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聚吡咯最高耐多少溫度

發布時間: 2022-09-19 21:51:24

A. 有關「納米材料」的論文

納米吸波復合材料的研究與
發展趨勢
吸波復合材料主要是應用在飛機,坦克等表面
來降低其被探測和摧毀的概率,提高目標的生存能
力。吸波復合材料是一類功能復合材料,它能吸收投
射到它表面的電磁波能量,並通過材料的介質損耗
使電磁波能量轉變成熱能或其它形式的能量_1]。吸
波復合材料是由功能體(吸收劑)和基體組成。當吸
波復合材料中的功能體為納米量級時,吸波復合材
料將產生不同於常規材料的吸波性能。在已公開報
道的納米吸波復合材料中,性能比較突出的是美國
研製的「超黑粉」納米吸波復合材料_2J,它實質上就
是以納米石墨為功能體的石墨一熱塑性復合材料和
石墨環氧樹脂復合材料。
納米吸波復合材料之所以具有不同尋常的吸波
性能是因為納米材料的特殊結構引起的口]。一方面,
納米微粒尺寸為1~100 nm,遠小於雷達發射的電
磁波波長,對電磁波的透過率大大高於常規材料,這
就大大降低了電磁波的反射率;另一方面,納米微粒
材料的比表面積比常規微粒大3~4個數量級,對電
磁波和紅外光波的吸收率也比常規材料高得多。此
外,隨著顆粒的細化,顆粒的表面效應和量子尺寸效
應變得突出,顆粒的界面極化和多重散射成為重要
的吸波機制,量子尺寸效應使納米顆粒的電子能級
發生分裂,其間隔正處於微波能量范圍(10 ~10
eV從而形成新的吸波通道_|J。
吸波復合材料按其應用形式可分為塗敷型吸波
復合材料和結構型吸波復合材料。
1 塗敷型吸波復合材料
納米鐵氧體吸波復合材料_5。o]
鐵氧體吸波復合材料是既有一定介電常數和介
電損耗,又有一定磁導率和磁損耗的雙復介質。它除
有電子共振損耗外,還具有鐵氧體特有的疇壁共振
損耗、磁矩自然共振損耗和粒子共振損耗等特性。其
作用機理可概括為鐵氧體對電磁波的磁損耗和介電
損耗。
23(5):796—800.
[37] 李華,Bocaz—Beneventi G,Have J.計算機與應用化
學_J],2002,1 9(3):296—297.
[38] 熊少祥,李建軍,程介克.分析測試學報EJ3,1996,15
(3):69—73.
將鐵氧體納米顆粒與聚合物復合而成的納米復
合吸波材料能有效吸收和衰減電磁波和聲波,被認
為是一種極好的吸波材料。鐵氧體納米復合材料多
層膜在7~17 GHz的頻率段內的峰值吸收為一4O
dB,小於一lO dB的頻寬為2GHz_l 。王國強等人對
比了納米鐵氧體/導電聚合物復合吸波材料和非納
米鐵氧體/導電聚合物復合吸波材料的吸波性能。實
驗結果表明,在8~12 GHz的頻段內,納米吸波復
合材料的吸收率均高於非納米吸波復合材料_1引。
鐵氧體吸波復合材料的研究重點在於如何通過
調整材料本身的化學組成、粒徑及其分布、粒子形貌
及分散性等來提高復合材料損耗特性和降低其密
度。美國已研製出一系列薄層狀鐵氧體吸波復合塗
料,並成功應用於F一117A戰斗機。
納米金屬粉吸波復合材料_l �6�8
從金屬的電子能級躍遷、原子相對振動的光學
波、原子的轉動能級和原子磁能級的分析可以看出,
具有磁性的金屬超細顆粒與電磁波有強烈的相互作
用,具備大量吸收電磁波能量的條件_l 。
納米金屬粉吸波復合材料具有微波磁導率較
高、溫度穩定性好(居里溫度高達770 K)等突出優
點,己得到了廣泛應用。納米金屬粉吸波復合材料主
要包括羰基納米金屬粉復合材料和納米磁性金屬粉
復合材料兩類。其中羰基納米金屬粉主要包括羰基
Fe、羰基Ni和羰基Co等:納米磁性金屬粉主要包
括Co、Ni、CoNi和FeNi等。
陳利民等人[1副制備了高抗氧化能力的納米金
屬吸波復合材料y一(Fe,Ni)。實驗結果表明,該材料
在厘米波和毫米波波段均有較好的吸波性能。法國
科學家最新研製成功了一種由CoNi納米金屬合金
粉與絕緣層構成的復合材料。將該材料與粘合劑復
合而成的吸波復合材料的電阻率高於5 Q�6�1cm,在
50 MHz~50 GHz的頻率范圍內具有良好吸波性
能 引。
納米有機聚合物吸波復合材料
作為功能體的導電聚合物主要包括聚乙炔、聚
苯胺、聚吡咯、聚噻吩等。其主要的吸波機理是:利用
某些具有共軛主鏈的高分子聚合物,通過化學或電
化學方法與摻雜劑進行電荷轉移作用來設計其導電
結構,實現阻抗匹配和電磁損耗,從而吸收雷達波。
將不同種類的無機納米相與有機聚合物復合可
以製成強吸收的電阻損耗型、介電損耗型、磁損耗型
納米吸波復合材料。比如,將碳納米管與聚合物復合
能形成一種性能優良的電阻型寬頻吸波復合材料。
因為碳納米管具有良好的導電性,引入到聚合物中
不僅可形成導電網路,而且對復合材料有增強作用,
比常規的炭黑、石墨填充到聚合物中的吸波性能強
得多。
結構型納米吸波復合材料n。 們
結構型吸波復合材料既能吸波,又能承載,具有
頻率寬、效率高、不增加消極重量等優點。目前結構
型吸波復合材料主要有兩大類:蜂窩夾層型吸波復
合材料和層壓平板型吸波復合材料口 。。]。
下面主要研究作為功能體的結構型納米復合材
料的特點與應用。
納米SiC吸波復合材料lL2 。
SiC功能體具有密度小、耐高溫性能好和吸收
頻帶寬等優點,但常規制備的SiC吸收效率較低,不
能直接作為吸波復合材料的功能體。因此,必須對
SiC進行一定的處理以提高其吸收效率。一般採取
以下兩種處理方法:提高SiC的純度和對其進行有
控制的摻雜。日本利用高純度的原料,製得了純度極
高的SiC粉體。前蘇聯曾用摻雜的方法提高了SiC
的吸波性能。
此外,還可以採用多層復合的結構形式進行改
進。日本用二氧化碳激光法制備出了具有優良吸波
性能的Si/C/N 和Si/C/N/O 吸波復合材料 。
最新的研究結果表明,Si/C/N和Si/C/N/O納米吸
波復合材料在毫米波段和厘米波段均有優良的吸波
性能。
納米SiC纖維吸波復合材料
SiC系列纖維具有強度高、模量高、熱膨脹系數
低、電阻率可調節等特性和耐高溫氧化直徑小、易於
編織等特點,是高性能復合材料的理想增強劑。由於
常規SiC纖維的電阻率分布在10。~10 Q �6�1C1TI的
范圍內,而其電阻率在10 ~10。Q�6�1C1TI范圍內才具
備較好的吸波效果。因此,SiC纖維必須用適當的處
理來調節其電阻率。一般採用的方法為高溫處理法
和摻雜異元素法。
王 軍等人L2 制備出力學性能良好、電阻率連
續可調的納米SiC/Ti復合纖維。將這種纖維與環氧
樹脂復合後可得到具有良好的吸波性能的結構型吸
波復合材料。
前景展望
針對吸波材料「薄、輕、寬、強」等性能方面的更
高要求,需要首先研製出具有吸波性能的納米粉體,
然後根據具體要求將不同種類的納米粉體進行各種
形式的復合以獲得最佳吸波性能。在先進復合材料
基礎上發展起來的既能隱身又能承載的結構型吸波
復合材料,是當今吸波復合材料的主要發展方向。其
關鍵技術主要包括復合材料層板的研製、介電性能
的設計匹配、有「吸、透、散」等功能的夾芯材料的研
制與設計及諸因素的優化組合匹配等。
隨著先進探測器的相繼問世,吸波復合材料必
將發展成能兼容米波、厘米波、毫米波、紅外和激光
等多波段的吸波復合材料。

