第三章 导电高分子材料

合集下载
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
精品文档
导电通道,隧道导电和电场(diàn chǎng)发射导电 图3-4直观描述。
图3-4 复合型导电高分子的导电机理(jī lǐ)模型
精品文档
(1)一部分导电颗粒完全连续的相互接触形成电流通路,相 当于电流流过一只电阻。 (2)一部分导电颗粒不完全连续接触,其中不相互接触的导 电颗粒之间由于隧道效应而形成电通流路,相当于一个电阻与 一个电容并联后再与电阻串联(chuànlián)的情况。 (3)一部分导电粒子完全不连续,导电颗粒间的聚合物隔离 层较厚,是电的绝缘层,相当于电容器的效应。
精品文档
渗流理论的指导意义是借用实验数据找出一些合适的常数, 使经验公式用于制备工艺研究(yánjiū)。 (2)隧道导电理论
导电通路理论不能解释导电分散相的浓度还不足以形成 网络的情况下,复合型导电高分子材料也具有一定的导电 性能,因此,除了导电通路理论之外,导电现象必然还有 其他非接触原因,解释这种非接触导电现象的理论主要有 电子隧道效应和电场发射理论。
对于金属的导电机理,相继提出了经典自由电子导 电理论、量子自由导电理论和能带导电理论。认为金 属晶格之间存在大量自由电子是金属导电过程中的主 要载流子,较好揭示了金属材料的导电本质。
精品文档
但对聚合物来讲,其是分子型聚合物,原子与原子通过 共享价电子形成共价键而构成分子,而共价键属于定域键, 价电子只能在分子内的一定范围内自由(zìyóu)迁移,缺少 可以长距离迁移的自由(zìyóu)电子,因此人们日常见到的 聚合物一般都是绝缘性,成为绝缘材料的主要组成之一。但 自从两位美国的科学家Heeger与MacDiarmid及日本科学家 Shirakawa发现聚乙炔有明显导电性质以后,有机聚合物不 能作为导电材料这一观念被彻底改变了。上述三位科学家也 因此获得了2000年诺贝尔化学奖。
层状复合结构:导电层独立并与同样独立存 在(cúnzài)的聚合物基体层复合,导电性能的 实现仅由导电层来实现。精品文档
➢ 梯度复合结构:指两种材料,如金属和高分子材料 各自构成连续相,两个连续相之间有一个浓度涟变的过 渡层,通常可以通过电解和电渗透共同作用来制备。 ➢2、组成 ➢ (1)高分子基体材料:作为连续相与粘结体,有 两方面作用:发挥基体材料的物理化学性质与固定导电 分散材料。 ➢ 高分子材料与导电材料的相容性和目标复合材料 的使用性能是选择(xuǎnzé)基体材料经常考虑的主要 因素。
精品文档
PTC效应产生(chǎnshēng)的主要理论:
① 热膨胀说
高分子基体与导电填料的热膨胀率不同(通常连续 相大于导电相),导致导电通道与隧道理论导电机理的 破坏,从而电阻率上升。
② 晶区破坏说
对于(duìyú)高分子复合材料,添加的导电材料只 分散在非结晶区,但温度升高,晶区破坏,非晶区扩大, 导电粒子的非晶区的相对浓度下降,电阻率上升。
精品文档
电子隧道效应:当导电粒子接近到一定距离时,在分子 热振动时电子可以在电场作用(zuòyòng)下通过相邻 导电粒子之间形成的某种隧道实现定向迁移。 电场发射理论:指由于两个相邻导电粒子之间存在电位 差,在电场作用(zuòyòng)下发生电子发射过程,实 现电子的定向流动而导电。 总体上来讲,复合型导电高分子材料的导电能力主要由 接触性导电(导电通道),隧道导电和电场发射导电三 种方式实现。
复合型导电高分子:是在不具备导电性的高分子材料 中掺混入大量导电物质,如炭黑、金属粉、箔等,通过分 散复合、层积复合、表面复合等方法构成的复合材料,其 中以分散复合最为常用。
结构型(或称本征态)导电高分子:是指本身 (běnshēn)具有“固有”的导电性,由聚合物结构提供导 电载流子(电子、离子或空穴)。
复合型导电塑料主要有添加型导电塑料、共混型导电塑料、 表面涂覆型导电塑料和导电性泡沫塑料四大类。
精品文档
2、复合型导电橡胶
