中国聚合物论坛
blog.polymer.cn/
  • 主题:

  • [原创] 聚合物材料可靠性分析原理(19)

进入用户个人空间
  • shituo
  • 称号:童生 
  • 等级:
  • 问题分数:0
  • 回复次数:0
  • 发表于:2018-05-09 9:03:05

聚合物材料可靠性分析原理(19)

石拓•著

2.3.2介电性能

定义2.3.2.1放置在电场E中的聚合物材料,聚合物材料的高分子,仅有被束缚的离子或电子,作有限的位移。那么,称这种聚合物材料为电介质。

由定义2.3.2.1知,通常的聚合物材料都是电介质。因此,聚合物材料在电场力的作用下,既有贮存静电能(极化)的性质,即类似于力学中弹性应变,又有损耗电能(去极化)的性质,即似于力学中的塑性应变。聚合物材料的这些性质,被称为介电性能(dielectric properties)

聚合物材料的介电性能,包括了介电常数、介质损耗和介电强度等。

2.3.2.1介电常数

由实验可知,在一个电场强度为E1的稳态电场中,放入聚合物材料(介质)后,聚合物材料将产生极化(感应电荷),感应电荷的电场强度是ΔE。由于电场中的聚合物材料极化,使得原先的电场强度E1,变为了E2,E2 < E1 ,即:由于介质的存在,削弱了原有的电场强度E1。

根据能量守恒定律及电场强度的叠加原理,得(ⅰ):

E1= E2+ΔE              (ⅰ)

于是,从(ⅰ)得到(ⅱ):

ΔE=E1-E2               (ⅱ)

这就是说,原有电场E1削弱到E2,其中削弱的电场强度是ΔE,与此同时,这个被削弱的电场强度ΔE,成为了介质的电场强度。

因此,这就表明了,稳态电场中放入了介质,可以提高电容(贮存电能)。介质贮存的电能,与相对于在真空贮存的电能的之比,称为静介电常数(permittivity),简称介电常数,又称电容率、诱电率,用符号εr表示。

介电常数,是反映材料绝缘能力的特征参数。在高分子聚合物中,较小的介电常数,表明高分子链很少被极化。反之,大量极化。所以,极性聚合物。例如:有机玻璃(PMMA)、尼龙(PA)等,有较高的介电常数。

2.3.2.2介电强度

聚合物材料的介质特性,如绝缘性,介电性等,都是聚合物材料在电场E中,所表现出的性质。而电场有强有弱,电场的强弱,用电场强度来度量,单位:伏/米,符号为V/m。

实验表明,处在稳态电场中的聚合物材料,当稳态电场达到某一个值时,聚合物原有的介电(绝缘)状态,转变到导电状态。这就是所谓的“击穿”。因此有:

定义2.3.2.3.1聚合物材料在稳态电场中,被击穿时的电场强度。称为聚合物由介电态,转变到导电态的临界电场强度,也称为击穿电场强度,简称介电强度(dielectric strength)。又称绝缘强度,单位:kV/m或MV/m.

在自然界中,再好绝缘特性的介质材料,只要电场强度足够的大,总归会被击穿。但是,聚合物材料的介电强度是相当高的,所以是相当好的绝缘材料。

然而,聚合物材料的高介电强度,源自于高分子链的特殊结构。随之聚合物材料的老化,介电强度也将发生变化。所以,聚合物的介电强度,有其老化寿命。

2.3.2.3介质损耗

高分子聚合物材料作为一种介质,在交变(交流)电场中,产生感应电荷的电导与极化,有一个滞后。由于这个滞后,给介质内部感应电荷的能量,带来了一定的损耗。这个能量的损耗,通常被称为介质损耗(dielectric loss factor),又被称为介质损失。不同高分子结构的聚合物材料,有着不同的介电损耗。

一般认为,聚合物材料的介电损耗,与高分子链的极性有关,极性高分子比非极性高分子,有着更大的介电损耗。

聚合物的介电损耗,通常转变为热能。因此,介电损耗大的聚合物材料在高频电场中,更容易发热。利用这一特性,发明了高频热熔焊接技术。介电损耗小的聚合物材料,更适用绝缘材料。

(待续)