2. Полимерные диэлектрики.

Электропроводность полимерных диэлектриков в обычных условиях (умеренные напряжения, отсутствие ионизирующих излучений) имеет преимущественно ионный характер, хотя концентрация ионов в большинстве неполярных полимеров невелика (10^-6 – 10^-10 г/г полимера). Поэтому электропроводность полимеров, в первую очередь, связана с чистотой исходных мономеров, наличием остатков катализаторов, содержанием влаги. Например, _v полиамида при увеличении содержания влаги от 0,1 до 1% возрастает в 1000 раз. Введение пластификатора в полимеры также резко увеличивает их электропроводность за счет увеличения подвижности ионов. Введение даже небольшого количества посторонних ионов в неполярный полимер приводит к резкому возрастанию его электропроводности. Например, добавка 0,1% нитрата меди в ПС приводит к росту _v в 100 раз. При прочих равных условиях пониженной электропроводностью и низкой диэлектрической проницаемостью обладают полимеры с высокой температурой стеклования. Ионная проводимость полимерных диэлектриков снижается при их кристаллизации и ориентации, что также связано с уменьшением подвижности ионов низкомолекулярных примесей.

Введение наполнителей в полимерные материалы позволяет варьировать их электропроводность и диэлектрические свойства. Диэлектрическая проницаемость композиций с диэлектрическими наполнителями зависит от типа структуры смесей: либо это т.н. матричная структура с равномерным распределением частиц по всему объему, либо – статистическая с возможным образованием агрегатов частиц. Для композиций с матричной структурой сферических частиц с невысокой ^’ ее значения для композита можно рассчитать по формуле:

,

где ^’_М, ^’_Н и ^’_КМ – диэлектрическая проницаемость матрицы, наполнителя и композита. Для композитов со статистическим распределением частиц по объему зависимость ^’ от состава имеет более сложный характер:

,где А = 0,25[(2-3)_м^’ +(3-1)’_н]. Если значения ^’ наполнителя и матрицы различаются значительно, то этот показатель можно рассчитать по аддитивности логарифмов:

lg^э_КМ =  lg^'_Н + (1 - ) lg^’_М.

Для диэлектриков с волокнистыми и слоистыми наполнителями диэлектрическая проницаемость становится анизотропной. Если tg наполнителя и полимера достаточно мал (<<1), то диэлектрическая проницаемость композита в направлении, параллельном ориентации волокон, изменяется аддитивно составу: ^’_ = ^’_Н + (1-)^’_М, а в направлении, перпендикулярном ориентации, аддитивной является обратная величина. В целом, введение непроводящих наполнителей мало меняет электропроводность композитов. Диэлектрическая проницаемость меняется в большей степени, а значения tg , в основном, определяются свойствами матрицы.

3. Полимерные электреты и пьезоэлектрики. Полимерные электреты представляют собой полимерные диэлектрики, способные долго нахо­диться в наэлектризованном состоянии.Они применяют­ся в качестве источников постоянного электрического поля в различ­ных датчиках, электрометрах, в высоковольтных генераторах, дозимет­рах радиоактивности. Пленочные электреты используют в микрофонах, громкоговорителях, звукоснимателях. Можно использо­вать полимерные электреты как источники или аккумуляторы электри­ческой энергии для питания различных приборов в аварийных ситуа­циях. Заряды, находящиеся на поверхности электрета, могут быть созданы различными способами:

1) нагревом и охлаждением диэлект­рика в постоянном электрическом поле (термоэлектреты);

2) действием света (фотоэлектреты);

3) действием магнитного поля (магнитоэлектреты);

4) действием электрического поля высокой напряженности (электроэлектреты);

5) пучка заряженных частиц (радиоэлектреты);

6) коронного разряда в газовой среде (короноэлектреты);

7) за счет меха­нического воздействия (механоэлектреты);

8) трением (трибоэлектреты);

9) при полимеризации и отверждении связующих в электрическом поле (хемоэлектреты).

С течением времени поверхностный заряд на электретах уменьша­ется. Это связано с тепловой разориентацией диполей и с компенсацией зарядов за счет электропроводности полимера. Время жизни электрета, характеризующееся временем релаксации, т. е. уменьшением поверх­ностной плотности зарядов _э в е раз, при нормальных условиях хранения составляет 0,5—5 лет. Максимальная величина гетерозаряда, обусловленного дипольной ориентацией, Р_о связана с диэлектрической проницаемостью полимера соотношением где Е_п — напряженность поляризующего поля; S — площадь электрета; _о. _ст, _ — диэлектрическая проницаемость вакуума (8,85-10^-12 Ф/м) и электрета в статических условиях ( = 0) и при частоте    соответственно.

На полимерных пластинках из ПММА (термоэлектрет) толщиной 1—2 мм можно получить плотность заряда _э ⁼ (3-5) 10^-5 Кл/м², а на пленках толщиной 10 мкм из ПТФЭ, ПЭТФ, ПК (термо- и короноэ­лектреты) можно получить значения _э = 10³— 10⁴ Кл/м². Поверх­ностное напряжение на пленках из ПТФЭ за 120 сут снижается от исходного значения 200 В, не более чем на 20%. Во влажных условиях хранения релаксация зарядов на полимерных электретах существенно ускоряется, особенно для электретов на основе ПИ и ПЭТФ.

Для некоторых полимерных электретов характерно важное свойст­во — способность изменять величину и знак поверхностного заряда при механическом воздействии — нагружении (пьезоэффект) или при изменении температуры (пироэффект). Эти эффекты наблюдаются только в том случае, если электрет предварительно заряжен (поляризо­ван). Наибольшие по величине пьезоэффекты получают на тонких пленках ПВДФ и ПВХ. Пленочные термоэлектреты на основе ПВДФ и его сополимеров характеризуются пьезоэлектрическим коэффициен­том (10 - 20) - 10¹² Кл/Н, электреты на основе ПВХ имеют пьезоэлект­рический коэффициент почти на порядок ниже: 3-10 ¹² Кл/Н. Полимер­ные пьезоэлектрические материалы в сравнении с традиционными пьезокерамиками (цирконат-титанат свинца или титанат бария) харак­теризуются низкой плотностью, гибкостью, простотой изготовления, высокой пьезочувствительностью. Возможно получение полимерных композитов с пьезоэлектрическими свойствами за счет наполнения полимерной матрицы твердыми пьезоэлектриками.