[发明专利]塑料和其它材料的静电起电辅助的介电激活检测

说明书

发明背景

本发明涉及利用介电激活(电泳现象)检测塑料和其它材料，更具体地说，涉及通过检测对于受到机械束缚的反向介电电泳力的电动力学反应电流冲击，来检测特定的塑料、聚合物、以及其它有机和无机材料。

检测特定的聚合物和塑料(各种各样的聚合物并带有添加剂的掺合物和混合物)以及其它有机/无机材料，而不考虑存在有看不见的的插入结构、障碍或EMI信号，这种检测业已极广泛地用于各种各样的应用领域，例如，(a)在预装货的飞机、列车和汽车上的运输安全；(b)新的和旧的结构；(c)执法；(d)军事行动；(e)反入店行窃的保护措施；以及(f)其它的安全需要和工作。

介电电泳说明了作用在初始为电中性的的物质上的力和该初始为电中性的物质的机械行为，所述初始为电中性的的物质通过外部空间的非均匀电场的感应而介电极化带电。电场的空间非均匀性的严重性通过该电场的空间梯度(空间变化率)来度量。介电电泳的一个基本的工作原理是在某一点以及随着时间的推移在空间中、在空气或其它周围介质中所产生的力(或力矩)总是指向(或试图指向)相同的方向，主要是朝向局部电场的最大梯度(非均匀的)方向，而且这与电场(电压)的符号(+或-)和随时间的变化(DC或AC)以及周围介质的介电性质无关。

介电电泳力的大小显著且非线性地依赖于周围介质的介电极化率、初始为电中性的物质的介电极化率，并且非线性地依赖于电中性的物质的几何结构。这种依赖性通过固体物理学的极化率研究中众所周知的Clausius-Mossotti函数来表征。介电电泳力非线性地依赖于由目标所产生的、施加于局部的电场。介电电泳力依赖于在空间和时间的某一点处的目标的局部电场分布的平方(二次幂)的空间梯度，所述空间和时间的某一点处为检测器所处的位置。通过在检测器的上感应的极化电荷所产生的介电电泳力来测量局部电场的平方的空间梯度。这种寻求恒定方向的力的大小作为角位置(距目标固定的径向距离)的函数、和作为径向位置(处于固定的角位置)的函数、并作为“有效”介质极化率的函数是高度可变的。力的检测信号经过平方的局部电场的目标的空间梯度的独特的图形，同时检测器总是指出(试图指出)梯度图形的最大值的方向。所有的实验结果和介电电泳的方程都与基本电磁定律(麦克斯维方程)一致。

有五种已知的介电极化的模式。这些模式包括：由于所施加的外电场使得围绕原子核的电子分布稍微扭曲的、电子极化；由于所施加的外电场使得初始为电中性的物质中的原子分布稍微扭曲的、原子极化；由于所施加的外电场使得在极为特殊的聚合物等中高度非定域的电子或质子分布在几个分子重复单元上高度扭曲的、游离极化；使得柔顺地附在在材料的分子上的永久性的偶极子(H₂O、NO、HF)和可定向的未定的偶极基(-OH、-Cl、-CN、-NO₂)朝向具有特征时间恒量的外电场可旋转地排齐的、旋转极化(偶极和定向的)；以及由于小的电导率的差别而造成非均匀的介电界面累积电荷载体的、界面(空间电荷)极化。对于界面极化，所得到的、累积起来使得界面电荷中性化的空间电荷扭曲了具有特征时间恒量的外电场。

介电极化的头三种模式，电子极化、原子极化、和游离极化，都是在分子距离的尺度上的模式，并且，一施加外电场就即时出现，而且，在极高频率(红外和光学)时影响材料的介电常数。后面的两种极化模式，旋转极化和界面极化都是在分子和宏观距离尺度上的模式，并且随时间呈现动态变化，同时具有特征时间恒量，以便帮助提高高频介电常数，因为它随时间朝向零频率时的介电常数演变。这些特征材料时间恒量控制着材料的介电和机械特性曲线。

各种出版物中都讨论了那些极化模式和它们对介电常数的随时间的变化的作用的动力学，例如，H.A.Pohl的“介电电泳”(剑桥大学出版社(1978年))；R.Schil1er的“介电介质中的电子”(C.Ferradini，J.Gerin(eds.)，CRC出版社(1991年))；以及R.Schiller的“宏观摩擦和介电弛豫”(IEEE Transactionson Electical Insulation，24，199(1989))；还有那些众所周知的教科书，这里都引为参考。