高分子基导电复合材料非线性导电行为及其机理（Ⅱ）量子力学隧道效应理论.pdf

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1、高分子基导电复合材料非线性导电行为及其机理(Ⅱ)《上海塑料》2010年第1期(总第149期)·专论与综述·高分子基导电复合材料非线性导电行为及其机理(Ⅱ)量子力学隧道效应理论梁基照，杨铨铨(华南理工大学工业装备与控制工程学院，广东广州510640)摘要简述了高分子基导电复合材料非线性导电行为的概念，详细讨论了高分子基导电复合材料非线性导电行为的机理——量子力学隧道效应理论及其它理论。高分子基导电复合材料的非线性导电行为是几种效应的综合过程：当导电填料的体积分数较小时，导电粒子无法形成导电通道，此时只有量子力学隧道效应在起作用；当导电填料的体积分数较大时，复合材料的导电行为是导电通道和隧道效

2、应共同作用的结果。关键词导电复合材料；非线性；隧道效应中图分类号：TQ320．66文献标识码：A文章编号：1009—5993(2010)O1—0001-05本文重点讨论描述高分子基导电复合材料非0前言线性导电行为的隧道效应理论。将导电填料加入到绝缘的高分子基体中，然后1量子力学隧道效应理论采用物理或化学方法复合后，就得到了高分子基导电复合材料。高分子基导电复合材料既具有导电隧道效应理论是应用量子力学的结果。量子功能，同时也具有类似于高分子材料的优异的力力学电子隧穿学说认为：由于微观粒子具有波动学和加工性能。高分子基导电复合材料通常呈性，即使电子不具有足够的能量从势垒顶部翻越过现非线性导电行

3、为。其电导率随导电填料的体积势垒，它们仍然能够在势垒的一边消失，而在势垒的另一边出现[1，因而可以在相互靠近但并不接分数增加而增大，当达到某一临界值时，在一个很触的导电粒子之间进行传递，使体系导电，且导电电窄的体积分数范围内，由绝缘体变成导体，通常称流，即：隧穿电流是导电粒子问间隙宽度的指数函此为逾渗转变，导电填料的临界体积分数称为复合数。隧道效应几乎仅发生在距离很接近的导电粒子材料的逾渗阈值心]。之间，间隙太大的导电粒子之问没有电流产生。描述高分子基导电复合材料的非线性导电行在二元组分导电复合材料中，当高电导率组分为的理论目前主要有：导电通道理论l_3和量子力的体积分数较低(在逾渗阈值附

4、近)时，隧道导电效学电子隧穿理论n等。导电通道理论认为：电子应对材料的导电行为影响较大。可沿着相互接触的粒子进行传递而使体系导电。Polley等人_1通过研究后发现：碳黑填充橡但是，当复合体系中导电填料的体积分数较低、导胶的复合体系在碳黑尚未成链或橡胶在延伸状态电粒子间距较大(大于1nm)时，复合导电体系中下也有导电现象发生。他们研究了电阻率与导电依然存在导电现象。很显然，这不是靠导电粒子的粒子间隙的关系，发现在导电粒子间隙较大时也存接触来实现的，导电通道学说无法解释该现象，只在导电现象，认为这是电子隧穿的结果。Polley因有用隧道效应理论才能较合理地解释。此提出了“并不是因为成链，而是

5、由于电子在势垒间隧穿而导通”的理论。他假设导电粒子在基体中均匀分布，得到以下公式：收稿日期：2009-o9一o1L一[±7A3lD100／6]／{[(z+d)。一i／61}Pp作者简介：梁基照(1953一)，男，教授，博士生导师，主要从事聚合物复合材料制备及性能表征等方面研究。(1)——1——高分子基导电复合材料非线性导电行为及其机理(Ⅱ)《上海塑料》2010年第1期(总第149期)式中：d一6／。；L为碳黑的体积分数，％；A为碳TI一2A／=e。(5)黑粒子的比表面积，m／g；为碳黑粒子的直径，To一2／^。A／丌。eL,m。60nm；z为碳黑粒子的间距，nm；pc，Pp分别为碳黑粒式中

6、：，为复合材料的电导率和高电导率组分的子和基体树脂的密度，g／cm。。据此，罗延龄妇等电导率iT，To为与温度有关的参数；A为导体横人求得两种碳黑的体积分数为l5％～3O％时的粒截面积；k为波耳兹曼常数；为隧道势垒高度。当子间距，如表1所示。T<<时，与温度无关。由此可看出：间隙宽度CO与呈指数关系。有人用这一关系式与CB／PVC表1不同碳黑的体积分数的碳黑粒子间距复合体系的实验曲线进行了比较，发现结果吻合得Tab1Thedistancebetweencarbonblackparticlesin很好。从而证明了隧道效应机理在高分子基导电复diferentvolumefractionofca

7、rbonblack合物中是存在的。Simmonsl_2提出了更具普适性的隧道效应方程：J一[3(2唧)“／2D](e／h)Uexp[一(4~rD／h)(2唧)“。](6)式中：‘，为电流密度，和e分别为一个电子的质量和电荷量，h为普朗克常数，为间隙势垒，D为间由该模型求得的碳黑粒子间平均距离在1．5隙宽度，U为电势差。方程(6)中，电流密度J是隧nm以上。这与导电通道理论认为的碳黑粒子在l道间隙宽度D的函数。rim以内才