导电功能与复合材料.ppt

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1、上上节回回顾:金属金属导电的机制的机制（2）超）超导性性（3）热电现象象（1）Kondo效效应半半导体体导电机制机制3.半半导体器件体器件二极管二极管n-和和p-型半型半导体形成体形成结后，在中后，在中间形成耗尽区，如果加反向形成耗尽区，如果加反向电压，会使耗尽区加，会使耗尽区加宽从而使体系从而使体系导电性很小或者不性很小或者不导电；加正向；加正向电压，会使耗尽区，会使耗尽区变窄从而窄从而导电性增性增强，形成形成电流。流。晶体管：晶体管：金属金属-氧化物氧化物-半半导体体场效效应管管（MOSFET）三、三、导电聚合物聚合物Trans-polyacetylene(聚乙炔聚乙炔)（Trans-(C

2、H)x）：）：具有高度的具有高度的结晶；晶；具有和具有和Si相当的相当的传导性性多数的聚合物如多数的聚合物如图所示的半所示的半结晶状晶状态掺杂可以改可以改变导电性性掺杂分子在高分子分子在高分子链之之间传播，播，提供聚合物和提供聚合物和掺杂物之物之间的的电荷荷转移。移。计算得到的算得到的trans-(CH)x的能的能带结构（构（a）碳原子）碳原子间键长一致（一致（）；）；（b）碳碳双）碳碳双键（）和碳碳）和碳碳单键（）有）有较小差小差别；（；（c）差）差别很大很大用途用途：不能替代金属作：不能替代金属作为导电材料，但是由于具有不材料，但是由于具有不稳定性，伴随定性，伴随产生生导电性的性的变化，可

3、以用来作气体化，可以用来作气体传感器、生物感器、生物传感器、湿度、感器、湿度、辐射等感射等感应器。器。离子晶体中离子离子晶体中离子传导 通通过空位空位传导；传导离子由一个晶格位置到离子由一个晶格位置到另一个晶格位置需克服一能量另一个晶格位置需克服一能量势垒;离子的离子的扩散与散与这一能量一能量势垒以及空位形成能相关。以及空位形成能相关。非晶材料：非晶材料：非晶金属的随机密堆非晶金属的随机密堆积许多非晶金属的多非晶金属的电阻率随温度阻率随温度变化保持恒定化保持恒定非晶半非晶半导体非体非常低，表常低，表现为绝缘体体晶体和非晶晶体和非晶Si中的缺陷中的缺陷用做光伏用做光伏电池：非晶硅效率池：非晶硅效

4、率为8%（单晶硅晶硅为14%），而成本），而成本仅是是单晶硅的一半晶硅的一半静静电摄影影过程程铁电（Ferroelectricity）、）、压电（Piezoelectricity）、）、电致致伸伸缩（Electrostriction）铁电材材料料如如BaTiO3在在没没有有电场存存在在时具具有有自自发极极化化，介介电常常数数比比一一般般介介质材材料料高高几几个个数数量量级。所所以以在在小小尺尺寸寸、高高效效电容容器器中中比比较适合。适合。在在外外加加电场下下极极化化强度度随随着着电场的的变化化类似似铁磁磁体体的的磁磁化化强度度随着磁随着磁场强度的度的变化。化。居里温度从居里温度从-200到到6

5、40极化（极化（polarization）：）：为什么什么铁电材料具有自材料具有自发极化？极化？压电：当：当压力作用在力作用在铁电材料中材料中时，正，正负离子之离子之间的的键长发生生变化，化，从而改从而改变极化极化强度，度，导致致样品中品中产生生电压。应用用电致伸致伸缩：电场导致致铁电材料尺度的材料尺度的变化。化。Ti和和O原子偏离平衡位置形成偶极矩原子偏离平衡位置形成偶极矩传感器：感器：应变测量、麦克量、麦克风、声、声纳探探测等等耳机；石英晶体共振器（耳机；石英晶体共振器（选频）应用用铁电材料材料BaTiO3的原子的原子结构构导电复合材料复合材料复合材料中至少有一种复合材料中至少有一种组分具

6、有分具有导电功能的材料功能的材料 将将导电体加入到基体中构成的复合材料体加入到基体中构成的复合材料 基体本身具有基体本身具有导电功能的复合材料功能的复合材料 类别按基体分：聚合物基、金属基、陶瓷基等按基体分：聚合物基、金属基、陶瓷基等 按按导电体的不同分：碳素系、金属系、金属氧化物系等体的不同分：碳素系、金属系、金属氧化物系等 密度低；密度低；可供可供选择的的导电性范性范围大；大；耐腐耐腐蚀性性强；优良的加工性能；良的加工性能；成本成本较低等。低等。概念：概念：分分类：优点：点：一、金属基一、金属基导电复合材料复合材料目的是在不降低金属材料目的是在不降低金属材料导电性的同性的同时提高其提高其强

