功能复合材料-4-导电复合材料

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MoSi2- 高温发热体，极易脆断。 AlN-SiC-MoSi2 BaPbO3和BaPbO3-Y2O3系导电复合材料不但具
有金属导电特性，而且还具有高温PTC效应，是
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4. 2.2 聚合物基导电复合材料的组成
1. 基体聚合物：橡胶，热固性树脂、热塑 性树脂； 2. 导电填料： 抗静电剂，各种导电材料
抗静电剂多为极性或离子型表面活性剂， 分子结构中含有亲水基团和疏水基团。加入 聚合物基体中后，其分子经过向复合材料制 品表面迁移而形成一层“水膜”，从而达到 防止和消除积累在复合材料制品表面的静电 的目的。
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电磁屏蔽材料多用于电子设备的屏蔽，
由于近代电子设备的数据传输多采用电视显
示方式，如计算机终端显示器、监视器、仪
表的图显和数显，都要求既透明，又能阻隔
电磁波的材料。从这个角度上看，复合材料 中最佳体积填充分数为较低数值是理想的。
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在一温度范围内，复合材料的电阻随 着温度的升高而升高(正温度效应)。
当超过某一温度时，其电阻值又随温 度的升高而下降(负温度效应)。
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由于电阻的正温度效应、负温度效应 的存在，使复合材料成为一种开关材料。
因此，可用于制备各种电子开关器件。
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4.2.4 聚合物基导电复合材料的制备方法
共混法 机械共混法 溶液共混法 共沉淀法 （比较少） 共混法制备的复合材料，导电稳定性主要 取决于复合材料中“渗流途径”的变化，而 渗流途径的变化则和基体聚合物的热稳定性 有关。
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4.2.6 聚合物基导电功能复合材料的应用
(1) 在抗静电和导电领域 (2) 自控温发热材料
(3) 压敏导电胶
(4) 电磁波屏蔽
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4.2.7 聚合物基导电复合材料的发展趋势
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2. 形成导电通路后的导电行为（导电机理） (1) 通过导电粒子之间的直接接触而产生传导， 即“导电通道学说”。
(2) 除了粒子之间的接触，电子也可在分散于 基体中的导电粒子间间隙迁移而产生导电现 象，即“隧道效应学说”。 (3) 由于导电粒子间的高强电场，产生发射电 流，即“电场发射学说”。
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4. 2 聚合物基导电复合材料 4. 2.1 简介
聚合物基导电复合材料通常是在基体聚 合物中加另外一种导电聚合物或导电填料复 合而成。 导电聚合物通常是指分子结构本身或经 过掺杂处理后具有导电功能的共轭聚合物。
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一般将体积电阻率ρv小于109的聚合物基 复合材料称为聚合物基导电复合材料。
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炭黑的导电性与其结构性、比表面积和表面 化学特性等因素有关。
导电复合材料的性能指标：导电性，熔融指数， 拉伸强度，伸长率等。
提高炭黑填充型导电复合材料导电性能的主要方向： 炭黑的改性：高温处理，表面改性。 新型导电炭黑的开发：
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2. 金属纤维填充型导电功能复合材料
4. 导电复合材料
4. 1 概述
作为复合材料的电导率没有明确的数
值来划分导体、半导体和绝缘体。
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两种或两种以上的金属形成的复合 材料显然是导体；
相反，两种或两种以上的绝缘体形 成的复合材料电导率不会很高。
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但是，复合材料中如果含有导电和绝 缘两种材料，那么它的电导率或是极端或
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3. 影响导电性能的因素
