大学材料科学与工程经典课件-第三章导电高分子材料.ppt

第三章 导电高分子材料,导电聚合物的结构特征（复合型、本征型）；导电聚合物的基本的物理、化学特性；导电聚合物的应用。,1,重点内容：,吸塑导电海绵,PU导电海绵主要用于电子原器件仪器仪表的包装。本品表面电阻达到102-105,本产品是无炭黑型是用导电高分子材料制成，耐水性好,永久导电吸塑片材,导电吸塑包装,吹塑导电包装,第三章 导电高分子材料,1 概 述,2 结构型导电高分子,3 复合型导电高分子,5 电活性聚合物,4 超导电高分子,第三章 导电高分子材料,1.概述1.1 导电高分子的基本概念 物质按电学性能分类可分为绝缘体、半导体、导体和超导体四类。高分子材料通常属于绝缘体的范畴。但1977年美国科学家黑格（）、麦克迪尔米德（A.G.MacDiarmid）和日本科学家白川英树（H.Shirakawa）发现掺杂聚乙炔具有金属导电特性以来，有机高分子不能作为导电材料的概念被彻底改变。,7,8,艾伦黑格（1936），1936年生于依阿华州苏城。现为加利福尼亚大学的固体聚合物和有机物研究所所长，是一名物理学教授。因有关导电聚合物的发现而成为2000年度诺贝尔化学奖三名得主之一。,艾伦G马克迪尔米德(1927)，美国化学家。1927年生于新西兰，1953年取得美国威斯康星大学博士学位，1955年取得英国剑桥大学博士学位，1955年至今在美国宾夕发尼亚大学担任教授，,白川英树（1936），日本著名化学家因开发成功了导电性高分子材料而成为2000年诺贝尔化学奖三名得主之一,导电性聚乙炔的出现不仅打破了高分子仅为绝缘体的传统观念，而且为低维固体电子学和分子电子学的建立打下基础，而具有重要的科学意义。上述三位科学家因此分享2000年诺贝尔化学奖。黑格小传麦克迪尔米德小传白川英树小传,9,第三章 导电高分子材料,10,第三章 导电高分子材料,导电材料,金属、合金,导电高分子,复合型,本征型,自由电子,正负离子,氧化还原电子转移,载流子,第三章 导电高分子材料,导电高分子不仅具有由于掺杂而带来的金属特性（高电导率）和半导体（p和n型）特性之外，还具有高分子结构的可分子设计性，可加工性和密度小等特点。为此，从广义的角度来看，导电高分子可归为功能高分子的范畴。导电高分子具有特殊的结构和优异的物理化学性能使它在能源、光电子器件、信息、传感器、分子导线和分子器件、电磁屏蔽、金属防腐和隐身技术方面有着广泛、诱人的应用前景。,11,第三章 导电高分子材料,导电高分子自发现之日起就成为材料科学的研究热点。经过近三十年的研究，导电高分子无论在分子设计和材料合成、掺杂方法和掺杂机理、导电机理、加工性能、物理性能以及应用技术探索都已取得重要的研究进展，并且正在向实用化的方向迈进。本章主要介绍导电高分子的结构特征和基本的物理、化学特性，并评述导电高分子的重要的研究进展。,12,第三章 导电高分子材料,1.2 材料导电性的表征 根据欧姆定律，当对试样两端加上直流电压V时，若流经试样的电流为I，则试样的电阻R为：电阻的倒数称为电导，用G表示：,13,（31）,（32）,第三章 导电高分子材料,电阻和电导的大小不仅与物质的电性能有关，还与试样的面积S、厚度d有关。实验表明，试样的电阻与试样的截面积成反比，与厚度成正比：同样，对电导则有：,14,（33）,（34）,第三章 导电高分子材料,上两式中，称为电阻率，单位为（cm），称为电导率，单位为（-1cm-1）。显然，电阻率和电导率都不再与材料的尺寸有关，而只决定于它们的性质，因此是物质的本征参数，都可用来作为表征材料导电性的尺度。在讨论材料的导电性时，更习惯采用电导率来表示。,15,第三章 导电高分子材料,材料的导电性是由于物质内部存在的带电粒子的移动引起的。这些带电粒子可以是正、负离子，也可以是电子或空穴，统称为载流子。载流子在外加电场作用下沿电场方向运动，就形成电流。可见，材料导电性的好坏，与物质所含的载流子数目及其运动速度有关。,16,第三章 导电高分子材料,假定在一截面积为S、长为l的长方体中，载流子的浓度（单位体积中载流子数目）为N，每个载流子所带的电荷量为q。载流子在外加电场E作用下，沿电场方向运动速度（迁移速度）为，则单位时间流过长方体的电流I为：,17,（35）,第三章 导电高分子材料,而载流子的迁移速度通常与外加电场强度E成正比：式中，比例常数为载流子的迁移率，是单位场强下载流子的迁移速度，单位为（cm2V-1s-1）。