《导电材料》PPT课件.ppt

第二章导电材料 电导率无限大 电导率 106s m 各种材料在室温下的电阻率 是电子元器件和集成电路中应用最广泛的一种材料 用来制造传输电能的电线电缆 传导电信息的导线 引线和布线 导电材料 良好的导电性能 根据使用目的不同 除了导电性外 有时还要求有足够的机械强度 耐磨 耐高温 抗氧化 耐蚀 高的热导率等 导电材料最主要的性质 常用导电材料 2 1金属导电材料2 2电极和电刷材料2 3厚膜导电材料2 4薄膜导电材料2 5复合材料导电材料 2 1金属导电材料 1定义 导电材料 指电流容易通过的材料 常用作电极 电刷 电线等 作为导电材料 希望其电阻率尽可能地小 10 6 m 但是 为了满足其他条件 例如机械强度 加工性 耐腐蚀性 经济性等 在许多情况也会使用电阻率较大的 2 1 1金属导电材料概论 2 导电材料的电气性质 导体的电阻率L 材料与长度A 断面积成反比 1 电阻与电阻率 2 电阻温度系数 导体的电阻随温度的变化而变化 温度为的电阻可表示为 RT RT1 1 aT1 T T1 RT1为在基准温度T1的电阻 aT1为在基准温度T1的电阻温度系数 IEC 国际电工委员会标准 规定 电阻率为1 7241 cm的标准软铜的电导率作为100 其他材料的电导率与之比较 以百分电导率表示 电导率大 易连接 较大的抗拉强度 易弯曲 容易加工成型 耐腐蚀 产量大 价格低等 3金属导电材料应具备的条件 常用的金属导电材料 铜 铝 铁 钨 锡等 铜 铝 铁主要用于制作导线或母线 钨的熔点较高 可用它制作灯丝 锡的熔点低 主要用作导线的接头焊料 其他良导体材料还有很多 如银 铬 镁 锌 锰 镍等 因为它们的蕴藏量少 价格高 故很少采用 1 温度温度 电阻 电导率 影响金属导电性的因素 温度 成分 2 成分杂质成份 导电性 2 1 2铜及铜合金 铜是最重要的导电金属 电阻很小 并且有很高的可锻性和延展性 以及良好的耐蚀性 铜分硬铜和软铜两种 硬铜 机械强度较高 常用于电车触滑线 架空电力线路用的裸铜线 配电装置用的母线和电机整流子片等 软铜 机械强度比硬铜低 常用作电线 电缆的线芯 由于纯金属的抗拉强度都比较低 所以在对抗拉强度要求高的场合 应采用热处理的金属或合金 为什么合金比纯金属的强度 硬度大 1形成固溶体产生晶格畸变 阻碍外力对材料引起的形变2金属间化合物形成 铜合金和纯铜相比 具有更好机械性能 其电导率比纯铜稍低 铜合金更加常用 铜 铬线 电话线 输电线 大直径架空线铜 镍 硅合金线 导电发条 高抗拉强度架空通讯线和无轨电车电缆线等 铜 铍合金线 轴承 弹簧 无轨电车和地铁电缆 特别适用于高湿场合 其缺点是铍的价格高 铝是仅次于铜电导率的金属 相对密度为铜的1 3 铝的储量比较丰富 近年来内由于铜产量的不足而作为铜的代替品被广泛应用 2 1 3铝及铝合金 铝 电导率为61 仅次于银 铜 金 相对密度为铜的1 3 它可以代替铜导线制成高压配电线 160kV以上用的钢丝增强铝电缆 合金增强铝线 全铝增强铝线等 国际上通用的硬铝线则主要用于送 配电线 它只能在90 以下连续使用 对于大容量高压输电导线要在150 下连续工作 需要含Zr 锆 等耐热铝合金 而变电所用的母线则要在200 下连续工作 必须使用超耐热铝合金 为了解决纯铝抗拉强度低的缺点 加入硅 铜 镁等热处理后获得相应合金 铝镁硅合金 铝锌镁合金 电极 是电容器的重要组成部分 它在电容器中起着形成电场 