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：聚合物在外电场的作用下，由于分子极化引起电能的储存和损耗的性质。表征方式介电常数介电损耗绝缘材料电容器材料压电材料热释电材料铁电材料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极化：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发生相应变化。极化类型电子极化原子极化取向极化界面极化价电子云相对原子核的位移聚合物及多组分聚合物的结构与介电性能电子极化极化过程：10-15~10-13s聚合物及多组分聚合物的结构与介电性能原子极化分子骨架在外电场下发生变形极化过程一般10-13s聚合物及多组分聚合物的结构与介电性能取向极化极性分子延外场方向排列极化过程一般10-9s聚合物及多组分聚合物的结构与介电性能界面极化产生于非均相介质界面处在外电场的作用下，电介质中的电子或离子在界面处堆积的结果。极化需时几分之一至几分钟，甚至更长。定义：含有电介质的电容器电容与相应真空电容器的电容比。真空的ε等于1，空气的ε接近1，大多数非极性高聚物的ε为2左右，极性高聚物的ε为2～10。（2.6～3.8）00000//QQQQQUQUQCCQ0Q介电常数介电损耗在交变电场中，电介质由于消耗部分电能而发热的现象。-itan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能量交换取向极化时，存在克服偶极子转向的粘滞阻力，消耗电能，转化为热能变形极化时，当电场频率与原子或电子的固有频率相同时，发生共振吸收介电损耗产生的原因电导损耗导电载流子产生导电电流消耗电能转化为热能偶极的取向极化聚合物名称tanδ*104聚合物名称tanδ*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tanδ(20℃，50Hz)聚合物及多组分聚合物的结构与介电性能聚合物的介电性能的影响因素结构频率与温度添加剂聚偏氟乙烯（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）极性：偶极取向极化对介电性质影响最大。极性越大，tanδ越大。1.分子结构15介电常数是宏观物理量,反映了电介质的极化能力,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作用越强,介电常数就越大。表1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类型分子偶极矩u范围介电常数ε范围非极性高分子u=02-2.3弱极性高分子0u0.5D2.3-3.0中等极性高分子0.5Du0.7D3.0-4.0强极性高分子u0.7D4.0-7.0•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段牵制，取向能力低，对介电常数影响小•高弹态：链段活动能力大，极性基团取向受链段牵制较小，对介电常数影响大。高弹态下，介电常数、损耗角大于玻璃态介电常数玻璃态高弹态聚氯乙烯3.515聚酰胺4.05.01.分子结构2.频率与温度ε∞εsε’ε”tanδlogω在研究尼龙610的介电性能的过程中发现，在100Hz时，介电常数和损耗因子随温度增加而迅速增大；而在1MHz时，介电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大后减小。[1][1]XP.,ZX.Y.[J].EuropeanPolymerJournal,2011,47(5):1031-1038.2.频率与温度改性BaTiO3/EPR复合材料的电性能BaTiO3粉末混合均匀冷压热压固化对BaTiO3进行表面处理环氧树脂1wt%KH550偶联剂和丙酮BaTiO3/EPR复合材料实验3.添加剂随着BaTiO3含量，电导率随着频率，电导率不同BaTiO3含量对BaTiO3-Epoxy复合材料的电导率随频率的变化电导率分析填料的加入，增加了陶瓷-聚合物界面区域，而界面区域的电导率大于单相本身的电导率不同BaTiO3含量对BaTiO3-Epoxy复合材料的介电损耗的影响介电损耗分析填充量过高，会使填料分散不均匀，增加其界面极化，因此介电损耗增加。★随着BaTiO3含量，介电损耗但是在体积含量低30vol%时，介电损耗小★随着频率,介电损耗高介电常数材料的应用1.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3.嵌入式微电容器4.人工肌肉和药物释放智能外衣材料高tanδ值材料的应用①高聚物的高频干燥②塑料薄膜高频焊接③大型高聚物制件的高频热处理应用方面RC=2ρε(4L2/P2+L2/T2)ρ:金属线电阻率,ε:线间绝缘层的介电常数,P:金属线间距离,L:连线长度,T:线的厚度低介电常数材料降低聚合物材料介电常数的方法①增加聚合物材料的自由体积含萘结构的芳基醚聚合物含萘结构的芳基醚聚合物有较大的萘结构侧基，能增加聚合物材料的自由体积，从而降低材料介电常数。ZES，NEWCHEMICALMATERIALS，2007，35(7):11.降低聚合物材料介电常数的方法赵春宝,绝缘材料，2010：33②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Berned,AdvMater,2002:1041③生成纳米微孔材料采用物理发泡制备微孔PI，当孔洞含鼠为40%时,IP的介电常数可降至1.7,同时膜的物理化学性能变化不大。