(1) 导电填料种类、性质及含量用的影响 炭黑的结构均一、比表面积大、表面活性基团含 量少，制备的复合材料的导电性能好； 粒子形状（絮团状粒子优于球状及片状粒子）； 填料用量（渗滤阈值）。 (2) 聚合物种类的影响 聚合物基导电复合材料的导电性随聚合物表面张 力减小而升高； 对于同一聚合物基体的导电复合材料，其导电性 随聚合物粘度降低而升高； 结晶度越低，导电性能越好。
好的热塑性高分子(如ABS、PC、PP、PE、
PVC、PBT、PA及它们的改性和共混的树脂)
和导电性填料(如炭黑、铝片粉、金属纤维及
表面金属化的有机和无机纤维)及其他填加物 复合而成，其屏蔽效果为40～60dB。
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屏蔽效果与导电
体填充量，导电纤维 长径比有关，由图中 可看出，合适的填料 体积分数可获得好的 屏蔽效率，很多研究 发现在临界浓度值附 屏 蔽 效 率 /dB 体积分数
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很多研究表明，一些绝缘性复合材料当承
受电压达到临界值时，会变成高导电性材料。
如果没有大的电流通过，则消除电压后样 品仍保持较低的电阻率，尔后再恢复到样品的 绝缘状态。
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复合材料电导率不仅与金属填加物体 积分数有关，与温度也有密切关系，从而 显现出正温度效应和负温度效应。
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电 阻 率 对 数 / .cm
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Al
Fe
金属的体积分数
苯乙烯—丙烯腈共聚物中Al粉和Fe粉的体积分数和电阻率的关系
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这一临界填料量称之为复合材料的“导电
门槛”值。
临界浓度值与金属填充颗粒的尺寸、分布、 形状以及制造工艺有很大关系。 例如宽粒分布的铝粉末的临界体积分数为 0.4，而窄颗粒分布的粉末临界体积分数为0.2。
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重点方向：
(1) 导电填料的改性和开发。
(2) 复合材料的处理和改性。 (3) 工艺与设备研究。
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4.3 无机非金属基导电复合材料
4.3.1 陶瓷基导电复合材料
陶瓷的优点： 抗压、耐磨、耐腐蚀、熔点高。 “导电” ——开拓新的应用领域。 Al2O3-ZrO2-AlN-SiCw-X ( X- TiB2, TiC, BN)： 特点： 韧性、耐磨性、导电性。 应用领域：阳极材料、发热元件、传感器和断 路器，以及用在强电流或高温条件下有好的力学 性能的领域。
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电磁屏蔽复合材料：解决电磁干扰、射频 干扰和信息防窃的复合材料。 由于电磁波吸收率依赖于材料的电导率， 因此，利用具有一定导电性的复合材料可满 足电磁屏蔽的需要。
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以高分子材料为基体，填充导电材料可
构成适合用于电磁屏蔽的复合材料。
近有最好的屏蔽效果。
铝片在聚合物中体积分数与屏蔽效率关系
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图中表明填充料的 长径比与屏蔽效果也有 屏 密切关系，填料长径比 蔽 效 越大，屏蔽性也越大， 率 从另一角度看，长径比 /dB 也影响着最佳体积填充 量。通常长径比越大，
最佳体积填充分数越低。
体积分数 铝纤维带的体积分数、 长径比与屏蔽效率的关系
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(3) 成型工艺和成型方法的影响 混炼时间：有一最佳值，过长或过短都会导致 复合材料的导电性能下降； 成型温度：高，有利于导电填料的分散，使得 复合材料的导电性能提高。 复合材料的导电性能随成型方法的变化： 层压>挤出>吹膜>流延 (4) 环境条件的影响 以结晶性聚合物为基体的复合材料的导电性能随 环境温度升高而作非线性下降，而以非结晶性聚 合物为基体的复合材料导电性能受环境影响很小。
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4.2.3 聚合物基导电复合材料的导电机理
实例： 金属填充材料的导电特性
