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　　电磁功能高分子材料的应用及前景 摘要：介绍了电磁功能高分子材料：导电性材料、高分子磁性体、光电导 材料、高分子纳米复合材料性质及应用领域以及前景。 关键词：电磁功能高分子材料；应用；前景 进入本世纪80年代以来，一场与之相适应的“新材料革命”蓬勃兴起。新 材料的开发重点是功能材料、高性能陶瓷材料和复合材料。在功能材料中，功 能高分子材料占有举足轻重的地位，其内容丰富、品种繁多、发展迅速，已成 为新技术革命必不可少的关键材料，并将对21世纪人类社会生活产生巨大影响。 对功能高分子材料，目前尚无明确的定义，一般认为，是指除了具有一定的力 学性能之外，还具有特定功能(如导电性、电磁性、催化性和生物活性等)的高 分子材料。 现代多学科交叉的特点促进了功能高分子材料的研究与发展，电磁功能高 分子材料的应用和前景尤为广阔，其中主要包括：导电性材料、高分子磁性体、 光电导材料、高分子纳米复合材料等。 1．导电高分子材料 导电高分子材料是同时具有高分子特征和导电性质的材料，导电性高分子 材料按材料的结构和组成，可将导电高分子分为两大类：一类是结构型导电高 分子，它依靠高分子结构本身提供的导电载流子导电；另一类是复合型导电高 分子，它是依靠添加在不具备导电性的高分子材料中的炭黑、金属粉、箔等。 （１）结构型导电高分子材料 结构型导电高分子材料是指高分子本身或经过“掺杂”之后具有导电功能 的一类材料，这类导电高分子一般为共轭型高分子。分子内有大的线个成键原子中p-电子相互重叠后产生的π 电子，具有有限的离域 性，随π电子体系增大，离域性增强，可移动范围扩大。高分子链中具有大量 共轭双键结构，其导电机理在于π电子的非定域化，电子在共轭体系内自由运 动，因而提供了大量的导电载流子。最早的导电高分子材料——聚乙炔，其结 构可以看成由众多享有一个未成对电子的CH自由基组成的长链，可看作一维金 属结构， 电子可在一维方向上自由移动因每个自由基结构单元电子轨道中只有 一个电子，故趋向于组成双原子对，使原有的π电子形成的能带分裂成满带 （价带）和空带（导带） ，电子相对迁移要克服满带和空带之间的能级差，而能 级差的大小决定了材料的导电能力。因此， 电子型导电高分子材料具有与半导体类似的能带结构，从电导率来看，其导电能力也处于半导体材料范围。 掺杂具有不同氧化态的其他物质，电导率往往会增加几个数量级，甚至达 到十个数量级。根据掺杂剂与高分子材料的相对氧化能力的不同，分成p-型掺 杂剂和n-型掺杂剂2种，典型的p-型掺杂剂（氧化型）有碘、溴、三氧化铁和 五氟化砷等，n-型掺杂剂（还原型）通常为碱金属在掺杂过程中，掺杂剂分子 插入高分子链间，通过两者之间氧化还原反应完成电子转移过程，使分子轨道 电子占有情况发生变化，能带结构也发生变化，出现了能量居中的亚能带，能 级差减小，电子移动阻力降低，导电性能从半导体进入类金属导电范围。 导电高分子材料的主要特征表现为： 施加电压后，不同的导电材料表现出 不同的导电性质 复合型和电子导电型高分子材料通常为电阻型不同的是，复合 型与金属类似，随温度升高，导电能力下降，是正温度系数导电材料而电子导 电型与半导体材料相似，导电能力随温度升高而升高，电阻值随之下降，为负 温度系数导电材料但与无机半导体材料不同，其电导值与温度不呈指数关系 随 着掺杂程度的提高， 电导率受温度的影响变小，温度特性逐渐向金属导体过渡 此外，其电导率还受共轭链长度、掺杂剂的种类，制备工艺的影响，如随着共 轭链长度的增加，电导率呈指数增加许多电子导电型高分子材料具有电致变色 性能，在施加特定电压后，分子内部结构发生变化，造成材料对光吸收波长的 变化，表现为材料颜色发生变化而某些材料还具有电致发光特性，即施加一定 电压后，材料本身会发出可见光或紫外光，发光特性除与材料或器件结构有关 外，还与施加的外界条件有关。 