7、度和耐度和耐热性性铜中加入中加入Al2O3粒子粒子经弥散弥散强化方法制造的新型复合材料，其耐化方法制造的新型复合材料，其耐热性性能及能及强度均度均较高（使用温度可达高（使用温度可达600），而且），而且导电性几乎没有降低。性几乎没有降低。在在铜中加入中加入SiC粒子，粒子，导电材料的耐磨性和材料的耐磨性和强度都有很大程度的提高。度都有很大程度的提高。Al，导电率率较高，但高，但强度度较低。采用合金法提高低。采用合金法提高强度，但会使度，但会使导电性下降。在性下降。在挤压成型成型过程中将程中将钢丝周周围包包围不同厚度的不同厚度的铝，保持，保持导电性，同性，同时提高材料的提高材料的强度。度。二、聚

8、合物基二、聚合物基导电复合材料复合材料目的：消除静目的：消除静电、提高屏蔽性能、提高屏蔽性能复合型复合型导电复合材料：把复合材料：把导电体，如各种金属体，如各种金属纤维、石墨、碳、石墨、碳纤维、炭黑添加到炭黑添加到绝缘的有机高分子基体中，采用物理或化学方法复合制得的有机高分子基体中，采用物理或化学方法复合制得的既具有一定的既具有一定导电功能又具有良好力学性能的多功能复合材料。功能又具有良好力学性能的多功能复合材料。本征型本征型导电复合材料：通复合材料：通过基体本身的基体本身的电荷荷转移来移来实现的。的。1.复合型复合型导电复合材料复合材料导电机制机制导电通路的形成通路的形成通路形成后的室温通路

9、形成后的室温导电机理机理(1)导电通路形成理通路形成理论导电体含量与聚合物基体含量与聚合物基导电复合材料复合材料导电性能的关系。性能的关系。当复合体系中当复合体系中导电体的含量增加到某一体的含量增加到某一临界含量界含量时，体系的，体系的电阻率急阻率急剧降低。降低。电阻率阻率-导电体含量曲体含量曲线上出上出现一个狭一个狭窄的突窄的突变区域，在此区域内区域，在此区域内导电体含量体含量的任何的任何细微微变化都会使化都会使电阻率阻率发生生显著著变化：化：“渗渗滤”现象象(percolation phenomenon)。导电体的体的临界含量通常界含量通常称称为“渗渗滤阈值”（percolation th

10、reshold）统计渗渗滤模型模型将基体将基体视为二二维和三和三维点或点或键的有限的有限规则排列，排列，导电体体视为点或点或键在在阵列上的随机分布，当点或列上的随机分布，当点或键的占有概率达到某的占有概率达到某值时，相，相邻点或点或键簇将簇将扩散至整个散至整个阵列，出列，出现长程相关性。程相关性。热力学模型力学模型强调导电体和高分子基体界面效体和高分子基体界面效应对导电通路形成的重要性，通路形成的重要性，并且并且认为“渗渗滤”现象象实际上是一种相上是一种相变过程。程。（2）室温）室温导电机理机理主要涉及主要涉及导电体之体之间的界面的界面问题通通道道导电理理论：将将导电体体看看作作彼彼此此独独立

11、立的的颗粒粒，而而且且规则、均均匀匀地地分分布布于于聚聚合合物物基基体体中中。当当导电体体直直接接接接触触或或间隙隙很很小小（1nm）时，导电粒粒子子相相互互连接接成成链，在在外外电场作作用用下下即即可可形形成成通通道道电流流，电子子通通过链移移动产生生导电现象。象。隧隧道道效效应理理论：聚聚合合物物基基复复合合材材料料中中一一部部分分导电微微粒粒相相互互接接触触而而形形成成链状状导电网网络，另另一一部部分分则以以孤孤立立粒粒子子或或小小聚聚集集体体形形式式分分布布于于绝缘的的聚聚合合物物基基体体中中。由由于于导电粒粒子子之之间存存在在内内部部电场，当当孤孤立立粒粒子子或或小小聚聚集集体体之之

