导电高分子材料

导电高分子材料摘要：导电高分子复合材料是一类具有重要理论研究价值和广阔应用前景的新型功能材料，导电高分子材料具有高电导率、半导体特性、电容性、电化学活性，同时还具有一系列光学性能等，具有与一般聚合物不同的特性。因此，导电高分子复合材料是一类具有重要理论研究价值和广阔应用前景的新型功能材料。关键字：导电高分子功能材料、结构特征、性能简介:自从1977年美国科学家黑格（A.J.Heeger）和麦克迪尔米德（A.G.MacDiarmid）和日本科学家白川英树（H.Shirakawa）发现掺杂聚乙炔（Polyacetylene，PA）具有金属导电特性以来，有机高分子不能作为电解质的概念被彻底改变。也因此诞生了一门新型的交叉学科导电高分子。这个新领域的出现不仅打破了高分子仅为绝缘体的传统观念，而且它的发现和发展为低维固体电子学，乃至分子电子学的建立和完善作出重要的贡献，进而为分子电子学的建立打下基础，而具有重要的科学意义。所谓导电高分子是由具有共轭π键的高分子经化学或电化学“掺杂”使其由绝缘体转变为导体的一类高分子材料。它完全不同于由金属或碳粉末与高分子共混而制成的导电塑料。导电高分子具有特殊的结构和优异的物理化学性能使它在能源、光电子器件、信息、传感器、分子导线和分子器件，以及电磁屏蔽、金属防腐和隐身技术上有着广泛、诱人的应用前景。因此，导电高分子自发现之日起就成为材料科学的研究热点。经过近30多年的发展，导电高分子已取得了重要的研究进展。1.导电机理1.1结构型导电聚合物导电机理物质的导电过程是载流子在电场作用下定向移动的过程。高分子聚合物导电必须具备两个条件:(1)要能产生足够数量的载流子(电子、空穴或离子等)；(2)大分子链内和链间要能够形成导电通道。在离子型导电高分子材料中，聚醚、聚酯等的大分子链呈螺旋体空间结构，与其配位络合的阳离子在大分子链段运动作用下，就能够在螺旋孔道内通过空位迁移(“自由体积模型”)；或被大分子“溶剂化”了的阴阳离子同时在大分子链的空隙间跃迁扩散(“动力学扩散理论”)。对于电子型导电高分子材料，作为主体的高分子聚合物大多为共轭体系(至少是不饱和键体系)，长链中的π键电子较为活泼，特别是与掺杂剂形成电荷转移络合物后，容易从轨道上逃逸出来形成自由电子。大分子链内与链间π电子轨道重叠交盖所形成的导电能带为载流子的转移和跃迁提供了通道。在外加能量和大分子链振动的推动下，便可传导电流。1.2复合型导电聚合物导电机理关于复合型导电高分子材料导电机理研究报道的较多，人们从多方面进行了广泛深入的研究，建立了许多数学模型或物理模型。目前比较流行的有3种理论:(1)是宏观渗流理论，即导电通路学说；(2)是微观量子力学隧道效应理论；(3)是微观量子力学场致发射效应理论。2、导电高分子的结构特征电子导电型聚合物的共同结构特征是分子内有大的线性共轭n电子体系，给载流子-自由电子提供离域迁移的条件。离子导电型聚合物的分子有亲水性．柔性好，在一定温度条件下有类似液体的性质。允许相对体积较大的正负离子在电场作用下在聚合物中迁移。氧化还原型导电聚合物必须在聚合物骨架上带有可进行可逆氧化还原反应的活性中心。在有机共轭分子中，σ键是定域键，构成分子骨架；而垂直于分子平面的p轨道组合成离域π键，所有π电子在整个分子骨架内运动。离域π键的形成，增大了π电子活动范围，使体系能级降低、能级间隔变小，增加物质的导电性能。在共轭有机分子中σ电子是无法沿主链移动的，而π电子虽较易移动，但也相当定域化，因此必需移去主链上部分电子(氧化)或注入数个电子(还原)，这些空穴或额外电子可以在分子链上移动，使此高分子成为导电体。3、导电高分子材料的种类按照材料的结构与组成，可将导电高分子材料分为两大类。一类是复合型导电高分子材料，另一类是结构型（或本征型）导电高分子材料。3.1复合型导电高分子材料复合型导电高分子材料是将各种导电性物质以不同的方式和加工工艺（如分散聚合、层积复合、形成表面电膜等）填充到聚合物基体中而构成的材料。几乎所有的聚合物都可制成复合型导电高分子材料。其一般的制备方法是填充高效导电粒子或导电纤维，如填充各类金属粉末、金属化玻璃纤维、碳纤维、铝纤维、不锈钢纤维及锰、镍、铬、镁等金属纤维，填充纤维的最佳直径为7!m。复合型导电高分子材料在技术上比结构型导电高分子材料具有更加成熟的优势，用量最大最为普及的是炭黑填充型和金属填充型。3.2结构型导电高分子材料结构型（又称作本征型）导电高分子是指那些高分子材料本身或经过掺杂后具有导电功能的聚合物。这种高分子材料本身具有“固有”的导电性，由其结构提供导电载流子，一旦经掺杂后，电导率可大幅度提高，甚至可达到金属的导电水平。从导电时载流子的种类来看，结构型导电高分子材料又被分为离子型和电子型两类。离子型导电高分子通常又称为高分子固体电解质，它们导电时的载流子主要是离子。电子型导电高分子指的是以共轭高分子为主体的导电高分子材料。导电时的载流子是电子（或空穴），这类材料是目前世界导电高分子中研究开发的重点。