结合式（32），（34），（35）和（36），可知,18,（36）,（37）,第三章 导电高分子材料,当材料中存在n种载流子时，电导率可表示为：由此可见，载流子浓度和迁移率是表征材料导电性的微观物理量。,19,（38）,第三章 导电高分子材料,材料的导电率是一个跨度很大的指标。从最好的绝缘体到导电性非常好的超导体，导电率可相差40个数量级以上。根据材料的导电率大小，通常可分为绝缘体，半导体、导体和超导体四大类。这是一种很粗略的划分，并无十分确定的界线。在本章的讨论中，将不区分高分子半导体和高分子导体，统一称作导电高分子。表3-1列出了这四大类材料的电导率及其典型代表。,20,第三章 导电高分子材料,21,表31 材料导电率范围,第三章 导电高分子材料,1.3 导电高分子的类型 按照材料的结构与组成，可将导电高分子分成两大类。一类是结构型（本征型）导电高分子，另一类是复合型导电高分子。1.3.1 结构型导电高分子 结构型导电高分子本身具有“固有”的导电性，由聚合物结构提供导电载流子（包括电子、离子或空穴）。这类聚合物经掺杂后，电导率可大幅度提高，其中有些甚至可达到金属的导电水平。,22,第三章 导电高分子材料,迄今为止，国内外对结构型导电高分子研究得较为深入的品种有聚乙炔、聚对苯硫醚、聚对苯撑、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩以及TCNQ传荷络合聚合物等。其中以掺杂型聚乙炔具有最高的导电性，其电导率可达5103104-1cm-1（金属铜的电导率为105-1cm-1）。,23,第三章 导电高分子材料,目前，对结构型导电高分子的导电机理、聚合物结构与导电性关系的理论研究十分活跃。应用性研究也取得很大进展，如用导电高分子制作的大功率聚合物蓄电池、高能量密度电容器、微波吸收材料、电致变色材料，都已获得成功。,24,电容 导电高分子材料作为固态电解质,第三章 导电高分子材料,为什么结构型导电高分子的实际应用尚不普遍？,26,大多数结构型导电高分子在空气中不稳定，导电性随时间明显衰减。此外，导电高分子的加工性往往不够好，也限制了它们的应用。科学家们正企图通过改进掺杂剂品种和掺杂技术，采用共聚或共混的方法，克服导电高分子的不稳定性，改善其加工性。,第三章 导电高分子材料,1.3.2 复合型导电高分子,27,复合型导电高分子是在本身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。,第三章 导电高分子材料,高分子材料本身并不具备导电性，只充当了粘合剂的角色。导电性是通过混合在其中的导电性的物质如炭黑、金属粉末等获得的。,28,ATTENTION！,29,第三章 导电高分子材料,复合型导电高分子用作导电橡胶、导电涂料、导电粘合剂、电磁波屏蔽材料和抗静电材料，在许多领域发挥着重要的作用。,复合型导电高分子应用？,由于它们制备方便，有较强的实用性，因此在结构型导电高分子尚有许多技术问题没有解决的今天，人们对它们有着极大的兴趣。,注塑导电包装,第三章 导电高分子材料,1.3.3 超导体高分子 超导体是导体在一定条件下，处于无电阻状态的一种形式。超导现象早在1911年就被发现。由于超导态时没有电阻，电流流经导体时不发生热能损耗，因此在电力远距离输送、制造超导磁体等高精尖技术应用方面有重要的意义。,31,第三章 导电高分子材料,目前，巳经发现的许多具有超导性的金属和合金，都只有在超低温度下或超高压力下才能转变为超导体。显然这种材料作为电力、电器工业材料来应用，在技术上、经济上都是不利的，因此，研制具有较高临界超导温度的超导体是人们关切的研究课题。,32,第三章 导电高分子材料,超导金属临界温度最高的是铌(Nb),Tc9.2K。超导合金最高超导临界温度的铌铝锗合金(Nb/Al/Ge)Tc23.2K高分子材料聚氮硫在0.2K时具有超导性。尽管它是高分子，Tc也比金属和合金低，但由于聚合物的分子结构的可变性十分广泛，制造出超导临界温度较高的高分子超导体是大有希望的。研究的目标是超导临界温度达到液氮温度（77K）以上，甚至是常温超导材料。,33,第三章 导电高分子材料,2.结构型导电高分子 根据导电载流子的不同，结构型导电高分子有两种导电形式：电子导电和离子传导。对不同的高分子，导电形式可能有所不同，但在许多情况下，高分子的导电是由这两种导电形式共同引起的。