12、间相相距距很很近近时，只只被被很很薄薄的的聚聚合合物物薄薄层（10nm左左右右）隔隔开开，由由热振振动激激活活的的电子子就就能能越越过聚聚合合物物薄薄层界界面面所所形形成成的的势垒跃迁迁到到邻近近导电微粒上形成微粒上形成较大的隧道大的隧道电流，即量子力学中的隧道效流，即量子力学中的隧道效应。电场发射理射理论：电流来自内部流来自内部电场对隧道作用的隧道作用的结果。果。（3）复合型聚合物基）复合型聚合物基导电复合材料中的复合材料中的奇异物理奇异物理现象象：电流流-电压的非的非线性行性行为在低在低电压下，复合材料的下，复合材料的电流流-电压为线性欧姆关系，当性欧姆关系，当电压高于某一高于某一值时，电

13、流流-电压偏离偏离线性。性。电阻的正温度系数阻的正温度系数(PTC)与与负温度系数效温度系数效应（NTC）在低温下复合材料的在低温下复合材料的电阻率随温度升高略有上升，当温度升高到聚合物集阻率随温度升高略有上升，当温度升高到聚合物集体的熔化温区内体的熔化温区内时，电阻急阻急剧跃增，升高幅度可达几个数量增，升高幅度可达几个数量级，呈，呈现PTC效效应；电阻达到最大阻达到最大值后随温度升高又急后随温度升高又急剧降低，降低，NTC效效应。电导率率对频率的依率的依赖性性交流交流电导率在低率在低频下不随下不随频率率变化，在某一化，在某一频率以上随率以上随频率升高而增大。率升高而增大。电阻的阻的负压力系数

14、力系数(NPC)和正和正压力系数效力系数效应(PPC)复合材料的复合材料的电阻在低阻在低压力下随力下随压力增加而降低，力增加而降低，NPC效效应，在高，在高压力下随力下随压力增大而升高，力增大而升高，PPC效效应。电阻随气体阻随气体浓度度变化化复合材料的复合材料的电阻阻对各种化学气体的性各种化学气体的性质和和浓度很敏感。度很敏感。应用用抗静抗静电和和导电材料材料通通讯设备、仪器器仪表、表、电气气设备、计算机等的壳体，架空或埋地算机等的壳体，架空或埋地电缆的半的半导电屏蔽屏蔽层等等热敏材料敏材料自控温加自控温加热带和加和加热电缆；热敏敏电阻、阻、过热及及过电流保流保护元件等元件等压敏材料敏材料开

15、关型（触摸控制开关）；模开关型（触摸控制开关）；模拟型（型（压力力传感元件）感元件）气敏材料气敏材料电磁波屏蔽材料磁波屏蔽材料影响影响导电性能的主要因素性能的主要因素组分材料的影响：聚合物分材料的影响：聚合物结构和种构和种类；导电体种体种类、性、性质。不不锈钢纤维（SSF）/丙丙烯腈-丁二丁二烯-苯乙苯乙烯共聚物共聚物(ABS)不不锈钢纤维（SSF）/聚丙聚丙烯（PP）复合材料）复合材料原原因因：一一方方面面ABS比比PP表表面面张力力大大，包包裹裹纤维更更紧密密，纤维间接接触触电阻阻较大大，造造成成在在相相同同纤维含含量量时SSF/ABS复复合合材材料料的的体体积电阻率大。阻率大。PP是是结

16、晶晶性性聚聚合合物物，受受PP结晶晶的的影影响响，金金属属纤维在在非非晶晶区区富富集集较多而容易形成多而容易形成导电网网络。复合状复合状态的影响的影响导电体在基体中的分散状体在基体中的分散状态；界面状况；基体固化程度等；界面状况；基体固化程度等使用使用环境条件的影响：温度、湿度等境条件的影响：温度、湿度等加工条件的影响加工条件的影响陶瓷基陶瓷基导电复合材料复合材料水泥基水泥基导电复合材料复合材料无机物无机物-聚合物插聚合物插层导电纳米复合材料米复合材料由由纤维、晶、晶须或或颗粒增粒增强的陶瓷基复合材料的陶瓷基复合材料耐磨、耐腐耐磨、耐腐蚀、难熔性、熔性、导电性性Al2O3-ZrO2-AlN-SiCw-X，X表示添加表示添加TiB2、TiC、BN等等 韧性、耐磨性、性、耐磨性、导电性性阳极材料、阳极材料、发热元件、元件、传感器、感器、强电流或高温条件下有好的力学性流或高温条件下有好的力学性能的能的领域域BaPbO3系系导电复合材料复合材料金属金属导电特性、高温特性、高温PTC效效应。电子、通子、通讯、家用、家用电器等器等诸多多领域。域。将将导电物物质掺混并均匀分散在水泥中而制成的。混并均匀分散在水泥中而制成的。改善混凝土的力学性能、增加其延展性；改善混凝土的力学性能、增加其延展性；导电、屏蔽、屏蔽电磁磁辐射和射和应力、力、应变自自检测及温度自及温度自测等等