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(chēng)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(chēng)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(jiàn)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(jiàn)：

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(chēng)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(lèi)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(jiàn)， 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。