导电橡胶广泛用于外科手术橡胶制品,与可燃性 粉体、气体、燃料和有机溶剂接触使用的胶管、胶带、 胶辊和胶布等,以防止产生静电火花,并将其用于抗 高压电缆电晕放电的电线护套,此外,导电橡胶还用 于防止音响部件的杂音和表面生热材料、静电印刷胶 辊的橡胶部件。
精品文档
(3)复合型导电(dǎodiàn)高分子材料的PTC效应
PTC效应: PTC强度:当温度升高一度,电阻值增加(zēngjiā)的幅 度,用以衡量材料的温度敏感效应。 常见的具有高PTC效应的材料主要指一些热敏陶瓷 和复合型导电高分子材料。 对于复合型导电高分子来讲,其温度敏感范围比较 低,多数在于200℃以下,与基体材料的种类相关,当 然还与材料中导电添加材料的相对含量、形态、粒度和 外观形态等因素有关,特别是导电添加剂的浓度非常重 要,仅在一定浓度区域内具有PTC效应。
温度与电导之间的关系
负温度系数(negative temperature cofficient NTC) 导
电材T料指 Biblioteka rR 本征导电高分子材料和半T 导电材 料 orR
正温度系数( positive temperature cofficient PTC) 导 电材料指
合型高分子导电材料
精品文档
第三章 导电(dǎodiàn)高分 子材料 (4学时)
精品文档
第一节 导电高分子材料概述
一、导电(dǎodiàn)的基本概念
材料的导电性能:通常指材料在电场作用(zuòyòng)下 传导载流子的能力。导电能力的评价用电导(S)or 阻 抗(R)表示。计算公式有欧姆定律:
电阻: 电导:
RV l
IA
精品文档
图3-2 电导率与导电填料(tiánliào)之间的关系
精品文档
用电子显微镜技术观察导电材料的结构发现(fāxiàn),当导电填 料浓度较低时,填料颗粒分散在聚合物中,互相接触很少,故导电 性很低。随着填料浓度增加,填料颗粒相互接触机会增多,电导率 逐步上升。当填料浓度达到某一临界值时,体系内的填料颗粒相互 接触形成无限网链。这个网链就像金属网贯穿于聚合物中,形成导 电通道,故电导率急剧上升,从而使聚合物变成了导体。显然,此 时若再增加导电填料的浓度,对聚合物的导电性并不会再有更多的 贡献了,故电导率变化趋于平缓。在此,电导率发生突变的导电填 料浓度称为“渗滤阈值”。
碳系材料:炭黑、石墨、碳纤维等。 金属材料:金、银、铜、镍、不锈钢等。
精品文档
金属氧化物:氧化锡、氧化钛、氧化钒、氧化锌等。 导电聚合物:聚吡咯、聚噻吩等。 常见的导电添加剂材料及其性能见书中表3-1。 3、导电机理 (1)导电通道(tōngdào)机理(渗流理论)
实验发现,将各种金属粉末或碳黑颗粒混入绝缘性的高分子材料中后, 材料的导电(dǎodiàn)性随导电(dǎodiàn)填料浓度的变化规律大致 相同。在导电(dǎodiàn)填料浓度较低时,材料的电导率随浓度增加 很少,而当导电(dǎodiàn)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。超过这一临界值以后,电导率随浓度 的变化又趋缓慢,见图3-2。
金属(jīnshǔ)、复
第二节 复合型导电高分子材料 一、复合型导电高分子材料的结构与导电机理 1、结构
分散复合结构:选用物理性能适宜的高分子 材料为连续相,导电性粉末、纤维等材料采用 化学或物理方法均匀分散在基体材料作为分散 相构成的高分子复合导电材料,导电粉末粒子、 纤维之间构成导电通路实现导电性能。
Alan G.MacDiarmid,1927年出生在新西兰。1953年获得美 国威斯康星大学博士学位,1955年获得英国剑桥大学博士学位。 1956年受聘美国宾夕法尼亚大学助理教授,1956年成为终身教授。
Hideki Shirakawa(白川英树),1936年出生。1966年获得 日本东京技术研究所博士学位,同年成为日本Tsukuba大学材料 科学研究所的助理教授。1982年成为教授。
精品文档
第三节 电子导电型聚合物 一、导电机理与结构特征 1、有机化合物中电子存在的四种(sì zhǒnɡ)方式
精品文档
结构型导电聚合物如按其结构牲和导电机理可以分为 三大类: (1)载流子为自由电子的电子导电聚合物 (2)载流子为能在聚合物分子(fēnzǐ)间迁移的正、 负离子的离子导电聚合物 (3)以氧化还原反应为电子转移机理的氧化还原型 导电聚合物。
