率增加的变化电导率变化很小，此时为饱和掺杂率。,高分子材料导电能力的影响因素,材料科学与工程学院821、掺杂率对导电高分子材料,材料科学与工程学院,83,2,、共轭链长度对导电高分子材料导电能力的影响,电子运动的波函数在沿着分子链方向有较大的电子云密度，并且随着共轭链长度的增加，这种趋势更加明显，导致聚合物电导率的增加。,高分子材料导电能力的影响因素,材料科学与工程学院832、共轭链长度对导电高分子,材料科学与工程学院,84,3,、温度对导电高分子材料导电能力的影响,对金属晶体，温度升高引起的晶格振动阻碍其在晶体中的自由运动；而对于聚乙炔，温度的升高有利于电子从分子热振动中获得能量，克服其能带间隙，实现导电过程。,高分子材料导电能力的影响因素,材料科学与工程学院843、温度对导电高分子材料导,材料科学与工程学院,85,2.2,复合型导电高分子,复合型导电高分子中，高分子材料本身并不具备导电性，只充当了粘合剂的角色。,导电性是通过混合在其中的导电性的物质如炭黑、金属粉末等获得的。,复合型导电高分子用作导电橡胶、导电涂料、导电粘合剂、电磁波屏蔽材料和抗静电材料，在许多领域发挥着重要的作用。,材料科学与工程学院852.2 复合型导电高分子复,材料科学与工程学院,86,复合型导电高分子的基体有：,常用的导电填料有：,碳类（石墨、炭黑、碳纤维、石墨纤维等）,金属类（金属粉末、箔片、丝、条或金属镀层的玻璃纤,维、玻璃珠等）,金属氧化物（氧化铝、氧化锡等）。,热塑性树脂（如不饱和聚酯、聚烯烃等），,热固性树脂（如环氧树脂、酚醛树脂）,合成橡胶（如硅橡胶、乙丙橡胶）。,材料科学与工程学院86复合型导电高分子的基体有：,材料科学与工程学院,87,在导电填料浓度较低,时，材料的电导率随浓度增加很少，而当导电填料,浓度达到某一值时，电导率急剧上升，变化值可达,10,个数量级以上。,电导率发生突变的导电填料浓度称为“,渗滤阈值,”,材料科学与工程学院87在导电填料浓度较低电导率发,材料科学与工程学院,88,平均接触数,是指一个导电颗粒与其他导电颗粒接触的数目,导电填料颗粒并不需要完全接触就能形成导电通道,微观粒子穿过势垒的现象称为,贯穿效应,，也称,隧道效应,材料科学与工程学院88平均接触数是指一个导电颗粒,材料科学与工程学院,89,复合型导电高分子材料的应用,材料种类,电导率,S.cm,-1,高分子树脂,导电填料,应用,半导体,10,-10,10,-7,塑料、橡胶,金属氧化物粒子、抗静电剂,复印电极板、静电记录纸、感光纸、纺织材料、家用电器外壳、矿用电气用品,抗静电,10,-7,10,-4,塑料、弹性体,抗静电剂、炭黑,集成电路用搬运箱、包装袋、传送带、导电轮胎,弱导电,10,-4,10,-2,塑料、硅橡胶,炭黑,发热器件、高压电缆过渡层、导电薄膜、弹性电极、导线接点,导电性,10,-2,10,3,塑料、硅橡胶,金属纤维、银、铜、炭黑、石墨,电磁波屏蔽材料、导电涂层、导电胶、接线柱垫圈,材料科学与工程学院89复合型导电高分子材料的应用,材料科学与工程学院,90,五 导电高分子材料的应用,1.,半导体特性的应用发光二极管,利用导电高分子与金属线圈当电极，半导体高分子在中间，当两电极接上电源时，半导体高分子将会开始发光。比传统的灯泡,更节省能源而且产生较少的热,，具体应用包括,平面电视机屏幕、交通信息,标志等。,材料科学与工程学院90五 导电高分子材料的应,材料科学与工程学院,91,1920,年德国学者古登和波尔发现，某些物质加上电压后会发光。在两电极间施加一定电压后，电极间的薄膜材料发出一定颜色的光，这种直接将电能转化为光能的现象叫,光电效应，也叫（电）场致发光,。,电致发光聚合物,1990,年英国剑桥大学,Friend,小组首次报道聚苯亚乙烯（,polyphenylenevinylene, PPV,）聚合物在外加电压时可发出黄绿光，很快出现了研究聚合物发光二极管（,P,olymer,l,ight,e,mitting,d,iodes,PLED,）的热潮,材料科学与工程学院911920年德国学者古登和波,材料科学与工程学院,92,可以卷起来的显示器：聚合物发光二极管柔性显示器,材料科学与工程学院92可以卷起来的显示器：聚合物,材料科学与工程学院,93,2.,太阳能电池,-,半导体特性的应用,导电高分子可制成太阳电池，结构与发光二极管相近，但机制却相反，它是将光能转换成电能。,优势在于廉价的制备成本，迅速的制备工艺，,具有塑料的拉伸性、弹性和柔韧性,。,材料科学与工程学院932.太阳能电池-半导体,材料科学与工程学院,94,3.,二次电池,高分子掺杂态储存电能、脱掺杂过程中释放电能,全塑电池,输出电压,3V,、电池容量,3mA.h,，复充放电上千次。,材料科学与工程学院943.二次电池高分子掺杂态储,材料科学与工程学院,95,导电性可以在绝缘体、半导体、金属导体之间变化,不同的吸波性能,密度小,轻,加工性能,薄,稳定性较好,高温使用,4.,雷达隐身材料,材料科学与工程学院95 导电性可以在绝缘体、半,材料科学与工程学院,96,5.,生物传感器,葡萄糖传感器、尿素传感器、乳酸传感器、胆固醇传感器,材料科学与工程学院965.