将金属颗粒混入高分子聚合物，高分子
聚合物的电阻率就会发生变化，然而这个变 化并非依据加和法则，而是当金属填料浓度 达到一临界体积c时，金属填充聚合物发生 一个如下图所示的突然转换，由绝缘体变成 导电体。
是最有发展前途的新型导电材料和电磁屏蔽 材料。
国外开发和应用较多的金属纤维是黄铜纤维， 其次是不锈钢纤维和铁纤维。
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金属纤维的填充量对导电性能的影响规律与 炭黑填充的情形相类似，但由于纤维填料形成链 状导电通道的概率更大，因此在填充量很少的情 况下便可获得较高的导电率。 金属纤维的长径比越大，导电性和屏蔽效果 就越好。 选择合理的混炼工艺参数，螺杆转速、机筒 和模具温度等。 可添加适当的加工助剂，以提高均匀分散效果。
（2）基体本身具有导电功能的复合材料。
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与金属导体相比，导电复合材料具有明 显的优势：
1. 密度低；
2. 可供选择的导电性范围大，体积电阻率范 围为10-3~1010 Ω∙cm； 3. 耐腐蚀性强； 4. 优良的加工性能，容易加工成各种复杂结 构形状的零件，可大批量生产； 5. 成本较低。
由于电磁屏蔽的复合材料具有性能好、 成本低、成型工艺简单的优点，因此成为国
际上电子材料研究的热点。
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电磁屏蔽复合材料有两种类型。 (1)填充导电体的形式；其中，填料形 成的导电网络是提供屏蔽功能的基本要素。
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这种电磁屏蔽复合材料通常由绝缘性良
(2)用金属丝与无机或有机纤维的混纺纱 制成织物可作电磁波反射体。 这种反射型复合材料主要用于无线通信 天线的电磁波反射装臵，但也可作计算机、
复印机、传真机等电子设备的电磁波屏蔽板。
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3. 纤维增强导电功能复合材料
导电FRP材料：在组成FRP的不饱和聚酯和 玻璃纤维中加入导电功能体，通常是碳粉。
(1) 如何在提高复合材料性能的前提下，降低导电 填料的用量。 (2) 如何在加大导电填料用量以提高导电性能的前 提下，保持或增强复合材料的成型加工性能、力学 性能和其他性能。 (3) 开发导电复合材料新品种，开拓新的应用领域。
(4) 复合材料多功能化，导电，结合阻燃、阻隔、 耐高温、耐腐蚀、耐摩擦。
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1. 导电通路的形成
现象：体系的电阻率突然下降。 （1）在突变点（临界值）附近导电 填料的分布开始形成导电通路网络。
（2）聚合物-填料的界面效应非常 重要。如，炭黑临界含量是一个与 体系界面能过剩有关的参数。
（3）加工成型过程中的各种因素对 复合材料的导电性能影响很大，其 实质是两相界面状况在加工过程是 不断变化的，并直接对炭黑在基体 中的分散状态发生影响。
化学法
聚合物单体和导电粒子混合后聚合成型， 如聚烯烃/炭黑。 非导电聚合物基体上吸附可形成导电聚合 物的单体，并且使之在基体上聚合，从而获 得导电复合材料。 两种聚合物单体在乳胶中进行氧化聚合后 生成导电复合材料，如聚苯胺/聚吡咯。
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电化学法
首先利用“浸渍-蒸发法”在金属电极上 涂敷一薄层塑料，然后将这一电极作为工作 电极放到含有单体的电解质溶液中。由于电 解质溶液对基体聚合物的溶胀作用，从而单 体有机会扩散到金属电极表面放电。结果从 基体聚合物内部开始导电聚合物不断聚合， 形成导电复合材料。
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4.2.5 几种典型的聚合物基导电功能 复合材料
1. 炭黑系导电功能复合材料
炭黑，天然的半导体材料，体积电阻率约为 0.1~10 Ω∙cm。 炭黑填充型导电聚合物复合材料的导电机理 比较复杂，通常包括导电通道、隧道效应和场致 发射三种机理，而且是三者竞争的结果。
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是一些中间值，这取决于导体和绝缘体的
相对含量、几何分布和组元本身特性。
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导电复合材料是指复合材料中至少有一
种组分具有导电功能的材料。 导电复合材料 可分为两大类：
（1）将导电体加入到基体中构成的复合材料。
基体： 聚合物、金属、陶瓷、水泥 导电填料： 炭素、金属、金属氧化物