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影響高聚物介質(zhì)損耗的因素有哪些
高聚物的介質(zhì)損耗
電介質(zhì)在交變電場(chǎng)作用下,， 一部分電能轉(zhuǎn)化為熱能的消耗稱為介質(zhì)損耗,。
產(chǎn)生介質(zhì)損耗的原因有， ① 聚合物中所含的引發(fā)劑、增塑劑,、水分等雜質(zhì)產(chǎn)生漏導(dǎo)電流， 使部分電能轉(zhuǎn)化為熱能,， 稱為歐姆損耗,， 這是引起非極性聚合物介質(zhì)損耗的主要因素；② 由于內(nèi)摩擦阻力,， 偶極子轉(zhuǎn)動(dòng)取向滯后于交變電場(chǎng)的變化,， 偶極子受迫轉(zhuǎn)動(dòng)， 吸收部分電能轉(zhuǎn)化為熱能,， 這是偶極損耗,， 它的大小決定于偶極極化的松弛特性， 它是極性聚合物介質(zhì)損耗的主要原因,。
高聚物
影響高聚物介質(zhì)損耗的因素
1） 分子結(jié)構(gòu)的影響
決定高聚物介質(zhì)損耗大小的內(nèi)在原因,， 一個(gè)是高聚物極性的大小和極性基團(tuán)的密度； 另一個(gè)是極性基團(tuán)的可動(dòng)性,。
高聚物分子極性越大,， 極性基團(tuán)的密度越大， 則介質(zhì)損耗越大,。非極性高聚物tgδ 一般在10^-4數(shù)量級(jí),， 而極性高聚物的tgδ 一般在10^-2數(shù)量級(jí)。極性基團(tuán)在分子鏈中位置不同影響也不同時(shí),， 一般在側(cè)鏈上的極性基團(tuán)上較主鏈上的極性基團(tuán)活動(dòng)性大,， 影響也大些。部分高聚物的介質(zhì)損耗見下表,。
部分高聚物的介質(zhì)損耗
注： 橡膠為103 Hz 時(shí)的測(cè)定值,， 其余為50Hz 時(shí)的測(cè)定值,。
2） 頻率
在交變電場(chǎng)中， 這種極化產(chǎn)生的介質(zhì)損耗與頻率關(guān)系相當(dāng)復(fù)雜,， 理論分析得
從上式可見：
當(dāng)ω→0 時(shí),， 也就是低頻區(qū)域， ε′→ε0 （ε0： 直流電場(chǎng)中的介電常數(shù)）,， ε″→0,。即一切極化都有充分時(shí)間， 都跟得上電場(chǎng)的變化,。因而介電常數(shù)達(dá)到最大值,， 介質(zhì)損耗最小， 幾乎無(wú)損耗,。
當(dāng)ω→∞,， 也就是在光頻區(qū)域， 則ε′→ε∞ ,， ε″→0,， 由于頻率太高， 偶極子由于慣性,，來(lái)不及隨電場(chǎng)變化,， 只有電子極化和原子極化， 因而ε′不大,， 損耗也很小。
在介電常數(shù)變化較快的頻率范圍區(qū)域,， 也稱反常色散區(qū)域,， 對(duì)應(yīng)ε′變化最快的一點(diǎn)（ωτ =1）， ε″出現(xiàn)極大值：
溫度升高時(shí),， ε″極大值移向高頻,， 如下圖所示。
頻率對(duì)介電性能的影響t1 < t2 < t3
關(guān)于介質(zhì)在電場(chǎng)中極化討論知道,， 不同的極化所需要的時(shí)間長(zhǎng)短不同,。隨電場(chǎng)頻率的增加， 各種極化過(guò)程將在不同的頻率范圍內(nèi)先后出現(xiàn)跟不上電場(chǎng)變化的情況,， 因而使ε″出現(xiàn)一個(gè)極值,； 相應(yīng)地， 由于各種極化過(guò)程先后不能完一全進(jìn)行而對(duì)介電常數(shù)不再有貢獻(xiàn),， 因而ε′出現(xiàn)一個(gè)階梯形的降落,，如下圖所示：
ε′（t）， ε″（t） 與ω 的關(guān)系
3） 溫度
對(duì)于非極性高聚物,， 介電常數(shù)隨溫度上升,， 略有下降,， 如下圖所示。由于電子極化和原子極化均不受溫度的影響,。由于熱膨脹,， 單位體積的極化減少。因此,， 隨溫度上升,， 介電常數(shù)ε 略有下降。
非極性高聚物的ε'(t)ε″(t) 與t關(guān)系
