高分子導(dǎo)電材料

高分子導(dǎo)電材料通常分為復(fù)合型和結(jié)構(gòu)型兩大類:①復(fù)合型高分子導(dǎo)電材料。由通用的高分子材料與各種導(dǎo)電性物質(zhì)通過填充復(fù)合、表面復(fù)合或?qū)臃e復(fù)合等方式而制得。主要品種有導(dǎo)電塑料、導(dǎo)電橡膠、導(dǎo)電纖維織物、導(dǎo)電涂料、導(dǎo)電膠粘劑以及透明導(dǎo)電薄膜等。其性能與導(dǎo)電填料的種類、用量、粒度和狀態(tài)以及它們在高分子材料中的分散狀態(tài)有很大的關(guān)系。常用的導(dǎo)電填料有炭黑、金屬粉、金屬箔片、金屬纖維、碳纖維等。

②結(jié)構(gòu)型高分子導(dǎo)電材料。是指高分子結(jié)構(gòu)本身或經(jīng)過摻雜之后具有導(dǎo)電功能的高分子材料。根據(jù)電導(dǎo)率的大小又可分為高分子半導(dǎo)體、高分子金屬和高分子超導(dǎo)體。按照導(dǎo)電機理可分為電子導(dǎo)電高分子材料和離子導(dǎo)電高分子材料。電子導(dǎo)電高分子材料的結(jié)構(gòu)特點是具有線型或面型大共軛體系，在熱或光的作用下通過共軛π電子的活化而進(jìn)行導(dǎo)電，電導(dǎo)率一般在半導(dǎo)體的范圍。采用摻雜技術(shù)可使這類材料的導(dǎo)電性能大大提高。如在聚乙炔中摻雜少量碘，電導(dǎo)率可提高12個數(shù)量級，成為"高分子金屬"。經(jīng)摻雜后的聚氮化硫，在超低溫下可轉(zhuǎn)變成高分子超導(dǎo)體。結(jié)構(gòu)型高分子導(dǎo)電材料用于試制輕質(zhì)塑料蓄電池、太陽能電池、傳感器件、微波吸收材料以及試制半導(dǎo)體元器件等。但目前這類材料由于還存在穩(wěn)定性差(特別是摻雜后的材料在空氣中的氧化穩(wěn)定性差)以及加工成型性、機械性能方面的問題，尚未進(jìn)入實用階段。

高分子材料在很長一段時期都被用作電絕緣材料.隨著不同應(yīng)用領(lǐng)域的需要以及為進(jìn)一步拓寬高分子材料的應(yīng)用范圍，一些高分子材料被賦予某種程度的導(dǎo)電性以致成為導(dǎo)電高分子材料.第一個高導(dǎo)電性的高分子材料是經(jīng)碘摻雜處理的聚乙炔，其后又相繼開發(fā)了聚吡咯、聚對苯撐、聚苯硫醚、聚苯胺等導(dǎo)電高分子材料

〔1〕.由于這些導(dǎo)電高分子材料都具有共軛鍵結(jié)構(gòu)，并且主要是由化學(xué)方法處理得到的，因此常稱為本征型導(dǎo)電高分子材料.但是，這類材料的穩(wěn)定性、重現(xiàn)性較差，電導(dǎo)率分布范圍較窄，成本較高，而且加工困難，尚未進(jìn)入批量生產(chǎn)的實用階段

〔2〕.本征型導(dǎo)電高分子材料在應(yīng)用方面遇到的困難短期難以解決，促使人們轉(zhuǎn)而研究和開發(fā)導(dǎo)電高分子復(fù)合材料.導(dǎo)電高分子復(fù)合材料是以高分子材料為基體，通過加入導(dǎo)電功能體，經(jīng)過分散復(fù)合、層積復(fù)合以及形成表面導(dǎo)電膜等方式處理后形成的多相復(fù)合導(dǎo)電體系.由于原料易得、工藝相對簡單、成本較低、電阻率可在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，同時具有一定程度的再加工性并兼有高分子基體材料的一些優(yōu)異性能而受到廣泛重視.