聚集电荷的作用 2 2电极和电刷材料 电容器 由两块正负电极和夹在中间的绝缘介质组成 主要原理充 放电 2 2 1电容器电极材料 应具有优良的导电性能 体积电阻率要小 具有良好的化学稳定性和抗腐蚀性 不易氧化 应有良好的机械性能 如不易变形 压延性和柔韧性要好 抗拉强度高 与电容器工艺匹配 密度小 热导率大 易于焊接 具有适当的熔点和沸点 材料来源广泛 价格便宜 电极材料应满足的性能 电极常用材料 铝材 铝的导电性能仅次于金 银和铜 是一种良好的导电材料 由于铝的面心立方晶格结构而富于延展性 具有优良的加工性 其机械强度良好 比重小 电于元器件中 铝被广泛用作电极和引线材料原因 铝箔电极成分 1铝箔 1杂质 主要是Fe Si CuFe 危害最大 它在铝中的溶解度极小 在室温下几乎不溶于Al 至共晶温度 655 达最大溶解度时也仅为004 Fe 在高纯铝中 极微量的Fe 如0 003 也常常发生原子的非平衡偏聚现象 从而阻碍立方织构的形成和发展 降低电容量 增加漏电流 因此 严格控制Fe在高纯铝箔中的含量及存在形态 影响铝箔电极性能的主要因素 Si Si在Al中的溶解度比较大 对铝性能的影响比较复杂 一般认为在高纯铝中Si的存在可加速Fe的体扩散 促使AlxFeySiz三元化合物的析出 有利于立方织构的形成和发展 Cu 少量Cu在高纯铝中处于偏聚态 Cu的标准电极电位比Fe Si的高 它强烈促进铝的坑道腐蚀 含适量的Cu可细化晶粒 提高铝箔的强度 铝箔制备工艺 高纯铝铸锭经600 左右均匀化处理后在540 热轧 热轧板分别经450 左右中间退火后 直接冷轧至0 1mm厚度 最后经成品退火获软态箔材 铝箔制造车间 铝箔 影响机械性能 晶粒粗大 强度下降研究方向 晶粒细化 2晶粒大小 化学性能稳定 铝金属化膜在大气中虽易氧化 但氧化后生成一层胶薄的氧化铝 成为大然保护层 防止继续氧化 另外对潮湿气氛不敏感 因此介质蒸上铝膜后可以在大气环境中储存 2铝膜 铝金属化膜作为电极具有的特性 铝膜的导电性能十分优良 具有自愈功能 由于疵点区域电极短路闪火 产生氧化作用 使短路部位形成氧化锌 从而对应的电极绝缘 铝的沸点高 临界温度高 易于沉积 工艺方法 1 蒸发 2 溅射包括 真空离子蒸发磁控溅射激光溅射等 铝金属化膜制备 真空中将高纯度铝加热气化 使表面组分以原子团或离子形式被蒸发出来蒸发并沉积在介质薄膜上 1 蒸发镀膜工艺 真空蒸发设备 优点 系统操作简单缺点 膜与基片间附着力小 2 溅射工艺 以一定能量的粒子 离子或中性原子 分子 轰击固体表面 使固体近表面的原子或分子获得足够大的能量而最终逸出固体表面的工艺 溅射只能在一定的真空状态下进行 真空溅射设备 溅射优点 1 能在低温下把高熔点的材料制成薄膜 2 淀积膜与基片的附着力强 3 避免了加热材料的沾污 提高了淀积膜的纯度 4 能在大面积上淀积厚度均匀的薄膜 5 采用反应溅射 可制取各种化合物淀积膜 6 能够控制膜的成分 制取各种不同成分和配比的薄膜 缺点 淀积速率较低 不能大批量生产 靶要预先制备 利用率不太高 磁控溅射工艺控制参数 基底温度 基底压强 工作压强 氮气流量 励磁电源 溅射时间 退火温度 薄膜溅射和蒸发淀积比较 1 溅射膜比蒸发淀积膜对基片有更强的附着力 这是由于溅射原子撞击基片时有很高的动能 2 溅射膜更致密 更均匀 3 导体 金属 合金 或非导体 介质 绝缘体 膜都可以淀积 4 沉积的速率 膜的厚度和膜的均匀性能更好地控制 