,34,如测得尼龙66在120以上的导电就是电子导电和离子导电的共同结果。,第三章 导电高分子材料,一般认为，四类聚合物具有导电性：,35,高分子电解质,共轭体系聚合物,电荷转移络合物,金属有机螯合物,第三章 导电高分子材料,2.1 共轭聚合物的电子导电2.1.1 共轭体系的导电机理 共轭聚合物是指分子主链中碳碳单键和双键交替排列的聚合物，典型代表是聚乙炔：CH=CH 由于分子中双键的电子的非定域性，这类聚合物大都表现出一定的导电性。,36,第三章 导电高分子材料,按量子力学的观点，具有本征导电性的共轭体系必须具备两条件。第一，分子轨道能强烈离域；第二，分子轨道能互相重叠。,37,在共轭聚合物中，电子离域的难易程度，取决于共轭链中电子数和电子活化能的关系。,共轭聚合物的分子链越长，电子数越多，则电子活化能越低，亦即电子越易离域，则其导电性越好。下面以聚乙炔为例进行讨论。,第三章 导电高分子材料,聚乙炔具有最简单的共轭双键结构：(CH)x。组成主链的碳原子有四个价电子，其中三个为电子（sp2杂化轨道），两个与相邻的碳原子连接，一个与氢原子链合，余下的一个价电子电子(Pz轨道)与聚合物链所构成的平面相垂直（图31）。,38,第三章 导电高分子材料,图31(CH)x的价电子轨道,39,第三章 导电高分子材料,随电子体系的扩大，出现被电子占据的成键态和空的*反键态。随分子链的增长，形成能带，其中成键状态形成价带，而*反键状态则形成导带（图32）。如果电子在链上完全离域，并且相邻的碳原子间的链长相等，则*能带间的能隙（或称禁带）消失，形成与金属相同的半满能带而变为导体。,40,第三章 导电高分子材料,图32 共轭体系Ax的长度x与成键反键电子状态,41,第三章 导电高分子材料,从图中可见，要使材料导电，电子必须具有越过禁带宽度的能量EG，亦即电子从其最高占有轨道（基态）向最低空轨道（激发态）跃迁的能量E（电子活化能）必须大于EG。研究表明，线型共轭体系的电子活化能E与电子数N的关系为：（39）,42,第三章 导电高分子材料,反式聚乙炔的禁带宽度推测值为1.35eV，若用式（39）推算，N16，可见聚合度为8时即有自由电子电导。除了分子链长度和电子数影响外，共轭链的结构也影响聚合物的导电性。从结构上看，共轭链可分为“受阻共轭”和“无阻共轭”两类。前者导电性较低，后者则较高。,43,第三章 导电高分子材料,受阻共轭是指共轭链分子轨道上存在“缺陷”。庞大的侧基或强极性基团引起共轭链的扭曲、折叠等，使电子离域受到限制。电子离域受阻程度越大，则分子链的电子导电性就越差。如下面的聚烷基乙炔和脱氯化氢聚氯乙烯，都是受阻共轭聚合物的典型例子。,44,什么是“受阻共轭”？,第三章 导电高分子材料,45,聚烷基乙炔10-1510-10-1cm-1,脱氯化氢PVC10-1210-9-1cm-1,第三章 导电高分子材料,无阻共轭是指共轭链分子轨道上不存在“缺陷”，整个共轭链的电子离城不受影响。,46,例如反式聚乙炔，聚苯撑、聚并苯、热解聚丙烯腈等，都是无阻共轭链的例子。顺式聚乙炔分子链发生扭曲，电子离域受到一定阻碍，因此，其电导率低于反式聚乙炔。,第三章 导电高分子材料,47,聚乙炔顺式：10-7-1cm-1反式：10-3-1cm-1,聚苯撑10-3-1cm-1,聚并苯10-4-1cm-1,热解聚丙烯腈10-1-1cm-1,第三章 导电高分子材料,如果完全不含杂质，聚乙炔的电导率也很小。然而反式聚乙炔是电子受体型的，它容易与适当的电子受体或电子给体发生电荷转移，提高其导电率，其聚合催化剂的残留与其发生电荷转移。,48,为什么顺式电导率并不高，反式聚乙炔却有较高的电导率？,2.2.2 共轭聚合物的掺杂及导电性,第三章 导电高分子材料,例如，在聚乙炔中添加碘或五氧化砷等电子受体，由于聚乙炔的电子向受体转移，电导率可增至104-1cm-1，达到金属导电的水平。另一方面，由于聚乙炔的电子亲和力很大，也可以从作为电子给体的碱金属接受电子而使电导率上升。,49,这种因添加了电子受体或电子给体而提高电导率的方法称为“掺杂”。,50,如果用Px表示共轭聚合物，P表示共轭聚合物的基本结构单元（如聚乙炔分子链中的CH），A和D分别表示电子受体和电子给予体，则掺杂可用下述电荷转移反应式来表示：,要掺杂多少呢？