導(dǎo)電高分子復(fù)合材料的研究工作主要有:

① 復(fù)合材料導(dǎo)電機理的理論研究、特殊效應(yīng)機理的理論研究;

② 用不同方法研制新材料的實驗研究;

③ 材料應(yīng)用的實驗研究.

導(dǎo)電高分子復(fù)合材料導(dǎo)電機理的理論研究工作通常又包括導(dǎo)電通路的形成和形成導(dǎo)電通路后的導(dǎo)電機理兩方面.前者研究的是加入聚合物基體中的導(dǎo)電功能體在給定的加工工藝條件下，如何達(dá)到電接觸而在整體上自發(fā)地形成導(dǎo)電通路這一宏觀自組織過程;后者則主要涉及導(dǎo)電通路或部分導(dǎo)電通路形成后載流子遷移的微觀過程.顯然，無論是宏觀過程還是微觀過程，它們都受到復(fù)合體系的幾何拓?fù)?、熱力學(xué)和動力學(xué)等多種因素的制約.因此，導(dǎo)電高分子復(fù)合材料的理論研究工作一方面呈現(xiàn)多樣性、復(fù)雜性，另一方面又與實驗結(jié)果之間存在著不同程度的差異，而且許多理論結(jié)果往往不具有普適性.新材料的實驗研究工作采用的主要方法有:組分改造(改變基體種類、改變導(dǎo)電功能體種類);整體或組分物性改造(磁化、接枝、熱處理、結(jié)晶、浸漬);結(jié)構(gòu)改造(板狀、疊層、發(fā)泡);導(dǎo)電功能體形狀改造(粒狀、球狀、中空狀、纖維狀)等.應(yīng)用研究則包括根據(jù)應(yīng)用條件和具體要求解決各種實際問題的理論和實驗研究.

一類具有導(dǎo)電功能(包括半導(dǎo)電性、金屬導(dǎo)電性和超導(dǎo)電性)、電導(dǎo)率在10S/m以上的聚合物材料。高分子導(dǎo)電材料具有密度小、易加工、耐腐蝕、可大面積成膜以及電導(dǎo)率可在十多個數(shù)量級的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)等特點，不僅可作為多種金屬材料和無機導(dǎo)電材料的代用品，而且已成為許多先進(jìn)工業(yè)部門和尖端技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的一類材料。高分子材料長期以來被作為優(yōu)良的電絕緣體，直至1977年，日本白川英樹等人才發(fā)現(xiàn)用五氟化砷或碘摻雜的聚乙炔薄膜具有金屬導(dǎo)電的性質(zhì)，電導(dǎo)率達(dá)到10S/m。這是第一個導(dǎo)電的高分子材料。以后，相繼開發(fā)出了聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁類化合物、聚苯胺、聚噻吩等能導(dǎo)電的高分子材料。

"導(dǎo)電高分子材料具有良好的導(dǎo)電性和電化學(xué)可逆性，可用作充電電池的電極材料。利用Ppy制作的可充電電池，經(jīng)300次充放電循環(huán)后，效率無下降，已達(dá)到商業(yè)應(yīng)用價值。導(dǎo)電性高聚物在太陽能電池上的應(yīng)用也引起了廣泛的關(guān)注，美國科學(xué)家Jeskocheim利用聚吡咯和聚氧化乙烯固態(tài)電介質(zhì)膜試制了光電池，可產(chǎn)生1mA/cm2的電流，0.35V的電壓。盡管這種光電池目前還不如Si太陽能電池，但由于導(dǎo)電聚合物重量較輕、易成形、工藝簡單，并能生成大面積膜，具有綠色環(huán)保的特點，因而發(fā)展前景十分誘人。導(dǎo)電高分子材料還是制作超級電容器的理想材料。如采用摻雜后的聚吡咯高分子化合物，電導(dǎo)率高達(dá)100 S/cm，頻率特征非常出色，尤其在高頻區(qū)的特性與以前電容器相比有很大改善。

經(jīng)過多年世界范圍內(nèi)的廣泛研究，導(dǎo)電聚合物在新能源材料方面的應(yīng)用已獲得了很大的發(fā)展，但離實際大規(guī)模應(yīng)用還有一定的距離。這主要是因為其加工性不好和穩(wěn)定性不高造成的。"

