高聚物介电性能

在外加电场中只有束缚电荷作有限位移的材料称电介质,一般来说,高聚物都是电介质。电介质的性能可用介电常数和介电损耗正切 tgδ两个参数来表征。介电常数 ε是电容器中充满该材料时的电容量与在真空时的电容量之比,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。

介电常数

表征电解质极化的宏观参数,它与分子极化率α之间的关系由克劳修斯-莫索提公式给出:

公式 符号

式中Μ为分子量;d为密度;NA阿伏伽德罗数。分子极化率包括电子极化率αe和原子极化率αa,并与极性电介质在直流电场时的静介电常数ε0和分子的有效偶极矩μe有关。

公式 符号   (1)

式(1)称德拜公式,式中k玻耳兹曼常数;T为热力学温度。只有电子极化和原子极化的非极性高聚物可通过麦克斯韦关系用折射率n表示:ε=n2,式中ε和n应在同一频率下测量。极性高聚物由于偶极极化,ε的实测值偏离n2较大。

介电损耗正切

也称介电损耗因子,tgδ是电介质在交变电场中损耗能量与贮存能量之比。由于电介质、基团或偶极的取向运动存在着阻力,使得极化滞后于电场的变化,其滞后相角δ的正切tgδ正比于材料在交变电场中能量的损耗。高聚物是具有低介电常数和低介电损耗的优良绝缘材料,非极性高聚物的tgδ可小于1×10-4,极性高聚物的tgδ为5×10-3~1×10-1。电介质在交变电场中能量的损耗与交变电场的频率f以及tgδ成正比,因此tgδ高的聚合物由于能将较多的电能转变为热能,所以它适合于高频焊接或高频加热,但不适合作高频绝缘材料。

复数介电常数

在交变电场中的介电性能要用复数介电常数ε*来描述:

ε*=ε′-iε″

式中ε′为实数部分,ε″为虚数部分,因此公式 符号

介电性能与温度

高聚物的介电性能有显著的频率和温度依赖性。具有单一松弛时间的电介质(实际上高聚物松弛时间分布很宽,是个谱)的介电性能的频率依赖性由德拜色散方程给出:

公式 符号   (2)公式 符号   (3)公式 符号   (4)

式(2)、(3)、(4)中ε和εS分别为色散区两侧高频和低频区的介电常数,称为未松弛和已松弛介电常数;ω 为角频率;τ为松弛时间。

高聚物介电性能与温度的关系是通过松弛时间 τ与温度的依赖性相联系的,即:

公式 符号

式中τ0为常数;E活化能;R为气体常数;T为绝对温度。

介电色散

由式(3)、(4)可知,ε′和ε″为lgωτ的函数,当ωτ=1时,ε′发生骤变而ε″出现峰值,这种现象称为介电色散。高分子介电色散是基团和链段松弛过程的表现,因此,高聚物的介电性能温度谱或频率谱是研究高聚物转变和松弛以及分子运动的重要方法之一。