• 在高压下，大量的电能迅速地释放，使电极 之间的材料局部地被烧毁，这种现象就称为 介电击穿。
• dU／dI ＝0处的电压Ub称为击穿电压。 • 击穿电压是介质可承受电压的极限。
介电强度
介电强度的定义是击穿电压 Ub 与绝缘 体厚度 h 的比值，即材料能长期承受 的最大场强：
Eb = U b ／ h Eb就是介电强度，或称击穿场强
绝缘料的热稳定性能
(a)基础树脂
(b)接枝料
(c)交联料
（3）导热性
热量从物体的一个部分传到另一个部分或者从一个 物体传到另一个相接触的物体，从而使系统内各处 的温度相等，叫作热传导。 热导率λ是表征材料热传导能力大小的参数。 常用差示扫描量热仪（DSC）测聚合物的热导率。
介电损耗温度谱示意图
在这些图谱上，高聚物的介电损耗一般都出现 一个以上的极大值，分别对应于不同尺寸运动 单元的偶极子在电场中的松弛损耗。按照这些 损耗峰在图谱上出现的先后，在温度谱上从高 温到低温，在频率谱上从低频到高频，依次用 、、命名 。
三种聚乙烯的介电谱（100KHz）
两种聚四氟乙烯的介电谱（1KHz）
介电强度仪，意大利CEAST公司制造，用于测定在 工频下电绝缘材料的介电强度和击穿电压。
10.1.4
高聚物的导电性
材料的导电性是用电阻率 或电导率
来表示的。当试样加上直流电压U时，
如果流过试样的电流为 I，则按照欧姆
定律，试样的电阻R = U / I
试样的电阻与试样的厚度h成正比，与试样的 面积 S成反比 R = · h / S 比例常数 称为电阻率 对试样的电导有G = · S / h 比例常数 称为电导率 电阻率与电导率都不再与试样的尺寸有关，而 只决定于材料的性质，它们互为倒数，都可用 来表征材料的导电性。
（2）电介质在交变电场下的极化过程中，与电场发生能量交
换。取向极化过程是一个松弛过程，电场使偶极子转向时， 一部分电能损耗于克服介质的内粘滞阻力上，转化为热量， 发生松弛损耗；变形极化是一种弹性过程或谐振过程，当 电场的频率与原子或电子的固有振动频率相同时，发生共
振吸收，损耗电场能量最大。

高聚物的介电松弛谱
可以在亲水性绝缘体表面形成连续的水膜，加上空气中的 CO2和其他电离杂质的溶解，而大大提高表面导电性。 （2）纤维纺丝工序上油的措施 给纤维表面涂上一层具有吸湿性的油剂，它吸收空气中的
水分而增加纤维的导电性，达到去静电的效果。
（3）使用抗静电剂
它是一些阳离子或非离子型活性剂。通常用喷雾或 浸涂的办法涂布在高聚物表面，形成连续相，以提高 表面的导电性。有时为了延长作用的时间，可将其加 入塑料中，让它慢慢扩散到塑料表面而起作用。 （4）提高高聚物的体积电导率 最方便的方法是添加炭黑、金属细粉或导电纤维， 制成防静电橡皮或防静电塑料。
第十章
聚合物的电性能、热性能 和光学性能
10.1 聚合物的电性能
• 聚合物的电学性能是指聚合物在外加电 压或电场作用下的行为及其所表现出来 的各种物理现象。 • 在交变电场中的介电性能 • 在弱电场中的导电性能 • 在强电场中的击穿现象 • 在聚合物表面的静电现象
10.1.1
聚合物的极化和介电性能
应尽量避免在成型加工中引入杂质。
介电松弛谱
• 外电场强度越大，偶极ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ的取向度越大；温度越高，
分子热运动对偶极子的取向干扰越大，取向度越小。
• 对聚合物而言，取向极化的本质与小分子相同，但具
有不同运动单元的取向，从小的侧基到整个分子链。 • 完成取向极化所需的时间范围很宽，与力学松弛时间 谱类似，也具有一个时间谱，称作介电松弛谱。
tgδ=ε″/ε′
式中δ称介电损耗角，
tg称介电损耗正切。
tg 的物理意义是在每个交变电压周期中，介质 损耗的能量与储存能量之比。
tg 越小，表示能量损耗越小。
理想电容器（即真空电容器）tg =0，无能量损失。
'' tg，故也常用 表示材料介电损耗的大小。 正比于
影响聚合物介电性能的因素
• 实际体系对外场刺激响应的滞后统称为松弛现象。 • 在交变电场E = E0 cosωt（E0为交变电流峰值） 的作用下，电位移矢量也是时间的函数。由于聚合 物介质的粘滞力作用，偶极取向跟不上外电场变化， 电位移矢量迟后于施加电场，相位差为δ，通常，
用损耗角正切 tgδ表征聚合物电介质耗能与储能之
比，即
10.1.3
高聚物的介电击穿
前面是讨论高聚物在弱电场中的行为。
在强电场（ 107~108 伏 / 厘米）中，随
着电场强度进一步升高，电流～电压间的
关系已不再符合欧姆定律， dU ／ dI 逐渐
减小，电流比电压增大得更快。

