导电高分子材料简介及发展趋势

导电高分子材料简介及发展趋势（江苏大学材料科学与工程学院）摘要：介绍了导电高分子材料的概念、分类、导电机理、应用领域及其与传统导电材料比较，导电高分子材料的特点。综述了近几年具有发展前景的几种导电高分子材料的研究状况，并对前景进行了展望。关键词: 导电高分子 制备方法 导电机理 应用 发展趋势 隐身材料导电高分子又称导电聚合物，自从1976年，美国宾夕法尼亚大学的化学家Mac Diarmid领导的研究小组首次发现掺杂后的聚乙炔（Poly acetylene，简称PA）具有类似金属的导电性（导电高分子的导电性如图一）,人们对共轭聚合物的结构和认识不断深入。现有的研究成果表明，发展导电高分子兼具有机高分子材料的性能及半导体和金属的电性能 , 具有密度小，易加工成各种复杂的形状 ，耐腐蚀，可大面积成膜及可在十多个数量级的范围内进行调节等特点，因此高分子导电材料不仅可作为多种金属材料和无机导电材料的代用品，而且已成为许多先进工业部门和尖端技术领域不可缺少的一类材料。本文介绍了导电高分子材料的分类、制备方法、导电机理、应用趋势及其作为隐身材料的原理。图一1 导电高分子材料的分类按结构和制备方法不同将导电高分子材料分为复合型与结构型两大类1。复合型导电材料是由高分子和导电剂（导电填料）通过不同的复合工艺而构成的材料。结构型结构型导电高分子又称本征型导电高分子（Intrinsically conducting polymer，简称ICP），是指高分子材料本身或经过少量掺杂处理而具有导电性能的材料，其电导率可达半导体甚至金属导体的范围。2 高分子导电材料的制备方法复合型导电高分子所采用的复合方法主要有两种2：一种是将亲水性聚合物或结构型导电高分子进行混合，另一种则是将各种导电填料填充到基体高分子中。结构型导电聚合物一般用电子高度离域的共轭聚合物经过适当电子给体（如图二）或受体进行掺杂后制得3。图二 电化学聚合法-聚苯3 导电机理高分子聚合物导电必须具备两个条件：一要能产生足够数量的载流子( 电子、空穴或离子等)；二大分子链内和链间要能够形成导电通道。在离子型导电高分子材料中, 聚醚、聚酯等的大分子链呈螺旋体空间结构,与其配位络合的阳离子在大分子链段运动作用下, 就能够在螺旋孔道内通过空位迁移;或被大分子“溶剂化”了的阴阳离子同时在大分子链的空隙间跃迁扩散(“动力学扩散理论”)。对于电子型导电高分子材料,作为主体的高分子聚合物大多为共轭体系(至少是不饱和键体系),长链中的键电子较为活泼, 特别是与掺杂剂形成电荷转移络合物后, 容易从轨道上逃逸出来形成自由电子3。大分子链内与链间电子轨道重叠交盖所形成的导电能带为载流子的转移和跃迁提供了通道。在外加能量和大分子链振动的推动下, 便可传导电流。复合型导电高分子材料存在着导电通道、隧道效应、场致发射3种导电机理,复合型导电高分子的导电性能是这3种导电机理作用的竞争结果。在不同情况下出现以其中一种机理为主导的导电现象4。4 高分子导电材料的应用及前景经过多年世界范围内的广泛研究，导电聚合物在新能源材料方面的应用已获得了很大的发展，但离实际大规模应用还有一定的距离。这主要是因为其加工性不好和稳定性不高造成的。但导电聚合物特殊的结构以及优异的物理化学性能，使得其在能源（二次电池、太阳能电池、固体电池），光电器件，晶体管，镇流器，发光二极管（LED），传感器（气体和生物）,电磁屏蔽，隐身技术以及生命科学等方面都有诱人的应用前景。下面从高分子导电材料的吸波特性简要介绍该材料的隐身性能的前景。军事隐身（隐形）材料自从导电聚合物一出现，导电聚合物作为新型的有机和聚合物雷达波吸收材料称为导电聚合物领域的研究热点和导电聚合物实用化的突破点。