B. 聚吡咯的碳化溫度是多少

聚吡咯的碳化溫度就是他的干餾溫度,是200攝氏度。我正好是學化工的,你算問對人了。

C. 聚吡咯的簡介

純吡咯單體常溫下呈現無色油狀液體,是一種C,N五元雜環分子,沸點是129.8℃,密度是0.97g/cm,微溶於水,無毒。
性質:研究和使用較多的一種雜環共軛型導電高分子,通常為無定型黑色固體,以吡咯為單體,經過電化學氧化聚合製成導電性薄膜,氧化劑通常為三氯化鐵、過硫酸銨等。或者用化學聚合方法合成,電化學陽極氧化吡咯也是制備聚吡咯的有效手段。是一種空氣穩定性好,易於電化學聚合成膜的導電聚合物,不溶不熔。它在酸性水溶液和多種有機電解液中都能電化學氧化聚合成膜,其電導率和力學強度等性質與電解液陰離子、溶劑、pH值和溫度等聚合條件密切相關。導電聚吡咯具有共軛鏈氧化、對應陰離子摻雜結構,其電導率可達102~103S/cm,拉伸強度可達50~100MPa及很好的電化學氧化-還原可逆性。導電機理為:PPy結構有碳碳單鍵和碳碳雙鍵交替排列成的共軛結構,雙鍵是由σ電子 和π電子構成的,σ電子被固定住無法自由移動,在碳原子間形成共價鍵。共軛雙鍵中的2個π電子並沒有固定在某個碳原子上,它們可以從一個碳原子轉位到另一個碳原子上,即具有在整個分子鏈上延伸的傾向。即分子內的π電子雲得重疊產生了為整個分子共有的能帶,π電子類似於金屬導體中的自由電子。當有電場存在時,組成π鍵的電子可以沿著分子鏈移動。所以,PPy是可以導電的。在聚合物中,吡咯結構單元之間主要以α位相互聯接,當在α位有取代基時聚合反應不能進行。用電化學氧化聚合方法可以在電極表面直接生成導電性薄膜,其電導率可以達到102S/cm,且穩定性好於聚乙炔。聚吡咯的氧化電位比其單體低約1V左右,呈黃色,摻雜後呈棕色。聚吡咯也可以用化學摻雜法進行摻雜,摻雜後由於反離子的引入,具有一定離子導電能力。聚吡咯除了作為導電材料使用,如作為特種電極等場合外,還用於電顯示材料等方面,作為線性共軛聚合物,聚吡咯還具有一定光導電性質。小陰離子摻雜的聚吡咯在空氣中會緩慢老化,導致其電導率降低。大的疏水陰離子摻雜的聚吡咯能在空氣中保存數年而無顯著的變化。

