功能高分子材料 教学课件 作者 焦剑 姚军燕 主编第4章 电功能高分子材料.ppt

《功能高分子材料 教学课件 作者 焦剑 姚军燕 主编第4章 电功能高分子材料.ppt》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、第四章电功能高分子材料2021/7/222000年诺贝尔化学奖得主美国物理学家Heeger美国化学家MacDiarmid日本化学家Shirakawa2021/7/22第四章电功能高分子材料_概述世界上第一种导电聚合物：掺杂聚乙炔1977年，美国化学家MacDiarmid，物理学家Heeger和日本化学家Shirakawa首次发现掺杂碘的聚乙炔具有金属的特性。并因此获得2000年诺贝尔化学奖使用Ziggler—Natta催化剂AlEt3/Ti(OBu)4,Ti的浓度为3mmol/L，Al/Ti约为3—4。催化剂溶于甲苯中，冷却

2、到-78度,通入乙炔，可在溶液表面生成顺式的聚乙炔薄膜。掺杂后电导率达到105S/cm量级。目前，导电高聚物在抗静电、电磁波屏蔽以及显示材料、半导体器件等方面都取得了重大进展。2021/7/22第四章电功能高分子材料_概述4.1.1材料的导电性能载流子（能自由迁移的带电质点）在电场作用下沿着电场方向定向迁移构成电流。载流子的密度是衡量材料导电能力的主要参数之一，通常材料的电导率与载流子的密度成正比。载流子的种类：自由电子、空穴、正负离子，以及其他类型的荷电微粒。假定长方体材料的载面积为S，单位体积中载流子的数目为N，每个载流

3、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为v，则单位时间流过长方体的电流I表示为2021/7/22第四章电功能高分子材料_概述载流子的迁移速度v通常与外加电场强度E成正比，即(4-2)式中，μ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cm2·V-1·s-1。则电导率σ（单位为S·cm-1）可表示为(4-3)当材料中存在n种载流子时，电导率σ可表示为(4-4)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。2021/7/22第四章电功能高分子材料_概述不同材料的电导率表4-1材料电

4、导率范围材料电导率(S·cm-1)典型代表绝缘体<10-10石英、聚乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯半导体10-10～102硅、锗、聚乙炔导体102～108汞、银、铜、石墨超导体>108铌(9.2K),铌铝合金(23.2K),聚氮硫(0.26K)2021/7/22第四章电功能高分子材料_概述4.1.2高分子材料的导电特点导电高分子材料的特点：重量轻、易成型、电阻率可调节、可通过分子设计合成出具有不同特性的导电性等。高聚物中的离子电导：大多数高分子材料都存在离子电导，其载流子来源于带有强极性基团的高分子的本征解离，在合成、加工和使用

5、过程中，加入的添加剂、填料以及水分和其他杂质的解离形成的外来载流子等。高聚物中的电子电导：在共轭聚合物、电荷转移络合物、聚合物的离子自由基盐络合物和金属有机高分子材料中则含有很强的电子电导。2021/7/22第四章电功能高分子材料_概述如共轭高分子中的电子电导：在共轭高分子中分子内存在空间上一维或二维的共轭键，π电子轨道相互交叠使π电子具有许多类似于金属中自由电子的特征。π电子可以在共轭体系中自由运动，分子间的迁移则通过跳跃机理实现。离子电导和电子电导的区别：离子传导时，分子聚集越密，载流子的转移通道越窄，电导率越低，电导率

6、的压力系数为负值；电子传导时，电子轨道的重叠加大，电导率加大，压力系数为正值。大多数聚合物中离子电导和电子电导同时存在，视外界环境的不同，温度、压力、电场等外界条件中某一种处于支配地位。2021/7/22第四章电功能高分子材料_概述4.1.3导电高分子材料的分类按照材料的结构与组成：结构型导电高分子和复合型导电高分子材料。结构型（或称本征型）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（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。复合型导电高分子是在不具备导

7、电性的高分子材料中混入大量导电物质，如碳黑、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。2021/7/22第四章电功能高分子材料_概述结构型导电高分子材料主要有：⑴共轭系高分子，如聚乙炔、线型聚苯、聚氮化硫⑵金属螯合物型高分子，如聚酞菁铜等；⑶电荷转移型高分子络合物，如聚阳离子、TCNQ（Tetracyanoquinodimethamide，四氰代对二次甲基苯醌）、金属络合聚合物等。复合型导电高分子材料：如导电橡胶、导电塑料、导电涂料、导电胶粘剂和导电性薄膜等。复合型导电高分

8、子材料由于制备方便，有较强的实用性。超导体：导体在一定条件下处于无电阻状态。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。2021/7/22第四章电功能高分子材料_概述按照导电机理，导电高分子材料分为3类：⑴离子导电