,第三章 导电高分子材料,51,电子受体或电子给体分别接受或给出一个电子变成负离子A-或正离子D+，但共轭聚合物中每个链节（P）却仅有y（y0.1）个电子发生了迁移。这种部分电荷转移是共轭聚合物出现高导电性的极重要因素。,第三章 导电高分子材料,第三章 导电高分子材料,图 33 聚乙炔电导率与 图 34 聚乙炔电导活化能 掺杂剂浓度的关系 与掺杂剂浓度的关系,52,53,从图33、图34可见，当聚乙炔中掺杂剂含量y从0增加到0.01时，其电导率增加了7个数量级，电导活化能则急剧下降。,第三章 导电高分子材料,第三章 导电高分子材料,共轭聚合物的掺杂浓度可以很高，最高可达每个链节0.1个掺杂剂分子。随掺杂量的增加，电导率可由半导体区增至金属区。掺杂的方法可分为化学法和物理法两大类，前者有气相掺杂、液相掺杂、电化学掺杂、光引发掺杂等，后者有离子注入法等。,54,第三章 导电高分子材料,(1)电子受体 卤素：Cl2，Br2，I2，ICl，ICI3，IBr，IF5 路易氏酸：PF5，As，SbF5，BF3，BCI3，BBr3，SO3 质子酸：HF，HCl，HNO3，H2SO4，HCIO4，FSO3H，ClSO3H，CFSO3H 过渡金属卤化物：TaF5，WFs，BiF5，TiCl4，ZrCl4，MoCl5，FeCl3 过渡金属化合物：AgClO3，AgBF4，H2IrCl6，La(NO3)3，Ce(NO3)3 有机化合物；四氰基乙烯（TCNE），四氰代二次甲基苯醌（TCNQ），四氯对苯醌、二氯二氰代苯醌（DDQ）,55,掺杂剂有哪些？,第三章 导电高分子材料,(2)电子给体 碱金属：Li，Na，K，Rb，Cs。电化学掺杂剂：R4N+，R4P+（R CH3，C6H5等）。,56,第三章 导电高分子材料,2.2.3 典型的共轭聚合物 除前面提到的聚乙炔外，聚苯撑、聚并苯，聚吡咯、聚噻吩等都是典型的共轭聚合物。另外一些由饱和链聚合物经热解后得到的梯型结构的共轭聚合物，也是较好的导电高分子，如热解聚丙烯腈、热解聚乙烯醇等。下面介绍几种典型的共轭聚合物。,57,第三章 导电高分子材料,一种研究得最为深入的共轭聚合物。它是由乙炔在钛酸正丁酯三乙基铝Ti(OC4H9)AlEt3为催化剂、甲苯为溶液的体系中催化聚合而成；当催化剂浓度较高时，可制得固体聚乙炔。而催化剂浓度较低时，可制得聚乙炔凝胶，这种凝胶可纺丝制成纤维。聚乙炔为平面结构分子，有顺式和反式两种异构体。在150左右加热或用化学、电化学方法能将顺式聚乙炔转化成热力学上更稳定的反式聚乙炔。,58,聚乙炔,第三章 导电高分子材料,顺式聚乙炔,59,反式聚乙炔,=10-3-1cm-1,=10-7-1cm-1,第三章 导电高分子材料,例如，顺式聚乙炔在碘蒸气中进行P型掺杂（部分氧化），可生成(CHIy)x(y0.20.3)，电导率可提高到102104-1cm-1，增加911个数量级。可见掺杂效果之显著。表32是顺式聚乙炔经掺杂后的电导率。,60,聚乙炔虽有较典型的共轭结构，但电导率并不高。反式聚乙炔的电导率为10-3-1cm-1，顺式聚乙炔的电导率仅10-7-1cm-1。但它们极易被掺杂。经掺杂的聚乙炔，电导率可大大提高。,第三章 导电高分子材料,61,表32 掺杂的顺式聚乙炔在室温下的电导率,第三章 导电高分子材料,聚乙炔最常用的掺杂剂有五氟化砷(AsF5)、六氟化锑(SbF6)，碘(I2)、溴(Br2)，三氯化铁(FeCl3)，四氯化锡(SnCl4)、高氯酸银(AgClO4)等。掺杂量一般为0.012（掺杂剂/CH）。研究表明，聚乙炔的导电性随掺杂剂量的增加而上升，最后达到定值（见图3-5）。,62,第三章 导电高分子材料,图36 电导率与掺杂剂量的关系,63,64,从图中可见，当掺杂剂用量达到2之后，电导率几乎不再随掺杂剂用量的增加而提高。,第三章 导电高分子材料,第三章 导电高分子材料,若将掺杂后的聚乙炔暴露在空气中，其电导率随时间的延长而明显下降。104-1cm-1的聚乙炔，在空气中存放一个月，电导率降至103-1cm-1。聚乙炔是高度共轭的刚性聚合物，不溶不熔，加工十分困难，也是限制其应用的一个因素。可溶性导电聚乙炔的研究工作正在进行之中。,65,掺杂聚乙炔的实用性怎么样？,66,在聚乙炔表面涂上一层聚对二甲苯，则电导率的降低程度可大大减缓。,第三章 导电高分子材料,第三章 导电高分子材料,近年来发展较快的一种导电高分子，它的特殊性能引起人们的关注。