《高分子物理》课程教学资源（PPT课件）第十章 聚合物的电学性能、热性能、光学性能以及表面与界面性能

第十章热性能、聚合物的电学性能、7光学性能以及表面与界面性能

第十章 聚合物的电学性能、热性能、 光学性能以及表面与界面性能

10.1聚合物的介电性能基本概念介绍：介电性能：聚合物在外电场作用下，由于分子极化将引起电能的贮存和损耗的性能压电性：在力场或者变化温度时产生电荷的现象焦电性：在力场或者变化温度时显示极化的现象

10.1 聚合物的介电性能 介电性能：聚合物在外电场作用下，由于分子极化将引起电 能的贮存和损耗的性能 压电性：在力场或者变化温度时产生电荷的现象 焦电性：在力场或者变化温度时显示极化的现象 基本概念介绍：

10.1聚合物的介电性能10.1.1介电极化极化：在外电场作用下，电介质分子或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、界面极化等电子极化：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核的位移原子极化：分子骨架在外电场作用下发生形变造成的取向极化：又称偶极极化，是具有永久偶极距的极性分子沿外场方向排列的现象界面极化：外电场作用下，电介质中的分子或离子在界面处堆积的结果

极化：在外电场作用下，电介质分子或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、界面极化等 10.1.1 介电极化 10.1 聚合物的介电性能 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 对原子核的位移. 原子极化：分子骨架在外电场作用下发生形变造成的. 取向极化：又称偶极极化，是具有永久偶极距的极性分子沿外 场方向排列的现象 界面极化：外电场作用下，电介质中的分子或离子在界面处堆 积的结果

10.1聚合物的介电性能10.1.2介电松驰松弛现象：实际体系对外场刺激响应的滞后现象的统称由于聚合物的粘滞力作用，偶极取向跟不上外电场变化，电位移失量迟后于施加电场，相位差为，即：D= D, cos(ot - S)= D, cos ot + D, sin ot式中D1一一电位移午量跟上施加电场的部分：D2一电位移矢量滞后于施加电场的部分。D, = D, cos SD, = D, sin S

10.1 聚合物的介电性能 10.1.2 介电松弛 松弛现象：实际体系对 外场刺激响应的滞后现象的统称. 由于聚合物的粘滞力作用，偶极取向跟不上外电场变化，电位 移矢量迟后于施加电场，相位差为δ，即： D D cos(t  ) D cost D sint = 0 − = 1 + 2 式中 D1——电位移矢量跟上施加电场的部分； D2——电位移矢量滞后于施加电场的部分。   sin cos 2 0 1 0 D D D D = =

10.1聚合物的介电性能DD88D,E实测的介电系数，代表体系的储电能力：式中 88损耗因子，代表体系的耗能部分通常，用耗电角正切tg表征聚合物介质耗能与储能之比，在不太高的温度范围内，取向作用占优势，介电系数随着温度升高而增加。当温度很高时，分子热运动加剧，促使偶极子解取向且这种解取向作用占优势，故介电系数将随着温度升高而缓慢下降

10.1 聚合物的介电性能 令 D1 — D2 ＝ '  D2 — E0 ＝ " ，  式中 '  —— 实测的介电系数，代表体系的储电能力； "  —— 损耗因子，代表体系的耗能部分。 通常，用耗电角正切 tg 表征聚合物介质耗能与储能之比， ➢ 在不太高的温度范围内，取向作用占优势，介电系数随 着温度升高而增加。 ➢ 当温度很高时，分子热运动加剧，促使偶极子解取向， 且这种解取向作用占优势，故介电系数将随着温度升高而 缓慢下降

10.1聚合物的介电性能10.1.3聚合物驻极体及热释电介驻极体：具有被冻结的长寿命（相对于观察时间而言）非平衡电矩的电介质的统称应用：聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯等聚合物超薄薄膜驻极体已广泛用作能量转换器件：并在空气净化、骨伤治疗、抗血栓等技术以及医疗领域显示了很大的潜力

10.1 聚合物的介电性能 10.1.3 聚合物驻极体及热释电介 驻极体:具有被冻结的长寿命（相对于观察时间而言）非平 衡电矩的电介质的统称 应用：聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯等聚合物超薄薄膜 驻极体已广泛用作能量转换器件；并在空气净化、骨伤治疗、 抗血栓等技术以及医疗领域显示了很大的潜力

10.1聚合物的介电性能10.1.4聚合物的电击穿聚合物击穿时的破坏机理有多种形式：如：电击穿、电机械击穿、热击穿、化学击穿、放电击等电击穿：当电场的强度达到某些临界数值（这对不同材料是不同的）时，载流子从外部电场所获得的能量大大超过它们与周围碰撞所损失的部分能量，将使被撞击的高分子链发生电离，产生新的载流子，如此继续，就会发生所谓的“雪崩”现象，以致电流急剧上升，聚合物发生击穿.这类击穿叫做电击穿

10.1 聚合物的介电性能 10.1.4 聚合物的电击穿 聚合物击穿时的破坏机理有多种形式： 如：电击穿、电机械击穿、热击穿、化学击穿、放电击等。 电击穿：当电场的强度达到某些临界数值（这对不同材 料是不同的）时，载流子从外部电场所获得的能量大大 超过它们与周围碰撞所损失的部分能量，将使被撞击的 高分子链发生电离，产生新的载流子，如此继续，就会 发生所谓的“雪崩”现象，以致电流急剧上升，聚合物 发生击穿.这类击穿叫做电击穿

10.1聚合物的介电性能10.1.5聚合物的静电现象静电：当这样两个固体互相接触或摩擦时，它们各自的表面就会发生电荷再分配，重新分离后，每一个固体都将带有比接触前过量的正（或负）电荷，这种现象称为静电为了消除或减少静电，通常可加入抗静电剂来提高材料的表面导电率，使带电的聚合物材料迅速放电以防止静电的积聚

10.1 聚合物的介电性能 10.1.5 聚合物的静电现象 静电：当这样两个固体互相接触或摩擦时，它们各自的表面 就会发生电荷再分配，重新分离后，每一个固体都将带有比 接触前过量的正（或负）电荷，这种现象称为静电。 为了消除或减少静电，通常可加入抗静电剂来提高材料的表面 导电率，使带电的聚合物材料迅速放电以防止静电的积聚

10.2聚合物的导电性能10.2.1聚合物的电导率S万G=SS=GDSD试样厚度：S试样面积g一一电导率，定义为单位电位下，流过1cm材料的电流，Q-1·m显然，电导率与试样的尺寸无关，而只决定于材料的性质

10.2 聚合物的导电性能 10.2.1 聚合物的电导率 S D  = G D——试样厚度； S——试样面积； σ——电导率，定义为单位电位下，流过1 材料的电流， D S G =  3 cm −1 −1 Ω m 显然，电导率与试样的尺寸无关，而只决定于材料的性质

10.2聚合物的导电性能10.2.2导电聚合物的结构与导电性（1）具有共轭双键的聚合物（一些具有共轭双键结构的有机小分子化合物如葱具有半导体的性质，这种共轭双键结构体系的半导体性能使与π电子的非定域化有关的具有共轭双键的聚合物常具有半导性其至导电性

10.2 聚合物的导电性能 10.2.2 导电聚合物的结构与导电性 （1）具有共轭双键的聚合物 ✓ 一些具有共轭双键结构的有机小分子化合物如蒽 具有半导体的性质，这种共轭双键结构体系的半导体 性能使与π电子的非定域化有关的. ✓ 具有共轭双键的聚合物常具有半导性甚至导电性