高分子材料的电学性能.ppt

第8章高分子材料的电学性能 材料科学与工程学院 2 高分子材料的电学性能 是指在外加电场作用下材料所表现出来的介电性能 导电性能 电击穿性质以及与其他材料接触 摩擦时所引起的表面静电性质等 高分子材料可以是绝缘体 半导体 导体和超导体 多数高分子材料具有卓越的电绝缘性能 其电阻率高 介电损耗小 电击穿强度高 导电高分子的研究和应用近年来取得突飞猛进的发展 材料科学与工程学院 3 本章内容 电学性能 主要包括导电性能和介电性能 本章讨论高分子材料的导电 介电机理及其影响因素 导电 介电性能参数的测定与应用 热电性能 高聚物的介电性能高聚物的导电性能与导电高分子材料高聚物的电击穿高聚物的静电作用 材料科学与工程学院 4 8 1高聚物的介电性能 高聚物在外电场作用下出现的对电能的储存和损耗的性质 称为介电性 用介电系数和介电损耗来表示 在外电场的作用下 电介质分子中电荷分布所发生的相应变化称为极化 极化决定了高聚物的介电行为 材料科学与工程学院 5 一 分子极化 分子极化 变形极化或诱导极化 电子极化 价电子云相对原子核的位移 原子极化 原子核之间的相对位移 取向极化 10 15 10 13s 10 13s以上 10 9s以上 界面极化 材料科学与工程学院 6 诱导偶极矩 d称为变形极化率 1和 2分别为电子极化率和原子极化率 材料科学与工程学院 7 取向极化 发生在具有永久偶极矩的极性分子中 材料科学与工程学院 8 非极性分子在外电场中只产生诱导偶极矩 极性分子产生的是诱导偶极矩和取向偶极矩之和 材料科学与工程学院 9 高分子链的偶极矩是整个分子链中所有偶极矩的矢量和 介质的极化度 材料科学与工程学院 10 二 介电系数 真空平板电容器的电容C0与施加在电容器上的直流电压V及极板上产生的电荷Q0 材料科学与工程学院 11 介电系数 含有电介质电容器的电容与该真空电容器的电容之比 介电系数反映了电介质储存电荷和电能的能力 可以通过测量电介质介电系数 求得分子极化率 材料科学与工程学院 12 非极性介质 摩尔折射率 对非极性高聚物也是适用的 联系着介质的电学性能和光学性能 材料科学与工程学院 13 Debye方程 极性电介质 非极性介质的摩尔极化强度与温度无关极性介质的摩尔极化强度随温度升高而减小 材料科学与工程学院 14 三 影响高聚物介电系数的因素 1 高聚物分子结构 分子极性越大 极化程度越大 介电系数越就越大 非极性聚合物 0D 2 0 2 3弱极性聚合物 00 7D 4 0 7 0 材料科学与工程学院 15 2 外加电场频率 低频电场中 介电系数就是静电场下的数值 0频率超过某一范围时 介电系数减小 高频电场下 最后只会发生电子极化 介电系数达到最小值 材料科学与工程学院 16 3 温度的影响 非极性高聚物的介电系数与温度关系不大 极性高聚物一般来说在温度不太高时 介电系数增加 到超过一定温度范围后 介电系数减小 材料科学与工程学院 17 三 介电损耗 电介质在交变电场中极化时 会因极化方向的变化而损耗部分能量而发热 称介电损耗 电导损耗 电介质所含的微量导电载流子在电场作用下流动时 因克服电阻所消耗的电能 极化损耗 由于分子偶极子的取向极化造成的 非极性聚合物 电导损耗是主要的 极性聚合物 其主要部分为极化损耗 材料科学与工程学院 18 只有当电场变化速度与微观运动单元的本征极化速度相当时 介电损耗才较大 材料科学与工程学院 19 真空电容器 电介质电容器 材料科学与工程学院 20 复介电系数 为实数部分 即试验测得的介电系数 为虚数部分 称为损耗因子 纯电容 的电流 纯电阻 的电流 材料科学与工程学院 21 用 电阻 电流与 电容 电流之比表征介质的介电损耗 