1、聚合物及多組分聚合物的 結構與介電性能,聚合物及多組分聚合物的結構與介電性能,聚合物介電性：聚合物在外電場的作用下，由于分子極化引起電能的儲存和損耗的性質。,介電材料分類示意圖,聚合物及多組分聚合物的結構與介電性能,極化：在外電場的作用下，電介質分子或者其中 某些基團中電荷分布發(fā)生相應變化。,極 化 類 型,電子極化,原子極化,取向極化,界面極化,價電子云相對原子核的位移,聚合物及多組分聚合物的結構與介電性能,電子極化,極化過程：10-1510-13s,聚合物及多組分聚合物的結構與介電性能,原子極化,分子骨架在外電場下發(fā)生變形,極化過程一般 10-13s,聚合物及多組分聚合物的結構與介電性能,

2、取向極化,極性分子延外場方向排列,極化過程一般 10-9s,聚合物及多組分聚合物的結構與介電性能,界面極化,產生于非均相介質界面處,在外電場的作用下，電介質中的電子或離子在界面處堆積的結果。,極化需時幾分之一 至幾分鐘，甚至更長。,定義：含有電介質的電容器電容與相應真空電容器的電容比。真空的等于1，空氣的接近1，大多數非極性高聚物的為2左右，極性高聚物的為210。（2.6 3.8）,Q0,Q,介電常數,介電損耗,在交變電場中，電介質由于消耗部分電能而發(fā)熱的現象。,在交變電場中，介電常數可以寫成復數形式,介質損耗角正切,介電損耗產生的原因,電導損耗,偶極的取向極化,常見聚合物tan(20，50H

3、z),聚合物及多組分聚合物的結構與介電性能,聚合物的介電性能的影響因素,聚偏氟乙烯（PVDF）具有較高的介電常數。由于分子鏈中H原子與 F 原子的電負性不同，會在 PVDF 分子鏈中產生偶極矩。在外加電場的作用下，PVDF分子中正、負電荷中心發(fā)生分離，產生電偶極矩，發(fā)生取向極化。,（1）極性：偶極取向極化對介電性質影響最大。極性越大，tan越大。,1.分子結構,15,介電常數是宏觀物理量,反映了電介質的極化能力,大小由材料本身的性質決定。在外電場下電介質材料的極化作用越強,介電常數就越大。,表1 不同極性高分子材料的分子偶極矩和介電常數范圍,分子聚集態(tài)結構的影響： 玻璃態(tài)：鏈段運動被凍結，結構

4、單元上的極性基團取向受鏈段牽制，取向能力低，對介電常數影響小 高彈態(tài)：鏈段活動能力大，極性基團取向受鏈段牽制較小，對介電常數影響大。高彈態(tài)下，介電常數、損耗角大于玻璃態(tài),1.分子結構,2.頻率與溫度,在研究尼龍 610 的介電性能的過程中發(fā)現，在100Hz時，介電常數和損耗因子隨溫度增加而迅速增大；而在1MHz 時，介電常數隨溫度變大而變大的趨勢減弱，損耗因子隨溫度增大先增大后減小。1,1X P., Z X. Y.J. European Polymer Journal, 2011, 47(5): 1031-1038.,2.頻率與溫度,改性BaTiO3/EPR復合材料的電性能,BaTiO3粉末,

5、混合均勻,冷壓,熱壓固化,對BaTiO3進行表面處理,環(huán)氧樹脂,1wt%KH550偶聯劑和丙酮,BaTiO3/EPR復合材料,實驗,3.添加劑,隨著BaTiO3含量 ，電導率 隨著頻率 ，電導率,不同BaTiO3含量對BaTiO3-Epoxy 復合材料的電導率隨頻率的變化,電導率分析,填料的加入，增加了陶瓷-聚合物界面區(qū)域，而界面區(qū)域的電導率大于單相本身的電導率,不同BaTiO3 含量對BaTiO3-Epoxy 復合材料的 介電損耗的影響,介電損耗分析,填充量過高，會使填料分散不均勻，增加其界面極化，因此介電損耗增加。,隨著BaTiO3含量 ，介電損耗 但是在體積含量低30 vol% 時， 介

6、電損耗小 隨著頻率 ,介電損耗,高介電常數材料的應用,1.高儲能密度電容器的介電材料,2.高壓電纜均化電場的應力錐材料,3.嵌入式微電容器,4.人工肌肉和藥物釋放智能外衣材料,高tan值材料的應用, 高聚物的高頻干燥, 塑料薄膜高頻焊接,大型高聚物制件的高頻熱處理,應用方面,RC =2(4L2/ P2 +L2/ T2) :金屬線電阻率, :線間絕緣層的介電常數, P :金屬線間距離, L :連線長度, T :線的厚度,低介電常數材料,降低聚合物材料介電常數的方法, 增加聚合物材料的自由體積,含萘結構的芳基醚聚合物,含萘結構的芳基醚聚合物有較大的萘結構側基，能增加聚合物材料的自由體積，從而降低材料介電常數。,Z E S，NEW CHEMICAL MATERIALS，2007，35(7):11.,降低聚合物材料介電常數的方法,趙春寶,絕緣材料，2010：33,對稱氟取代,氟原子具有較強的電負性, 可以降低高分子的電子和離子的極化率, 達到降低高分子介電常數的目的。同時, 氟原子的引入降低了高分子鏈的規(guī)整性, 使得高分子鏈的堆砌更加不規(guī)則, 分子間空隙增大而降低介電常數。含氟聚酰亞胺材料的介電常數為2.3 2 .8.,降低聚合物材料介電常數的