同时隐身技术是当今军事科学的重要技术之一，是国家军事实力的重要标志F-117A是美国前洛克希德公司研制的隐身攻击机。是世界上第一种可正式作战的隐身战斗机。F-117A自装备部队以来参加了入侵巴拿马、海湾战争、科索沃战争、阿富汗战争、伊拉克战争等多次实战行动，战功显赫。该战机采用特殊的隐身外形设计，并有雷达吸波材料，目前已退役，被F22列装取带，F22服役的隐身性能有很大提高，中国还存在差距。直到2011年1月11日，中国新一代隐形战机歼-20成功试飞但引起了世界各国的广泛关注，歼-20之所以能吸引如此多的目光，最主要是因为其隐身战斗的特性，中国已占领隐身材料的制高点。美国密里肯公司通过控制现场聚合条件将聚吡咯与纤维复合，制备了商品名为Centex和Intrigue的导电纤维，并制成了轻型伪装网，美国国防部已经将其以用于隐形轰炸机的隐身涂料。可见导电高分子材料为隐身材料的发展做出了很大贡献，更新换代很快。隐身材料是指能够减少军事目标的雷达特征、红外特征、光电特征及目视特征的材料的系统。雷达吸波材料的作用就是将人射的雷达电磁波吸收衰掉而使武器不被雷达所发现雷达吸波材料是现代隐身技术的重点。导电聚合物作为吸波材料有以下优点: (1) 电磁参量可控。对导电聚合物聚吡咯进行研究发现,其雷达波吸收率与掺杂浓度间关系式在10GHz频率下出现极值, 并且聚吡咯对雷达波的透过、反射和吸收强烈依赖于聚吡咯的电导率。聚苯胺的介电损耗则随着对阴离子的尺寸的增大而增大、随着掺杂度的增加而增加。这些研究表明, 导电聚合物的电磁参量的频谱特征和吸收率的频谱特征依赖于导电聚合物的主链结构、对阴离子的尺寸、掺杂度及制备的条件。因此, 人们可以通过改变导电聚合物的主链结构、掺杂度、对阴离子的尺寸、制备方法等来调节导电聚合物的电磁参量, 以满足实际要求。(2) 表观密度低。导电聚合物的密度都在1. 1 1. 2g/ cm3。(3) 易加工成型。导电聚合物可被加工成粉末、薄膜、涂层等, 为其应用提供了便利条件。但由于导电聚合物属于电损耗的雷达吸波材料, 因此在减薄涂层厚度和展宽频带方面存在困难。目前这类材料作为吸收雷达波的应用还未进入实施阶段。随着模块合成、分子沉积法、扫描微探针电化学等制备导电聚合物微管和纳米管的方法相继出现以及计算机模拟分子设计技术的日趋成熟,导电聚合物必将作为舰船和武器装备的吸波材料得到广泛的应用3。2.应用在红外隐身技术 导电高分子具有类金属的特性, 尤其是对其进行掺杂以后对红外辐射有着较高的反射性能5。综述应用和前景 结构型导电高分子材料主要的开发应用方向是大功率蓄电池、微波吸收材料、太阳能电池、新型感光材料。复合型导电高分子材料是目前开发应用的重点, 主要集中在抗静电材料和电磁屏蔽产品。经过几十年的探索与研究, 导电高分子材料无论在分子结构理论、导电机理上, 还是在品种、高导电率和实际应用上都已取得惊人的进展6。【1】 蓝立文，功能高分子材料，西安：西北工业大学出版社，1995:124【2】 张福强，王立新，塑料科技，1996，（1）5【3】 付东升，张康助，张强，导电高分子材料研究进展，现代塑料加工应用2004（01）【4】 张雄伟，黄锐，高分子复合导电材料及其应用发展趋势功能材料1994 25（6）492 【5】 郑国禹 工程塑料应用2007年, 第35卷, 第2期【6】 张凯，曾敏，雷毅，江潞霞（四川大学高分子材料科学与工程系, ）其余参考文献：宫兆合，梁国正，任鹏刚，王旭东，导电高分子材料在隐身技术中的应用，高分子材料科学与工程，2004，（05）赵稼祥，海湾战争与隐身材料，兵器材料科学与工程，1992，（10）郑国禹，导电高分子在隐身材料中的应用，工程塑料应用，2007，（02）哈恩华，黄大庆，丁鹤雁，新型轻质雷达吸波材料的应用研究及进展材料工程2006，（03）,梁洪泽，宋永贤，丁黎明，綦玉臣