《高聚物的電學性質》課件

高聚物的電學性質高聚物的電學性質決定了它們在各種電子應用中的適用性，例如絕緣體、導體和半導體。電學性質受多種因素影響，包括聚合物結構、化學成分和形態(tài)。課程目標了解高聚物電學性質的基礎知識包括高聚物的分類、結構、極性、絕緣性、導電性和介電性能等基本概念。掌握高聚物電學性質與結構、組成之間的關系深入理解高聚物的電學性能如何受到其分子結構、化學組成、形態(tài)結構和外界環(huán)境等因素的影響。熟悉高聚物電學性能在實際應用中的重要意義了解高聚物電學性質在電子、電氣、通訊、航空航天等領域的重要應用和發(fā)展趨勢。培養(yǎng)學生對高聚物電學性質的興趣和研究能力鼓勵學生積極思考、深入學習，并能夠運用所學知識解決實際問題。高聚物的分類11.天然高聚物從自然界中直接獲得，例如蛋白質、淀粉、纖維素和橡膠。22.合成高聚物通過人工合成制備的，例如聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯。33.半合成高聚物在天然高聚物的基礎上進行化學改性得到的，例如人造纖維和人造橡膠。高聚物的分子結構高聚物的分子結構是指構成高聚物的重復單元的排列方式。高聚物的分子結構對高聚物的性能有很大的影響。例如，聚乙烯的分子結構為直鏈結構，因此聚乙烯具有高強度、高韌性、低熔點等特性。而聚丙烯的分子結構為支鏈結構，因此聚丙烯具有高強度、低韌性、高熔點等特性。高聚物的分子結構可以通過不同的方法來控制，例如，改變單體的種類、改變反應條件、改變反應時間等。高聚物的分子量分子量是高聚物的重要性質之一，它影響高聚物的物理和化學性質。高聚物的分子量通常用數(shù)均分子量（Mn）和重均分子量（Mw）來表示。數(shù)均分子量是所有分子質量的平均值，重均分子量是所有分子質量的平方和的平均值。高聚物的分子量分布是指不同分子量的高聚物分子在高聚物樣品中的比例。非晶態(tài)高聚物無序排列非晶態(tài)高聚物分子鏈無規(guī)則排列，沒有長程有序結構。鏈段運動由于分子鏈的無序排列，非晶態(tài)高聚物具有較大的自由體積，分子鏈段可以自由運動。玻璃態(tài)當溫度低于玻璃化轉變溫度時，非晶態(tài)高聚物處于玻璃態(tài)，分子鏈段運動受限。結晶態(tài)高聚物有序排列結晶態(tài)高聚物中的分子鏈以有序的方式排列，形成晶體結構。熔點較高由于分子鏈之間相互作用力較強，結晶態(tài)高聚物的熔點較高。機械性能優(yōu)異結晶態(tài)高聚物通常具有較高的強度、硬度和韌性。透明度低結晶態(tài)高聚物由于內(nèi)部結構有序，光線難以透過，因此透明度較低。高聚物的極性高聚物的極性取決于其組成單元的極性。極性單元的排列方式也會影響整體的極性。非極性高聚物極性高聚物聚乙烯聚氯乙烯聚丙烯聚酰胺高聚物的絕緣性高聚物因其優(yōu)異的絕緣性能而廣泛應用于電氣和電子領域，被譽為“電氣絕緣材料之王”。絕緣性能指的是材料阻止電流通過的能力，高聚物的絕緣性能主要取決于其分子結構和化學組成。10^15歐姆大多數(shù)高聚物具有極高的電阻率，通常大于10^15歐姆·厘米，遠高于金屬材料。10^16介電強度高聚物還擁有出色的介電強度，通常在10^16伏特/厘米以上，這意味著在高電壓下它們?nèi)阅鼙３纸^緣性能。10^-15導電率高聚物的導電率非常低，通常低于10^-15西門子/厘米，這意味著它們難以傳導電流。