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