高聚物介電性能

表征電解質(zhì)極化的宏觀參數(shù)，它與分子極化率α之間的關(guān)系由克勞修斯－莫索提公式給出：式中Μ為分子量；d為密度；NA為阿伏伽德羅數(shù)。分子極化率包括電子極化率αe和原子極化率αa,并與極性電介質(zhì)在直流電場(chǎng)時(shí)的靜介電常數(shù)ε0和分子的有效偶極矩μe有關(guān)。

(1)

式(1)稱德拜公式,式中k為玻耳茲曼常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度。只有電子極化和原子極化的非極性高聚物可通過麥克斯韋關(guān)系用折射率n表示：ε=n2,式中ε和n應(yīng)在同一頻率下測(cè)量。極性高聚物由于偶極極化,ε的實(shí)測(cè)值偏離n2較大。

介電損耗正切 也稱介電損耗因子,tgδ是電介質(zhì)在交變電場(chǎng)中損耗能量與貯存能量之比。由于電介質(zhì)、基團(tuán)或偶極的取向運(yùn)動(dòng)存在著阻力，使得極化滯后于電場(chǎng)的變化，其滯后相角δ的正切tgδ正比于材料在交變電場(chǎng)中能量的損耗。高聚物是具有低介電常數(shù)和低介電損耗的優(yōu)良絕緣材料，非極性高聚物的tgδ可小于1×10-4，極性高聚物的tgδ為5×10-3～1×10-1。電介質(zhì)在交變電場(chǎng)中能量的損耗與交變電場(chǎng)的頻率f以及tgδ成正比,因此tgδ高的聚合物由于能將較多的電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?所以它適合于高頻焊接或高頻加熱，但不適合作高頻絕緣材料。

復(fù)數(shù)介電常數(shù) 在交變電場(chǎng)中的介電性能要用復(fù)數(shù)介電常數(shù)ε*來描述：

ε*=ε′－iε″

式中ε′為實(shí)數(shù)部分,ε″為虛數(shù)部分，因此。

介電性能與溫度 高聚物的介電性能有顯著的頻率和溫度依賴性。具有單一松弛時(shí)間的電介質(zhì)（實(shí)際上高聚物松弛時(shí)間分布很寬，是個(gè)譜）的介電性能的頻率依賴性由德拜色散方程給出：

(2)

(3)

(4)

式(2)、(3)、(4)中ε∞和εS分別為色散區(qū)兩側(cè)高頻和低頻區(qū)的介電常數(shù)，稱為未松弛和已松弛介電常數(shù)；ω為角頻率；τ為松弛時(shí)間。

高聚物介電性能與溫度的關(guān)系是通過松弛時(shí)間 τ與溫度的依賴性相聯(lián)系的，即：

式中τ0為常數(shù)；E為活化能;R為氣體常數(shù);T為絕對(duì)溫度。

介電色散 由式(3)、(4)可知,ε′和ε″為lgωτ的函數(shù),當(dāng)ωτ=1時(shí)，ε′發(fā)生驟變而ε″出現(xiàn)峰值,這種現(xiàn)象稱為介電色散。高分子介電色散是基團(tuán)和鏈段松弛過程的表現(xiàn)，因此，高聚物的介電性能溫度譜或頻率譜是研究高聚物轉(zhuǎn)變和松弛以及分子運(yùn)動(dòng)的重要方法之一。

在外加電場(chǎng)中只有束縛電荷作有限位移的材料稱電介質(zhì)，一般來說，高聚物都是電介質(zhì)。電介質(zhì)的性能可用介電常數(shù)和介電損耗正切 tgδ兩個(gè)參數(shù)來表征。介電常數(shù) ε是電容器中充滿該材料時(shí)的電容量與在真空時(shí)的電容量之比，真空的ε等于1，空氣的ε接近1，大多數(shù)非極性高聚物的ε為2左右，極性高聚物的ε為2～10。

高聚物的介電性能是指高聚物在電場(chǎng)作用下，表現(xiàn)出對(duì)靜電能的儲(chǔ)存和損耗的性質(zhì)，通常用介電常數(shù)和介電損耗來表示。

（1）介電極化

絕大多數(shù)高聚物是優(yōu)良的電絕緣體，有高的電阻率，低介電損耗、高的耐高頻性和高的擊穿強(qiáng)度。但在外電場(chǎng)作用下，或多或少會(huì)引起價(jià)電子或原子核的相對(duì)位移，造成了電荷的重新分布，稱為極化。主要有以下幾種極化：（1）電子極化，（2）原子極化，（3）偶極極化。前兩種產(chǎn)生的偶極矩稱誘導(dǎo)偶極矩，后一種為永久偶極矩的取向極化。

（2）介電損耗

聚合物在交變電場(chǎng)中取向極化時(shí)，伴隨著能量消耗，使介質(zhì)本身發(fā)熱，這種現(xiàn)象稱為聚合物的介電損耗。

常用復(fù)數(shù)介電常數(shù)來同時(shí)表示介電常數(shù)和介電損耗兩方面的性質(zhì)：

（3）影響介電性的因素

① 結(jié)構(gòu)

分子極性越大，一般來說 和 都增大。而其中 還對(duì)極性基團(tuán)的位置敏感，極性基團(tuán)活動(dòng)性大的（比如在側(cè)基上）， 較小。

交聯(lián)、取向或結(jié)晶使分子間作用力增加， 減少；支化減少分子間作用力， 增加。

② 頻率和溫度

與力學(xué)松弛相似

③ 外來物的影響

增塑劑的加入使體系黏度降低，有利于趨向極化，介電損耗峰移向低溫。極性增塑劑或?qū)щ娦噪s質(zhì)的存在會(huì)使 和都增大。

聚合物在作電工絕緣材料或電容器材料使用時(shí)，要求其介電損耗越小越好，相反在塑料高頻焊接或高頻“熱處理”等情況下，要求 大一些才好。2100433B

無機(jī)介質(zhì)材料表現(xiàn)出來的介電性能的應(yīng)用中，還涉及到介電常數(shù)、介電損耗因子和介電強(qiáng)度等。

介電常數(shù)又叫介質(zhì)常數(shù)、介電系數(shù)或電容率，它是表示絕緣能力特性的一個(gè)系數(shù)，以字母ε表示，單位為法/米

如果有高介電常數(shù)的材料放在電場(chǎng)中，場(chǎng)的強(qiáng)度會(huì)在電介質(zhì)內(nèi)有可觀的下降。

是指物質(zhì)分子中的束縛電荷(只能在分子線度范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)的電荷)對(duì)外加電場(chǎng)的響應(yīng)特性,它主要由相對(duì)介電常數(shù)εr'、相對(duì)介質(zhì)損耗因數(shù)εr〃、介質(zhì)損耗角正切tanδ和介質(zhì)等效阻抗等參數(shù)來表征。

油和水（純凈的水）都屬絕緣體。但純凈的水的介電性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于油。拿相對(duì)介電常數(shù)來講，水的介電常數(shù)是81，而變壓器油的在3-5之間。