D. 聚吡咯的制備及其原理

聚吡咯可由吡咯單體通過化學氧化法或者電化學方法製得。化學聚合是在一定的反應介質中通過採用氧化劑對單體進行氧化或通過金屬有機物偶聯的方式得到共軛長鏈分子並同時完成一個摻雜過程。該方法的合成工藝簡單,成本較低,適於大量生產。使用化學法制備聚吡咯時的產物一般為固體聚吡咯粉末,即難溶於一般的有機溶劑,機械性能也較差不易進行加工。合成聚吡咯產品是的機理:首先,當體系中有氧化劑存在時,呈電中性的一個聚吡咯單體分子會在氧化劑的作用下被氧化失去一個電子,變成陽離子自由基。然後兩個陽離子自由基在體系中碰撞結合成含有兩個陽離子自由基的雙陽離子二聚吡咯,此時的雙陽離子在體系中經過歧化作用生成一個呈電中性的二聚吡咯。電中性的二聚吡咯又會與體系中的陽離子自由基相互結合生成三聚吡咯的陽離子自由基,經過歧化作用而生成三聚體的聚吡咯,周而復始最終生成了長分子鏈的聚吡咯。電化學聚合是在電場作用下,採用電極電位作為聚合反應所需要的能量,經過一段時間的反應後會在電極表面沉澱一層聚合物從而得到共軛高分子膜。通過控制聚合條件如電解液種類、吡咯單體的濃度、溶劑、聚合電壓、電流大小和溫度等因素可制備具有各種不同形貌和性能的高聚物膜。進行電化學聚合時一般以鉑、金、不銹鋼、鎳等惰性金屬或導電玻璃、石墨和玻炭電極等作為電極使用。在使用電化學方法制備聚吡咯時的聚合機理與用化學氧化法制備時的機理相似,也可以用自由基機理來解釋:首先,吡咯單體分子在電場的作用下,會在電極的表面失去電子而成為陽離子自由基,然後自由基會與另一單體相互結合而成為吡咯的二聚體。經過鏈增長步驟,最終得到聚吡咯大分子鏈。通常來說,使用化學氧化聚合法或電化學聚合法制備聚吡咯時,得到的產品都是黑色的固體,在使用化學氧化聚合法時制備的聚吡咯的產物一般是黑色粉末,而通過電化學聚合法則會在電極表面得到一層PPy薄膜。

E. 聚苯胺和聚吡咯在酸性溶液中的耐腐蝕性如何

1.聚苯胺塗層在酸性溶液中對中碳鋼的腐蝕防護效應
在導電聚合物中,因為聚苯胺具有可通過氧化作用或質子酸摻雜而達到調節其導電性的特性,所以聚苯胺在導電聚合物中佔有很重要的位置.質子化苯胺的導電性可增加9~10個數量級,但是常規方法合成的聚苯胺只在酸性介質中才具有氧化還原行為,極大地限制了它在實際中的應用,尤其是在生物感測器中的應用.
2 它在酸性水溶液和多種有機電解液中都能電化學氧化聚合成膜,其電導率和力學強度等性質與電解液陰離子、溶劑、pH值和溫度等聚合條件密切相關.導電聚吡咯具有共軛鏈氧化、對應陰離子摻雜結構,其電導率可達102~103S/cm,拉伸強度可達50~100MPa

F. PPY是什麼意思

ppy 釋義 1. PPY: 聚吡咯2. Ppy Slot: 撬模腳3. kky ppy pajvs DDTazfear: 全明星例句 1.PPy was synthesized in the element of aluminum electrolytic capacitors by oxidatively chemical polymerization.
採用化學氧化聚合法在鋁電解電容器的芯子中形成聚吡咯。2.The results show that the difficulties of defining the electrode potential of oxidation and rection peaks of PPY canbe overcome by the treatment of CV-Raman.
結果表明,採用拉曼-循環伏安圖可以克服充電電流給聚吡咯氧化還原峰電位的確定帶來的困難。3.For PPy/MMT composites, the optimized conditions have reaction temperature, reaction time, the amount of MMT, the amount of oxidizer, the amount and kind of dopant and the molding pressure.
對於聚吡咯/蒙脫土復合體系,其主要優化因素有:反應溫度、反應時間、氧化劑的用量、摻雜劑的種類和用量、成型壓力和蒙脫土的用量等。