金属化电容器用的电极材料 从试验得知 铜 银 镉 锌 铝 锡都可以采用 但镉和银价格昂贵 铜易氧化 所以在电容器制造中 作为金属化的材料广泛采用的只锌 锡 铝 2 2 2引出线 电子元件的引出线与印制电路板联接 形成整机的功能部件 整机的可靠件在很大程度上取决于引线的可靠性 电子元件引出线所用的导电材料 因基材成分 镀 涂 层种类 含杂量 厚度和生产工艺不同 各种引出线在机械性能 电件能 热性能 磁性能 耐蚀性和可焊性上各有不同 选用电子元件引出线时应具体考虑以下情况 引出线对电子元件本身的影响 如引出线的导电件 接触电阻 离子和分子的迁移 化学变化和电化学影响 引出线对电子元件密封性影响 如引出线与电子元件包封料的亲和性 引出线的热胀系数及其熔封性 是否适应电子元件生产工艺 如引出线是否适于清洗 烘干 对焊 机械设备的牵引打弯 是否适应高速连续生产等 引出线是否适应整机的工作环境 常用引出线 电工圆铜线镀锡铜线镀锡铜包钢线镀镍铁合金线0 2 1 2mm 直径镍线康铜线黄铜线铅黄铜线 2 2 3电刷材料 电位器 用于分压的可变电阻器 在裸露的电阻体上 紧压着一支两个可移金属触点 触点的位置确定电阻体任一端与触点的阻值 电刷 电位器中 电刷就是沿电阻体滑动的导电构件 也称接点或接触刷 具有良好物理性能 好的导电性 导热性 无磁性 要求电刷材料电阻率低 接触电阻小 良好的化学性能 耐蚀性 抗氧比性等 良好的力学性能 足够的硬度和抗疲劳强度 与电阻体的摩擦系数小 还应具有良好的加工工艺性 电刷材料的性能要求 常用电刷材料 2 3厚膜导电材料 厚膜 厚度几微米到数十微米 5um 50um 的膜层 一般采用丝网印刷技术制备 丝网印刷 将粘性的浆料漏印在丝网上 用刮板推动使其通过网孔将图形淀积到基片上 从而得到具有一定形状和厚度的电路图案 厚膜电路图案由掩膜图形决定 刮板 推动浆料的橡皮刮刀 它将力作用于浆料 使其通过丝网 精密丝网印刷机 上电极用掩膜板 丝网印刷工艺 包括 制造掩膜板和印刷 丝网印刷过程 丝网印刷的电路板 多层片式陶瓷电容器 厚膜工艺优点 厚膜工艺开发周期短 成本低 适合于大批量生产 应用不断扩大 2 3 1厚膜导电浆料的特性 1 电导率 要求电导率足够高 以便使得电压降落 发热等干扰减低到最小 2 附着力 确保焊接时与元器件在组装或使用时不会脱落 3 可焊性 必须具有良好的焊接或热压键合或者芯片共晶焊接的能力 4 兼容性 浆料必须能够与加工工艺和厚膜电阻和介质浆料的使用兼容 5 存储寿命 必须要有长的存储寿命 6 稳定性 在加工过程中浆料必须保持良好的稳定性 厚膜贵金属导体浆料目前主要有 1 单体浆料金 银 钯 铂都是良好的贵金属导电材料 金 理想的导体材料 不氧化 不与介质反应 导电率高 但是价格昂贵 不利于广泛使用 银 价格低 但可焊性差 一般不单独使用 2 3 2厚膜导电材料用贵金属浆料 2 合金浆料将两种或更多的金属按一定配方加在一起 制成一种合金浆料 改善性能 降低成本 是一种非常好的浆料制造技术 目前最常用的合金浆料是银 钯浆料 3 有机金属浆料用金 银 钯之类的金属和有机物构成有机金属浆料 具有胜过单体浆料和合金浆料的许多优点 不含粉末 印制性好 成本低 适用于大生产 耐蚀性好 可用丝网印刷和旋涂工艺 电子浆料在国内外的发展 目前国外研究生产电子浆料的公司很多 领袖当属美国杜邦 DuPont 公司 1802年创建 该公司无论是电子浆料的品种 规格 质量 