最新0604材料的电学性质 (2)
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• 极性聚合物绝缘性稍差：聚砜、聚酰胺、PAN、 PVC的电阻率约1012-15W·m；
• 共轭高聚物是半导体材料：共轭p电子去定域化提 供了电子载流子。聚丙烯腈脱氢裂解环化产物的 电导率约0.1W-1·m-1；
聚合物的导电性与分子结构
• 电荷转移络合物和自由基-离子化合物具有高电导 性：聚2-乙烯基吡啶-碘的电导率约0.1W-1·m-1；
载流子的定义
电流载体，称载流子。 载流子指可以自由移动的带有电荷的物质 微粒，如电子和离子。
在电场作用下能作定向运动的带电粒子。 如半导体中的自由电子与空穴，导体中的 自由电子，电解液中的正、负离子，放电 气体中的离子等。
决定电导率的基本参数
载流子类型 charge carrier—— 电子、空穴、正离子、 负离子
• 有机金属聚合物金属离子引入聚合物主链，具有 更高的电导率，聚酞菁铜电导率约5W-1·m-1。
3.2 极化与介电现象
• 在外场(电场、力、温度)作用下，电介质分子或 其中某些基团中电荷分布发生的变化称极化。
• 在外电场的作用下，由于分子极化引起的电能的 贮存和损耗称介电；相应的性质称介电性。
• 在外力电场的作用下产生的极化称介电极化，包 括电子极化、原子极化、取向极化、界面极化等。
1977年， Heeger 、MacDiarmid 和白川英树发现 当聚乙炔薄膜用Cl2、Br2或I2蒸气氧化后，其电导率 可提高几个数量级。 通过改变催化剂的制备方法和取向，电导率可达105 S·cm－1。（Cu为108 S·cm －1 ）。
Baidu Nhomakorabea
发现并发展了导电聚合物 2000年诺贝尔化学奖获得者
白 川 英 树
聚合物中的极化现象
• 聚合物中的偶极极化其 本质与小分子相同，但
因具有不同运动单元的
取向而使完成取向极化
的时间范围变得很宽，
与力学松弛时间谱类似， 称介电松弛谱。
tan"
T
介电常数
C Q
C0 Q0
介电常数是衡量电介质极化的宏观物理量，表征电介
质贮存电能的能力。 聚合物的介电常数在1.8～8.4之间，多数为2～4。
金属和合金
各种材料在室温的电导率
Σ (Ω-1.m-1)
非金属
银 铜，工业纯 金 铝, 工业纯 Al-1.2%,Mn 合金 钠 钨， 工业纯 黄铜（70%Cu-30%Zn 镍,工业纯 纯铁,工业纯 钛,工业纯 不锈钢，301型 镍 铬 合 金 (80%Ni20%Cr）
6.3*107 5.85*107 4.25*107 3.45*107 2.96*107 2.1*107 1.77*107 1.66*107 1.46*107 1.03*107 0.24*107 0.14*107 0.093*107
载流子数 charge carrier density----n, 个/m3 载流子迁移率 electron mobility
( 物理意义为载流子在单位电场中的迁移速度) μ=ν/E m2/(v.s)
平均漂移速度（drift velocity）ν，m/s
•影响电子电导率的因素： 温度、杂质、缺陷
(A)声子对迁移率的影响,可写成
μL=aT-3/2
(B)杂质离子对迁移率的影响,可写成
μI=bT3/2
单质金属中主要是电声子相互作用,电导率的温 度关系为
σ∝T-1。 半导体和绝缘体的电导率随温度变化以指数函数 增大
σ=σ0exp(-Eg/2kT)
•影响离子电导率的因素 • 温度 • 晶体结构 • 晶格缺陷
聚合物的电导性 结构型 高分子本身导电 添加型 高分子中添加导电材料
Hideki Shirakawa 1/3 of the prize Japan
University of Tsukuba Tokyo, Japan b. 1936
1974年，白川英树等人用Ziegler-Natta催化剂制备聚乙炔薄膜
铜色（cis-，电导率10－8～10－7 S·cm－ 1）
银色（trans-，电导率10－3～10－2 S·cm－1）