聚苯硫醚是由二氯苯在N甲基吡咯烷酮中与硫化钠反应制得的。,67,聚苯硫醚（PPS）,第三章 导电高分子材料,PPS是一种具有较高热稳定性和优良耐化学腐蚀性以及良好机械性能的热塑性材料，既可模塑，又可溶于溶剂，加工性能良好。纯净的聚苯硫醚是优良的绝缘体，电导率仅为10-1510-16-1cm-1。但经AsF5掺杂后，电导率可高达2102-1cm-1。由元素分析及红外光谱结果确认，掺杂时分子链上相邻的两个苯环上的邻位碳碳原子间发生了交联反应，形成了共轭结构的聚苯并噻吩。,68,第三章 导电高分子材料,I2，Br2等卤素没有足够的氧化能力来夺取聚苯硫醚中的电子，SO3、萘钠等会使聚苯硫醚降解，因此都不能用作掺杂剂。比聚苯硫醚空间位阻大的聚间苯硫醚(MPS)，用AsF5掺杂的效果较差，电导率仅为10-1 cm-1。,69,第三章 导电高分子材料,本身具有较高导电性的材料，不经掺杂的电导率就达10-1-1cm-1。先将聚丙烯腈加工成纤维或薄膜，在400600温度下热解环化、脱氢形成的梯型含氮芳香结构的产物。同时由于其具有较高的分子量，故导电性能较好。由聚丙烯腈热解制得的导电纤维，称为黑色奥纶（Black Orlon）。,70,热解聚丙烯腈,第三章 导电高分子材料,71,聚丙烯腈热解反应式为：,第三章 导电高分子材料,如果将上述产物进一步热裂解至氮完全消失，可得到电导率高达10-1cm-1的高抗张碳纤维。将溴代基团引入聚丙烯腈，可制得易于热裂解环化的共聚丙烯腈。这种溴代基团在热裂解时起催化作用，加速聚丙烯腈的环化，提高热裂解产物的得率。聚乙烯醇、聚酰亚胺经热裂解后都可得到类似的导电高分子。,72,第三章 导电高分子材料,石墨是六方晶系，一种导电性能良好的大共轭体系。受石墨结构的启发，美国贝尔实验室的卡普朗（M.L.Kaplan）等人和日本的村上睦明等人分别用了3,4,9,10二萘嵌苯四酸二酐（PTCDA）进行高温聚合，制得了有类似石墨结构的聚萘，具有优良的导电性。,73,聚 萘,聚萘的合成过程如下图所示：,第三章 导电高分子材料,74,H2.0,3,4,9,10二萘嵌苯四酸二酐,第三章 导电高分子材料,聚萘的导电性与反应温度有关。温度越高，石墨化程度也越高，导电性就越大，见表35。聚萘的贮存稳定性良好，在室温下存放4个月，其电导率不变。聚萘的电导率对环境温度的依赖性很小，显示了金属导电性的特征。,75,聚萘性能如何呢？,第三章 导电高分子材料,76,表35 反应温度对聚萘导电性的影响,返回,人们预计，随着研究的深入，聚萘有可能用作导电羰纤维、导磁屏蔽材料、高能电池的电极材料和复合型导电高分子的填充料。,聚萘的应用,军工或石油化工；白色、可染、较细导电纤维则在民用服装、室内装饰、地毯、家用纺织品及在微电子、医药（含无菌、无尘服）、食品、精密仪器、生物技术等领域拥有更为广阔的应用前景,第三章 导电高分子材料,77,第三章 导电高分子材料,3.1 复合型导电高分子的基本概念 复合型导电高分子是以普通的绝缘聚合物为主要基料（成型物质），并在其中掺入较大量的导电填料配制而成的。外观形式和制备方法、导电机理都与掺杂型结构导电高分子完全不同。,78,3 复合型导电高分子,第三章 导电高分子材料,复合型导电高分子基料将导电颗粒牢固地粘结在一起，使导电高分子具有稳定的导电性，同时它还赋于材料加工性。高分子材料的性能对导电高分中的机械强度、耐热性、耐老化性都有十分重要的影响。,79,填料在复合型导电高分子中起提供载流子的作用，它的形态、性质和用量直接决定材料的导电性。,第三章 导电高分子材料,从原则上讲，任何高分子材料都可用作复合型导电高分子的基质。实际应用中，需根据使用要求、制备工艺、材料性质和来源、价格等因素综合考虑，选择合适的高分子材料。,80,如何选择基料？,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、丁苯橡胶、丁腈橡胶和天然橡胶也常用作导电橡胶的基质。,丙烯腈，丁二烯，苯乙烯共聚的高分子材料,第三章 导电高分子材料,第三章 导电高分子材料,常用的导电填料有金粉、银粉、铜粉、镍粉、钯粉、钼粉、铝粉、钴粉、镀银二氧化硅粉、镀银玻璃微珠、炭黑、石墨、碳化钨、碳化镍等。部分导电填料的导电率列于表 311 中,82,如何选择填料？,第三章 导电高分子材料,83,表3-11 部分导电填料的电导率,84,从表中可见：银粉具有最好的导电性，故应用最广泛。