生产规模 还是技术与开发实力无不居于世界先进地位 杜邦的子公司遍及全球 现可常年生产100多种金属粉末 200多种玻璃粉 800多种 杜邦公司创始人 皮埃尔 杜邦 80年代后 日本逐渐发展成世界上主要的浆料生产国 是唯一能与美国抗衡的浆料大国80年代后 在世界电子工业的带动下 国内电子浆料开始较快发展 尤以4310厂和昆明贵金属研究所的成绩引人注目 此外 大部分研制浆料的单位 由于技术水平和生产手段尚不够先进 还停留在实验室阶段 仅能自产自销部分品种 短期内无法形成批量生产规模 贵金属导电浆料成分 1贵金属或合金粉 80 2玻璃粉 15 3有机载体 5 导电银浆 1贵金属或合金粉 目前最常用的合金浆料是银 钯浆料 金属粉料 在浆料中含量很高 它是决定电极性能的主要因素 经高温烧结形成金属网络结构 实现导电功能 Ag电极Ag主要优点 Ag是导电性能最好的金属材料 价格也比其他贵金属低 电阻率低 氧化速度慢 而且银的氧化物也具有导电性 Ag主要缺点 银的电迁移现象严重 由于银的氧化物生成 使得Ag耐焊性变差 银电迁移 电流的传输将引起离子位移 Ag原子在导电电子的作用下 沿晶界边界向高电位端位移 结果 金属化中高电位处出现金属原子堆积 电位低处出现空洞 Ag Pd电极 Pd为20 左右 在Ag中加入一定量的Pd 制备的Ag Pd电极 Pd可有效地抑制Ag的迁移 银离子的扩散速度仅为纯银的几分之一 Ag Pd学性能稳定 并能在空气中烧成 其烧结温度对介质陶瓷的烧结要求不苛刻 但由于价格相对昂贵 目前除了在军事或其它尖端领域 Au电极Au的主要优点 没有电迁移现象 具有良好的稳定性和导电性 是高稳定贵金属材料中导电性能最好的导体 Au的主要缺点 附着强度低 可焊性差 Au难以与焊料正常结合 焊接时易溶于锡焊料 与锡会生成典型的脆性金属间化合物 使结合强度严重恶化 另外 价格昂贵 Au Pd电极可焊性也好 而且能与Pd Ag系电阻同时烧成 形成低噪声接触 电子浆料金属粉料特点 电子浆料的金属粉一般为微粉状 粒度一般在0 1um 10um范围内 常用制备方法 气相法 蒸发法 化学气相沉积法等液相法 沉淀法 水解法等 举例液相法 Pd Ag 2玻璃粉 含量一般较低 玻璃相自认的绝缘性会影响电极导电性 主要作用是将金属导电网络固定在陶瓷基片上 玻璃相又称粘结相 主要作用 1 在电极烧结温度下 流变性很好的玻璃能流过金属导电网络的细小空隙 使金属导电网络牢固地附着在基片上 2 玻璃相还具有调节烧结温度和成膜形态的作用 玻璃相多 烧结温度降低 玻璃相主要成分 PbO Bi2O3 B2O3 Bi2O3 CaO SrO CuO ZnO BaO PbO Bi2O3PbO Fe2O3 Bi2O3 PbO Bi2O3 GeO2 PbO Bi2O3 Ga2O3 玻璃粉制备 玻璃熔炼工艺曲线 3有机载体 主要作用 粘结和悬浮浆料中的金属粉和玻璃粉 调整浆料的粘度 流性 触变性等工艺性能 以便于浆料可以转印到基板上 形成所需图形 在烧结过程中有机载体将全部挥发和燃烧掉 不参加组膜 是生产工艺要求的临时性的粘合物 有机载体的组成 1 有机溶剂 松油纯 占80 溶解一些有机成分 2 增稠剂 乙基纤维素 网状或链状结构 增加浆料粘稠性和塑性 3 流动控制剂 硫酸铵 阻止浆料在烘干 烧结过程中温度升高使载体软化而产生的二次流动 4 表面活性剂 甲苯 乙醇等 降低载体与固体粉粒的表面张力 使有机载体能充分润湿固体 