G. 耐熱高分子材料的性質

指在 250℃下連續使用仍能保持其主要物理性能的聚合物材料。在電氣絕緣材料范疇,通常把使用溫度長期在 150℃以上的高分子材料稱為耐熱高分子絕緣材料。在不同的環境介質中,溫度、應力、作用時間、輻照等,會使高分子材料的性能有很大差別。高分子材料的耐熱程度,主要由耐熱性和熱穩定性表示。耐熱性是指在負荷下,材料失去原有機械強度發生變形時的溫度,其參數如熔化溫度、軟化溫度、玻璃化溫度等。熱穩定性是指材料的分子結構在惰性氣體中開始發生分解時的溫度,在空氣中開始分解的溫度稱為熱氧穩定性。一般熱塑性聚合物的耐熱性低於熱固性。 提高耐熱性的措施 主要措施有:①提高分子中原子間的鍵能;②增加分子中的環結構和共軛程度;③增加分子鏈間的交聯程度;④增加分子的取向度和結晶度;⑤加入穩定劑。但在採取上述措施時,則不同程度地降低了可加工性。目前,合成在500℃以上、於空氣中能長期使用的高分子材料,仍然是人們追求的目標。然而,耐熱高分子材料研究工作的發展趨勢,已不是單純創制耐熱等級更高的新品種,而是著重解決提高耐熱性與可加工性之間的矛盾,並不斷降低成本,以便進一步擴大應用范圍。 耐熱高分子材料按結構可分為:①芳環聚合物類,如聚亞苯基、聚對二甲苯、聚芳醚、聚芳酯、芳香族聚醯胺等;②雜環聚合物類,如聚醯亞胺、聚苯並咪唑、聚喹�啉等;③梯形聚合物類,如聚吡咯、石墨型梯形聚合物、菲繞啉類梯形聚合物、喹�啉類梯形聚合物等;④元素有機聚合物類,如主鏈含硅、磷、硼的有機聚合物和其他有機金屬聚合物;⑤無機聚合物類。 在芳雜環耐熱高分子材料中,以聚醯亞胺和芳香族聚醯胺這兩類聚合物發展最快,並已實現相當規模的工業化生產。聚醯亞胺在315℃的空氣中,能耐1000h,其高溫機械性能仍然良好,且耐磨、耐輻射、耐燃性能優異,短期能經受482℃的高溫處理。聚醯亞胺的產品已系列化,有薄膜、層壓材料、塑料、纖維、塗料、膠粘劑、浸漬漆、分離膜、泡沫塑料、光致抗蝕劑、半導體器件用絕緣塗層等各種形式,因而在航天、電氣、電子等許多工業部門中,都得到了越來越廣泛的應用。芳香族聚醯胺已被廣泛用作高強度和高模量有機纖維、抗燃纖維、反滲透膜、耐熱電氣絕緣材料等。各國為了解決石棉產品引起的環境公害問題,正在使用芳香族聚醯胺纖維作為石棉的替代品之一,並用於高性能復合材料方面。 隨便找的一些資料,不知道是不是你想要的

H. 聚吡咯烷酮的介電常數是多少

中文名稱:2-吡咯烷酮【分子式、分子量】:C4H7NO = 85.11【理化性質】:無色結晶,熔點24.6℃,沸點245℃,密度1.116(25/4℃),折光率1.4870。粘度13.3。飽和蒸氣壓1.33 kPa /122℃。閃點129℃。引燃溫度145℃。燃燒熱2286.5 kJ/mol。