tan 称介电损耗正切 tan 的物理意义是在每个交变电压周期中 介质损耗的能量与储存能量之比 tan 越小 表示能量损耗越小 表示材料介电损耗的大小 材料科学与工程学院 22 影响聚合物介电性能的因素 1 高聚物的分子结构 高分子材料的介电性能首先与材料的极性有关 非极性聚合物具有低介电系数 约为2 和低介电损耗 tg 10 4 极性聚合物具有较高的介电常数和介电损耗 同一聚合物高弹态下的介电系数和介电损耗要比玻璃态下大 材料科学与工程学院 23 大分子交联会妨碍极性基团取向 使介电系数降低 支化结构会使大分子间相互作用力减弱 分子链活动性增强 使介电系数增大 结晶高聚物在低于熔点温度下 介电系数和介电损耗都随结晶度的提高而下降 材料科学与工程学院 24 2 温度和交变电场频率的影响 材料科学与工程学院 25 电场频率的影响 当电场频率较低时 0 相当于高温 电子极化 原子极化和取向极化都跟得上电场的变化 因此取向程度高 介电系数大 介电损耗小 0 材料科学与工程学院 26 温度升高一方面使材料粘度下降 有利于极性基团取向 另一方面又使分子布朗运动加剧 反而不利于取向 材料科学与工程学院 27 3 增塑剂 加入增塑剂可以降低高聚物的粘度 促进偶极子取向 它与升高温度有相同的效果 材料科学与工程学院 28 4 杂质的影响 非极性聚合物来说 杂质是引起介电损耗的主要原因 5 孔隙和空洞 在要求介电系数和介电损耗很小的构件中 常采用蜂窝或泡沫结构 导电杂质和极性杂质 如水份 会大大增加聚合物的导电电流和极化度 使介电性能严重恶化 材料科学与工程学院 29 四 高聚物的介电松弛谱 如果在宽阔的频率或温度范围内测量高分子材料的介电损耗 可以在不同的频率或温度区间观察到多个损耗峰 构成介电松弛谱图 根据时 温等效原理 介电松弛谱通常是固定频率下 通过改变温度测得的 对于结晶和非晶聚合物 其介电松弛谱图形不同 材料科学与工程学院 30 对于极性玻璃态聚合物 介电松弛谱一般有两个损耗峰 一是高温区的 峰 一是低温区的 峰 聚丙烯酸甲酯 a 和聚氯乙烯 b 的介电松弛谱图 材料科学与工程学院 31 对于结晶态聚合物 介电松弛谱一般有 三个损耗峰 峰反映了晶区的分子运动 峰与非晶区的链段运动有关 峰可能与侧基旋转或主链的曲轴运动相关 聚偏氟乙烯的介电松弛谱图 材料科学与工程学院 32 五 高聚物驻极体和热释电性 具有被冻结的长寿命 相对于观察时间而言 非平衡电矩的电介质统称为驻极体 1 热驻极体 温度场 2 光驻极体 紫外光或可见光 3 赝驻极体 高能辐射源 材料科学与工程学院 33 热释电流TSC谱 曲线上 和 峰反映主链链段与局部模式分子运动所贡献的热释电流 峰归属于陷阱载流子解俘获电流 一般出现在极化温度以上 材料科学与工程学院 34 获得 峰的意义在于 可得到陷阱深度等有关聚合物能带结构的重要参数 利用 峰值对电极材料的敏感性 可鉴别聚合物内的主要载流子种类 根据 峰面积可计算载流子的初始浓度 TSC技术属于低频 10 3 10 5Hz 测量 测量结果的分辨率很高 材料科学与工程学院 35 六 压电性 焦电性和铁电性 1压电性 物质在力场作用下产生电荷并显示极化的现象称为压电性 力诱导产生电荷 具有压电性的材料称为压电体 材料科学与工程学院 36 正压电效应是指在无外电场作用条件下 对两面装有电极的电介质施加应力或应变时 因介质极化而在电极上出现电荷的现象 逆压电效应是指对介质施加电场而引起介质应变的现象 压电性本质上是电介质的介电性与弹性的偶合效应 材料科学与工程学院 37 高聚物压电体 一类是经单轴拉伸的光学活性物质 单轴拉伸聚肽PBLG薄膜 第二类是 晶相聚偏氟乙烯 PVDF 材料科学与工程学院 