导电聚合物薄膜材料.ppt

导电聚合物薄膜材料的力学性能的常见研究方法 The mechanical behaviors of conducting polymer thin film measured with a traditional method,研究内容及方法/Contents and method,研究背景/Background 直接测量法/direct-measuring method 电子散斑干涉微测原理/ESPI 导电聚合物薄膜材料电化学制备工艺/the electrochemical working technology of the sampler 薄膜技术与讨论/The thin films technology and discussions 结论/Conclusions,研究背景/Background,研究背景/Background,导电高分子材料具有以下特点： 1)是多学科交叉、知识密集、技术密集、资金密集的一类新产业 2)它的设计、制备、质量控制及性能测试等方面，综合利用了现代先进技术。 3)它的生产规模小，但品种多，更新换代快，价格昂贵，技术保密性强属于难度较大的产业。,研究背景/Background,高分子材料通常被认为是一类导电性能差的绝缘材料。 20世纪70年以来，出现了具有导电性能的一些有机材料， 聚乙炔则是公认的第一个有机导电高分子。这一贡献主要 由日本科学家-白川英树和美国A.G. Macdiarmd 。他们 将聚乙炔的导电率从10-9 S/m提高到103 S/m。从半导 体变成了金属型导体（1971年）。 高分子导电机理：有离子传导理论，电子传导理论和 新近提出的孤子理论。,研究背景/Background,离子性导电高分子材料是含有某离子的固体（如聚 氧乙烯），他们能溶解某种无机盐，而且溶入的盐呈离 子状态。离子在电场作用下移动，产生电流。 高分子中物质的移动速度因高分子本身运动性能的 增加而增大因此，温度越高，这类高分子的导电率就越 大。而且，这类材料中一些离子浓度随湿度的增加而增 大，导电率也随湿度的增加而增大，所以这类材料可以 作湿敏传感器。,研究背景/Background,导电高分子材料的制备： 要想获得具有导电性的高分子材料，有以下两种方法： 1）使高分子本身具有导电性，这就是合成共轭体系的高 分子并适当掺杂。 2）把导电性的填充剂分散到高分子中，制成复合材料。 这类材料可以做到强度比金属高，更耐腐蚀，而且生 产过程耗能低，成型加工工艺良好，成本较低，所以发展 很快。特别是根据需要，通过分子设计进行试制和生产。,研究背景/Background,导电高分子的掺杂： 1）导电高分子的掺杂是指经过化学、电化学、物理和 光学的过程，使高分子链变成导电结构，即产生导电载 流子，并适当掺杂。 2）按与单体单元的摩尔比计算，掺杂剂的用量一般在百 分之几到百分之几十。 3）掺杂之后，掺杂剂残基嵌入高分子的分子链之间，起 到离子作用，但他们本身不参加导电。 4）掺杂后的高分子可以呈半导体性，也可以呈金属性， 取决于掺杂的程度。,研究背景/Background,导电高分子材料的用途： 导电高分子材料有多方面的用途，最主要的有： 1）可以进行氧化还原掺杂和去掺杂，并且可以通过电极 反应来实现，因此可以用来作充电电池的电极材料。 2）高分子在一定掺杂程度上呈现半导体性质，因而可以 制成二极或三极管。1986年日本用聚噻吩制成了场效应 管，其效率很高。 3）用于电致变色和显示。如聚吡咯等显示元件的开关时 间约为20s，开关寿命达到107次，接近液晶水平，可 以用全固体显示器，可能会实现显示技术的一大突破。,研究背景/Background,导电高分子材料的用途： 4）用于传感器和检测器。如聚呋喃湿度传感器，聚噻吩 电子射线测量计，聚吡咯NO,NO2,CO气体传感器等都 已问世。此外，导电高分子在电磁屏蔽和抗静电方面也 有实际的应用，尤其是隐形飞机的出现，也激发了导电 高分子作为微波或电磁波吸收材料的研究。,研究背景/Background,导电聚合物薄膜材料物理化学以及力学特点： （1）导电性从绝缘到接近金属材料整个范围内可以控制； （2）化学性能稳定，不易挥化； （3）具有金属铝的强度，韧性较好，形状固定，易剪裁； （4）可以制备成纳米管状的薄膜。,研究背景/Background,导电聚合物薄膜材料应用领域： （1）根据其导电特性多用于各种半导体装置 （如二极管、p-n结、信息储存、塑料传感器） （2）热、光、磁、电等敏感元件 （3）根据其特点：可以作为抗静电、防腐、隐 形涂层等 （4）根据其他特点：可以用作显像管、微波扫 描等。,研究背景/Background,研究现状： 目前对导电高分子的研究，国外有文章评价为：已经进入从青铜时代向高分子时代转型的新时期。(is in transition from the bronze age to the era of polymersG.Inzelt, et al.Electrochimica Acta 45 (2000) 2403-2421)。 研究重点主要集中在材料与器件的功能以及制备中出现的物理、化学特性，电化学反应控制、聚合链上多种相互作用的分子形成过程，分子聚合特性、材料微组织结构以及这些材料的物理、化学特性以及力学性能参数的检测。 但用电子散斑干涉技术精确测试材料的力学性能以及进行断裂分析的研究国内外尚未见报道。