有大量在電場作用下能夠自由移動的帶電粒子，因而能很好地傳導(dǎo)電流的材料。包括導(dǎo)體材料和超導(dǎo)材料。在電工領(lǐng)域，導(dǎo)電材料通常指電阻率為(1.5~10)×10-8歐米的金屬。

其主要功能是傳輸電能和電信號,此外,廣泛用于電磁屏蔽,制造電極、電熱材料、儀器外殼等(當(dāng)有電磁屏蔽和安全接地要求時)。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，其用途尚在不斷增加。

常用的金屬導(dǎo)電材料可分為:金屬元素、合金(銅合金、鋁合金等)、復(fù)合金屬以及不以導(dǎo)電為主要功能的其他特殊用途的導(dǎo)電材料4類:

①金屬元素(按電導(dǎo)率大小排列)有:銀(Ag)、銅(Cu)、金(Au)、鋁(Al)、鈉(Na)、鉬(Mo)、 鎢(W)、鋅(Zn)、鎳(Ni)、鐵(Fe)、鉑(Pt)、錫(Sn)、鉛(Pb)等。

②合金，銅合金有:銀銅、鎘銅、鉻銅、鈹銅、鋯銅等;鋁合金有:鋁鎂硅、鋁鎂、鋁鎂鐵、鋁鋯等。

③復(fù)合金屬,可由3種加工方法獲得:利用塑性加工進(jìn)行復(fù)合;利用熱擴散進(jìn)行復(fù)合;利用鍍層進(jìn)行復(fù)合。高機械強度的復(fù)合金屬有:鋁包鋼、鋼鋁電車線、銅包鋼等;高電導(dǎo)率復(fù)合金屬有:銅包鋁、銀復(fù)鋁等;高彈性復(fù)合金屬有:銅復(fù)鈹、彈簧銅復(fù)銅等;耐高溫復(fù)合金屬有:鋁復(fù)鐵、鋁黃銅復(fù)銅、鎳包銅、鎳包銀等;耐腐蝕復(fù)合金屬有:不銹鋼復(fù)銅、銀包銅、鍍錫銅、鍍銀銅包鋼等。

④特殊功能導(dǎo)電材料是指不以導(dǎo)電為主要功能，而在電熱、電磁、電光、電化學(xué)效應(yīng)方面具有良好性能的導(dǎo)體材料。它們廣泛應(yīng)用在電工儀表、熱工儀表、電器、電子及自動化裝置的技術(shù)領(lǐng)域。如高電阻合金、電觸頭材料、電熱材料、測溫控溫?zé)犭姴牧稀Ｖ匾挠秀y、鎘、鎢、鉑、鈀等元素的合金，鐵鉻鋁合金、碳化硅、石墨等材料。

主要性能 :導(dǎo)電材料的電特性主要用電阻率表征。影響電阻率的因素有溫度、雜質(zhì)含量、冷變形、熱處理等。溫度的影響常以導(dǎo)電材料電阻率的溫度系數(shù)表示。除接近熔點和超低溫以外，在一般溫度范圍，電阻率隨溫度變化呈線性關(guān)系，可表示為

ρ=ρ0【1+α(t-t0)】式中ρ為溫度t時的電阻率，ρ0為溫度t0時的電阻率,t0通常取0℃或 20℃,α為電阻率的溫度系數(shù)。如純金屬α為10-3~10-4℃-1，合金導(dǎo)體α為10-4~10-5℃-1。合金和雜質(zhì)的影響表現(xiàn)為雜質(zhì)與合金元素導(dǎo)致金屬晶格發(fā)生畸變，造成電子被散射的概率增加，因而電阻率增加。

所以高電阻導(dǎo)電材料均由合金組成。冷變形影響常以電阻率的應(yīng)力系數(shù)來表示，在彈性壓縮或拉伸時，金屬電阻率一般按下式規(guī)律變化 ρ=ρ0(1+Kσ)式中σ為應(yīng)力,K 為應(yīng)力系數(shù)。