I. 求導電高分子的有關資料

導電高分子復合材料是一類具有重要理論研究價值和廣闊應用前景的新型功能材料.本文介紹了這類材料的基本導電理論、特殊效應理論、主要應用概況以及目前的研究進展.
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碘摻雜處理的聚乙炔,其後又相繼開發了聚吡咯、聚對苯撐、聚苯硫醚、聚苯胺等導電高分子材料〔1〕.由於這些導電高分子材料都具有共軛鍵結構,並且主要是由化學方法處理得到的,因此常稱為本徵型導電高分子材料.但是,這類材料的穩定性、重現性較差,電導率分布范圍較窄,成本較高,而且加工困難,尚未進入批量生產的實用階段〔2〕.本徵型導電高分子材料在應用方面遇到的困難短期難以解決,促使人們轉而研究和開發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,經過分散復合、層積復合以及形成表面導電膜等方式處理後形成的多相復合導電體系.由於原料易得、工藝相對簡單、成本較低、電阻率可在較大范圍內調節,同時具有一定程度的再加工性並兼有高分子基體材料的一些優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 用不同方法研製新材料的實驗研究;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後的導電機理兩方面.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地形成導電通路這一宏觀自組織過程;後者則主要涉及導電通路或部分導電通路形成後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多樣性、復雜性,另一方面又與實驗結果之間存在著不同程度的差異,而且許多理論結果往往不具有普適性.
新材料的實驗研究工作採用的主要方法有: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、結晶、浸漬);結構改造(板狀、疊層、發泡);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.
本文將簡要介紹這類材料的基本導電理論、特殊效應及其機理、主要應用概況以及目前的研究進展.
一、導電通路的形成理論
導電高分子復合材料的導電機理比較復雜.許多實驗表明,盡管採用不同的制備方法、選取不同的基體材料和功能體,導電高分子復合材料卻表現出一種相似的性質,即「滲濾閾值」 現象〔3〕.隨著導電功能體含量的增加,開始時體系的電導率增加極少.當導電功能體達某一臨界含量(閾值)時,復合體系的電導率急劇增加(有時可達近10個數量級).在導電功能體的臨界含量附近體系電阻率的急劇下降一般被認為是由導電功能體形成大量導電通路引起的.因此,導電通路如何形成以及導電功能體的臨界填充率與復合體系電阻率之間的關系便成為導電高分子復合材料研究中首先關心的問題.許多學者提出了各種理論來解釋各自的實驗結果,其理論大致可分為下面幾類模型〔4〕.
1. 統計滲濾模型
這類模型大部分為幾何模型,即將基體材料或填充材料抽象為具有某種形狀的分散體系,然後基體材料和填充材料按某種機理復合為整體,而且基體成為連續相,導電填充材料成為不同程度的連續相或分散相,並由此形成部分導電通道和導電隧道.在此基礎上,尋找復合材料的電阻率與導電功能體含量之間的關系.典型的例子是將基體抽象為尺度和形狀不同的球、立方體、長方體等,而將導電功能體抽象為球、橢球、線狀珠串、葡萄狀珠串等.這種模型對於二元復合體系通常是有效的,但是,對於多元體系(基體材料或填充材料不止一種),盡管能得出相應的模型,但在估計得出的理論值與實驗值之間的誤差較大.
2. 熱力學模型
統計滲濾模型雖然可以大致解釋復合體系電阻率的變化趨勢,但由於過分突出導電功能體的空間幾何特徵,幾乎沒有考慮基體與導電功能體之間的相互作用,也沒有考慮界面效應的影響,其理論預期值與許多實驗結果不符,對許多實驗現象也無法解釋.熱力學模型作了相應改進.
界面自由能熱力學模型基於平衡熱力學原理,認為形成導電通道時的導電功能體的臨界體積分數Vc與體系的總界面自由能過剩有關.當總界面自由能過剩超過一個與高分子種類無關的普適參數Δg*時,導電通道開始形成;另外,實際加工成型過程中各種因素的作用將造成兩相界面狀況的不斷變化,而且高分子基體的熔融粘度越大、功能體粒子的尺寸越小,則分別對「平衡」相分離過程的抑制和促進作用越大.在此基礎上得出的理論模型,臨界體積分數Vc的估計與許多導電高分子復合材料的實驗值符合得較好.但界面自由能熱力學模型目前只適用於非極性聚合物基體.