,导电聚噻吩薄膜材料的制备工艺/ Working technology of CPTF,材料的制备技术和工艺过程对材料的性能会产生巨大的影响, 因此，对制备技术和工艺过程的研究十分必要。,导电聚噻吩薄膜材料的制备工艺/ Working technology of CPTF,电极体系 聚合电位1.3V 三氟化硼乙醚体系 单体浓度30mmol/L,三电极电化学薄膜制备示意图,纳米管导电聚噻吩薄膜材料的制备工艺,电子散斑干涉微测原理/Micro-measuring method with the ESPI,电子散斑干涉（ESPI）技术是计算机图像处理技术、激光技术以及全息干涉技术相结合的一种新技术。 散斑是在相干照明的情况下在漫射式的反射或透射表面观察到的随机分布的具有“闪烁”颗粒状外貌的微小光斑，有亮散斑和暗散斑之分。激光的高相干性使散斑现象显而易见。实际上，散斑就是来自粗糙表面不同面积元的光波之间的自相干涉现象，因而它也是粗糙表面的某些信息的携带者。借助于散斑不仅可以研究粗糙表面本身，而且还可以研究其位置及形状的变化。,电子散斑干涉微测原理/Micro-measuring method with the ESPI,电子散斑干涉系统由光学干涉仪和信息处理系统组成。光学干涉仪形成原始散斑干涉场，由CCD探测器将其转换成标准视频信号输入到带图像卡的计算机进行图像处理，最后可以直接在屏幕上观察到与变形相关的干涉条纹。 实验系统主要包括: (1)外腔式激光器；(2)光束提升器；(3)渐变分光器；(4)过半球扩束镜；(5)分光棱镜；(6)全反射镜；(7)变焦镜；(8)CCD摄像头；(9)偏振片；(10)带图像卡的计算机；(11)试件等。 典型实验光路如图1所示:,电子散斑干涉微测原理/Micro-measuring method with the ESPI,实验方法: (1)按设定的实验光路布置好各光学元器件后，适当调整变焦镜，使被测试件成像清晰、大小适中； (2)通过CCD取得一幅像，然后加载使试件产生形变后取得第二幅像，利用图像卡，自动将这两幅像相减，最后可以直接在屏幕上观察到与变形相关的干涉条纹。,电子散斑干涉微测原理/Micro-measuring method with the ESPI,测量原理： 电子散斑干涉计量系统可直接显示等离面位移条纹以及等面内位移条纹，从而利用等位移条纹测出物的位移。 (1)测量离面位移，如图2所示； (2)测量面内位移，如图3所示。,电子散斑干涉微测原理/Micro-measuring method with the ESPI,设物体沿z方向(即沿与物面垂直方向)有位移Uz ，理论上证明，变形前后散斑的位相变化为： =2/Uz(1+cosi) 式中I为照射物面激光束的入射角。 当=2N时，变化前后的散斑图像完全相同。通过计算机图像处理将记录存储的变形前散斑图与变形后的散斑图相减，得到黑条纹位置，于是， Uz N/(1+cosi)。,电子散斑干涉微测原理/Micro-measuring method with the ESPI,设物体沿x方向产生位移Ux ，沿y方向产生位移Uy，沿z方向产生位移Uz ，则位移前后的程差改变为： l左=Uz cosi +Uxsini l右=Uz cosi Uxsini 这里l左 、l右分别表示 左、右两边入射激光束由于物体位移而产生的程差。这两支光束相对位相改变为： =2/(2Uxsini ) 如果=2N，则位移前后散斑图相减为0，形成黑纹。于是：UxN/(2sini ) 黑条纹就是沿x方向等面内位移分量的轨迹。,电子散斑干涉微测原理/Micro-measuring method with the ESPI,2.63N时测得的条纹图,3.53N时测得的条纹图,实验结果与讨论/The experimental results and discussions,3.71N时测得的条纹图,3.82N时测得的条纹图,实验结果与讨论/The experimental results and discussions,实验结果与讨论/The experimental results and discussions,实验结果与讨论/The experimental results and discussions,65微米厚度的聚噻吩薄膜断口图,实验结果与讨论/The experimental results and discussions,65微米厚度的聚噻吩薄膜断口图,实验结果与讨论/The experimental results and discussions,65微米厚度的聚噻吩薄膜断口图,实验结果与讨论/The experimental results and discussions,65微米厚度的聚噻吩薄膜断口放大图,实验结果与讨论/The experimental results and discussions,Mircocrack on the surface of film,实验结果与讨论/The experimental results and discussions,65微米厚度的薄膜自由表面裂纹图,实验结果与讨论/The experimental results and discussions,20微米厚度的薄膜与基底接触表面形貌图,实验结果与讨论/The experimental results and discussions,20微米聚噻吩管薄膜自由表面形貌图,实验结果与讨论/The experiment