浆料具有合适的流动性 触变性 绝缘性等 有机载体制备 电子浆料的制备工艺 辊轧 是制备浆料非常重要的工序 滚轧过程中 由于巨大的剪切应力 使团状的浆料逐渐分散开 成为均一细腻的膏状浆料 浆料的检验 物理性能 粘度 固体含量 浆料外观等电性能 电阻 附着力 浸润性等 由于贵金属的昂贵及稀少 电极浆料成本几乎占整个元器件的一半以上 因此人们设法用贱金属代替贵金属 常见贱金属浆料 镍 铜和铝等 可降低20 的生产成本 70 以上的多层片式电容器使用贱金属材料 贱金属导体有许多优点 如可焊件好 无离子迁移等 但综合性能低于贵金属 2 3 3厚膜导电材料用贱金属浆料 MLCC多层电容器 多层电容器结构 镍浆料 具有良好的导电性 化学稳定性和可焊性 用纳米Ni粉为主导电相制成的Ni导电浆料丝网印刷性能良好 因此Ni导电浆料是一种比较理想的厚膜导电浆料 金属Ni熔点1453 要注意保证Ni金属微粒表面在高温灼烧条件下不被氧化 因此浆料烧结时 必须在惰性气体保护下进行 铜浆料 Cu金属具有比金更为优良的导电性 而且也没有Ag 迁移的缺陷 金属Cu熔点1083 在制备时要考虑Cu微粒可能会在高温灼烧的状态下发生氧化 所以烧结时 要注意气氛保护 铝浆料A1电极浆料的优点是价格便宜 电性能稳定 但是 A1浆电极的耐冲击电流较低 在较大的冲击电流下 在电极的接触处比较容易出现拉弧现象 严重的还会烧毁电极 因此 可以在Al电极上再烧渗一层Ag电极作为二次保护的措施 贱金属与贵金属电极多层电容器产量对比 2 3 4厚膜元件的干燥和烧结 一 厚膜元件的干燥干燥工艺 通过适当的加热从丝印完的浆料中去掉有机溶剂 形成具有一定强度的膜层 干燥在干燥炉中进行 干燥条件 温度 100 150 时间 10 20min 干燥炉 烧结 使固态颗粒粉被置于适当高的温度下时 通过高温使气孔排除 密度和机械强度大大提高的工艺过程 在厚膜电路中 烧结是十分重要的工序 在基板上干燥过的厚膜元件 必须经过烧结才具有电性能 二 厚膜元件的烧结 以Ag系电极的烧结为例 按照烧结过程中发生的物理化学变化 将烧结过程分成四个阶段 1 预热和燃烧阶段温度200 400 该阶段主要是有机粘结剂的挥发 分解 燃烧有机物或CO2 H2O 厚膜电极烧结过程 2 玻璃软化前阶段温度 400 600 3 电极烧成阶段温度 600 850 4 降温冷却阶段烧结后的电极在降温时 其中玻璃逐渐冷却硬化 在600 左右完全凝固 使膜结构固定 牢固附着在基板上 厚膜典型烧结曲线 烧结炉 2 3 4厚膜导电材料应用 厚膜导电材料 通过丝网印刷技术制备得到的厚度为几微米到数十微米的导电膜层 丝网印刷技术成本低 技术简单 适合大批量生产 但对膜的表面质量要求不是很严 在电子工业中 厚膜导电材料的作用是作为元件之间的互连线及作为电容的上下电极及外引线的焊区等 多层电容器 MLCC Multi layerCeramicCapacitor MLCC 2 4薄膜导电材料 随着混合微电子工业的快速发展 要求电子器件体积越来越小 功耗越来越低 这对膜的质量要求越来越高 因此逐渐发展出电子薄膜技术 一般认为薄膜的厚度在20nm 2um 和厚膜工艺相比 这种导电薄膜的膜质量好薄膜制备工艺 真空蒸发 磁控溅射 电子技术及其相关产业是薄膜科学技术发展的最主要的推动力 不论是传统的集成电路制造技术 还是近年来各种新型光电子器件的发展 都离不开薄膜科学技术的不断进步和及时应用 2 4 1薄膜导电材料的应用 