文档介绍：高分子电功能材料
导电高分子
电子导电高分子
离子导电高分子
电活性高分子
复合型导电高分子
本征型导电高分子
压电、热电高分子
电致发光高分子
电致变色高分子
聚合物修饰电极
课件: ./liu/FP/
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第一部分导电高分子
第一节导电高分子概述
导电性质的宏观物理量
高分子的导电性能跨度很大,从绝缘性能最好的聚四氟乙烯(导电率与石英相当),到导电性能最好的聚乙炔(掺杂后导电率接近铜)。绝大多数高分子材料作为绝缘材料使用,少量作为导电材料,现在有部分高分子还可作为半导体使用。
材料的导电性由电阻率(r)和电导率(s)这两个物理量来表征,它们互为倒数。单位分别为:欧姆/厘米(W·cm)和西门子·厘米(S·cm-1)。
电阻率和电导率与材料的尺寸和形状无关,是物质的本征参数。
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常见高分子材料 与无机、金属材料的导电性能比较
电导率(s/cm)
10-18 10-16 10-14 10-12 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 1 102 104 106
石英
硫
金刚石
硫化镉
硅
锗
InSb
Bi
银铜
未掺杂导电聚合物
聚四氟乙烯
聚己内酰胺
聚酯
尼龙
热解聚合物
复合导电聚合物
石墨
掺杂导电聚合物
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不同材料的导电率范围
材料
电导率(S·cm-1)
典型代表
绝缘体
<10-10
石英、聚乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯
半导体
10-10~102
硅、锗、聚乙炔
导体
102~108
汞、银、铜、石墨、掺杂聚乙炔
超导体
>108
铌( K)、铌铝锗合金()、聚氮硫( K)
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2000年Nobel化学奖得主的工作
很长一段时间,高分子电学性能的研究局限于绝缘性、压电和热电性质,也有利用高分子作为基质制备复合型导电材料的研究。
. Heeger、. MacDiarmid和H. Shirakawa发现掺杂聚乙炔具有导电特性以来,有机高分子不能作为导电材料的概念被彻底改变。
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第一节导电高分子概述
导电体的载流子
物质内部带电粒子在电场作用下定向移动而形成电流,材料因此具有导电性。这些带电粒子可以是电子或空穴,也可以是正、负离子,它们统称为载流子。
根据载流子的类型,导电材料可分为:
电子导电高分子和离子导电高分子
电子导电高分子
共轭高分子:如聚乙炔、聚噻吩和聚苯胺等;
氧化还原型:如某些氧化还原树脂;
离子导电高分子(又称固体电解质)
由柔性、溶剂化能力较强的聚合物和较易电离的锂盐构成,两者形成固体复合物。
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导电体的载流子
载流子和电导率
载流子的定向移动形成电流,因此导电率与载流子的浓度和运动速度有关。
载流子的迁移率(m)
载流子的迁移速度ν通常与外加电场强度E成正比,式中的比例常数m为载流子的迁移率,是单位场强下载流子的迁移速度,单位为cm2·V-1·s-1。
电导率和微观物理量
载流子的浓度(单位体积中载流子数目)为N,每个载流子所带的电荷量为q。
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导电高分子的类型
按载流子划分
电子导电高分子和离子导电高分子
按照结构与组成划分
本征导电高分子和复合导电高分子
本征导电高分子
分子导电高分子(不同于金属晶体导电物质),导电性能与化学结构、聚集结构密切相关。
共轭高分子:p电子和空穴的定向移动;具有大的p共轭体系
氧化还原型:电子的定向转移;有可进行可逆氧化还原反应的活性基团;
离子导电高分子:离子的定向移动;可溶剂化柔性高分子、高迁移率的离子(Li+);
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导电高分子的类型
按照结构与组成划分
复合导电高分子(高分子作为基质,加入导电材料)
导电机制:导电材料构成导电通道
导电材料可为金属、碳材料和本征导电高分子
导电性能取决于导电材料的性质、尺寸和形状、化学稳定性
类型
按高分子:导电塑料、导电橡胶、导电涂料和导电粘合剂
按导电材料的分布:分散复合、层状复合、表面复合和梯度复合;
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导电高分子的电学性质
在电场作用,高分子导电材料表现出不同的电学性质
电压与电流关系:符合欧姆定律的有本征导电高分子和复合型导电高分子;氧化还原型导电高分子仅在特定电压范围内才有导电性,不复合欧姆定律;
温度与电导关系
NTC导电材料(negative temperature coefficient):电阻率随温度升高而降低;如本征导电高分子。
PTC导电材料( positive temperature coefficient ):电阻率随温度