38 2焦电性 物质在温度变化时产生电荷并显示极化的现象称为焦电性 热释电性 正焦电效应是指在无外电场作用条件下 改变电介质的温度时 因介质极化而在电极上出现电荷的现象 逆压电效应是指对介质施加电场而引起介质温度变化的现象 凡具有自发极化的极性聚合物晶体都能显示出焦电性 具有焦电性的材料称为焦电体 材料科学与工程学院 39 铁电性 1铁电体的特性 1 铁电性的基本概念晶体具有自发极化 且自发极化有两个或多个可能的取向 在电场作用下其取向可以随电场改变 2 铁电体的共同特性 具有电滞回线 具有结构相变温度 即居里点 具有临界特性 材料科学与工程学院 40 3 电滞回线 自发极化强度Ps矫顽电场强度Ec 材料科学与工程学院 41 2 铁电 热释电 压电 介电晶体之间的关系具有铁电性的晶体必具有热释电性和压电性具有热释电性的晶体必具有压电性 不一定具有铁电性 材料科学与工程学院 42 一电阻与导电的基本概念 1导电当在材料的两端施加电压时 材料中有电流流过欧姆定律 2电阻与材料的性质有关 还与材料的长度及截面积有关 3电阻率只与材料本性有关 而与导体的几何尺寸无关评定导电性的基本参数 8 2高聚物的导电性能和导电高分子材料 材料科学与工程学院 43 4电导率 只与材料本性有关 而与导体的几何尺寸无关评定导电性的基本参数 越大材料导电性能越好 5 相对电导率 IACS 把国际标准软纯铜 20 时电阻率0 0174 mm2 m 的电导率作为100 其它材料的电导率与之相比的百分数即为该材料的相对电导率 如铁的IACS 为17 铝的为65 材料科学与工程学院 44 体积电阻和表面电阻 将试样质置于两平行电极板之间 施加电压V 测得流过试样内部的电流称体积电流 在试样的同一表面上放置两个电极 施加电压V 测得流过电介质表面的电流称表面电流 表面电阻定义为 材料科学与工程学院 45 根据电极形状不同 表面电流的流动方式不同 表面电阻率的定义也有差别 材料科学与工程学院 46 材料导电性的划分 一般根据电阻率的大小 把材料分为三类 1 导体 v 0 103 cm 2 半导体 v 103 108 cm 3 绝缘体 v 108 1018 cm 金属及合金一般属于导体 纯金属电阻率在10 6 10 5 cm之间 合金的在10 5 10 3 cm 元素周期表 B族中的硅 锗 锡及它们的化合物 及少量陶瓷 高分子聚合物为半导体 绝大多数陶瓷 玻璃和高分子聚合物为绝缘体材料 材料科学与工程学院 47 二导电机理 能够携带电荷的自由粒子称为载流子 金属 自由电子 电子电导无机材料 离子 电子 离子导电超导体 双电子对 库伯对 导电聚合物 孤子 材料科学与工程学院 48 材料导电现象的微观本质就是载流子的定向移动 控制材料的导电性能实际上就是控制材料中的载流子的浓度和这些载流子的移动速率 对于金属材料来说 载流子的移动速率特别重要 对于半导体材料来说 载流子的数量更为重要 载流子的移动速率取决于原子之间的结合键 晶体点阵的完整性 微结构以及离子化合物中的扩散速率 导电现象的微观本质 材料科学与工程学院 49 导体 半导体 绝缘体的能带结构示意图 材料科学与工程学院 50 导体 允带内的能级未被填满 允带之间没有禁带或允带相互重叠 在外电场的作用下电子很容易从一个能级转到另一个能级上去而产生电流 绝缘体 一个满带上面相邻的是一个较宽的禁带 由于满带中的电子没有活动的余地 即使禁带上面的能带完全是空的 在外电场的作用下电子也很难跳过禁带 即不能产生电流 半导体 半导体的能带结构与绝缘体相同 不同的是它的禁带比较窄 半导体的能带在外界作用下 价带中的电子就有能量可能跃迁到导带中去 材料科学与工程学院 51 高聚物的导电特点 