Электрическая прочность, или прочность на пробой

Экспериментально установлено, что полимеры, не содержащие полярных примесей, обладают высокой электрической прочностью. Их пробивное напряжение при комнатной температуре находится в пределах 10⁶-10⁷ в/см, причем более высокие значения наблюдаются у полимеров, содержащих полярные группы. Пробивное напряжение данного полимера может оказаться значительно пониженным, если в материале имеется сорбированная влага или включения воздуха, ионизирующиеся в сильном электрическом поле.

Электропроводящие полимеры

Появились относительно недавно, перспективны.

Как известно, полимеры являются диэлектриками. Однако можно их сделать и проводниками. Они, в отличие от металлов, имеют высокую коррозионную стойкость, легкую обрабатываемость, малый удельный вес, эластичность, дешевизну и т.п. Для того, чтобы из диэлектрика сделать проводник используются два пути. После введения в полимер дисперсной электропроводной фазы, тем самым получается композит, в котором матрицей является полимер, а наполнителем - электропроводная добавка. Обычно используют один из видов технического углерода, чаще сажу. Трудности - плохая адгезия полимера и наполнителя. Значит трудно ввести достаточно много наполнителя, чтобы достичь высокой электропроводности. Характерное значение удельного электросопротивления при 20% содержании ацетиленовой сажи составляет 10² Ом·м.

Второй вариант электропроводящих полимеров заключается в модифицировании их структуры. Оказывается, если сделать полимер не из насыщенных углеводородов, а из ненасыщенных, то в таком полимере может быть электронная, либо дырочная электропроводность. Первым электропроводным полимером был полиацетилен, в котором чередуются одинарные и двойные связи в линейной молекуле полимера. Пока электрополимеры такого типа не вышли за пределы лабораторий. Но несомненно, у них есть будущее. В частном разговоре с создателем проводящих полимеров профессором Иошино из Японии я выяснил, что к настоящему времени (2002 год) достигнутые значения электропроводности составляют 100-1000 См/м, т.е. примерно на уровне графита.

Полимерные полупроводники и диэлектрики

По электрическим свойствам полимеры подразделяются на:

- диэлектрики;

- полупроводники;

- электропроводящие материалы.

Граница раздела между этими классами является весьма условной. Считается, что для диэлектриков характерны значения проводимости ниже 10-10 См/см. Полимеры с более высокой удельной электрической проводимостью относятся к классу полупроводников. При значениях проводимости, близких к проводимости металлов, т.е. свыше 1 См/см, полимеры можно назвать электропроводящими.

Полупроводниковые и электропроводящие полимеры получают следующими основными способами:

- введением в диэлектрическую полимерную матрицу проводящих компонент, наполнением;

- путем формирования сопряженных двойных связей в процессе полимеризации;

- путем создания полимерных комплексов с переносом заряда (КПЗ);

- высокотемпературной обработкой полимеров в вакууме - пиролизом;

- ионной имплантацией диэлектрических полимеров. Более подробно все данные способы описаны ниже.

Основными параметрами, характеризующими электропроводящие свойства полимерных материалов, являются удельное объемное ρv и удельное поверхностное ρs сопротивление, а также обратные величины - удельная объемная и поверхностная проводимость σv, σs. Единицы измерения - Ом∙м (Ом∙см) и См/м (См/см), соответственно.

Электропроводность полимерных полупроводников растет с температурой по экспоненциальному закону:

где σ0 - удельная электропроводность, T0 - характеристическая температура, m -показатель степени. Характеристическая температура определяется из, где N(EF) - плотность состояний на уровне Ферми, a - коэффициент, характеризующий распад локализованных состояний или размер области локализации электрона на дефекте, примесном атоме и т.п., k - постоянная Больцмана.

Параметром, показывающим, как и в каких пределах будет меняться сопротивление полимера с температурой является температурный коэффициент сопротивления рт или проводимости от. Данная величина измеряется в %/оС или 1/ оС и рассчитывается, как

Значение ρT в значительной степени зависит от области измеряемых температур. При комнатных температурах для большинства полимеров ρT≈1-3 %/оС, в области низких температур значение коэффициента может составлять

Следующей важной характеристикой электропроводящих свойств является подвижность носителей заряда μ. Величина μ в полупроводниковых полимерах обычно очень низка 10-3-10-1 см2(В-с)-1 и не может быть измерена методом эффекта Холла. Исключение составляют, например, пиролизованные полимеры, для которых значение подвижности может составлять 1-100 см (В-с)-1, а также наполненные полимеры, где величина подвижности в значительной степени определяется материалом наполнителя. В качестве наполнителей служат технический углерод (сажа), графит, мелкодисперсные частицы металлов или их окислов. Органические полупроводники обычно характеризуются магнитной проницаемостью, характерной для парамагнитных веществ.