材料物理概论

华东理工大学2008 – 2009学年第一学期

《材料物理专业概论》课程期终考试试卷 2008.12.

导电高分子材料及其应用

有机高分子材料通常属于绝缘体的范畴。但在1973年有科学家发现四硫富瓦烯-7，

7，8，8-四氰二次甲基苯醌电荷转移复合物具有吵到涨落现象；1974年日本筑波大学的白川英树研究室在意外的情况下于高催化剂浓度下合成出具有交替单键和双键结构的高顺式聚乙炔。随后，美国高分子化学家黑格与麦克迪尔米德等和百川英树合作研究，发现此聚聚乙炔薄膜经过AsF5或I2掺杂后，呈现明显的金属特征和独特的光、电、磁及热电动势性能。如其电导率由绝缘体的10-9S·cm-1转变成为金属导体的103 S·cm-1，而且伴随着掺杂过程聚乙炔报名的颜色也有银灰色的转变成为具有金属光泽的金黄色。由此提出了一个新的概念“合成金属”，并诞生了导电高分子这一自成体系的多个学科交叉的新的研究领域，并迅速发展成为世界范围内的化学、电化学、固体物理与半导体物理等学科的研究热点。

导电高分子材料的出现不仅打破了高分子材料为绝缘体的传统观念，而且为底维固体电子学和分子电子学的建立和发展打下了基础，具有重要的科学意义。有人预言，有机高分子材料在21实际奖状分子和光电子工业中获得广泛的应用，发展成为“有机电子”工业。

导电高分子材料也称导电聚合物，即具有明显的聚合物特征，如果在材料的两端加上一定的电压，材料中即有电流通过，即具有导电体的性质，同时具有以上两种性质的材料我们成为导电高分子材料。其包括结构性导电高分子材和复合型导电高分子。一般情况下，结构型导电高分子是由具有共轭π键的高分子经过化学或者电化学“掺杂”，使其由绝缘体转变为导体的一类高分子材料。而复合型导电高分子是由导电填料与通用高分子材料复合而成。通常将高分子半导体和高分子导体，统一称为导电高分子，也称导电高分子材料。从广义上说。导电高分子材料属于功能材料范畴。

导电高分子是一种性能优良的新型功能材料，其研究在20世纪80-90年代进展迅速，成为材料科学的研究中心之一。

Ⅰ.导电高分子材料的分类

按照材料的结构及组成，可将导电高分子分成三大类，即结构性（本征型）导电高分子、复合型导电高分子和超导电高分子。

一、结构型（本征型）导电高分子的结构与性能特点

结构型导电高分子不同于由经书或者碳粉墨与高分子共混而制成的导电材料，通常这类导电高分子的结构特征是由高分子链结构和与链非键合的一价阴离子或阳离子共同组成。即在导电高分子结构中，除了具有高分子链外，黑油由“掺杂”而引入的一价对阴离子（p型掺杂）或对阳离子（n型掺杂）。因此结构型导电高分子不仅具有由于掺杂而带来的金属（高导电率）和半导体（p型和n型）的特性之外，还具有高分子结构的可设计性、可加工性和低密度等特点。

自身可提供载流子，经掺杂可以大幅提高电导率。除聚苯胺外，多数在空气中不稳定，加工性差，可通过改进掺杂剂品种和掺杂技术、工具或共混等方法改进。

二、复合型导电高分子

复合型导电高分子是以通用电绝缘性高分子为主要基质（也称为成型物质），加入特定的导电填料、添加剂，采用分散、成绩符合或原位聚合等方法使其表面形成导电膜或者整体形成导电体，所制的符合材料称为复合型导电高分子，其外观、自卑方法和导电机理完全不等同于掺杂行结构导电高分子。在实际应用中，综合考虑产品的使用要求、制备工艺、生产成本等因素。选择合适的高分子材料和添加剂（包括抗氧化剂、固化剂、溶剂、润滑剂等）。在目前结构性导电高分子品种中少有达到实际应用水平的情况下，由于复合型导电高分子具有较好的导电性能、成型加工方便，制备工艺简单，无需特殊设备，且性能稳定、安全可靠和生产成本低等特点，符合导电高分子作为一类较为经济使用的材料已得到广泛的应用。

三、高分子超导体

在一定条件下，处于无阻值状态的高分子材料。超导态时没有电阻，电流流经导体时不发生热能损耗，超导临界温度低于金属合金。

Ⅱ.导电高分子材料的用途

一、高分子在抗静电材料中的应用

随着高科技、高精密化产业的蓬勃发展，电子产品的小型化即高速运算的电

子组件的需求怎家，对于静电放电的防护也日益重要。小型化、高密度的电子组件最易受到静电的破坏，因此需要进行静电防护处理，并且电子组件在制造、贮藏、运输到最终产品的使用，均需要静电防护材料，以及各各种操作行为产生的静电电压损害电子组件正常运作。