载流子为电子 空穴 正 负离子 大多数高聚物都存在离子电导 特别是没有共轭双键 电导率很低的非极性高聚物 共轭聚合物 聚合物电荷转移络合物 聚合物自由基 离子化合物和有机金属聚合物具有很强的电子电导 材料科学与工程学院 52 2 聚合物绝缘体 大多数高分子材料的体积电阻率很高是良好绝缘材料 在外电场作用下 聚合物中体积电流包括 瞬时充电电流 由加上电场瞬间的电子和原子极化引起 吸收电流 由偶极取向极化 界面极化和空间电荷效应引起 漏电电流 是通过聚合物材料的恒稳电流 充电电流和吸收电流存在的时间都很短 高分子材料的导电性能 绝缘性能 只取决于漏电电流 材料科学与工程学院 53 材料的导电性能主要取决于两个参数 单位体积试样中载流子浓度和载流子迁移率 高分子材料内的载流子很少 主要来自材料外部 即由杂质引起的 载流子迁移率大小决定于载流子从外加电场获得的能量和热运动碰撞时损失的能量 通常聚合物中 主要是离子型导电 结晶 取向和交联会使分子紧密堆砌 降低链段活动性 减少自由体积 使离子迁移率下降 材料科学与工程学院 54 对离子型导电材料 温度升高 载流子浓度和载流子迁移率均按指数率增加 因此材料电导率随温度按以下规律变化 当聚合物发生玻璃化转变时 电导率或电阻率曲线将发生突然转折 利用这一原理可测定聚合物的玻璃化温度 材料科学与工程学院 55 高聚物导电性的影响因素 1 分子结构的影响 非极性高聚物绝缘性好 极性高聚物次之 具有常共轭双键结构的共聚物 导电性显著升高 结晶 取向 以及交联均使聚合物绝缘体电导率下降 材料科学与工程学院 56 2 温度与湿度的影响 高聚物导电性随温度和湿度的升高而加大 3 杂质的影响 凡属电导杂质 尤其是水都会使绝缘性下降 材料科学与工程学院 57 2 导电高分子材料 一 导电高分子定义 导电高分子材料也称导电聚合物 它的定义是分子有许多小的 重复出现的结构单元组成 即具有明显聚合物特征 如果在材料两端加上一定电压 在材料中应有电流流过 即具有导体的性质 同时具备上述两条性质的材料我们称其为导电高分子材料 材料科学与工程学院 58 1977年美国科学家黑格 A J Heeger 麦克迪尔米德 A G MacDiarmid 和日本科学家白川英树发现掺杂聚乙炔具有金属导电特性以来 有机高分子不能作为导电材料的概念被彻底改变 导电性聚乙炔的出现不仅打破了高分子仅为绝缘体的传统观念 而且为低维固体电子学和分子电子学的建立打下基础 而具有重要的科学意义 三位科学家因此分享2000年诺贝尔化学奖 材料科学与工程学院 59 导电高分子的历史 1862年Lethebi 聚苯胺1973年 白川英树 Hegger MacDiarmid 掺杂聚乙炔 电导率达102s cm 1986年 ElsenbaumerR L 等人得到了可溶性聚噻吩 材料科学与工程学院 60 高分子科学Nobel奖获得者 Forthediscoveryanddevelopmentofconductivepolymers 材料科学与工程学院 61 黑格 AlanJ Heeger 1936 小传 1936年12月22日生于美国衣阿华州1957年毕业于内布拉斯加大学物理系 获物理学土学位1961年获加州大学伯克利分校物理博士学位 1962年至1982年任教于宾夕法尼亚大学物理系 1967年任该校物理系教授 后转任加利福尼亚大学圣芭芭拉分校物理系教授并任高分子及有机固体研究所所长20世纪70年代末 在塑料导电研究领域取得了突破性的发现 开创导电聚合物这一崭新研究领域1990年创立UNIAX公司并自任董事长及总裁2000年 因在导电聚合物方面的贡献荣获诺贝尔化学奖 共获美国专利40余项 发表论文635篇 统计至1999年6月 