動態界面模型基於非平衡熱力學原理,而且說明了導電通道形成的微觀過程.該模型假定每個功能體粒子表面都吸附有高分子薄層,其厚度(約15~20 nm)由高分子種類決定,不受功能體表面結構的影響,而且加工過程中不會被破壞;在功能體含量較低時,功能體粒子的分布不均勻,既有單個粒子也有聚集體存在,它們分別被高分子薄層(吸附層)包裹;隨著功能體含量增大至某一定值,填入聚集體中的粒子間的壓縮力將破壞部分粒子吸附層,粒子可相互移動至電接觸而成為「絮凝態」並表現為「層」狀結構,其後逐漸發展成為三維導電網路.動態界面模型對復合體系臨界體積分數Vc的理論估計值也與許多實驗結果吻合較好,不足之處是該模型中某些參數尚無明確的物理意義.
除上述兩大類模型之外,還有結構取向滲濾模型、有效介質模型等.結構取向滲濾模型中通常將導電高分子復合材料的一些宏觀量與材料結構的一些微觀量用相應的參數聯系起來,然後藉助於大型計算機進行理論模擬,直至找到比較合理的參數,最後得出理論模型.由於在很多情形下其理論估計值的精度並不優於熱力學模型,因此,並未被廣泛採用.有效介質模型是一種運用自洽條件來處理球形顆粒組成的多相復合體系各組元的平均場理論,該理論預期的滲濾閾值通常都比實驗值偏高.
二、導電高分子復合材料的室溫導機理
導電高分子復合材料在室溫和較高溫度(如開關溫度)時的導電機制很不相同,下面是目前較為有效的室溫下的導電理論〔5〕.
1. 通道導電理論
當導電功能體為微粒時,導電微粒相互接觸形成網路通道而導電即為通道導電理論.該理論將導電微粒看作彼此獨立的顆粒,並規則、均勻地分布於聚合物基體中.當導電微粒直接接觸或導電微粒間的間隙很(<1 nm)時,在外電場作用下即可形成通道電流.通道導電理論雖然可以解釋一些導電高分子復合材料的滲濾現象,但是,TEM和SEM的觀察結果都指出復合材料中的導電微粒分布並不完全與通道理論的假設條件相符:① 聚合物基體中的單個導電微粒一般情況下並不彼此獨立(粒徑特別大的顆粒除外),許多微粒以聚集體形式存在,聚集體的大小、取向受微粒性質(物理和化學性質,特別是表面性質)和基體性質的影響;② 由於聚集體的存在,單個微粒分布的均勻性難以維持,單從聚集體方面考慮,其分布也是不規則的;③ 除部分微粒直接接觸或以聚集體形式直接接觸外,更多的導電微粒間的間隙較大,尚未形成接觸狀態;甚至對於沒有形成接觸狀導電鏈的情形,只要導電微粒間的間隙較小(10 nm左右)也會產生導電現象.這些都是通道理論難以解釋的.
2. 隧道效應理論
當導電功能體為微粒且填充率很高時,微粒之間直接接觸形成導電網路的幾率也大,用通道導電理論來解釋通常是有效的.一般的情形是部分導電微粒相互接觸而形成鏈狀導電網路,另一部分微粒則以孤立粒子或小聚集體形式分布於絕緣的聚合物基體中,基本上不參與導電(若導電微粒的填充率很低,則完全取後一種情形).然而,如果孤立粒子或小聚集體之間相距很近,只被很薄的聚合物薄層(10 nm左右)隔開,由熱振動激活的電子就能越過聚合物薄層所形成的勢壘躍遷到鄰近導電微粒上形成隧道電流,此即量子力學中的隧道效應.隧道效應理論與一些導電高分子復合材料的實驗曲線符合較好.其後的許多實驗結果也是隧道效應理論的有力證據〔6〕.
3. 電場發射理論
電場發射理論認為導電高分子復合材料的導電機理除通道導電外,另一部分電流來自內部電場對隧道作用的結果.該理論認為:非歐姆性來源於電壓增加到一定值時,導電粒子絕緣層間的強電場促使電子越過勢壘而產生場致發射電流.電場發射理論實際上也是一種隧道效應,只是激發源為電場.
事實上, 「通道導電理論」和「隧道電流理論」並不是絕對可分的.只要有導電通道存在,就可能既存在通道電流又存在隧道效應, 只是兩種電流的強弱不同.因此,這兩種理論經常同時使用.
三、導電高分子復合材料的特殊效應
在特定的外部條件下,導電高分子復合材料的電學性能會不同程度地發生變化.其中某些導電高分子復合材料在不同的外部作用力如(壓力、拉力)、溫度、電壓等作用下,表現出一些特殊效應,如壓敏、拉敏效應,熱敏效應,電壓開關效應等〔7〕.
1. 壓敏、拉敏效應
導電高分子復合材料的壓敏效應通常是指在外部壓力的作用下復合材料由高阻態轉變為低阻態的過程;而在外部拉力作用下,復合材料由低阻態轉變為高阻態的過程即為拉敏效.
導電高分子復合材料的壓敏或拉敏性能不但與材料內部常溫下導電潛在能力大小(對應於壓敏效應)或者已經具有的導電能力的大小(對應於拉敏效應)有重要聯系,而且與外部作用力的大小和作用力的方向有關.為得到具有拉敏或壓敏性能的聚合物基導電復合材料,從基體材料的性能方面考慮,需要在外力作用下復合材料有明顯的形變;從填充材料的性能方面考慮,當基體材料發生形變時,復合材料內部的導電通道的通斷狀態也應有明顯的變化.橡膠或其他彈性體易於在外力作用下發生形變,故目前大部分具有壓敏或拉敏效應的導電高分子復合材料使用的基體多限於彈性體.