炭黑虽导电率不高，但其价格便宜，来源丰富，因此也广为采用。,第三章 导电高分子材料,根据使用要求和目的不同，导电填料还可制成箔片状、纤维状和多孔状等多种形式。,第三章 导电高分子材料,两者性质相差较大，复合时不容易紧密结合和均匀分散，影响材料的导电性，故通常还需对填料颗粒进行表面处理。如采用表面活性剂、偶联剂、氧化还原剂对填料颗粒进行处理后，分散性可大大增加。,85,高分子材料与导电填料能相容吗？,第三章 导电高分子材料,Good Advantages,86,例如在聚乙烯中加入粒径为10300m的导电炭黑，可使聚合物变为半导体(10-610-12-1cm-1)，而将银粉、铜粉等加入环氧树脂中，其电导率可达10-110-1cm-1，接近金属的导电水平。,结构型导电高分子尚未达到实际应用水平，复合型导电高分子为一类较为经济实用的材料。,复合型导电高分子的制备工艺简单，成型加工方便，且具有较好的导电性能。,第三章 导电高分子材料,酚醛树脂炭黑导电塑料，在电子工业中用作有机实芯电位器的导电轨和碳刷；环氧树脂银粉导电粘合剂，可用于集成电路、电子元件，PTC陶瓷发热元件等电子元件的粘结；涤纶树脂与炭黑混合后纺丝得到的导电纤维，可用作工业防静电滤布和防电磁波服装。导电涂料、导电橡胶等各类复合型导电高分子材料，都在各行各业发挥其重要作用。,87,复合型导电高分子的应用？,第三章 导电高分子材料,3.2 复合型导电高分子的导电机理3.2.1 导电填料对导电性能的影响 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，材料的导电性随导电填料浓度的变化规律大致相同。图3-16 电导率与导电填料的关系,88,第三章 导电高分子材料,89,图3-16 电导率与导电填料的关系,导电填料浓度渗滤阈值,10个数量级,显微镜,无限网链,90,在导电填料浓度较低时，材料的电导率随浓度增加很少，而当导电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。,第三章 导电高分子材料,第三章 导电高分子材料,用电子显微镜技术观察导电材料的结构发现，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。,91,第三章 导电高分子材料,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”。,92,第三章 导电高分子材料,3.2.2 复合型导电高分子中导电填料用量的估算 对一个聚合物来说，需耍加入多少导电填料才能形成无限网链？,93,渗滤阈值如何估算？,哥尔兰特（Gurland）在大量研究的基础上，提出了平均接触数的概念。所谓平均接触数，是指一个导电颗粒与其他导电颗粒接触的数目。如果假定颗粒都是圆球，通过对电镜照片的分析，可得如下的公式：,第三章 导电高分子材料,式中 m 平均接触数；Ms 单位面积中颗粒与颗粒的接触数；Ns 单位面积中的颗粒数；NAB 任意单位长度的直线上颗粒与基质（高分子材料）的接 触数；NBB上述单位长度直线上颗粒与颗粒的接触数。,94,(323),第三章 导电高分子材料,95,图3-17 电阻与银粉浓度的关系（图中数据为m值）,电阻率的对数,银粉体积百分数,哥尔兰特研究酚醛树脂银粉体系电阻与填料体积分数的关系，计算了平均接触数m 在 1.31.5之间，电阻发生突变，在m=2以上时电阻保持恒定。,第三章 导电高分子材料,96,表明导电填料颗粒并不需要完全接触就能形成导电通道。,第三章 导电高分子材料,当导电颗粒间不相互接触时，颗粒间存在聚合物隔离层，使导电颗粒中自由电子的定向运动受到阻碍，这种阻碍可看作一种具有一定势能的势垒。根据量子力学的概念可知，对于一种微观粒子来说，即使其能量小于势垒的能量时，它除了有被反弹的可能性外，也有穿过势垒的可能性。,97,微观粒子穿过势垒的现象称为贯穿效应，也称隧道效应。,第三章 导电高分子材料,电子是一种微观粒子，因此，它具有穿过导电颗粒之间隔离层阻碍的可能性。隔离层的厚度 隔离层势垒的能量0与电子能量E的差值（0E）和（0E）愈小，电子穿过隔离层的可能性就愈大。当隔离层的厚度小到一定值时，电子就能容易地穿过，使导电颗粒间的绝缘隔离层变为导电层。这种由隧道效应而产生的导电层可用一个电阻和一个电容并联来等效。