据SCI所作的10年统计 1980 1989 在全世界各研究领域所有发表论文被引用次数的排名中 包括所有学科 他名列第64名 是该l0年统计中唯一进入前100名的物理学家 在聚合物导电材料方面开创性的贡献有 1973年发表对TTF TCNQ类具有金属电导的有机电荷转移复合物的研究 开创了有机金属导体及有机超导体研究的先河1976年发表对聚乙炔的掺杂研究 开创了导电聚合物的研究领域1991年提出用可溶性共轭聚合物实现高效聚合物发光器件 为聚合物发光器件的实用开辟了新途径1992年提出 对离子诱导加工性 的新概念 从而实现了人们多年来发展兼具高电导及加工性的导电聚合物的梦想 为导电聚合物实用化提出了新方向1996年首次发表共轭聚合物固态下的光泵浦激光 材料科学与工程学院 62 麦克迪尔米德小传 AlanG MacDiarmid 1929 发表过六百多篇学术论文拥有二十项专利技术 1927年生于新西兰 曾就读于新西兰大学 美国威斯康星大学以及英国剑桥大学 1955年开始在宾夕法尼亚大学任教 1973年开始研究导电高分子2000年获诺贝尔化学奖 材料科学与工程学院 63 白川英树 HidekiShirakawa 1936 小传 1983年他的研究论文 关于聚乙炔的研究 获得日本高分子学会奖 还著有 功能性材料入门 物质工学的前沿领域 等书 1961年毕业于东京工业大学理工学部化学专业 毕业后留校于该校资源化学研究所任助教1976年到美国宾夕法尼亚大学留学1979年回国后到筑波大学任副教授1982年升为教授 2000年获诺贝尔化学奖 材料科学与工程学院 64 1974年日本筑波大学H Shirakawa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 10 8 10 7S m 10 3 10 2S m 导电高分子材料的发现 材料科学与工程学院 65 1975年 G MacDiarmid J Heeger与H Shirakawa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 聚乙炔的掺杂反应 材料科学与工程学院 66 1980年 英国Durham大学的W Feast得到更大密度的聚乙炔 1983年 加州理工学院的H Grubbs以烷基钛配合物为催化剂将环辛四烯转换了聚乙炔 其导电率达到35000S m 但是难以加工且不稳定 1987年 德国BASF科学家N Theophiou对聚乙炔合成方法进行了改良 得到的聚乙炔电导率与铜在同一数量级 达到107S m 后续研究进展 材料科学与工程学院 67 导电高分子 复合型导电高分子材料 由普通的高分子结构材料与金属或碳等导电材料 通过分散 层合 梯度聚合 表面镀层等复合方式构成 其导电作用主要通过其中的导电材料来完成 本征型导电高分子材料 其高分子本身具备传输电荷的能力 二 导电高分子分类 材料科学与工程学院 68 1 结构型导电高分子 聚乙炔 聚对苯撑 聚吡咯 聚噻吩 聚苯胺等属于本征型导电高分子 这些材料分子链结构的一个共同特点是具有长程共轭结构 以单键隔开的相邻双键或 和 三键形成共轭结构时 会有 电子云的部分交叠 使 电子非定域化 曾有理论认为这类高分子的导电性与 电子的非定域化有关 电子类似金属导体中的自由电子 材料科学与工程学院 69 迄今为止 国内外对结构型导电高分子研究得较为深入的品种有聚乙炔 聚对苯硫醚 聚对苯撑 聚苯胺 聚吡咯 聚噻吩以及TCNQ传荷络合聚合物等 其中以掺杂型聚乙炔具有最高的导电性 其电导率可达5 103 104 1 cm 1 金属铜的电导率为105 1 cm 1 材料科学与工程学院 70 与聚乙炔相比 