高聚物介电性能

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/dielectric property of polymer/

条目作者董建华

董建华

最后更新 2023-06-21

浏览 102次

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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。

英文名称: dielectric property of polymer

所属学科: 化学

电介质的性能可用介电常数（ $ε$ ）和介电损耗正切（ $\tanδ$ ）两个参数来表征。介电常数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：

$\frac{\varepsilon-1}{\varepsilon+2}·\frac{M}{d}=\frac{4}{3}\pi N_{\mathrm{A}}\alpha$ …（1）

式中 $M$ 为分子量； $d$ 为密度； $N_{\mathrm{A}}$ 为阿伏伽德罗常数。分子极化率包括电子极化率 $α_\mathrm{e}$ 和原子极化率 $α_\mathrm{a}$ ，并与极性电介质在直流电场时的静介电常数 $ε_0$ 和分子的有效偶极矩 $μ_\mathrm{e}$ 有关。

$\frac{\varepsilon-1}{\varepsilon+2}·\frac{M}{d}=\frac{4}{3}\pi N_{\mathrm{A}}\Big[(\alpha_{\mathrm{e}}+\alpha_{\mathrm{a}})+\frac{ {\mathop \mu}_{\mathrm{e}}^{2}}{3kT}\Big]$ …（2）

式（2）称德拜公式，式中 $k$ 为玻耳兹曼常数； $T$ 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： $α=n^2$ ，式中 $α$ 和 $n$ 应在同一频率下测量。极性高聚物由于偶极极化， $α$ 的实测值偏离 $n^2$ 较大。

介电损耗正切

也称介电损耗因子， $\tanδ$ 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 $\tanδ$ 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 $\tanδ$ 可小于1×10^-4，极性高聚物的 $\tanδ$ 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 $\tanδ$ 成正比，因此 $\tanδ$ 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 $\rm\varepsilon^{\ast}$ 来描述：

$\rm \varepsilon^{\ast}=\varepsilon^{\prime}-i\varepsilon^{\prime\prime}$ …（3）

式中 $\rm\varepsilon^{\prime}$ 为实数部分； $\rm\varepsilon^{\prime\prime}$ 为虚数部分。因此 $\tanδ=\frac{\varepsilon^{\prime\prime} }{\varepsilon^{\prime}}$ 。

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：

$\varepsilon^{\ast}(\omega)=\varepsilon_{\infty}+\frac{\varepsilon_{s}-\varepsilon_{\infty}}{1+i\omega\tau}$ …（4）

$\varepsilon^{\prime}(\omega)=\varepsilon_{\infty}+\frac{\varepsilon_{s}-\varepsilon_{\infty}}{1+i\omega^{2}\tau^{2}}$ …（5）

$\varepsilon^{\prime\prime}(\omega)=\varepsilon_{\infty}+\frac{\varepsilon_{s}-\varepsilon_{\infty}}{1+i\omega^{2}\tau^{2}}\omega\tau$ …（6）

式（4）（5）（6）中 $ε_∞$ 和 $ε_s$ 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：

$\tau=\tau_{0}e^{-E/RT}$ …（7）

式中 $τ_0$ 为常数； $E$ 为活化能； $R$ 为气体常数； $T$ 为绝对温度。

介电色散

由式（5）（6）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。