生物传感器葡萄糖传感器,材料科学与工程学院,97,6.,气体传感器,导电高分子与大气某些介质作用,-,电导率改变,除去介质,-,恢复。（掺杂,/,或脱掺杂过程）。,可用作选择性高、灵敏度高和重复性好的气体传感器。,材料科学与工程学院976.气体传感器导电高分子与,材料科学与工程学院,98,导电高分子材料的优越性,具有半导体及导体双重特性，可低温加工、可大面积化、,具有塑料的拉伸性、弹性和柔韧性,等，所以制作成本低，组件特性优越，对未来电子及信息工业将产生巨大影响。,导电高分子材料面临的挑战,综合电学性能与铜相比还有差距，理论上还沿用无机半导体理论和掺杂概念；导电聚合物的自构筑、自组装分子器件的研究也存在很多问题；加工性能和力学性能以及稳定性上也需要改进。,材料科学与工程学院98导电高分子材料的优越性导电,材料科学与工程学院,99,一 强电场作用下绝缘材料的破坏,在强电场中工作的绝缘材料，当所承受的电压超过一临界值,V,穿,时便丧失了绝缘性能而击穿，称为,电介质的击穿,。,材料所能承受的最大电场强度称为材料的,抗电强度（介电强度）,固体介质的击穿是不可逆过程,气体及液体介质的击穿是可逆过程,8.3,高聚物的电击穿,材料科学与工程学院99一 强电场作用下绝缘材料的,材料科学与工程学院,100,二 击穿形式,1.,电击穿,电过程，仅有电子参加,强电场作用下，原来处于热运动的少数自由电子将反电场方向定向运动，并撞击介质内离子产生电离,-,次级电子。大量电子形成雪崩，使贯穿介质的电流迅速增长，导致介质的击穿,2.,热击穿,电场下，由于各种损耗，部分电能变成热能，介质被加热，温度升高，介质烧裂、熔融而丧失绝缘性,3.,化学击穿,长期运行在高温、潮湿、高电压或腐蚀性环境发生老化丧失绝缘性,材料科学与工程学院100二 击穿形式1.电击穿,材料科学与工程学院,101,三 影响抗电强度的因素,1,温度的影响,（,1,）对电击穿影响不大,（,2,）对热击穿影响较大,（,3,）对化学击穿加快,2,频率的影响,频率对热击穿很大,击穿场强与频率的平方根成反比,3.,器件的大小和形状、散热条件都对击穿有影响,材料科学与工程学院101三 影响抗电强度的因素,材料科学与工程学院,102,8.4,高聚物的静电作用,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,任何两个物理状态不同的固体，只要其内部结构中电荷载体能量分布不同，接触（或摩擦）时就会在固固表面发生电荷再分配，使再分离后每一个固体都带有过量的正（或负）电荷，这种现象称,静电现象。,材料科学与工程学院1028.4 高聚物的静电作用,材料科学与工程学院,103,接触起电的机理与两种物质的电荷逸出功之差有关。,电荷逸出功,U,是指电子克服原子核的吸引从物质表面逸出所需的最小能量。,接触界面上的电荷转移量,Q,与两种物质的逸出功差,和接触面积,S,成正比。热力学平衡状态下，有：,材料科学与工程学院103接触起电的机理与两种物质,材料科学与工程学院,104,聚,合,物,逸出功,/ eV,聚,合,物,逸出功,/ eV,聚四氟乙烯,5.75,聚乙烯,4.90,聚三氟氯乙烯,5.30,聚碳酸酯,4.80,氯化聚乙烯,5.14,聚甲基丙烯酸甲酯,4.68,聚氯乙烯,5.13,聚乙酸乙烯酯,4.38,氯化聚醚,5.11,聚异丁烯,4.30,聚砜,4.95,尼龙,66,4.30,聚苯乙烯,4.90,聚氧化乙烯,3.95,几种聚合物材料的电荷逸出功,材料科学与工程学院104聚 合 物逸出功/ eV,材料科学与工程学院,105,其中任何两种聚合物接触时，电荷,逸出功,高的聚合物将带负电，小的带正电。高分子材料与金属接触时，界面上也发生类似的电荷转移。,尼龙,66,与不同金属摩擦，对逸出功大的金属，尼龙带正电；对逸出功小的金属，尼龙带负电。,聚合物与聚合物摩擦时，介电系数大的聚合物带正电，介电系数小的带负电。另外聚合物的摩擦起电顺序与其逸出功顺序也基本一致，逸出功高者一般带负电。,材料科学与工程学院105其中任何两种聚合物接触时,材料科学与工程学院,106,（二）静电的消除,常用的除静电方法有在聚合物表面喷涂抗静电剂或在聚合物内填加抗静电剂。,抗静电剂是一些具有两亲结构的表面活性剂，其分子结构通常为：,R,y,x,，分子一端,R,是亲油基，为,C,12,以上的烷基；另一端,x,是亲水基，如羟基、羧基、磺酸基等；,y,是连接基。,材料科学与工程学院106（二）静电的消除常用的除,材料科学与工程学院,107,加入抗静电剂的主要作用是提高聚合物表面电导性或体积电导性，使迅速放电，防止电荷积累。,根据制造复合型导电高分子材料的原理，在聚合物基体中填充导电填料如炭黑、金属粉、导电纤维等也同样能起到抗静电作用。,材料科学与工程学院107加入抗静电剂的主要作用是,