功能高分子材料課件-第三章導(dǎo)電高分子材料幻燈片課件.ppt

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1、1第三章導(dǎo)電高分子材料導(dǎo)電聚合物的結(jié)構(gòu)特征（復(fù)合型、本征型）；導(dǎo)電聚合物的基本的物理、化學(xué)特性；導(dǎo)電聚合物的應(yīng)用。重點內(nèi)容：永久導(dǎo)電吸塑片材導(dǎo)電吸塑包裝吹塑導(dǎo)電包裝1概述2結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子第三章導(dǎo)電高分子材料3復(fù)合型導(dǎo)電高分子5電活性聚合物4超導(dǎo)電高分子7第三章導(dǎo)電高分子材料1.概述1.1導(dǎo)電高分子的基本概念物質(zhì)按電學(xué)性能分類可分為絕緣體、半導(dǎo)體、導(dǎo)體和超導(dǎo)體四類。高分子材料通常屬于絕緣體的范疇。但1977年美國科學(xué)家黑格（A.J.Heeger）、麥克迪爾米德（A.G.MacDiarmid）和日本科學(xué)家白川英樹（H.Shirakawa）發(fā)現(xiàn)摻雜聚乙炔具有金屬導(dǎo)電特性以來，有機(jī)高

2、分子不能作為導(dǎo)電材料的概念被徹底改變。8艾倫·黑格（1936—），1936年生于依阿華州蘇城?，F(xiàn)為加利福尼亞大學(xué)的固體聚合物和有機(jī)物研究所所長，是一名物理學(xué)教授。因有關(guān)導(dǎo)電聚合物的發(fā)現(xiàn)而成為2000年度諾貝爾化學(xué)獎三名得主之一。艾倫·G·馬克迪爾米德(1927—??)，美國化學(xué)家。1927年生于新西蘭，1953年取得美國威斯康星大學(xué)博士學(xué)位，1955年取得英國劍橋大學(xué)博士學(xué)位，1955年至今在美國賓夕發(fā)尼亞大學(xué)擔(dān)任教授，白川英樹（1936—），日本著名化學(xué)家因開發(fā)成功了導(dǎo)電性高分子材料而成為2000年諾貝爾化學(xué)獎三名得主之一9導(dǎo)電性聚乙炔的出現(xiàn)不僅打破了高分子僅為絕緣體的傳統(tǒng)觀

3、念，而且為低維固體電子學(xué)和分子電子學(xué)的建立打下基礎(chǔ)，而具有重要的科學(xué)意義。上述三位科學(xué)家因此分享2000年諾貝爾化學(xué)獎。黑格小傳麥克迪爾米德小傳白川英樹小傳第三章導(dǎo)電高分子材料10第三章導(dǎo)電高分子材料導(dǎo)電材料金屬、合金導(dǎo)電高分子復(fù)合型本征型自由電子正負(fù)離子氧化還原電子轉(zhuǎn)移載流子11第三章導(dǎo)電高分子材料導(dǎo)電高分子不僅具有由于摻雜而帶來的金屬特性（高電導(dǎo)率）和半導(dǎo)體（p和n型）特性之外，還具有高分子結(jié)構(gòu)的可分子設(shè)計性，可加工性和密度小等特點。為此，從廣義的角度來看，導(dǎo)電高分子可歸為功能高分子的范疇。導(dǎo)電高分子具有特殊的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的物理化學(xué)性能使它在能源、光電子器件、信息、傳感器、分

4、子導(dǎo)線和分子器件、電磁屏蔽、金屬防腐和隱身技術(shù)方面有著廣泛、誘人的應(yīng)用前景。12第三章導(dǎo)電高分子材料導(dǎo)電高分子自發(fā)現(xiàn)之日起就成為材料科學(xué)的研究熱點。經(jīng)過近三十年的研究，導(dǎo)電高分子無論在分子設(shè)計和材料合成、摻雜方法和摻雜機(jī)理、導(dǎo)電機(jī)理、加工性能、物理性能以及應(yīng)用技術(shù)探索都已取得重要的研究進(jìn)展，并且正在向?qū)嵱没姆较蜻~進(jìn)。本章主要介紹導(dǎo)電高分子的結(jié)構(gòu)特征和基本的物理、化學(xué)特性，并評述導(dǎo)電高分子的重要的研究進(jìn)展。13第三章導(dǎo)電高分子材料1.2材料導(dǎo)電性的表征根據(jù)歐姆定律，當(dāng)對試樣兩端加上直流電壓V時，若流經(jīng)試樣的電流為I，則試樣的電阻R為：電阻的倒數(shù)稱為電導(dǎo)，用G表示：（3—1）（3

5、—2）14第三章導(dǎo)電高分子材料電阻和電導(dǎo)的大小不僅與物質(zhì)的電性能有關(guān)，還與試樣的面積S、厚度d有關(guān)。實驗表明，試樣的電阻與試樣的截面積成反比，與厚度成正比：同樣，對電導(dǎo)則有：（3—3）（3—4）15第三章導(dǎo)電高分子材料上兩式中，ρ稱為電阻率，單位為（Ω·cm），σ稱為電導(dǎo)率，單位為（Ω-1·cm-1）。顯然，電阻率和電導(dǎo)率都不再與材料的尺寸有關(guān)，而只決定于它們的性質(zhì)，因此是物質(zhì)的本征參數(shù)，都可用來作為表征材料導(dǎo)電性的尺度。在討論材料的導(dǎo)電性時，更習(xí)慣采用電導(dǎo)率來表示。16第三章導(dǎo)電高分子材料材料的導(dǎo)電性是由于物質(zhì)內(nèi)部存在的帶電粒子的移動引起的。這些帶電粒子可以是正、負(fù)離子，也可

6、以是電子或空穴，統(tǒng)稱為載流子。載流子在外加電場作用下沿電場方向運動，就形成電流?？梢?，材料導(dǎo)電性的好壞，與物質(zhì)所含的載流子數(shù)目及其運動速度有關(guān)。17第三章導(dǎo)電高分子材料假定在一截面積為S、長為l的長方體中，載流子的濃度（單位體積中載流子數(shù)目）為N，每個載流子所帶的電荷量為q。載流子在外加電場E作用下，沿電場方向運動速度（遷移速度）為ν，則單位時間流過長方體的電流I為：（3—5）18第三章導(dǎo)電高分子材料而載流子的遷移速度ν通常與外加電場強(qiáng)度E成正比：式中，比例常數(shù)μ為載流子的遷移率，是單位場強(qiáng)下載流子的遷移速度，單位為（cm2·V-1·s-1）。結(jié)合式（3—2），（3—4），（3

7、—5）和（3—6），可知（3—6）（3—7）19第三章導(dǎo)電高分子材料當(dāng)材料中存在n種載流子時，電導(dǎo)率可表示為：由此可見，載流子濃度和遷移率是表征材料導(dǎo)電性的微觀物理量。（3—8）20第三章導(dǎo)電高分子材料材料的導(dǎo)電率是一個跨度很大的指標(biāo)。從最好的絕緣體到導(dǎo)電性非常好的超導(dǎo)體，導(dǎo)電率可相差40個數(shù)量級以上。根據(jù)材料的導(dǎo)電率大小，通?？煞譃榻^緣體，半導(dǎo)體、導(dǎo)體和超導(dǎo)體四大類。這是一種很粗略的劃分，并無十分確定的界線。在本章的討論中，將不區(qū)分高分子半導(dǎo)體和高分子導(dǎo)體，統(tǒng)一稱作導(dǎo)電高分子。表3-1列出