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介電常數與高聚物結構的關系

閱讀:785      發布時間:2024-12-3
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高聚物的極化現象

電介質在外加電場下發生極化的現象, 是其內部分子和原子的電荷在電場中運動的宏觀表現。要深入了解極化現象的本質, 必須在分子級的水平上去考察極化作用。

不管是極性高分子聚合物或是非極性高分子聚合物, 在正常不加電場情況下, 分子偶極取向是雜亂無章的, 宏觀上都呈現電中性。

在外加電場作用下, 其分子受外電場作用, 分子內電荷分布發生相應的改變, 導致分子的偶極距增大, 這種現象稱為極化。

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分子極化

高聚物的介電常數

如果在真空平行板電容器加上直流電壓U,在兩個極板上將產生一定量的電荷 Q。,這個真空電容器的電容 Co為

 Co=Qo/U


電容與所加電壓的大小無關, 而決定于電容器的幾何尺寸。如果電容器極板面積為S,而兩極板間的距離為d, 則

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比例系數ε0 為真空電容率, 在國際單位制中: ε0 =8. 85 ×10^-12F/ m。

如果在上述電容器的兩極板間充滿高聚物電介質, 這時極板上的電荷將增加到Q (Q =Q0 + Q′), 電容器里的電容C 比真空電容器增加了εr 倍:


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εr———相對介電常數(以下簡稱介電常數), 也稱相對電容率。

介電常數與高聚物結構的關系

介質極化決定于介電常數的大小, 而介質極化與介質的分子結構及所處的物理狀態有關。

從前面的討論可知, 介質的極化按其機理至少可分為電子極化、原子極化、偶極取向極化, 其中以偶極取向極化的貢獻最大, 而取向極化只有極性分子才能發生。因此碳氫化合物類的非極性高聚物, 如天然橡膠、聚苯乙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯只有電子極化、原子極化, 其介電常數較小, εr 在2 ~3 左右。極性高聚物如聚氯乙烯、有機玻璃、聚酯等, εr 在3 ~7范圍。而且極性基團在分子鏈中的位置不同, 對介電常數的影響也不同。一般說來, 主鏈上的極性基團活動性小, 它的取向需要隨主鏈的構象改變, 因而這種極性基團對介電常數影響較小; 而側基上的極性基團, 特別是柔性的極性側基, 因其活動性較大, 對介電常數影響較大。

顯然, 發生偶極取向運動時需要改變主鏈構象的極性基團, 包括在主鏈上的和與主鏈硬性連接的那些極性基因, 它們對高聚物介電常數的貢獻大小, 強烈地依賴于高聚物所處的物理狀態。在玻璃態下, 鏈段被凍結, 這類極性基團的取向運動有困難, 因而它們對高聚物的介電常數的貢獻很小; 而在高彈態時, 鏈段可以運動, 極性基團取向得以順利進行, 對介電常數貢獻也就大了, 這就不難解釋聚氯乙烯所含的極性基團密度幾乎比氯丁橡膠多一倍, 而室溫下介電常數后者是前者的三倍。可以預料, 那些主鏈上含有極性基因或極性基團與主鏈硬連接的聚合物, 當溫度提高到玻璃化溫度以上時, 其介電常數將大幅度提高, 如聚氯乙烯的介電常數將從3. 5 增加到15。

分子結構對介電常數也有很大影響, 對稱性越高, 介電常數越小, 對同一高聚物來說,全同立構的介電常數高, 間同立構介電常數低, 而無規立構介于兩者之間。

此外, 交聯、支化、拉伸等對介電常數也有影響。交聯結構使極性基因活動取向有困難, 因而降低了介電常數, 如酚醛塑料, 雖然極性很大, 但介電常數并不太高。拉伸使分子整齊排列, 從而增加分子間相互作用力, 但降低了極性基團的活動性, 而使介電常數減少,相反支化則使分子間的相互作用減弱, 因而使得介電常數升高。

絕緣材料的介電常數是決定通信電纜傳輸信號衰減的一個重要因素, 所以通信電纜的絕緣材料其介電常數越小越好, 通常采用介電常數小的聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯。而在電容器中, 則宜采用介電常數大的絕緣材料, 以提高電容量。

除此之外, 溫度、頻率對介電常數影響也大。下表給出了部分高聚物的介電常數:

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部分高聚物的介電常數

注: 橡膠為103 Hz 時的測定值, 其余為50Hz 時的測定值。

測試高聚物介電常數的儀器

北京航天偉創生產的LDJD系列介電常數及介質損耗測試儀,能夠測試高聚物的介電常數和介質損耗。

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LDJD-A介電常數及介質損耗測試儀


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