導電高分子復合材料的壓敏效應、拉敏效應的機理可以用通道導電理論解釋.對於壓敏的情形,導電功能體的含量較少(不同材料有各自的臨界值范圍),而且功能體分布尚未形成直接的導電通道.此時若對復合材料施加壓力,當壓力小於某一臨界值時,材料仍呈高阻態;當壓力超過上述臨界值時,復合材料的形變足以使復合材料內部在力的方向上產生一定數量的導電通道並在外電場作用下而導電.對於拉敏的情形,導電功能體的含量較多(也存在臨界含量),功能體分布已經形成部分直接導電通道和導電隧道.在外電場作用下若對已經處於導電狀態的復合材料施以拉力,當拉力超過某一臨界值時,復合材料的形變足以使拉力方向上大量導電通道和導電隧道被破壞而導致復合材料由導電性轉變為非導電性.
2. 熱敏效應
某些導電高分子復合材料的電阻率對溫度有明顯的依賴性.按電阻率隨溫度上升而增加或下降分為正溫度系數(PTC)材料和負溫度系數(NTC)材料和負溫度系數(NTC)材料.性能好的PTC材料具有熱敏開關特性:即在較窄的溫度范圍內電阻率隨溫度的上升急劇增加.對材料PTC特性的研究始60年代,現在研究成功並投入使用的主要BaTiO3系列陶瓷材料.但由於陶瓷類材料的一些固有性質:質硬性脆、工藝復雜且不易控制、製造成本較高等,具有PTC效應的導電高分子復合材料的研究和開發變得重要起來.目前已經研製成功的導電高分子PTC復合材料大多數以結晶性聚烯烴為基體,而以非結晶性聚合物為基體制備PTC復合材料的成功例子很少.
雖然某些高分子PTC復合材料現已形成產品,但是關於聚合物基導電復合材料的PTC效應機理目前尚缺乏普適性的理論模型,以下是一些關於PTC效應機理的解釋〔8〕.
(1) 熱膨脹機理
室溫下導電高分子復合材料中的導電粒子相互接觸形成一定密度的導電網路,溫度升高時,聚合物比容呈指數上升,而導電粒子的比容基本不變,造成兩相材料在同一溫度下的熱失配,使導電粒子或由粒子組成的聚集體之間的距離增加,導電網路遭到破壞,單位體積中的導電通道減少,電阻率急劇上升.大多數結晶性聚合物基體,在其熔點附近,PTC效應更加明顯.然而,該理論不能解釋某些具有PTC特性的導電高分子復合材料在發生應變時,PTC效應降低的現象,也不能解釋許多導電粒子填充的非晶聚合物無PTC效應的原因.
(2) 電子隧道效應機理
電子隧道效應機理認為:聚合物/導電粒子(如炭黑)復合材料中導電粒子間被很薄的高分子薄膜隔離,其中結晶性高分子膜(30 nm)的導電性比非晶性高分子膜高得多.溫度較低時(晶體的晶區熔化之前),導電粒子之間可以通過薄膜的晶區產生隧道效應,電阻率較小;隨著溫度的升高,薄膜的晶區開始熔化,膜的導電性變差,致使復合材料的導電能力減弱,電阻率增加.並由此得出:應該根據基體的玻璃化溫度Tg來判斷復合材料的PTC強度的大小;而且聚合物的Tg越低,復合材料的PTC效應越大.雖然這一理論可以解釋一些聚合物基導電復合材料的PTC現象,但並不具有普適性.因為許多聚合物的Tg很低,用之制備的聚合物基導電復合材料卻並不顯PTC性.另外,該理論提出的結晶高分子膜比非晶高分子膜導電能力強的觀點也沒有足夠的證據.
(3) 競爭機理
競爭機理認為導電高分子復合材料的PTC特性源於復合材料內部兩種機制競爭的結果.室溫時復合材料中導電粒子的平均間距較小,溫度升高時,一方面基體發生膨脹,導致復合材料中的導電粒子之間距離增大,材料電阻率增加;另一方面,當處於較高溫度時,復合材料中的導電粒子熱振動加劇,能量升高,導電粒子發射電子的能力增強,自由電子越過隧道勢壘的動能增加,結果體系電阻率下降.這兩種機制競爭的結果使得電阻率-溫度曲線上出現峰值.
上述幾種理論雖能定性地解釋PTC效應的機理,但定量方面尚顯不足;而且這些理論只適用於某些種類導電高分子復合材料.關於導電高分子復合材料的PTC效應機理的統一理論尚待研究.
3. 電壓開關效應
在溫度固定(通常為室溫)的條件下,某些導電高分子復合材料的導電性隨電壓的升高而增加,而且電流與電壓間的關系顯非歐姆性.電壓開關效應通常指的是在一定溫度下增加電壓,在某一極小的電壓區間內,復合材料由非導體劇變為導體這一現象.顯然,這種材料必須有導電的潛力,但是在室溫下和低電壓電場的作用下基本不導電.因此,導電功能體的種類和含量在電壓開關型復合材料中將起到決定性作用.
電壓開關效應的機理目前也是由通道導電和隧道導電機理進行解釋的.復合材料中填充一定含量的導電性物質後,雖然沒有形成導電通道,但有少量的隧道形成.當電壓低於某臨界電壓時,只能產生極小的隧道電流,此時復合材料基本處於非導電狀態(關態);而當電壓高於某一臨界值時,導電粒子之間的場致發射一方面增加了隧道電流,另一方面使隧道距離較大的導電粒子之間形成微細導電通道(也稱為「導電絲」),隧道電流和通道電流一起形成較大的電流(開態).導電絲一旦形成,它們在微細導電通道中的作用如同普通工頻電路中的保險絲.一旦電壓高於另一臨界值,導電絲熔斷,復合材料又回復到原來的狀態(關態).
