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1、高分子物理导电高分子的应用学号：1111410118姓名：赵锦豪12高分子物理导电高分子的应用1.简介1.1导电高分子的定义导电高聚物是含一价对阴离子的具有非定域π电子共扼体系的高聚物。具有非定域π电子共扼体系的高聚物可以经过化学或电化学“掺杂”的方法使其由绝缘体转变成导电高聚物。它可以通过化学或电化学掺杂的方法使其电导率在绝缘体、半导体和导体范围内变化。该研究领域虽然只有短暂的十余年历史,但是无论在材料的合成、结构的表征、导电机理、结构与性能的关系以及它在技术上的应用探索等方面都取得了重大的进展,展现了广阔的前景。1.2导电高聚物的“掺杂”的特点在导电高聚物研究领域中所引用的“掺杂”
2、术语是完全不同于传统的无机半导体的“掺杂”概念。在无机半导体中的掺杂是杂质原子取代主体原子位置的过程而且掺杂度是很低的。导电高聚物的掺杂特点是：(1)是氧化—还原的过程,即导电高聚物的掺杂过程是在高聚物链上有一个电子的得(氧化)失(还原)过程。(2)为了保持体系的电中性,掺杂过程还伴随着一价对阴离子进人高聚物体系的过程,进人高聚物体系的对阴禽子也可以脱离高聚物体系,此过程被称为脱掺杂。(3)掺杂和脱掺杂是完全可逆的过程。(4)掺杂量是大大超过无机半导体的掺杂量的限度。因此“掺杂”实际上是电荷转移氧化还原过程,高分子链成为高分12高分子物理子离子,“掺杂”剂成为高分子离子链的对离子,对离
3、子往往插入到高分子链之间的隙缝空间,使链间距增大,有时对离子本身也堆砌成柱。所以导电高聚物的“掺杂”,本质上更相似于石墨的层间插入。“掺杂”应该更合理地称为电荷转移插入。1.1常见种类物质的导电过程是载流子在电场作用下定向移动的过程。高分子聚合物导电必须具备两个条件:(1)要能产生足够数量的载流子(电子、空穴或离子等);(2)大分子链内和链间要能够形成导电通道。以下分别介绍两种导电聚合物的导电机理。1.3.1复合型导电高聚物复合型导电高聚物是以高分子材料为基体，添加一定数量的导电物质(如碳黑、石墨、碳纤维、金属粉、金属纤维、金属氧化物等)组合而成。该类聚合物兼有高分子材料的加工特性和金
4、属的导电性。与金属相比较,导电性复合材料具有加工性好、工艺简单、耐腐蚀、电阻率可调范围大、价格低等优点。由炭黑填充制成的复合型导电高分子是目前用途最广、用量最大的一种导电高分子材料。炭黑填充型导电高分子材料中炭黑通常以粒子形式均匀分散于基体高分子中,随着炭黑填充量的增加,粒子间距缩小,当接近或呈接触状态时,便形成大量导电网络通道,导电性能大大提高,继续增加炭黑用量则对导电性影响不明显。炭黑的导电性能与其结构、比表面积和表面化学性质等因素有关。炭黑的比表面积越大(粒径越小)、表面活性基团含量越少,则导电性能越好。12高分子物理1.3.2结构型导电聚合物结构型导电聚合物是指高分子聚合物本身
5、或经少量掺杂后具有导电性的高分子物质,一般用电子高度离域的共轭聚合物经过适当电子给体或受体进行掺杂后制得。从导电时载流子的种类来看,结构型导电高分子聚合物又被分为离子型和电子型两类。离子型导电高分子通常又叫高分子固体电解质,其导电时的载流子主要是离子。电子型导电高分子指的是以共轭高分子为主体的导电高分子材料,导电的载流子是电子(或空穴),长链中的P键电子较为活泼,特别是与掺杂剂形成电荷转移络合物后,容易从轨道上逃逸出来形成自由电子。大分子链内与链间P电子轨道重叠交盖所形成的导电能带为载流子的转移和跃迁提供了通道。在外加能量和大分子链振动的推动下,便可传导电流。这类材料是目前世界导电高分
6、子材料研究开发的重点。1.发展历程导电高聚物独具的优异物理化学特性引起了物理和化学家们的广泛兴趣。虽然导电高聚物的研究只有短暂的十余年历史,但该领域无论在材料的合成、结构的表征、导电机理、结构与性能的关系以及它12高分子物理在技术上的应用探索都取得了重大的进展。自从1977年发现掺杂的聚乙炔具有金属电导特性以来,物理学家对其载流子的性质、导电机理等问题非常感兴趣。很快,W.P.Su,J.R.Shrieffer和A.J.Heeger在1978年共同提出了弧子(soliton)理论,成功地解释了掺杂聚乙炔的电导特性以及其他的物理性质,为导电高聚物的导电机理的研究和低维电子体系的物理学奠定了
7、重要的理论基础。1979年A.G.MacDiarmid首次研制出聚乙炔的模型二次电池,它引起了科学家的极大关注,从而出现了聚乙炔的研究“热”。但是,随着研究的逐步深人,科学家们发现掺杂的聚乙炔在空气中极不稳定。随后,虽然有许多科学家投身于聚乙炔的稳定性的改进研究,但收获甚小。这一严峻现实迫使科学家们去寻找新的体系。因此,以聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺为代表的一系列新的导电高聚物体系在1980年至1985年期间相继出现,并进行了大量的研究工作。这些导电