它们在空气中更加稳定 可直接掺杂聚合 电导率在104S m左右 可以满足实际应用需要 材料科学与工程学院 71 2 2结构型导电聚合物按其结构特征和导电机理分类 结构型导电聚合物 电子导电聚合物 离子导电聚合物 氧化还原型聚合物 材料科学与工程学院 72 1 电子导电聚合物 载流子是自由电子的导电聚合物是电子导电聚合物结构特征 分子内有大的线性共轭 电子体系 给载流子 自由电子提供利于迁移的条件 共轭体系聚合物 电荷转移络合物和金属有机螯合物 纯净的电子导电聚合物本身导电率并不高 必须经过掺杂才具备高的导电性 材料科学与工程学院 73 2 离子导电聚合物 载流子是离子的导电聚合物是离子导电聚合物 与电子导电聚合物相比 1 离子的体积比电子大 2 离子可以带正电 也可以带负电在电场作用下正负电荷的移动方向是相反的 而且各种离子的体积 化学性质各不相同 表现出的物理化学性质也千差万别 材料科学与工程学院 74 离子导电聚合物基体主要有 PEO PPO P EO ECH 氧化乙烯 环氧氯丙烷共聚物 可选用的盐有 LiBF4 LiPF6 LiB C6H5 4 LiSCN LiClO4 NaSCN NaPF6 NaI NaClO4 KNO3等 材料科学与工程学院 75 3 氧化还原导电聚合物 从结构上看 这类聚合物的侧链上常带有可以进行可逆氧化还原反应的活性基团 或聚合物骨架本身也具有可逆氧化还原能力 材料科学与工程学院 76 三导电高分子材料的导电机理 有机化合物中的 键和 键 在有机共轭分子中 键是定域键 构成分子骨架 而垂直于分子平面的p轨道组合成离域 键 所有 电子在整个分子骨架内运动 离域 键的形成 增大了 电子活动范围 使体系能级降低 能级间隔变小 增加物质的导电性能 材料科学与工程学院 77 导电高分子材料的共同特征 交替的单键 双键共轭结构 聚乙炔由长链的碳分子以sp2键链接而成 每一个碳原子有一个价电子未配对 且在垂直于sp2面上形成未配对键 其电子云互相接触 会使得未配对电子很容易沿着长链移动 实现导电能力 材料科学与工程学院 78 半导体到导体的实现途径 掺杂 doping 在共轭有机分子中 电子是无法沿主链移动的 而 电子虽较易移动 但也相当定域化 因此必需移去主链上部分电子 氧化 或注入数个电子 还原 这些空穴或额外电子可以在分子链上移动 使此高分子成为导电体 材料科学与工程学院 79 例如 在聚乙炔中添加碘或五氧化砷等电子受体 由于聚乙炔的 电子向受体转移 电导率可增至104 1 cm 1 达到金属导电的水平 另一方面 由于聚乙炔的电子亲和力很大 也可以从作为电子给体的碱金属接受电子而使电导率上升 这种因添加了电子受体或电子给体而提高电导率的方法称为 掺杂 导电高分子的掺杂 纯净的电子导电聚合物本身导电率并不高 必须经过掺杂才具备高的导电性 材料科学与工程学院 80 导电高分子材料的掺杂途径 氧化掺杂 p doping CH n 3x 2I2 CH nx xI3 还原掺杂 n doping CH n xNa CH nx xNa 添补后的聚合物形成盐类 产生电流的原因并不是碘离子或钠离子而是共轭双键上的电子移动 材料科学与工程学院 81 掺杂导电高分子材料的导电机理 碘分子从聚乙炔抽取一个电子形成I3 聚乙炔分子形成带正电荷的自由基阳离子 在外加电场作用下双键上的电子可以非常容易地移动 结果使双键可以成功地延着分子移动 实现其导电能力 材料科学与工程学院 82 1 掺杂率对导电高分子材料导电能力的影响 掺杂率小时 电导率随着掺杂率的增加而迅速增加 当达到一定值后 随掺杂率增加的变化电导率变化很小 此时为饱和掺杂率 高分子材料导电能力的影响因素 材料科学与工程学院 83 2 