四、導電高分子復合材料的應用
原則上絕大多數聚合物都可用作導電高分子復合材料的基體,而且適用的導電填充物質的種類也很多,因此,目前已經研製出許多滿足各種特殊要求的導電高分子復合材料.按基體材料的性質可分為:導電塗料、導電粘合劑、導電彈性體和導電塑料;按導電性可分為:半導電材(ρ>107Ω*cm)、防靜電材料(ρ≈104~107Ω*cm)、導電材料(ρ<104Ω*cm)和高導電材料(ρ≈10-3Ω*cm);按特殊功能可分為:光導電材料、熱敏導電材料、壓敏導電材料和輻射誘導導電料按導電功能體種類可分為聚合物-炭系(炭黑、炭纖維、石墨),聚合物-金屬氧化物系(ZnO、PbO、TiO2、SnO、V2O3、VO2、Sb2O、In2O3等)和聚合物-金屬系(銅、銀、鎳、鋁)等.導電功能體還可以有不同的空間形態,如0維(微粒狀)、1維(纖維狀)和2維(片狀)等.
由於導電高分子復合材料領域中理論研究工作的逐漸深入和大量實驗結果的積累,結合現有的高分子材料理論,現在已經可以在一定程度上對這類材料進行優化設計.因此,其應用范圍也正在逐漸擴大.導電高分子復合材料的應用主要集中在以下四個方面〔7,9,10,11〕:
(1) 抗靜電材料.用於礦山、油田、氣田及化工部門的乾粉及易燃、易爆液體的抗靜電輸送管、輸送帶等;用於電子元件、器件等的抗靜電包裝、封裝材料;用於各種超凈化環境(手術室、精密儀器室、火葯廠、制葯廠、晶元生產廠)的地板、操作台及壁材等.
(2) 電磁波屏蔽材料、導電材料.電磁波屏蔽材料用於電子儀器、電器設備、通訊設備和音像設備等的抗干擾屏蔽等.導電材料用於航空器、航天器的非金屬電線、電纜(重量只有相同體積金屬材料的1/3~2/3,電導率與鋁質材料相當並具有高分子材料的優點)、柔性導電薄膜(抗疲勞性能優異並可以使用多種物理或化學方法制備兼有其他特殊功能的導電薄膜)、導電膠等.
(3) 開關性能的元器件.利用導電高分子復合材料的特殊效應,已研製出各種熱敏感測器、力敏感測器、自控溫發熱器、過流保護器等元器件.
(4)光敏材料和半導體材料.利用基體材料的光敏性(如基體大分子的聚合反應、交聯反應等對某種頻率的光或射線的敏感性)制備印刷電路、光敏導電粘接劑.金屬硫化物具有半導體的性質.利用有機溶膠方法將金屬硫化物超細粉與高分子基體復合並控制其中p型(如CuS)和n型(如CdS、HgS)導電功能體的含量及分布得到的復合膜已經成功地用於高分子整流二極體.
五、導電高分子復合材料的研究進展
由於導電高分子復合材料的性能受到眾多因素的影響,相應的導電理論研究工作非常困難而且進展緩.既然導電高分子復合材料的性能對基體材料、填充材料、配合劑、加工方法、工藝條件等具有強烈依賴性,如果能得到一種只與復合材料加工成型後的最終結構參量有關的導電模型,那麼這種模型將適用於描述各種不同結構的復合材料的導電性.近年來導電理論研究得出的微結構模型:微觀拓撲結構模型〔12〕和分形微結構模型〔13〕便試圖達到這種目的.前者將微觀結構參數分為幾何參數(包括粒子的尺寸、相體積分數和平均粒子間距等)和拓撲參數(同相粒子及異相粒子之間的毗鄰狀況),並運用拓撲學方法得出了復合體系的電導率與微觀結構參數之間的關系.後者認為復合體系的導電網路在結構上具有自相似性並利用分形理論得出了復合體系電導率微觀結構參數之間的關系.盡管微結構模型也不具有普適性,但對於可應用的體系,該模型的精確度有較大程度的提高.
應用研究方面的進展主要有:
(1) 以往的拉敏或壓敏導電高分子復合材料基本是同向敏感材料(平行於外力的作用方向上具有壓敏或拉敏效應)、開關性敏感材料(在一定外力作用下要麼呈低阻態,要麼呈高阻態).近年來,異向敏感材料(與外力作用方向不同的其他方向上顯示壓敏或拉敏效應)和線性敏感材料(復合材料的電阻隨所承受的外力的大小呈線性變化)也受到廣泛重視〔14,15〕.
(2) 以往的熱敏導電高分子復合材料基本上以結晶性聚烯烴為基體,近年來已經研究開發出以非結晶性聚合物為基體的熱敏導電高分子復合材料〔16,17〕.
(3) 改進現有導電高分子復合材料的性能.如性能穩定性(包括材料基本物理、化學性能的穩定性)、工藝穩定性、可加工性、耐溫性、減小滯後性(在循環使用中材料性能特徵量在相同條件和環境下產生的偏差)、提高耐老化性、環境適應性等〔18,19〕.
(4) 將已經具備某種特殊性能的導電高分子復合材料進一步功能化,亦即使一種材料具有多種功能.
事實上,由於理論研究工作方面的困難,導電高分子復合材料的研究進展也主要集中在應用方面.

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