抗静电需求方面，在电子工业及制药工业的快速发展下，刺激了抗静电材料的需求，例如：电子产品的制造、运输、包装、贮存等均需要做好静电的防护。在这电子厂或制药厂无尘室内室内用的地板、工作台面、操作工具防尘口罩、手套、无尘衣等，以及在其他工业如食品包装及化学工厂的原料贮存运送等，如果有抗静电材料的帮助，不仅可以增加作业的方便性，更可避免重大灾害造成的损失。

抗静电产品的最大用途为抗静电包装上，抗静电包装材料使用的种类以PE及PVC 为主，主要因为其易加工处理成薄膜及成本低。导电性性包装制品在国内市场主要用在IC晶体圆、IC封装、测试、光电等电子唱片零件的包装上。目的都是为了避免其他电荷物品与其接触。主要包装有晶圆盒、IC盘、IC管、自动包装卷带以及泡沫等产品。

二、高分子在防电磁干扰材料中的应用

电磁干扰及电线电波干扰是一种非游离辐射，与一般辐射所产生的游离辐射不同。游离辐射会残留在人体并产生病变，电磁干扰只是电子在导体内移动的现象，虽然不会残留在人体内部，但是也不能忽视。其影响包括精密电子仪器设备、医院仪器、飞机导航设备、汽车控制系统，甚至心率调节器等都会受到影响，近年在飞机上禁止打手机，也是顾虑无线电波影响飞航安全。为了避免电磁干扰的影响，创造电磁相容（EMC）环

境，可降低电磁产品的电磁干扰或提高电子电器产品的电磁耐受性。

在小型化组件的趋势下，EMI/RFI屏蔽性非常重要。无论如何只要表面固定及其他技术能减少电路路径的长度，就可以减少杂讯产生的可能。一般EMI/RFI产生的波长范围在10kHz～10GHz之间，这些电磁波干扰来自于电路截断器、电子计算机、汽车的点火装置、汽车通讯系统、微波、遥控器、电视、手机等。要做好EMI/RFI屏蔽，可以使用高导电率的材料，如导电性高分子材料。可采用表面金属化、无电解电镀、涂布、填充导电纤维等方式制造EMI/RFI屏蔽的导电高分子材料。

三、微波吸收材料与自控发热材料

导电高分子作为微波吸收材料，其薄膜重量轻、柔性好，可作任何设备的蒙皮。由于可以对导电高分子的厚度、密度和导电性进行调整，从而可以调整微反射系数、吸收系数。

材料的电阻值随温度的升高而极具增大的现象称为PTC特性。一些导电高分子材料具有这种特性，用于制作温度补偿和测量，过热以及过电流保护元件等等。在民用方面如电视机屏幕的消磁系统、电热毯及做点等也得到越来越多的开发和应用。

四、二次电池及传感器

二次电池是利用伴随着电化学掺杂、去掺杂而产生化学势变化而工作。导电高分子特别是聚苯胺，由于具有可逆的电化学氧化还原性能而是以作电极材料，将一对导电高分子与另一个金属电极插入电解液制成的可反复充电的二次电池。导电高分子随着微量掺杂而发生各种性质的变化，可用在制作有效掺杂物质的传感器。如制作气体传感器、检测pH值的传感器、温度传感器等。用于制作各种生物传感器的研究正在进行之中，如只有在加压部位显示导电性，未加压部位保持绝缘性，因此可以用作压敏传感器，被广泛用于防爆开关、音量可变元件、高级自动把柄、以用电极、加热元件等方面。

Ⅲ.导电高分子材料存在的问题

尽管导电高分子向世界预示了一个美好的未来，但研究开发过程中还存在着许多有待解决的问题。

（1）导电高分子至今还没有解决规模化问题；

（2）综合性能特别是电性能与合成金属的要求还有差距；

（3）导电高分子在理论上还不完善基本上沿用无机半导体理论和掺杂理论，需要从分子设计的角度重新实现合成金属的途径；

（4）在分子水平上，导电高分子的自构筑、自组装分子期间的研究还存在着不少问题。

Ⅳ.未来的技术发展

抗静电材料的添加剂一般以胺类、铵盐类、聚乙烯醇类最为普遍，主要说的抗电机理仍然是吸收空气中的水汽而达到抗静电的目的。未来的发展方向将是以永久型的抗静