高分子導電材料應用概況

高分子材料在很長一段時期都被用作電絕緣材料.隨著不同應用領(lǐng)域的需要以及為進一步拓寬高分子材料的應用范圍，一些高分子材料被賦予某種程度的導電性以致成為導電高分子材料.第一個高導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、聚苯胺等導電高分子材料

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

〔2〕.本征型導電高分子材料在應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)導電高分子復合材料.導電高分子復合材料是以高分子材料為基體，通過加入導電功能體，經(jīng)過分散復合、層積復合以及形成表面導電膜等方式處理后形成的多相復合導電體系.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.

導電高分子復合材料的研究工作主要有:

① 復合材料導電機理的理論研究、特殊效應機理的理論研究;

② 用不同方法研制新材料的實驗研究;

③ 材料應用的實驗研究.

導電高分子復合材料導電機理的理論研究工作通常又包括導電通路的形成和形成導電通路后的導電機理兩方面.前者研究的是加入聚合物基體中的導電功能體在給定的加工工藝條件下，如何達到電接觸而在整體上自發(fā)地形成導電通路這一宏觀自組織過程;后者則主要涉及導電通路或部分導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，它們都受到復合體系的幾何拓撲、熱力學和動力學等多種因素的制約.因此，導電高分子復合材料的理論研究工作一方面呈現(xiàn)多樣性、復雜性，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);導電功能體形狀改造(粒狀、球狀、中空狀、纖維狀)等.應用研究則包括根據(jù)應用條件和具體要求解決各種實際問題的理論和實驗研究.

高分子導電材料通常分為復合型和結(jié)構(gòu)型兩大類:①復合型高分子導電材料。由通用的高分子材料與各種導電性物質(zhì)通過填充復合、表面復合或?qū)臃e復合等方式而制得。主要品種有導電塑料、導電橡膠、導電纖維織物、導電涂料、導電膠粘劑以及透明導電薄膜等。其性能與導電填料的種類、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)過摻雜之后具有導電功能的高分子材料。根據(jù)電導率的大小又可分為高分子半導體、高分子金屬和高分子超導體。按照導電機理可分為電子導電高分子材料和離子導電高分子材料。電子導電高分子材料的結(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電子的活化而進行導電，電導率一般在半導體的范圍。采用摻雜技術(shù)可使這類材料的導電性能大大提高。如在聚乙炔中摻雜少量碘，電導率可提高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)變成高分子超導體。結(jié)構(gòu)型高分子導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，尚未進入實用階段。

一類具有導電功能(包括半導電性、金屬導電性和超導電性)、電導率在10S/m以上的聚合物材料。高分子導電材料具有密度小、易加工、耐腐蝕、可大面積成膜以及電導率可在十多個數(shù)量級的范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)等特點，不僅可作為多種金屬材料和無機導電材料的代用品，而且已成為許多先進工業(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電的性質(zhì)，電導率達到10S/m。這是第一個導電的高分子材料。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、聚噻吩等能導電的高分子材料。

"導電高分子材料具有良好的導電性和電化學可逆性，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，已達到商業(yè)應用價值。導電性高聚物在太陽能電池上的應用也引起了廣泛的關(guān)注，美國科學家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，電導率高達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，導電聚合物在新能源材料方面的應用已獲得了很大的發(fā)展，但離實際大規(guī)模應用還有一定的距離。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，因而能很好地傳導電流的材料。包括導體材料和超導材料。在電工領(lǐng)域，導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(當有電磁屏蔽和安全接地要求時)。 隨著科學技術(shù)的發(fā)展，其用途尚在不斷增加。

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

①金屬元素(按電導率大小排列)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復合金屬,可由3種加工方法獲得:利用塑性加工進行復合;利用熱擴散進行復合;利用鍍層進行復合。高機械強度的復合金屬有:鋁包鋼、鋼鋁電車線、銅包鋼等;高電導率復合金屬有:銅包鋁、銀復鋁等;高彈性復合金屬有:銅復鈹、彈簧銅復銅等;耐高溫復合金屬有:鋁復鐵、鋁黃銅復銅、鎳包銅、鎳包銀等;耐腐蝕復合金屬有:不銹鋼復銅、銀包銅、鍍錫銅、鍍銀銅包鋼等。

④特殊功能導電材料是指不以導電為主要功能，而在電熱、電磁、電光、電化學效應方面具有良好性能的導體材料。它們廣泛應用在電工儀表、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、測溫控溫熱電材料。重要的有銀、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。

所以高電阻導電材料均由合金組成。冷變形影響常以電阻率的應力系數(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為應力,K 為應力系數(shù)。

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

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

其性能與導電填料的種類、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)過摻雜之后具有導電功能的高分子材料。根據(jù)電導率的大小又可分為高分子半導體、高分子金屬和高分子超導體。按照導電機理可分為電子導電高分子材料和離子導電高分子材料。電子導電高分子材料的結(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電子的活化而進行導電，電導率一般在半導體的范圍。采用摻雜技術(shù)可使這類材料的導電性能大大提高。如在聚乙炔中摻雜少量碘，電導率可提高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)變成高分子超導體。結(jié)構(gòu)型高分子導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，尚未進入實用階段。

金屬導電材料 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。在設計電機、電纜、電氣儀表及其他電工產(chǎn)品考慮溫升時，熱導率具有相當重要的意義。高電導率的金屬也是高熱導率的金屬，純金屬的熱導率比合金的熱導率高。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體與合金。在航天、航空等國防科技中，制造高溫導線、高溫電機的高溫導電體發(fā)展很快。

導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電性(抑制頻率達到40GHz)。產(chǎn)品滿足美軍標MIL-G-83528。產(chǎn)品廣泛地應用在航天、航空、艦船、兵器等軍用電子設備中。

機箱、機柜、方艙等電子和微波波導系統(tǒng)，連接器襯墊等。

常溫固化導電銀膠BQ-6880E資料