– 带有强极性基团的聚合物发生本征离解产生电导离子； – 聚合、加工过程中引入的催化剂、添加剂、填料、水份及
其他杂质也可提供导电离子
• 共轭聚合物、聚合物的电荷转移络合物、聚合物的 自由基-离子化合物及有机金属聚合物等具有强的电 子电导。
聚合物的导电性与分子结构
• 饱和的非极性聚合物具有最好的绝缘性能：PS、 PTFE、PE的实测电阻率约1016-18W·m，理论值 高达1023W·m；
石墨
SiC 锗，纯 硅，纯 苯酚甲醛（电木） 窗玻璃 氧化铝（Al2O3） 云母 甲基丙烯酸甲酯 氧化铍（BeO） 聚乙烯 聚苯乙烯 金刚石 石英玻璃 聚四氟乙烯
Σ （Ω-1.m-1）
105 (平均) 10 2.2 4.3*10-4 10-7-10-11 <10-10 10-10-10-12 10-11-10-15 〈10-12 10-12-10-15 〈10-14 〈10-14 〈10-14 〈10-16 〈10-16
Alan J. Heeger 1/3 of the prize
USA
University of California anta Barbara, CA, USA b. 1936
Alan G. MacDiarmid 1/3 of the prize USA
University of Pennsylvania Philadelphia, PA, USA b. 1927
20140604材料的电学性质 (2)
三、材料的电学性能
•直流电场 •交变电场——介电性质
介电常数的定义，交变电场中的介电损耗的成因及 影响因素
•弱电场 ——导电性质
电导率和电阻率的定义、载流子定义、电导率的基 本参数及影响因素，超导电性的定义、超导体的特性
•强电场 ——击穿现象 •材料表面——静电现象
聚乙炔，其掺杂的电导率大幅度提高，掺杂到 6.67%时，能隙将消失。
共轭
图 3 三维、二维和一维碳化合物材料
聚乙炔链上的共轭缺陷（载流子）
阳离子自由基的产生和移动 聚乙炔异构化产生孤子及移动
聚合物的导电特点
• 聚合物中导电载流子可以是电子、空穴，也可以是 正离子、负离子。
• 多数聚合物中存在离子电导：
• 共轭高聚物是半导体材料：共轭p电子去定域化提 供了电子载流子。聚丙烯腈脱氢裂解环化产物的 电导率约0.1W-1·m-1；
聚合物的导电性与分子结构
• 电荷转移络合物和自由基-离子化合物具有高电导 性：聚2-乙烯基吡啶-碘的电导率约0.1W-1·m-1；
载流子的定义
电流载体，称载流子。 载流子指可以自由移动的带有电荷的物质 微粒，如电子和离子。
在电场作用下能作定向运动的带电粒子。 如半导体中的自由电子与空穴，导体中的 自由电子，电解液中的正、负离子，放电 气体中的离子等。
决定电导率的基本参数
载流子类型 charge carrier—— 电子、空穴、正离子、 负离子
• 有机金属聚合物金属离子引入聚合物主链，具有 更高的电导率，聚酞菁铜电导率约5W-1·m-1。
3.2 极化与介电现象
• 在外场(电场、力、温度)作用下，电介质分子或 其中某些基团中电荷分布发生的变化称极化。
• 在外电场的作用下，由于分子极化引起的电能的 贮存和损耗称介电；相应的性质称介电性。
• 在外力电场的作用下产生的极化称介电极化，包 括电子极化、原子极化、取向极化、界面极化等。
1977年， Heeger 、MacDiarmid 和白川英树发现 当聚乙炔薄膜用Cl2、Br2或I2蒸气氧化后，其电导率 可提高几个数量级。 通过改变催化剂的制备方法和取向，电导率可达105 S·cm－1。（Cu为108 S·cm －1 ）。
Baidu Nhomakorabea
发现并发展了导电聚合物 2000年诺贝尔化学奖获得者
白 川 英 树
聚合物中的极化现象
• 聚合物中的偶极极化其 本质与小分子相同，但
因具有不同运动单元的
取向而使完成取向极化
的时间范围变得很宽，
与力学松弛时间谱类似， 称介电松弛谱。
tan"
T
介电常数
C Q
C0 Q0
介电常数是衡量电介质极化的宏观物理量，表征电介