共轭链长度对导电高分子材料导电能力的影响 电子运动的波函数在沿着分子链方向有较大的电子云密度 并且随着共轭链长度的增加 这种趋势更加明显 导致聚合物电导率的增加 高分子材料导电能力的影响因素 材料科学与工程学院 84 3 温度对导电高分子材料导电能力的影响 对金属晶体 温度升高引起的晶格振动阻碍其在晶体中的自由运动 而对于聚乙炔 温度的升高有利于电子从分子热振动中获得能量 克服其能带间隙 实现导电过程 高分子材料导电能力的影响因素 材料科学与工程学院 85 2 2复合型导电高分子 复合型导电高分子中 高分子材料本身并不具备导电性 只充当了粘合剂的角色 导电性是通过混合在其中的导电性的物质如炭黑 金属粉末等获得的 复合型导电高分子用作导电橡胶 导电涂料 导电粘合剂 电磁波屏蔽材料和抗静电材料 在许多领域发挥着重要的作用 材料科学与工程学院 86 复合型导电高分子的基体有 常用的导电填料有 碳类 石墨 炭黑 碳纤维 石墨纤维等 金属类 金属粉末 箔片 丝 条或金属镀层的玻璃纤维 玻璃珠等 金属氧化物 氧化铝 氧化锡等 热塑性树脂 如不饱和聚酯 聚烯烃等 热固性树脂 如环氧树脂 酚醛树脂 合成橡胶 如硅橡胶 乙丙橡胶 材料科学与工程学院 87 在导电填料浓度较低时 材料的电导率随浓度增加很少 而当导电填料浓度达到某一值时 电导率急剧上升 变化值可达10个数量级以上 电导率发生突变的导电填料浓度称为 渗滤阈值 材料科学与工程学院 88 平均接触数是指一个导电颗粒与其他导电颗粒接触的数目 导电填料颗粒并不需要完全接触就能形成导电通道 微观粒子穿过势垒的现象称为贯穿效应 也称隧道效应 材料科学与工程学院 89 复合型导电高分子材料的应用 材料科学与工程学院 90 五导电高分子材料的应用 1 半导体特性的应用 发光二极管 利用导电高分子与金属线圈当电极 半导体高分子在中间 当两电极接上电源时 半导体高分子将会开始发光 比传统的灯泡更节省能源而且产生较少的热 具体应用包括平面电视机屏幕 交通信息标志等 材料科学与工程学院 91 1920年德国学者古登和波尔发现 某些物质加上电压后会发光 在两电极间施加一定电压后 电极间的薄膜材料发出一定颜色的光 这种直接将电能转化为光能的现象叫光电效应 也叫 电 场致发光 电致发光聚合物 1990年英国剑桥大学Friend小组首次报道聚苯亚乙烯 polyphenylenevinylene PPV 聚合物在外加电压时可发出黄绿光 很快出现了研究聚合物发光二极管 Polymerlightemittingdiodes PLED 的热潮 材料科学与工程学院 92 可以卷起来的显示器 聚合物发光二极管柔性显示器 材料科学与工程学院 93 2 太阳能电池 半导体特性的应用 导电高分子可制成太阳电池 结构与发光二极管相近 但机制却相反 它是将光能转换成电能 优势在于廉价的制备成本 迅速的制备工艺 具有塑料的拉伸性 弹性和柔韧性 材料科学与工程学院 94 3 二次电池 高分子掺杂态储存电能 脱掺杂过程中释放电能 全塑电池 输出电压3V 电池容量3mA h 复充放电上千次 材料科学与工程学院 95 导电性可以在绝缘体 半导体 金属导体之间变化 不同的吸波性能密度小 轻加工性能 薄稳定性较好 高温使用 4 雷达隐身材料 材料科学与工程学院 96 5 生物传感器 葡萄糖传感器 尿素传感器 乳酸传感器 胆固醇传感器 材料科学与工程学院 97 6 气体传感器 导电高分子与大气某些介质作用 电导率改变 除去介质 恢复 掺杂 或脱掺杂过程 可用作选择性高 灵敏度高和重复性好的气体传感器 材料科学与工程学院 98 导电高分子材料的优越性具有半导体及导体双重特性 可低温加工 可大面积化 具有塑料的拉伸性 弹性和柔