,98,第三章 导电高分子材料,根据上述分析，不难理解，导电高分子内部的结构有三种情况：（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的情况。,99,第三章 导电高分子材料,100,图318 复合型导电高分子的导电机理模型,第三章 导电高分子材料,（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。图318直观地反应了导电高分子的这种内部结构情况。在实际应用中，充分分散均匀。若不均匀，或凝聚，则即使达到临界值（渗滤阈值），无限网链也不会形成。,101,第三章 导电高分子材料,分散不均匀，凝聚,分散充分均匀,第三章 导电高分子材料,3.3 含炭黑聚合物的导电性 炭黑是一种在聚合物工业中大量应用的填料。聚合物中通常起四种作用：着色2，、补强约需20，吸收紫外光2，导电50以上。用于消除静电时，需510。含炭黑聚合物的导电性，主要取决于炭黑的结构、形态和浓度。,103,第三章 导电高分子材料,3.3.1 炭黑的种类、结构与性能,104,炭黑是由烃类化合物经热分解而成的。以脂肪烃为主要成分的天然气和以脂肪烃与芳香烃混合物为主要成分的重油均可作为制备炭黑的原料。,炭黑是什么？,第三章 导电高分子材料,炭黑中氢的含量是由芳香族多环化合物缩合不完全剩余下的。其中一部分以烯烃或烷烃的形式结合在晶子层面末端的碳原子上，另一部分则与氧结合形成官能团存在于颗粒表面上。通常，结合在晶子层面末端碳原子上的氢愈少，炭黑的结构愈高。氢的含量愈低，炭黑的导电性愈好。,105,炭黑以元素碳为主要成分，并结合少量的氢（0.30.7），和氧，吸附少量的水分，还含有少量硫、焦油、灰分等杂质。,第三章 导电高分子材料,氧的含量是炭黑粒子与空气接触而自动氧化结合的。其中大部分以CO2的形式吸附在颗粒表面上，少部分则以羟基、羧基、羰基、酯基和内酯基的形式结合在炭黑颗粒表面。一定数量含氧基团的存在，有利于炭黑在聚合物中的分散，因此对聚合物的导电性有利。炭黑的含氧量随制备方法不同而异，一般为14%。,106,第三章 导电高分子材料,在制备过程中，炭黑的初级球形颗粒彼此凝聚，形成大小不等的二级链状聚集体。,107,炭黑的结构,链状聚集体越多，结构越高。炭黑的结构因其制备方法和所用原料的不同而异。炭黑的结构高低可用吸油值大小来衡量，吸油值定义为100克炭黑可吸收的亚麻子油的量。在粒径相同的情况下，吸油值越大，表示结构越高。,第三章 导电高分子材料,炭黑颗粒表面一般吸附有1%3的水分，其含量大小与炭黑的表面性质有关。炭黑的比表面积愈大，氧的含量愈高，则水分吸附量愈大。水分的存在虽有利于导电性能提高，但通常使电导率不稳定，故应严格控制。,108,制备工艺,第三章 导电高分子材料,第三章 导电高分子材料,110,炭黑种类？,原料气燃烧的火焰与温度较低的收集面直接相接触，使裂解生成的炭黑冷却并附着在收集面上生产炭黑,粒径2630nm,燃料油和预热冷气在燃烧炉进行燃烧反应,生成含有CO2、H2O、等的1 700 左右的高温烟气,原料油和高温烟气在文丘里喉管内充分混合,然后进入反应炉内在1 400 下进行热裂解反应生成炭黑和H2,第三章 导电高分子材料,基本特性见表3-12,111,第三章 导电高分子材料,112,表3-12 导电炭黑的性能,第三章 导电高分子材料,（1）导电性对电场强度的依赖性 含炭黑聚合物的导电性对外电场强度有强烈依赖性。炭黑填充聚乙烯在低电场强度下（E104V/cm），电导率符合欧姆定律，而在高电场强度下（E104V/cm），电导率符合幂定律。研究发现，材料导电性对电场强度的这种依赖性规律，是由它们在不同外电场作用下不同的导电机理所决定的。,113,3.3.2 影响含炭黑聚合物导电性的因素,第三章 导电高分子材料,在低电场强度下，聚合物导电是由炭黑颗粒与聚合物之间的界面极化引起的离子导电。这种极化导电的载流子数目较少，故电导率较低。在高电场强度下，炭黑中的载流子（自由电子）获得足够的能量，能够穿过炭黑颗粒间的聚合物隔离层而使材料导电，隧道效应起了主要作用。因此，含炭黑高聚物在高电场强度下的导电本质上是电子导电，电导率较高。,114,为什么？,第三章 导电高分子材料,（2）导电性对温度的依赖性 含炭黑聚合物的导电性与温度的关系，当它们处于不同电场强度时，表现出不同的规律。