壓縮時K 為負(fù)值,ρ降低,拉伸時K 為正值,ρ增加，故導(dǎo)體經(jīng)拉伸后電阻率增加。熱處理所產(chǎn)生的影響是導(dǎo)電金屬經(jīng)冷拉變形后，強度和硬度增加，導(dǎo)電性和塑性下降。退火后晶粒發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶,晶粒缺陷減少，晶格畸變減少，內(nèi)應(yīng)力消除,電阻率降低。

復(fù)合型高分子導(dǎo)電材料，由通用的高分子材料與各種導(dǎo)電性物質(zhì)通過填充復(fù)合、表面復(fù)合或?qū)臃e復(fù)合等方式而制得。主要品種有導(dǎo)電塑料、導(dǎo)電橡膠、導(dǎo)電纖維織物、導(dǎo)電涂料、導(dǎo)電膠粘劑以及透明導(dǎo)電薄膜等。

其性能與導(dǎo)電填料的種類、用量、粒度和狀態(tài)以及它們在高分子材料中的分散狀態(tài)有很大的關(guān)系。常用的導(dǎo)電填料有鎳包石墨粉、鎳包碳纖維炭黑、金屬粉、金屬箔片、金屬纖維、碳纖維等。

結(jié)構(gòu)型高分子導(dǎo)電材料，是指高分子結(jié)構(gòu)本身或經(jīng)過摻雜之后具有導(dǎo)電功能的高分子材料。根據(jù)電導(dǎo)率的大小又可分為高分子半導(dǎo)體、高分子金屬和高分子超導(dǎo)體。按照導(dǎo)電機理可分為電子導(dǎo)電高分子材料和離子導(dǎo)電高分子材料。電子導(dǎo)電高分子材料的結(jié)構(gòu)特點是具有線型或面型大共軛體系，在熱或光的作用下通過共軛π電子的活化而進(jìn)行導(dǎo)電，電導(dǎo)率一般在半導(dǎo)體的范圍。采用摻雜技術(shù)可使這類材料的導(dǎo)電性能大大提高。如在聚乙炔中摻雜少量碘，電導(dǎo)率可提高12個數(shù)量級，成為"高分子金屬"。

經(jīng)摻雜后的聚氮化硫，在超低溫下可轉(zhuǎn)變成高分子超導(dǎo)體。結(jié)構(gòu)型高分子導(dǎo)電材料用于試制輕質(zhì)塑料蓄電池、太陽能電池、傳感器件、微波吸收材料以及試制半導(dǎo)體元器件等。但這類材料由于還存在穩(wěn)定性差(特別是摻雜后的材料在空氣中的氧化穩(wěn)定性差)以及加工成型性、機械性能方面的問題，尚未進(jìn)入實用階段。

金屬導(dǎo)電材料 的非電特性在某些特定的場合將變得更加重要，如熱導(dǎo)率、接觸電位差、溫差電動勢、機械強度、耐高溫特性、耐腐蝕性、耐磨性等。在設(shè)計電機、電纜、電氣儀表及其他電工產(chǎn)品考慮溫升時，熱導(dǎo)率具有相當(dāng)重要的意義。高電導(dǎo)率的金屬也是高熱導(dǎo)率的金屬，純金屬的熱導(dǎo)率比合金的熱導(dǎo)率高。接觸電位差及溫差電動勢在溫差電控溫、測溫元件和儀表中均有重要意義。在架空線中采用的是高抗張強度的導(dǎo)體與合金。在航天、航空等國防科技中，制造高溫導(dǎo)線、高溫電機的高溫導(dǎo)電體發(fā)展很快。

導(dǎo)電橡膠具有良好的電磁密封和水汽密封能力，在一定壓力下能夠提供良好的導(dǎo)電性(抑制頻率達(dá)到40GHz)。產(chǎn)品滿足美軍標(biāo)MIL-G-83528。產(chǎn)品廣泛地應(yīng)用在航天、航空、艦船、兵器等軍用電子設(shè)備中。

機箱、機柜、方艙等電子和微波波導(dǎo)系統(tǒng)，連接器襯墊等。

常溫固化導(dǎo)電銀膠BQ-6880E資料