在集成电路中 薄膜导体主要用于 电路内部元器件的互连线 薄膜电阻的端头电极 薄膜电容的电极 薄膜电感线圈 微带线 外贴元器件的焊区 外引线焊区等起着重要作用 对薄膜导电材料的主要要求是 导电性好 附着性好 化学稳定性高 可焊性和耐焊接性好 成本低 集成电路制造工艺 1集成电路制造技术 硅片 芯片中的金属层 硅集成电路的每一道工序都是在硅表面很薄的一层上进行的 平面工艺 薄膜工艺 ProcessFlow PhotoResist ThermalOx Nitride Epi Amorph Si NPoly PPoly N Si P Si PTEOS TiSi2 BPSG W Ti TiN Oxide SiON N Channel P Channel HDP p well n well P Substrate 0 01 0 02 cm n n p p Polyimide HPSACVDGapFill Metal 半导体薄膜 Si介质薄膜 SiO2 Si3N4 BPSG 金属导电薄膜 Al Cu W Ti 铝薄膜用途 铝薄膜用作电容器的电极 电阻器的端头 电感器螺旋导电带 多层布线 优点 导电性好 成膜工艺简单 无需用别的金属打底 与硅铝丝 金丝的可焊性好 成本低 由于它表面易氧化 有利于提高多层布线的层间绝缘性 缺点 抗电迁移能力较弱 与金形成脆性的金属间化合物 造成焊点脱开 影响元件和电路的可靠性 铝膜表面的氧化层给锡焊带来困难 铬薄膜和镍铬 金薄膜Cr和NiCr膜主要起粘附作用 Au膜主要起导电和焊接作用 2 4 2透明导电薄膜 透明导电薄膜 如果一种薄膜材料在可见光范围内 波长380一760nm 具有80 以上的透光率 而且导电性高 则成为透明导电薄膜 透明导电薄膜是指同时具有 透明 和 导电 两种功能 液晶显示器 LCD 触摸屏 太阳能电池 一般陶瓷晶体 如果具有比较大的禁带宽度 3eV 当可见光辐体晶体时 光能量不足以使其价带电子越过能隙 跃迁至导带 所以 不会发生光的吸收 晶体在可见光区内都应该是透明的 但是由于电子很难跃迁到空带 自由电子很少 导电性能很差 透明不导电 金属 导电性能好 但由于自由电子太多 对光线有强烈的吸收和散射作用 所以基本是不透明 导电不透明本征半导体材料 具有一定的导电性能 但是禁带宽度比较小 对可见光吸收比较严重 导电不透明 I 透射光强 I0 入射光强 R 反射率 吸收系数 s 散射系数 x 物体的厚度 透射光强度 应该没有或尽量减少气孔和晶界等这样的吸收中心和散射中心 同时还应是单相的 由均质晶体组成 并具有较高的光洁度 材料尽量薄 获得高的透光率方法 厚度 几十 几百纳米透明性 与玻璃接近导电性 与金属接近 透明导电薄膜性能要求 透明导电薄膜的种类及性质 金属的特点是具有良好的导电性 但透明度差 这主要是因为金属中自由电子多 对光的吸收太大 为了获得良好的透明性 导电性及良好的力学性能 一般采用介质膜 金属膜 介质膜的夹式结构 D M D Dielectric metal Dielectric 金属透明导电膜系 D M D 三明治 结构 多层膜中每层膜的作用各不相同 金属层 M 对薄膜的光电性能起决定作用 介质层 D 使得复合膜有高的可见光透过率和红外反射率 主要是氧化物 硫化物 氟化物透明导电薄膜 其中金属氧化物构成的透明导电材料 已经成为目前透明导电膜的主角 金属氧化物透明导电膜 在可见光区域有较高的透过率 80 在红外区域有较高的反射率 