图3-19为含炭黑20、厚100m的聚乙烯薄膜在低电场强度时的电导率与温度之间的关系。而图3-20则为含炭黑25的聚丙烯在高电场强度时的电导率温度关系。,115,第三章 导电高分子材料,图319 低电场强度时 图320 高电场强度时 电导率与温度的关系 电导率与温度的关系,116,E=103V/cm,E=106V/cm,第三章 导电高分子材料,从图中可见，在低电场强度时，电导率随温度降低而降低，而在高电场强度时，电导率随温度降低而增大。这同样是由于其不同的导电机理所引起的。,117,低电场强度下的导电是由界面极化导致的离子导电引起的。温度降低使载流子动能降低，导致电导率降低。反之，高电场强度下的导电是自由电子的跃迁，相当于金属导电，温度降低有利于自由电子的定向运动，故电导率增大。,导电机理,第三章 导电高分子材料,（3）加工方法对导电性的影响 大量事实表明，含炭黑聚合物的导电性能与加工方法和加工条件关系极大。例如，聚氯乙烯乙炔炭黑的电导率随混炼时间的延长而上升，但超过一定混炼时间，电导率反而下降（见图321）。,118,第三章 导电高分子材料,图321 混炼时间对电导率的影响,119,混炼时间,第三章 导电高分子材料,又如，将导电性炭黑与聚苯乙烯形成的完全分散的混合料(210-2-1cm-1)在较低的物料温度和较高的注射速度注射成型，电导率降低至10-10-1cm-1。将产品再粉碎，混炼后压制成型，电导率几乎可完全恢复（1.410-2-1cm-1）。另一方面，若用同一原料在较高温度和较低注射速度下注射成型，可得电导率为210-4-1cm-1的产品，经粉碎再生，电导率也可恢复到1.410-2-1cm-1的水平。,120,剪切速率,第三章 导电高分子材料,上述由于炭黑无限网链重建的动力学问题所引起的。在高剪切速率作用下，无限网链破坏。而聚合物的高粘度使得这种破坏不能很快恢复，因此导电性下降。经粉碎再生后，无限网链重新建立，电导率得以恢复。,121,加工方法和加工条件对含炭黑聚合物导电性的这种影响规律，对复合型导电高分子的应用有十分重要的意义。,第三章 导电高分子材料,4.1 超导态和超导理论的基本概念4.1.1 超导态及其特征 1908年荷兰物理学家翁内斯经过长期努力，使最后一种“永久气体”氦气（He）液化。1911年翁内斯在研究金属汞（Hg）的电阻随温度变化规律时发现，当温度降低时，汞的电阻先是平稳地减小，而在4.2K附近，电阻突然降为零。如图所示：,122,4 超导电高分子,第三章 导电高分子材料,图323 汞的导电性与温度的关系,123,Tc,温度区间,第三章 导电高分子材料,图中横坐标表示温度，纵坐标表示在该温度下汞的电阻与0时汞的电阻之比：R/R0（273K）。这种零电阻现象意味着此时电子可毫无阻碍地自由流过导体，而不发生任何能量的消耗。金属汞的这种低温导电状态，称为超导态。使汞从导体转变为超导体的转变温度，称为超导临界温度，记作Tc。,124,第三章 导电高分子材料,超导体材料当处于Tc以上温度时，与正常导体一样，都有一定的电阻值，此时超导体处于正常态。而在Tc以下时，超导体处于零电阻状态。但从图中可以看到，超导体从正常态向超导态的过渡是在一个温度区间内完成的，这个温度区间称为超导转变温度，与超导体的性质有关。因此，通常将超导体电阻下降到正常态电阻值一半时所处温度定为Tc。,125,第三章 导电高分子材料,超导态有以下四个特征:（1）电阻值为零（2）超导体内部磁场为零（3）超导现象只有在临界温度以下才会出现（4）超导现象存在临界磁场，磁场强度超越临界值，则超导现象消失，见图3-25。,126,第三章 导电高分子材料,图325 超导态的临界磁场-温度曲线,127,第三章 导电高分子材料,超导现象和超导体的发现，引起了科学界的极大兴趣。超导现象对于电力工业的经济意义是不可估量的。大量消耗在电阻上的电能将被节约下来。事实上，超导现象的实用价值远不止电力工业。由于超导体的应用，高能物理、计算机通讯、核科学等领域都将发生巨大的变化。,128,第三章 导电高分子材料,但是，直到目前为止，已知的具有超导性质的材料，其临界温度都相当低。例如金属汞的临界温度Tc为 4.2K，铌锡合金的Tc为 18.1K，铌铝锗合金的Tc为 23.2K。1975年发明的第一个无机高分子超导体聚氮硫的Tc仅为 0.26 K。显然，在这样低的温度下，超导体的利用是得不偿失的。因此，如何提高材料的超导临界温度，成