介电击穿现象
• 当达到dU／dI ＝0时，即使维持电压不变， 电流仍然继续增大，材料突然从介电状态变 成导电状态。
2.2
2.24 2.25～2.35 2.30～2.35 2.4～5.0 2.45～3.10 2.45～4.75 2.58
2～3
12 2 2 40～300 1～ 3
聚氯乙烯
聚甲基丙烯 酸甲酯 聚甲醛 尼龙－6 尼龙－66 酚醛树酯 硝化纤维素
3.2～3.6
3.3～3.9 3.7 3.8 4.0 5.0～6.5 7.0～7.5 8.4
聚合物电介质在外电场中的极化 在外电场作用下，电介质分子中电荷分布发生变化，使材 料出现宏观偶极矩，这种现象称电介质的极化。 （电子极 化、原子极化、取向极化、界面极化）
感应极化
极化方式 取向极化
电子极化
• 电子极化是外电场作用下分子中各个原子或离 子的价电子云相对原子核的位移。
• 极化过程所需的时间极短，约为10-13~10-15s。 • 当除去电场时，位移立即恢复，无能量损耗， 所以也称可逆性极化或弹性极化。
常见聚合物的介电系数（60Hz）和介电损耗角正切
聚合物 聚四氟乙烯 四氯乙烯－六氟 丙烯共聚物

2.0 2.1
tg 104
＜2 ＜3
聚合物 聚碳酸酯 聚砜

2.97～3.71 3.14
tg 104
9 6～ 8
聚丙烯
聚三氟聚乙烯 低密度聚乙烯 高密度聚乙烯 ABS树酯 聚苯乙烯 高抗冲聚苯乙烯 聚苯醚
（1）分子结构的影响 高分子材料的介电性能首先与材料的极性有关。这 是因为在几种介质极化形式中，偶极子的取向极化 偶极矩最大，影响最显著。
分子偶极矩等于组成分子的各个化学键偶极矩（亦称键矩） 的矢量和。 对大分子而言，由于构象复杂，难以按构象求整个大分子 平均偶极矩，所以用单体单元偶极矩来衡量高分子极性。 按单体单元偶极矩的大小，聚合物分极性和非极性两类。
导电复合材料的微观形态
导电复合材料的微观形态
导电填料的微观形态
导电填料的微观形态
自限温发热材料断面的微观形貌
自限温发热材料断面的微观形貌
自限温加热带的研制
自限温加热带及专用料照片
加热器的研制
加热器照片
• 吸油管有效加热 • 密封、耐油 • 安装方便、牢固
安装组合加热器的油箱
自限温发热暖垫照片
（2） 温度和交变电场频率的影响
温度的影响
温度升高一方面使材料粘度下降，有利于极性基团取向， 另一方面又使分子布朗运动加剧，反而不利于取向。
聚氯乙烯的ε′和ε″的温度依赖性（曲线上的数字为增塑剂含量）
电场频率的影响 与材料的动态力学性能相似，高分子材料的介电性能也随 交变电场频率而变。 当电场频率较低时（ω→0，相当于高温），电子极化、原 子极化和取向极化都跟得上电场的变化，因此取向程度高， 介电系数大，介电损耗小（→0）。
70～200
400～600 40 100～400 140～600 600～1000 900～1200
20
聚偏氟乙烯
分子链活动能力对偶极子取向有重要影响。
例如在玻璃态下，链段运动被冻结，结构单元上极性基团 的取向受链段牵制，取向能力低；
而在高弹态时，链段活动能力大，极性基团取向时受链段 牵制较小，因此同一聚合物高弹态下的介电系数和介电损 耗要比玻璃态下大。 如聚氯乙烯的介电系数在玻璃态时为3.5，到高弹态增加 到约15，聚酰胺的介电系数玻璃态为4.0，到高弹态增加 到近50。 大分子交联也会妨碍极性基团取向，使介电系数降低。 典型例子是酚醛树脂，虽然这种聚合物极性很强，但交联 使其介电系数和介电损耗并不很高。 相反，支化结构会使大分子间相互作用力减弱，分子链活 动性增强，使介电系数增大。
一般认为偶极矩在 0 ～ 0.5D （德拜）范围内属非极性的， 偶极矩在0.5D以上属极性的。 聚乙烯分子中 C － H 键的偶极矩为 0.4D ，但由于分子对称， 键矩矢量和为零，故聚乙烯为非极性的。 聚四氟乙烯中虽然 C － F 键偶极矩较大（ 1.83D ），但 C － F 对称分布，键矩矢量和也为零，整个分子也是非极性的。 聚氯乙烯中 C－ Cl（ 2.05D）和 C－ H 键矩不同，不能相互 抵消，故分子是极性的。 非极性聚合物具有低介电系数（ ε 约为 2 ）和低介电损耗 （小于 104 ）； 极性聚合物具有较高的介电常数和介电损耗。
（3）杂质的影响
杂质对聚合物介电性能影响很大 ，尤其导电杂质和极性杂 质（如水份）会大大增加聚合物的导电电流和极化度，使 介电性能严重恶化。 对于非极性聚合物来说，杂质是引起介电损耗的主要原因。 如低压聚乙烯，当其灰分含量从1.9%降至0.03%时， tg
4 4 14 10 从 降至 3 10 。因此对介电性能要求高的聚合物，
体积电阻率是材料重要的电学性质之一 通常按照的大小，将材料分为导体、半导体和绝缘体三类：
v = 0～103 · cm ，导体
= 103 ～108 · cm ，半导体