對(duì)于極性高聚物,， 溫度升高,， 高聚物的黏度隨之改變， 因而介質(zhì)極化建立過(guò)程所需要的時(shí)間也起變化,。對(duì)于一個(gè)固定頻率,， 溫度太低時(shí)， 介質(zhì)黏度過(guò)大,， 極化過(guò)程建立太慢,， 甚至偶極轉(zhuǎn)向完一全跟不上電場(chǎng)的變化， 因此ε′小,， ε″也小,。隨著溫度的升高， 介質(zhì)的黏度減少,，偶極可以隨電場(chǎng)變化而轉(zhuǎn)向,， 但又不完一全跟得上， 因此ε′增大,， ε″也增大,； 當(dāng)溫度升高到足夠高后， 偶極轉(zhuǎn)向已完一全跟得上電場(chǎng)變化,， 因此ε′增至最大,， 而ε″變得小了。從下圖可以看出,， ε″在固定頻率上與溫度的關(guān)系,， 類似與在一定溫度下ε″與頻率的關(guān)系。
EVA 的ε′（t）,、ε″（t） 與t 的關(guān)系
溫度對(duì)取向極化有兩種相反的作用,， 一方面溫度升高， 分子間相互作用減弱,， 黏度下降,， 偶極轉(zhuǎn)向能夠進(jìn)行， 使極化加強(qiáng),； 另一方面,， 溫度升高了,， 分子熱運(yùn)動(dòng)加劇， 對(duì)偶級(jí)取向干擾增大,， 反而不利于偶極取向,， 使極化減弱。因而極性高聚物的介電常數(shù)隨溫度的變化,， 要視這兩個(gè)因素的消長(zhǎng)而定,。對(duì)一般高聚物來(lái)說(shuō)， 在溫度不太高時(shí),， 前者占主導(dǎo)地位,，因而溫度升高， 介電常數(shù)升高,， 到一定溫度后,， 后者影響超過(guò)前者， 介電常數(shù)隨溫度升高,，介電常數(shù)下降,。
此外， 造成介質(zhì)損耗的另一個(gè)因素是漏導(dǎo)電流隨溫度上升按指數(shù)規(guī)律增加,， 因此當(dāng)溫度足夠高時(shí),， 它就可能成為主要的損耗了。
4） 增塑劑
加入增塑劑,， 能使高聚物分子的活動(dòng)性增強(qiáng),， 使取向極化容易進(jìn)行， 相當(dāng)于溫度升高的效果,。在頻率不高時(shí),， 增塑劑加入使介質(zhì)損耗增加， 如下圖所示,。
增塑劑含量對(duì)PVC 的ε′， ε″的影響
注： 圖中數(shù)值代表PVC 中增塑劑的含量,。
如果增塑劑是極性分子,， 它不但增加了高分子鏈的活動(dòng)性， 使原來(lái)取向速度加快,， 同時(shí)引入了新的偶極損耗,， 使得介質(zhì)損耗增加更明顯。
5） 雜質(zhì)
導(dǎo)電性雜質(zhì)或極性雜質(zhì)的存在,， 會(huì)增加高聚物的漏導(dǎo)電流和極化率,， 因而使介質(zhì)損耗增大。特別是對(duì)于非極性高聚物來(lái)說(shuō),， 雜質(zhì)成了引起介質(zhì)損耗的主要原因,。理論上說(shuō),， 純凈的非極性高聚物的介質(zhì)損耗應(yīng)該幾乎是0 的， 但實(shí)際上幾乎所有的高聚物tgδ 都在10 ^- 4 以上,。例如,， 低壓聚乙烯， 由于殘存的引發(fā)劑,， 使介質(zhì)損耗增大,， 當(dāng)灰分含量從1. 9% 降至0. 03%時(shí)， tgδ 從14 ×10^- 4降至3 ×10^- 4,。有報(bào)道說(shuō),， 質(zhì)量濃度1 ×10 ^-3% 的極性雜質(zhì)， 其tgδ 已在10^- 4左右,。因此,， 為了得到介質(zhì)損耗特別小的高聚物， 必須謹(jǐn)慎選用各種添加劑,， 并在生產(chǎn),、加工和使用過(guò)程中， 避免帶入和注意消除雜質(zhì),。
水是一種最常見,， 能明顯增加介質(zhì)損耗的極性雜質(zhì)。它能以離子電導(dǎo)形式增加漏導(dǎo)電流,， 引起介質(zhì)損耗,； 另一方面， 它還可以以離子界面極化或偶極極化的形式增加介質(zhì)損耗和介電常數(shù),。例如,， 聚乙酸乙烯酯與聚氯乙烯在干燥的條件下， 介電性能相近,， 但由于聚乙酸乙烯酯吸濕性強(qiáng),， 介質(zhì)損耗增加， 因此它不像聚氯乙烯那樣廣泛應(yīng)用于電氣工業(yè),。
在電力電纜的絕緣材料中,， 往往要求介質(zhì)損耗盡量小， 否則一方面會(huì)消耗較高的電能,，另一方面還會(huì)引起材料發(fā)熱,， 加速絕緣材料的老化， 降低電纜使用壽命,， 所以在電力電纜中都使用介質(zhì)損耗小的聚乙烯,、聚氯乙烯、天然橡膠,、丁苯橡膠,、乙丙橡膠做絕緣材料,。
但在高頻焊接、高頻加熱方面,， 介質(zhì)損耗就非常有意義了,。