高聚物的導電性大多數(shù)聚合物都是絕緣體，但一些聚合物可以通過添加導電填料或通過化學改性來提高其導電性。導電聚合物通常用于電子器件，例如電極、傳感器和電容器。10^-12絕緣體電阻率極高，電流難以通過。10^-6半導體電阻率介于導體和絕緣體之間，電流可以通過，但受到溫度和摻雜影響。10^7導體電阻率很低，電流可以很容易地通過。高聚物的介電性能介電性能是指材料在電場作用下儲存電能的能力。高聚物作為絕緣材料，其介電性能至關重要，影響著電氣設備的可靠性和安全性。高聚物的介電性能主要由其極性、結構和溫度等因素決定。高聚物的電介常數(shù)電介常數(shù)材料在電場中儲存電能的能力高聚物由極性基團組成，具有較高的電介常數(shù)非極性高聚物電介常數(shù)較低影響因素溫度、頻率、濕度高聚物的電容性能電容是衡量電容器儲存電荷能力的指標，它與電介質的介電常數(shù)、電極面積和電極間距有關。高聚物的電容性能與其化學結構、極性、結晶度等因素有關，可以通過改變高聚物的分子結構來提高其電容性能。高聚物的電阻性能高聚物的電阻性能是指高聚物材料抵抗電流通過的能力。電阻率是衡量材料電阻能力的指標。高電阻率意味著高聚物是良好的絕緣體。低電阻率意味著高聚物是導電體。電阻性能受高聚物的化學結構、分子量、結晶度和溫度等因素影響。高聚物的擊穿電壓高聚物的擊穿電壓是指在電場作用下，高聚物材料發(fā)生電擊穿時的電壓值。擊穿電壓是衡量高聚物材料電氣性能的重要指標，它反映了高聚物材料抵抗高壓電場的能力。10^6伏典型高聚物擊穿電壓可達百萬伏。10^3兆歐高聚物具有很高的體積電阻率，可達千兆歐。10^-10安培高聚物具有極低的體積電導率，約為10^-10安培。高聚物的電離輻射電離輻射影響高能射線，如X射線和γ射線，會與高聚物分子相互作用。化學鍵斷裂電離輻射可能導致化學鍵斷裂，產(chǎn)生自由基，進而引起聚合物降解。交聯(lián)反應一些高聚物在電離輻射作用下會發(fā)生交聯(lián)反應，提高強度和耐熱性。高聚物的靜電荷摩擦起電高聚物表面與其他物質摩擦時，容易產(chǎn)生靜電荷。摩擦的強度、材料的性質、環(huán)境濕度等因素都會影響靜電荷的積累。電荷積累由于高聚物的絕緣性，靜電荷在表面不容易消散，導致電荷積累，形成靜電。靜電效應靜電荷會影響高聚物的表面性質，如吸附灰塵、產(chǎn)生電火花、影響電子元件等。高聚物的靜電吸附表面電荷高聚物表面積累靜電荷，導致靜電吸附現(xiàn)象。靜電荷通常由摩擦或接觸產(chǎn)生。塵埃吸附靜電荷吸引帶相反電荷的塵埃顆粒，導致高聚物表面吸附塵埃，影響其外觀和功能。吸附力靜電吸附力與靜電荷的大小和距離成正比，因此吸附力可以很大，導致高聚物表面積累大量塵埃。消除靜電防止靜電吸附可以通過增加高聚物表面電導率或使用抗靜電劑來消除靜電荷。高聚物的電荷移動11.離子遷移在高聚物中，離子可以沿著聚合物鏈移動，形成電流。這對于一些高聚物材料來說至關重要，例如電解質。22.電子躍遷當高聚物中的電子從一個能級躍遷到另一個能級時，可能會發(fā)生電荷移動。這與材料的電導率有關。33.電荷陷阱高聚物中存在著電荷陷阱，它們可以俘獲并固定電荷。這會影響材料的靜電性能和電導率。高聚物的電子傳輸電子傳輸機理電子在高聚物中的傳輸方式主要取決于聚合物的結構和性質，包括共軛體系、雜原子、缺陷以及摻雜等因素。電子可以沿著聚合物鏈的共軛體系進行傳輸，也可以通過分子間作用力實現(xiàn)電子傳輸。