高聚物電絕緣材料
第八章
6.1 高聚物材料的電學性質
高聚物的電性能指標範圍極其寬廣,介電常數從稍大 於1到108或更高,電阻率的範圍超過20個數量級,
耐壓高達100萬伏以上。
6.1.1 高聚物的介電性質
聚合物材料在外電場作用下會發生極化。極化指材料 中的帶電粒子(包括束縛電荷及自由電荷),在電場作 用下作微小的相對位移。
聚合物的極化效應來於三方面:
(1)電子極化(αe):它是由於外電場作用下引起每ㄧ 個原子中的電子(或電子雲)相對於原子核發生位移。
(2) 原子極化(αa):它是由於外電場作用下,分子 或基團中的各原子核彼此間發生相對位移。
(3) 取向極化(αo):它是具有固有電偶極矩的極性 分子或基團沿外電場方向發生取向而引起極化。
介電損耗是交變電場與物質相互作用的電功率損 耗而變熱的表現。損耗因數有明顯的頻率依賴性,在 電場和介質相互作用強烈的頻率範圍內,會出現損耗 因數峰(又稱特徵”色散”峰或吸收峰)。
6.1.2 聚合物的介電鬆弛
對於極性聚合物電介質,在固定頻率下,偶極基團在 各個很窄的溫度範圍內可以發生不同的極化鬆弛過程 (對應不同的損耗吸收峰)。無定形區域中聚合物鏈本 身及鏈段的微布朗運動產生的鬆弛稱為α鬆弛,發生 的溫度一般稍高於玻璃化溫度Tg(依賴於電場頻率),
對應的色散稱為主色散。極性基團和側鏈或主鏈中個 別部份的運動或轉動產生的鬆弛稱為β鬆弛,對應的 色散稱為副色散,發生的溫度則在Tg以下。把對應更 低溫度下僅需很小能量就能發生的鬆弛稱為γ鬆弛 (如圖9.1)。
6.1.3影響聚合物介電性質的因素
聚合物的介電常數和介電損耗明顯地依賴於溫 度和頻率。聚合物中如果含有雜質或缺陷會產生介 面極化現象。介面極化ㄧ般在較低的頻率下發生(
103~103Hz)。極性雜質對聚合物的介電性質影 響很大。
6.1.4高聚物的導電性
物質按電導率的大小可分為絕緣體、半導體、導體和 超導體(如圖)。高聚物材料一般都是絕緣體。高聚物 中,存在電子電導,也存在離子電導,即導電載流子 可以是電子、空穴,也可以是正、負離子。
1.表面電阻率和體積電阻率:在高聚物的導電性表徵 中,有時需要分別表示高聚物表面和體內的不同導電 性,常常分別採用表面電阻率和體積電阻率來表示之
。
2.高聚物的導電性與分子結構的關係:飽和的非極性 高聚物具有最好的電絕緣性能,極性高聚物的電絕緣 性次之,共軛高聚物是半導體材料,由於π電子在共 軛體系內的非定域化,提供了大量的電子載流子,而 且,這些π電子在共軛體系內又有很高的遷移率,使 這類材料的電阻率大幅度降低。
3.影響導電性的其他因素:
(1)分子量:增加延長電子的分子內通道,電導率將 增加,對於離子電導則隨分子量的減少直到鏈端效 應使高聚物內部自由體積增加時,導電率將增加。
(2)結晶與取向:使高聚物的電導率下降,因為在這 些高聚物中,主要是離子電導,結晶與取向使分子 緊密堆砌,自由體積減少;但是對於電子電導的高 聚物,正好相反,結晶中分子的緊密整齊堆砌,有 利於分子間電子的傳遞,導電率將隨結晶度的增加 而升高。
(3)交聯:交聯使高分子鏈段的活動性降低,自由體 積減少,因而離子電導減少,電子電導則可能因子 間鍵橋為電子提供分子間的通道而增加。
(4)雜質:使絕緣高聚物的絕緣性能下降。因為對絕 緣高聚物來說,導電載流子大都來自外部,雜質對 其電導率的影響佔有十分重要的地位,尤其是”水分”
的影響。
(5)濕度影響:高聚物的導電性受溼度影響,還與高 聚物本身的極性和多孔性有關。
6.1.5 高聚物的電擊穿
任何電介質達到一定強度的電場作用下都將不能再以 穩定的形式承受電場,此時該電介質將失去原有的電 絕緣性能,而有很大的電流通過,甚至伴隨不可回復 的物理或化學破壞,稱為電擊穿。
電擊穿破壞現象往往經歷結構破壞的發生、發展和終 結幾個階段,而整個破壞過程是一極為快速的過程。
聚合物中存在的微量雜質或微小的缺陷對電擊穿試驗 的影響很大。
