導(dǎo)電體有機(jī)導(dǎo)電體

有機(jī)化合物也會導(dǎo)電

長期以來，就導(dǎo)電性能而言，人們往往習(xí)慣于把有機(jī)化合物看作是絕緣體。但實際情況并非完全如此。 隨著高分子化學(xué)和合成技術(shù)的發(fā)展，對于固體有機(jī)化合物電子電導(dǎo)的機(jī)理，已了解得相當(dāng)清楚。在工業(yè)中用作導(dǎo)體的石墨，實際上就是具有金屬導(dǎo)電性能的典型有機(jī)高分子化合物。

有機(jī)化合物特別是高分子化合物的 一個顯著特點是，借助于其分子結(jié)鉤和性能之間所存在的某些已知關(guān)系， 可以通過大分子的合成來調(diào)省其各種性能。石墨雖有很好的導(dǎo)電性能，但是它的機(jī)械性能和加工性能卻很差，限制了它的應(yīng)用范圍。因此，如果能創(chuàng)制出機(jī)械性能和加工性能都很好的有機(jī)導(dǎo)電體，使它能在廣泛的范圍內(nèi)發(fā)揮其作用。

分子固體的電子電導(dǎo)機(jī)理

要使有機(jī)化合物固體能象金屬那樣導(dǎo)電，首先要了解它是什么性質(zhì)的固體，在基本結(jié)構(gòu)上它和金屬的主要差別是什么"_blank" href="/item/低分子化合物/1493289" data-lemmaid="1493289">低分子化合物才是分子晶體，至于有機(jī)高分子則往往很難制成單晶，其固體中除結(jié)晶相之外還有無定形相存在。有機(jī)材料中存在無定形相就能使它具有良好的機(jī)械性能和加工性能，所以只能把有機(jī)導(dǎo)電體看作是分子固體，在分析它的電子電導(dǎo)特點時，必須考慮到其中存在著無定形相。

金屬之所以會導(dǎo)電，是由于其原子晶體中存在著起導(dǎo)電作用的自由電子。分子固體中根本就沒有這樣的自由電子，要使它導(dǎo)電，首先便要依賴特種的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計來提供適當(dāng)?shù)妮d流子 ( 電子和空穴 ) 。 其次，分廣固體中分子和分一子的堆積是由范德瓦爾斯力控制的，分子間的間距大，電子云的交迭很差，即使在分子內(nèi)已經(jīng)存在著可在外加電場下移動的載流子，也較難從一個分子遷移到另一個分子，必須使它有越過分子間位壘的活化過程。 這就是有機(jī)化合物大都是絕緣體的原因所在。因此，要使有機(jī)化合物成為導(dǎo)電體，其分子結(jié)構(gòu)至少必須具有下列兩個條件：( 1 )要能產(chǎn)生載流子，( 2 )分子間的電子云要有一定程度的重迭。

提高電導(dǎo)率的途徑

為了使有機(jī)導(dǎo)電體出現(xiàn)金屬電導(dǎo)，為了盡量提高它的電導(dǎo)率，改進(jìn)晶體結(jié)構(gòu)的幾何因素便成為特別重要的問題。它的具體內(nèi)容是：怎樣才能控制分子在晶體中的幾何堆積"sup--normal" data-sup="2" data-ctrmap=":2,"> [2]

廣泛應(yīng)用有機(jī)導(dǎo)電體的前景

要使有機(jī)導(dǎo)電體在廣泛的工業(yè)部門得到應(yīng)用，除了應(yīng)進(jìn)一步提高其電導(dǎo)率外，還得注意其機(jī)械性能和加工性能。所以必須使有機(jī)導(dǎo)電體的組分有一部分或全部是高分子化合物。 最理想的設(shè)計是，處于結(jié)晶區(qū)的分子能提供金屬電導(dǎo)，而處于非晶區(qū)的分子則提供韌性和加工性。在有機(jī)導(dǎo)電體加工成形之后，還可以進(jìn)行后處理，以使結(jié)晶區(qū)進(jìn)一步完善而提高電導(dǎo)率。

有機(jī)導(dǎo)電體是從石墨的分子結(jié)構(gòu)啟發(fā)出來的新型材料。過去的研究和發(fā)展主要是保留和改進(jìn)石墨的導(dǎo)電性能 ，但要克服其機(jī)械性能和加工性能都很差的缺點。在工業(yè)上廣泛應(yīng)用有機(jī)導(dǎo)電體的前景是很有希望的。除期望其 可以在電子工業(yè)甚至在電力工業(yè)中取代金屬銅之外，甚至于還有發(fā)展出有機(jī)超導(dǎo)體的可能性。

導(dǎo)電體與絕緣體復(fù)相陶瓷的導(dǎo)電性能符合滲流理論，其滲流轉(zhuǎn)變曲線受多種因素的影響，除導(dǎo)電相與絕緣相二相組成的配比外，還受到二相顆粒的尺寸、形狀及分布的影響，復(fù)相陶瓷的燒成溫度、溫度制度影響了臨界指數(shù)、晶粒粒徑比及晶界層，從而也影響滲流轉(zhuǎn)變曲線。

導(dǎo)電體 -絕緣體復(fù)合材料一直是人們廣為研究的課題，導(dǎo)電體 -絕緣體組成的復(fù)合體中的各因素 (各相的幾何因素和電特性 )決定了它的宏觀電性能，因而預(yù)言復(fù)合體中各因素對復(fù)合體性能的影響規(guī)律是極為重要的。