電子傳輸性質高聚物的電子傳輸性質決定了其在電子器件中的應用，如導電聚合物、有機發(fā)光二極管(OLED)和太陽能電池等。高聚物的電子傳輸性能通常由電子遷移率、電子壽命以及電子注入效率等參數(shù)來衡量。高聚物的電離能定義從高聚物分子中移除一個電子所需的最小能量。影響因素化學結構、官能團、分子鏈長度、溫度等。應用預測高聚物的電荷輸運、電子親和力、光電性能等。高聚物的電子親和力高聚物的電子親和力是指當一個電子從無限遠處被添加到高聚物分子中時所釋放的能量。電子親和力可以用來衡量高聚物對電子的吸引力，并反映其對電荷傳輸和電化學反應的敏感性。3.5eV典型的有機高聚物電子親和力范圍，例如聚乙烯。5.0eV具有強電子吸引力的高聚物，例如聚酰亞胺。1.5eV具有弱電子吸引力的高聚物，例如聚苯乙烯。高聚物的電子激發(fā)電子躍遷高聚物分子中的電子吸收光能，從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)。激發(fā)態(tài)壽命激發(fā)態(tài)電子回到基態(tài)所需時間，影響聚合物的光學性質。熒光和磷光激發(fā)態(tài)電子以光子的形式釋放能量，產(chǎn)生熒光和磷光現(xiàn)象。應用領域高聚物電子激發(fā)原理應用于光電器件、發(fā)光材料等。高聚物的電子躍遷能級躍遷高聚物分子中的電子可以從低能級躍遷到高能級，吸收能量并發(fā)生電子躍遷。光譜性質電子躍遷會影響高聚物的光譜性質，例如紫外可見光譜和熒光光譜。化學反應電子躍遷可以影響高聚物的化學反應，例如光化學反應和電化學反應。應用領域電子躍遷在光電器件、光伏器件、發(fā)光二極管等領域都有著重要的應用。高聚物的電子發(fā)射熱電子發(fā)射熱能賦予電子足夠的能量，使電子克服材料的逸出功而逃逸。場致發(fā)射強電場使電子獲得足夠能量，克服材料的逸出功而逃逸。光電發(fā)射光照射高聚物表面，電子吸收光子能量，克服材料的逸出功而逃逸。二次電子發(fā)射高能粒子撞擊高聚物表面，激發(fā)出二次電子。高聚物的光電效應光電效應是指當光照射在金屬表面時，電子從金屬表面逸出的現(xiàn)象。高聚物的光電效應是指當光照射在高聚物材料上時，電子從高聚物材料表面逸出的現(xiàn)象。高聚物的光電效應主要與高聚物的電子結構、能帶結構、光吸收性質等有關。高聚物的光電效應可以用于制造光電器件，例如光電探測器、太陽能電池等。高聚物的電光效應電光效應是指在電場作用下，高聚物的某些光學性質發(fā)生變化的現(xiàn)象。例如，液晶高聚物在電場作用下，其分子排列會發(fā)生改變，從而導致其折射率發(fā)生變化，進而改變光的偏振方向或強度。這種效應被廣泛應用于液晶顯示器等領域。電光效應是高聚物重要的電學性質之一，它為高聚物在光學器件、傳感技術等方面的應用開辟了新的途徑。隨著高聚物材料科學的發(fā)展，越來越多的高聚物材料被開發(fā)出來，其電光效應也得到了進一步的研究和應用。高聚物的電致變色電致變色是指材料在外加電場的作用下發(fā)生顏色變化的現(xiàn)象。一些高聚物材料具有電致變色性質，其顏色變化是由于電場誘導材料中電子結構的改變。電致變色高聚物在顯示器、智能窗、防偽等領域具有廣泛的應用前景。例如，電致變色智能窗可以根據(jù)外界光照強度自動調(diào)節(jié)透光率，提高能源利用效率。高聚物的電致發(fā)光電致發(fā)光是指在電場作用下，某些材料中的電子發(fā)生躍遷，并釋放