聚合物電介質的電擊穿大約可分為以下幾類:特 徵擊穿、熱擊穿、機械擊穿和放電擊穿。特徵擊穿是 材料在純淨無缺陷情況下所能承受不至於發生電擊穿 的最高電場強度。在電場作用下,電介質由電功率消 耗而發熱,聚合物的物理性能和電性能因升溫而明顯 變化,這種在電場和熱共同作用下導致的擊穿現象稱 為熱擊穿。影響熱擊穿的因素:樣品的幾何尺寸、導 熱性、比熱容、介電性能、環境的溫度和溼度、電壓 (或場強)增大的速率等。放電擊穿指介質表面、內部 微孔或縫細處,或者雜質附近局部放電而引起的電擊 穿破壞。
電擊穿過程通常伴隨著物理和化學效應,局部放 電的脈衝電流可以使材料變脆、機械強度變差、表面 變粗糙、出現凹坑並形成電樹支,大分子可能發生斷 鍵。在含氧氣氛下放電會產生臭氧,臭氧會進一步攻 擊鏈分子,離子和電子在強電場下被加速並轟擊介質 分子,引起介質的發熱和電老化。在聚合物受機械應 力時,電擊穿的發展和發生將更為容易。
6.1.6 高聚物的靜電現象
任何兩種物質,互相接觸或摩擦時,只要其內部結構 中電荷載體的能量分佈不同,在它們各自的表面就會 發生電荷再分配,重新分離之後,與每一種物質都將 帶有比其接觸或摩擦前過量的正(或負)電荷,這種現 象稱為靜電現象。
高聚物的帶電順序:
靜電的防止可以採用專門的靜電消除裝置,如靜電消 除刷、高壓電暈式靜電消除器、高能輻照、添加劑或 改性使聚合物材料具有抗靜電性能。高壓電暈式靜電 消除器則是利用尖端放電原理通過空氣電離來中和絕 緣體的表面靜電,在不允許出現電火花的場合,也可 以採用高能幅照使空氣電離來消靜電。抗靜電劑的作 用機理主要為:導電作用、電中和作用和平滑降低摩 擦作用。
聚合物之靜電現象已成功地應用在靜電複印和靜電記 錄上,如聚N-乙烯基哢坐(PNVC)和三硝基芴酮(TNF) 的電荷轉移絡合物等已被應用為靜電複印技術中的光 電板光感受劑;靜電粉末塗敷、靜電紡絲、靜電植絨 和靜電非織造布等都是靜電現象的一些實際應用。
6.2 高分子電氣絕緣材料
絕緣材料又稱電介質。它與導電材料相反。絕緣材料 在各電機、電器、開關、電線、電纜及無線電等裝置 中的主要作用是:
一、使導體跟其他部分互相絕緣
二、由它把不同電位的導體分隔開來 三、用來改善高壓電場中的電位梯度
四、由它保證電容器等電器達到所需要的電容量
6.2.1 絕緣材料的基本性能
絕緣材料的用途:將帶電的部份與不帶的部份或帶不 同電位的部份相互隔離開來,使電流能夠按著人們指 定的路線去流動。高分子絕緣材料的介電性能主要 有:
1.電擊穿強度 2.介電耗損
3.介質損耗角正切 4.介電常數
5.電阻
6.耐電弧性
絕緣材料的耐熱分級是以正常條件下所作用的各 種因素為基礎的,即絕緣材料使用的周圍環境溫度不 是長期處於最高值,環境條件一般是大氣中。
6.2.2 絕緣材料的分類
絕緣材料產品分為:大類、小類、品種、規格。
按應用或工藝特徵劃分的大類有:
1.塗料、樹脂和膠類 2.浸漬纖維製品類 3.層壓製品類
4.塑膠類
5.雲母製品類
6.薄膜、粘帶和複合製品類
6.2.3 不同的用途對高分子絕緣材料的要求
不同類型的電機、電器,對高分子絕緣材料的主要性 能要求如下:
(1)高壓電機:電擊穿強度要低,介質損耗要小。
(2)電力用低壓電機、電器:能承受個種形式的機械 負荷,並經九耐用。
(3)直流電機電器:
(4)電力用高壓電器:具有高的電擊穿、耐電弧及機 械強度。
(5)高頻電器:電擊穿強度高,介質損耗要小,介電 常數穩定。
(6)低頻電器:電擊穿強度高,介質損耗要小,介電 常數穩定。
(7)高、低壓電容器:介電常數較高,能產生大的電 容量。
(8)精密電工儀表:電阻要大。
(9)高壓電纜:絕緣體的電擊穿強度應高,介質損耗 要小。
(9)高壓絕緣子:應有足夠的抗拉、抗張強度,劣化 率應低。
6.3 薄膜電氣絕緣材料
高聚物薄膜是一種薄而軟的材料。用作絕緣材料的高 聚物薄膜品種有:
(1)聚乙烯 (2)聚酯
(3)聚氯乙烯 (4)聚苯乙烯
(5)聚四氟乙烯 (6)聚醯亞胺 (7)芳香聚醯胺 (8)聚丙烯
6.4電氣絕緣層壓材料 6.5電氣絕緣塗料
6.5.1電氣絕緣塗料的分類 電氣絕緣塗料的分類:
(1)浸漬塗料 (2)電磁線塗料 (3)覆蓋塗料
(4)醇酸樹脂塗料 (5)聚酯樹脂塗料
(6)雙酚A型和脂環族環氧樹脂塗料 (7)樹脂塗料有機矽樹脂
(8)聚醯亞氨樹脂