虽然共轭结构具有较强的导电倾向，但电导率并不高，在实际应用中，需 要经过掺杂后才能使用，例如：在聚乙炔中添加碘等电子受体，由于聚乙炔的 电子向受体转移，电导率可增至104 S／cm，达到金属导电的水平。另一方面 由于聚乙炔的电子亲和力很大，可以从作为电子给体的碱金属接受电子而使电 导率上升。这种因添加电子受体或电子给体提高电导率的方法称为“掺杂” 。因 此掺杂是提高共轭高聚物电导率很重要的方法。属于这类聚合物的有聚乙炔、 聚对苯乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等。其中聚苯胺以其具有原料易得、合 成简便、较高的电导率、较好的环境稳定性，已在二次电池、电致显色、抗静 电、微波吸收、防腐、防污等领域显示广阔的应用前景。结构型导电高分子的 研究方向将集中在以下几个方面： 合成可溶性导电高分子，直接合成可溶性导电高分子是实现可加工性和 ○ 1 研究结构与性能的有效途径； 自掺杂或不掺杂导电高分子，这样可以解决聚合物稳定性问题； ○ 2 超高电导率的导电高分子； ○ 3 开发出价格低廉的导电高分子。 ○ 4 （２）复合型导电高分子材料 与结构型导电高分子不同，在复合型导电高分子中，高分子材料本身并不具备导电性，只充当了粘合剂的角色。导电性是通过混合在其中的导电性的物 质如炭黑、金属粉末等获得的。复合Kaiyun官网登录型导电高分子制备方便，有较强的实用性， 用作导电橡胶、导电涂料、导电粘合剂、电磁波屏蔽材料和抗静电材料，在许 多领域发挥着重要的作用。为了能实用化，近年来在研究结构型导电高分子的 同时，加强了结构型导电高分子的应用研究，已取得不少进展。利用结构型导 电高分子的波谱性能可用于电致变色、电致发光、微波吸收、电磁屏蔽、非线 性光学等方面，利用结构型导电高分子的电化学性能可用于电容器、电池、选 择性透过膜、传感器和检测器的敏感元件、二极管和三极管与药物释放等方面。 由于结构型导电高分子现有的加工难、掺杂剂不稳定、结构均匀性较差、电导 率比较低和成本过高等缺点，离真正的实用化还有相当距离。 复合型导电高分子材料主要由高分子基体材料、导电填充材料和助剂等构 成，由导电填料构成导电通路 基体材料与导电填充材料的相容性和目标复合材 料的使用性能是选择基体材料需考虑的主要因素导电能力主要与导电填充材料 的性质、粒度、化学稳定性、宏观形状等有关 导电填充材料常用的主要有炭系、 金属、金属氧化物或本征型导电高分子材料 其中炭系材料包括炭黑、 碳纤维 等， 炭黑是目前分散复合法制备导电材料中最常用的导电填料； 碳纤维不仅 导电性能好，而且机械强度高，抗腐蚀 常用的金属系填充材料包括银、金、镍、铜、不锈钢等常用的金属氧化物主要有氧化锡、氧化钛、氧化钒、氧化锌等， 但这些材料导电率较低 本征型导电高分子填料，主要是导电聚吡咯、导电聚苯 胺等，其主要优点是密度轻、相容性好由于复合型导电高分子材料加工相对简 单，成本较低，已经在众多领域获得广泛应用 复合结构方式以分散复合最为常 见，如导电橡胶、导电塑料、导电涂料和导电胶黏剂都是这种结构。 复合型导电高分子的实用化远胜Kaiyun官网登录于结构型导电高分子，这是因为它有成型 简便、重量轻、性能易于调节、成本低和可选择的品种多等许多优点，美国的 市场价值每年以20％～30％的速度递增。目前复合型导电高分子主要用于电磁

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