滲流理論

導(dǎo)電體與絕緣體的復(fù)合，必然存在下列現(xiàn)象： 當(dāng)導(dǎo)電相含量較低時，導(dǎo)電粒子無規(guī)則地彌散在絕緣相中，復(fù)合體的導(dǎo)電率很小，與絕緣相的導(dǎo)電率接近；隨導(dǎo)電相的增加，導(dǎo)電顆粒將聚集成較大的團(tuán)簇，在某個臨界含量 ，導(dǎo)電顆粒將相互連接成一個無限的團(tuán)簇，形成一個導(dǎo)電通路，復(fù)合體的導(dǎo)電率快速增加，發(fā)生非線性突變；隨導(dǎo)電相的進(jìn)一步增加，復(fù)合體的電導(dǎo)率快速接近導(dǎo)電相的電導(dǎo)率。

影響滲流閥值的因素

對于球狀或近似球狀顆粒的二組成相，二相的晶粒在空間隨機(jī)填充，則此類復(fù)合材料的滲流閥值在0.01到大于0.5之間變化，滲流閥值的具體數(shù)值完全依賴于二相晶粒的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如晶粒尺寸、形狀及分布。

1、滲流閥值與晶粒尺寸的關(guān)系：

以Ri表示絕緣相顆粒的粒徑， R_c表示導(dǎo)電相顆粒的粒徑，則二相顆粒的粒徑比R_i /R_c對滲流閥值有重大影響。對于球狀或近似球狀的晶粒，粒徑比決定了滲流閥值的大小。

2、滲流閥值與晶粒形狀的關(guān)系：

當(dāng)導(dǎo)電相晶粒非球狀時，則由于長條狀晶粒比球狀晶粒易于相互連接而形成滲流通路，因此與類似條件下球狀粒子相比，其滲流閥值V_c將減小。如碳纖維(L /d= 100)與環(huán)氧樹脂的復(fù)合材料，其滲流閥值V_c可低到0.0055。引入排除體積 (V_ex )的概念后 ，其滲流閥值可表示為：

V_c = 1- ex p [- B_c*V / < V_ex > ]

其中：V 為晶粒體積，<V_ex >為排除體積平均值，B_c為臨界接觸數(shù)。

應(yīng)用

導(dǎo)電相與絕緣相復(fù)合，其復(fù)合材料的電導(dǎo)率遵循滲流理論，符合滲流轉(zhuǎn)變曲線，而滲流轉(zhuǎn)變曲線受多種因素的影響，因而可以通過控制上述影響因素，使導(dǎo)電相與絕緣相的復(fù)合符合所期望的滲流轉(zhuǎn)變曲線，進(jìn)而獲得所需的燒結(jié)產(chǎn)物，取得最佳的效果。

例如，TiB₂與BN的復(fù)合，是典型的導(dǎo)電相與絕緣相的復(fù)合，其中TiB₂的電阻率為9～ 30μΨcm，而BN的電阻率為1016～ 1018Ψcm。TiB₂與BN復(fù)相陶瓷的電導(dǎo)率與各成份體積分量的關(guān)系符合滲流理論，因而TiB₂與BN復(fù)相導(dǎo)電陶瓷的燒成可以采用滲流理論作為指導(dǎo)：當(dāng)對最終燒結(jié)產(chǎn)物中TiB₂與BN的配比及電導(dǎo)率有一定要求時，則可以通過改變二相粒度比或燒結(jié)溫度等手段來同時滿足配比及電導(dǎo)率要求。

在科學(xué)及工程上常用利用歐姆來定義某一材料的導(dǎo)電程度。

幾種金屬導(dǎo)電性能：

銀 100

銅99

金74

鋁61

大小依次為 銀 銅 金 鋁 鎳 鋼 合金

幾種導(dǎo)體材料在溫度20℃時的電阻率：

銀 1.6*10^-8

銅 1.7*10^-8

鋁 2.9*10^-8

鎢 5.3*10^-8

鐵 1.0*10^-7

錳銅合金 4.4*10^-7

捏鋁合金 5.0*10^-7

鎳鉻合金 1.0*10^-6

導(dǎo)電體電子導(dǎo)體

電子導(dǎo)體有金屬，石墨及某些金屬的化合物（如WC）等，它是靠自由電子的定向運動而導(dǎo)電，在導(dǎo)電過程中自身不發(fā)生化學(xué)變化。金屬導(dǎo)體里面有自由運動的電子，導(dǎo)電的原因是自由電子，當(dāng)溫度升高時由于導(dǎo)電物質(zhì)內(nèi)部質(zhì)點的熱運動加劇，阻礙自由電子的定向運動，因而電阻增大，導(dǎo)電能力降低。半導(dǎo)體隨溫度其電阻率逐漸變小。導(dǎo)電性能大大提高，導(dǎo)電原因是半導(dǎo)體內(nèi)的空穴和電子對。

導(dǎo)電體離子導(dǎo)體

離子導(dǎo)體依靠離子的定向運動(即離子的定向遷移)而導(dǎo)電，例如電解質(zhì)溶液或熔融的電解質(zhì)等。當(dāng)溫度升高時，由于溶液的黏度降低，離子運動速度加快，在水溶液中離子水化作用減弱等原因，導(dǎo)電能力增強(qiáng)。