质贮存电能的能力。 聚合物的介电常数在1.8～8.4之间，多数为2～4。
金属和合金
各种材料在室温的电导率
Σ (Ω-1.m-1)
非金属
银 铜，工业纯 金 铝, 工业纯 Al-1.2%,Mn 合金 钠 钨， 工业纯 黄铜（70%Cu-30%Zn 镍,工业纯 纯铁,工业纯 钛,工业纯 不锈钢，301型 镍 铬 合 金 (80%Ni20%Cr）
6.3*107 5.85*107 4.25*107 3.45*107 2.96*107 2.1*107 1.77*107 1.66*107 1.46*107 1.03*107 0.24*107 0.14*107 0.093*107
载流子数 charge carrier density----n, 个/m3 载流子迁移率 electron mobility
( 物理意义为载流子在单位电场中的迁移速度) μ=ν/E m2/(v.s)
平均漂移速度（drift velocity）ν，m/s
•影响电子电导率的因素： 温度、杂质、缺陷
(A)声子对迁移率的影响,可写成
μL=aT-3/2
(B)杂质离子对迁移率的影响,可写成
μI=bT3/2
单质金属中主要是电声子相互作用,电导率的温 度关系为
σ∝T-1。 半导体和绝缘体的电导率随温度变化以指数函数 增大
σ=σ0exp(-Eg/2kT)
•影响离子电导率的因素 • 温度 • 晶体结构 • 晶格缺陷
聚合物的电导性 结构型 高分子本身导电 添加型 高分子中添加导电材料
Hideki Shirakawa 1/3 of the prize Japan
University of Tsukuba Tokyo, Japan b. 1936
1974年，白川英树等人用Ziegler-Natta催化剂制备聚乙炔薄膜
铜色（cis-，电导率10－8～10－7 S·cm－ 1）
银色（trans-，电导率10－3～10－2 S·cm－1）
– 带有强极性基团的聚合物发生本征离解产生电导离子； – 聚合、加工过程中引入的催化剂、添加剂、填料、水份及
其他杂质也可提供导电离子
• 共轭聚合物、聚合物的电荷转移络合物、聚合物的 自由基-离子化合物及有机金属聚合物等具有强的电 子电导。
聚合物的导电性与分子结构
• 饱和的非极性聚合物具有最好的绝缘性能：PS、 PTFE、PE的实测电阻率约1016-18W·m，理论值 高达1023W·m；
石墨
SiC 锗，纯 硅，纯 苯酚甲醛（电木） 窗玻璃 氧化铝（Al2O3） 云母 甲基丙烯酸甲酯 氧化铍（BeO） 聚乙烯 聚苯乙烯 金刚石 石英玻璃 聚四氟乙烯
Σ （Ω-1.m-1）
105 (平均) 10 2.2 4.3*10-4 10-7-10-11 <10-10 10-10-10-12 10-11-10-15 〈10-12 10-12-10-15 〈10-14 〈10-14 〈10-14 〈10-16 〈10-16
Alan J. Heeger 1/3 of the prize
USA
University of California anta Barbara, CA, USA b. 1936
Alan G. MacDiarmid 1/3 of the prize USA
University of Pennsylvania Philadelphia, PA, USA b. 1927
20140604材料的电学性质 (2)
三、材料的电学性能
•直流电场 •交变电场——介电性质
介电常数的定义，交变电场中的介电损耗的成因及 影响因素
•弱电场 ——导电性质
电导率和电阻率的定义、载流子定义、电导率的基 本参数及影响因素，超导电性的定义、超导体的特性
•强电场 ——击穿现象 •材料表面——静电现象
聚乙炔，其掺杂的电导率大幅度提高，掺杂到 6.67%时，能隙将消失。
共轭
图 3 三维、二维和一维碳化合物材料
聚乙炔链上的共轭缺陷（载流子）
阳离子自由基的产生和移动 聚乙炔异构化产生孤子及移动
聚合物的导电特点
• 聚合物中导电载流子可以是电子、空穴，也可以是 正离子、负离子。
• 多数聚合物中存在离子电导：