高分子材料导电.pdf

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1、高分子科学与材料概论第五章导电高分子材料(高分子导体及半导体)内容提要一、2000年诺贝尔化学奖二、材料导电性表征三、高分子材料导电特点四、导电高分子材料的发现与导电高分子学科的产生五、复合型导电高分子材料及其应用六、结构型导电高分子材料及其应用一、2000年诺贝尔化学奖塑料、橡胶一类高分子材料是很好的绝缘体在一定的条件下，高分子材料确实可以做成像金属那样具有导电性能的材料2000年诺贝尔化学奖AlanJ.Heeger、AlanG.MacDiarmidHidekiShirakawa（白川英树）AlanJ.Heeger，1936年出生。1961年获得美国加州大

2、学伯克利分校博士学位。1962年成为费城宾夕法尼亚大学的助理教授，1967至1982年任宾大的教授。1982年任加州圣巴巴拉加州大学的物理教授，该校高分子与有机固体研究所所长。1990年创立UNIAX公司，出任公司董事会主席。AlanG.MacDiarmid，1927年出生在新西兰。1953年获得美国威斯康星大学博士学位，1955年获得英国剑桥大学博士学位。1956年受聘美国宾夕法尼亚大学助理教授，1956年成为终身教授。HidekiShirakawa（白川英树），1936年出生。1966年获得日本东京技术研究所博士学位，同年成为日本Tsukuba大学材料科

3、学研究所的助理教授。1982年成为教授。在从绝缘性到导电性高分子认识的转变过程在从绝缘性到导电性高分子认识的转变过程中，起关键作用的是聚乙炔。中，起关键作用的是聚乙炔。¾20世纪70年代初，Shirakawa，一种新方法来合成聚乙炔，能控制反应器壁上黑色聚乙炔膜中顺、反异构体的比例¾失误，多加一千倍的催化剂，得一层美丽的银色的膜，反式的聚乙炔¾另一个温度下进行相应的反应给出的是铜一样颜色的膜，顺式聚乙炔¾改变温度和催化剂的浓度成了决定反应如何发展的关键¾MacDiarmid、Heeger非常像金属的无机聚合物氮化硫(SN)x¾东京讨论会，Shirakawa和

4、MacDiarmid偶然在会议休息喝咖啡时巧遇¾MacDiarmid邀请Shirakawa到费城的宾夕法尼亚大学¾用碘蒸汽氧化并修饰聚乙炔，氧化处理过程中光学性质发生了改变¾搀了碘的反式聚乙炔的电导率已经增加了一千万倍！搀杂的概念或方法由此产生，它能使高分子材料的电导（率）大为提高这一研究结果的论文发表在1977年的J.Chem.Soc.,Chem.Commun.上HidekiShirakawa,EdwinJ.Louis,AlanG.MacDiarmid,ChwanK.ChiangandAlanJ.Heeger,“Synthesisofelectricall

5、yconductingorganicpolymers:halogenderivativesofpolyacetylene,(CH)x”,J.Chem.Soc.,Chem.Commun.,1977,578-580.二、材料导电性表征材料导电性能表征电阻率ρ(Ω⋅m)R=ρ⋅d/s电导率σ(Ω-1⋅m-1,S⋅m-1)G=σ⋅s/d二者关系ρ=1/σρ越大，导电性越差σ越大，导电性越强日常所见的高分子材料大多在绝缘体范围材料导电性是由于物质内部存在能传递电流的自由电荷，这些自由电荷通常称为载流子（电子、空穴、正离子、负离子）材料导电性的宏观物理量σ与微观物理量（

6、载流子浓度、迁移率）的关系为σ=N⋅q⋅μ三、高分子材料导电特点1.高分子一般都是绝缘体有机高分子的固体（晶体）状态属分子晶体类型，晶体中分子与分子间的堆砌是靠范氏力控制的，分子间距离比较大，电子云交叠很差。即使分子内有可以在外电场内自由移动的载流子－电子或空穴，也很难从一个分子迁移到另一个分子，或者必须越过分子间位垒的活化过程。所以高分子一般都是绝缘体。有时微弱的导电性往往是由于杂质引起。因此纯度越高，高分子的电导率往往越小。不过某些具有特殊结构的高分子也可能成为半导体或导体。2.高分子导电机理1电子电导（类似于金属导电机理）存在于共轭高分子、高分子的电荷

7、转移复合物、高分子的自由基―离子化合物、有机金属聚合物等高分子导体、半导体中2离子电导（正、负离子）存在于大多数高分子中A：带有强极性原子或基团的高分子中，由本征解离产生导电离子B：外来因素。合成、加工、使用过程中进入的催化剂、添加剂、水分、填料等杂质的解离，产生导电离子（载流子浓度很低）四、导电高分子材料的发现与导电高分子学科的产生20世纪70年代初，在高催化剂浓度下合成了具有光泽的高顺式聚乙炔薄膜发现聚乙炔薄膜经AsF或I掺杂后呈现明显的金52属特性。用碘掺杂的聚乙炔的室温电导率由绝缘体的10-9S⋅cm-1变成金属导体的103S⋅cm-1，比未掺杂前提

8、高了12个数量级苏武沛、Schrieffer和Hee