精品文档
导电材料的主要性质:
电压与电流关系(成正比例关系)
从混合型导电复合材料的制备工艺而言,目前主 要有三种方法:反应法、混合法和压片法。
反应法:是将导电填料均匀分散在聚合物单体或 者预聚物溶液体系中,通过加入引发剂进行聚合反应, 直接生产与导电填料混合均匀的高分子复合材料。
混合法:是利用各种高分子的混合工艺,将导电填 料粉末
精品文档
与处在熔融或熔解状态的聚合物本体混合均匀,然后用注射, 流延、拉伸等方法成型。 压片法:是将高分子基体材料的粉末(fěnmò)与导电填料充分 混合后,通过模具内加压成型制备具有一定形状的导电复合 材料。 三、复合型导电高分子材料的性质与应用 1、复合型导电塑料 复合型导电塑料:指经过物理改性后具有导电性的塑性高分 子材料。其经常用作电磁屏蔽材料、抗静电材料。
一般认为,当温度接近或超过高分子材料软化点 温度时,其晶区开始受到破坏,晶区变小,造成电阻率 迅速上升。
精品文档
二、复合型导电高分子材料的制备方法 1、导电填料的选择(xuǎnzé)
从相容性、导电性能、成本、密度等方面考虑。 2、聚合物基体材料的选择(xuǎnzé)
主要是从材料的使用性能考虑。 3、导电聚合物的混合工艺
精品文档
导电高分子材料根据材料组成可以分为复合型导电高 分子材料(composite conductive polymers)和本征型导 电高分子材料(intrinsic conductive polymers)or 结构导 电高分子材料(structure conductive polymers)。
精品文档
目前用作复合型导电高分子基料的主要有聚乙烯、聚 丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、ABS、环氧树脂、丙烯酸酯 树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯、聚氨酯、聚酰亚胺、有 机硅树脂等。此外,丁基橡胶(dīnɡ jī xiànɡ jiāo)、丁苯 橡胶、丁腈橡胶和天然橡胶也常用作导电橡胶的基质。 (2)导电填充材料:起提供载流子的作用。目前主要有 碳系材料、金属材料、金属氧化物材料和结构型导电高 分子四种。
3、复合型导电涂料
根据应用特征,可将导电涂料归纳四大类:
作为导电体使用的涂料:包括混合式集成电路、印刷 线路板、键盘开头(kāi tóu)、冬季取暖和汽车玻璃防 霜的加热漆、船舶防污导电涂料等。
辐射屏蔽涂料 精品文档
➢ 抗静电涂料 ➢其他如电致变色涂层、光电导涂层等到。 ➢4、导电粘合剂 ➢ 导电粘合剂的使用范围很广,可粘接引线、导电元件。 在电磁屏蔽(píngbì)领域可填充狭缝、永久性凹槽、粘接屏 蔽(píngbì)窗,波导等。 ➢四、复合型导电高分子材料的其他性质与应用(自学) ➢1、PTC效应的应用 ➢ 电加热器件、限流器等。 ➢2、压敏性质 ➢ 压敏效应是指材料受到外力作用时,材料的电学性能 发生明显变化的现象。
精品文档
2000年诺贝尔化学奖得主(dé zhǔ)
美国(měi ɡuó)物理学 家Heeger
美国化学家 MacDiarmid
精品文档
日本化学家 Shirakawa
Alan J. Heeger,1936 年出生,1961年获得美国加州大学伯 克利分校博士学位。1962年成为费城(fèi chénɡ)宾夕法尼亚大学 的助理教授,1967至1982年任宾大的教授。1982年任加州圣巴巴 拉加州大学的物理教授,该校高分子与有机固体研究所所长。 1990年创立UNIAX公司,出任公司董事会主席。
G I A
Vl
精品文档
σ>102S/m为导体(dǎotǐ) σ 10-8~102 S/m 半导体 (dǎotǐ) σ <10-8 S/m 绝缘体
精品文档
二、聚合物的导电(dǎodiàn)类型
载流子的种类:电子、空穴、阴离子or阳离子。当 载流子主要是电子或空穴时,称为电子导体(dǎotǐ), 如金属;当载流子主要是阴离子或阳离子时,称为离 子导电体。
相关文档
最新文档