80 化学稳定性好 与各种基板附着力好 但也有电阻率大的缺陷 半导体透明导电膜系 半导体膜透光原理 一些金属氧化物半导体的Eg 3eV 而可见光 1 3 3eV 的能量不足以将价带中的电子激发到导带中 只有波长在350 400nm 紫外线 以下的光才可以 因此 电子在能带间迁移而产生的光吸收 在可见光范围中不会发生 故对可见光透明 半导体导电 通常的在制备这些金属氧化物时候 通过改变气氛使其结构上呈现金属过剩型 化学计量比偏离 从而导电性提高 不同制各技术透明导电薄膜性能对比 透明导电膜应用 作为电极材料 透明导电膜广泛应用于太阳能电池的透明电极 屏幕显示 热反射镜 透明表面发热器 柔性发光器件 塑料液晶显示器抗静电涂层等领域 太阳能电池 透明导电薄膜用作太阳能电池的透明电极 可以在很大程度上增加到达激活区的太阳辐射 提高电池在高能谱区的灵敏度 面发热体 由于通电后本身会发热 透明导电薄膜可以用作各种交通工具及建筑物窗口的防雾 冰和霜薄膜 除霜防雾车窗 保温 隔热 复合导电材料 是由不导电的聚合物与导电体 半导体 有机络合物和有机电解质等复合而成 它既有高分子材料的特性 又可在较大范围内调节材料的电学 力学及其它性能 成本低 易成型 目前已广泛应用于电子 能源 化工 宇航等领域 2 5复合导电材料 传统的高分子是以共价键相连的一些大分子 组成大分子的各个化学键是很稳定的 形成化学键的电子不能移动 分子中无很活泼的孤对电子或很活泼的成键电子 为电中性 所以高分子一直视为绝缘材料 为什么高分子材料一般是绝缘的 导电高分子材料从其制造方法的不同可分为结构型与复合型两大类 1结构型 又称为本征导电高分子材料 是指材料分子结构本身具有导电性能的高分子材料 2复合型 又称为导电高分子复合材料 是以高分子材料为基体 添加各种导电材料经混合分散成型而得到的具有导电特性的复合材料 高分子材料有可能导电吗 1974年日本化学家Shirakawa 白川英树 在合成聚乙炔的实验中 偶然地投入过量1000倍的催化剂 合成出令人兴奋的有铜色的顺式聚乙炔薄膜与银白色光泽的反式聚乙炔 有机高分子不能作为导电材料的概念被彻底改变 2 5 1导电高分子材料 1975年 美国化学家MacDiarmid 艾伦 马克迪尔米德 物理学家Heeger 艾伦 黑格 和日本化学家白川英树合作进行研究 他们发现当聚乙炔曝露于碘蒸气中进行掺杂氧化反应 doping 后 其电导率令人吃惊地达到3000S m 电阻率 电导率 是评价材料导电性的基本参数 世界上第一种导电聚合物 掺杂的聚乙炔 1977年 美国化学家MacDiarmid 艾伦 马克迪尔米德 物理学家Heeger 艾伦 黑格 和日本化学家Shirakawa 白川英树 因首次发现掺杂的聚乙炔具有金属的特性 获得2000年诺贝尔化学奖 美国物理学家Heeger 美国化学家MacDiarmid 日本化学家Shirakawa 聚噻吩 聚苯胺 聚对苯撑乙炔 聚吡咯 已知的电子导电聚合物 除早期发现的聚乙炔 其他的导电聚合物也多为芳香单环 多环 以及杂环的共聚或均聚物 导电高分子特征 有机聚合物成为导体的必要条件 有能使其内部某些电子或空穴具有跨键移动的共轨结构 电子导电型聚合物的共同结构特征 分子内具有大的共扼 电子体系 具有跨键移动能力的 价电子成为这一类导电聚合物的唯一载流子 3 纯净的或未 掺杂 的聚合物分子中各 键分子轨道之间还存在着一定的能级差 而在电场力作用下 电子在聚合物内