功能性复合材料

目录

一、功能复合材料的设计原则 (3)

二、功能复合材料的设计特点 (4)

1）具有提高材料优值的广泛途径和自由度 (4)

2）可利用复合效应创造新型复合功能材料 (5)

三、复合型功能材料种类介绍 (5)

1、压电复合材料 (5)

1.1压电效应 (6)

1.2压电复合材料研究概况 (7)

1.3压电复合材料的制造方法 (8)

1.4压电材料应用 (11)

1.4.1换能器 (11)

1.4.2压电驱动器 (12)

1.4.3传感器上的应用 (12)

1.4.4在机器人接近觉中的应用 (13)

1.5.压电材料新应用 (14)

1.5.1“人群农场”为火车站供电 (14)

1.5.2发电地板 (15)

1.5.3发电背包为便携式电子设备供电 (16)

2、导电复合材料 (17)

2.1、导电复合材料的及分类用途 (19)

2.2、制备方法 (19)

2.2.1填充型导电聚合物复合材料 (20)

2.2.2金属纤维填充型导电复合材料 (20)

2.3抗静电和导电领域 (22)

2.4压敏导电胶 (23)

2.5.发展趋势 (23)

3、磁性复合材料 (24)

3.1复合型磁性复合材料 (25)

3.2磁性复合材料的种类 (26)

3.3磁性复合材料的应用 (28)

4、摩擦功能复合材料 (29)

4.1纳米陶瓷摩擦复合材料分类 (30)

5、阻尼功能复合材料 (32)

5.1 阻尼材料的发展历史 (34)

5.2 阻尼机理 (34)

5.3 分类 (35)

5.4 复合阻尼材料的研究现状 (35)

5.5 展望 (37)

6、机敏复合材料与智能复合材料 (37)

7、自诊断机敏复合材料 (38)

8、自愈合或自修复机敏复合材料 (38)

9、智能复合材料 (38)

9.1、智能复合材料的制备工艺方法 (39)

9.1.1 粒子复合 (39)

9.1.2 薄膜复合 (39)

9.1.3 纳米级及分子复合 (40)

功能性复合材料

摘要

随着经济的迅速发展，人们对材料的需求日益增加。为了满足这些现代技术对材料的需求，世界各国都非常重视功能材料的研究和开发。功能材料作为现代技术的标志，引起了各国的关注，已经成为材料科学中的一个分支学科，并在不同程度上推动或加速了各种现代技术的进一步发展。功能复合材料在功能材料领域扮演着相当重要的角色。本文从功能复合材料的设计原则、功能复合材料的设计特点以及其分类和各分类的详细介绍了功能复合性材料。

一、功能复合材料的设计原则

? 功能复合材料是指除力学性能以外还提供其他物理性能并包括部分化学和生

物性能的复合材料，如有导电、超导、半导、磁性、压电、阻尼、吸声、摩

擦、吸波、屏蔽、阻燃、防热等功能。功能复合材料主要由功能体一种或多

种和基体组成。

柔韧性磁体：磁粉功能体

橡胶和塑料基体

黏结和赋形作用，并同时改善材料的物理机械性能

复合材料设计的目的: 提高材料的综合性能,也就是材料的优值。

材料的优值：复合材料有很多途径以达到高优值，即按照要求调整其特有

的参数，经设计来满足材料有关的物理张量组元。

二、功能复合材料的设计特点

1）具有提高材料优值的广泛途径和自由度

调整复合度复合度是参与复合各组分的体积（或质量）分数。

调整联接方式复合材料中各组分在三维空间中互相连接的形式可任意调整。

调整对称性对称性是功能复合材料组分在空间几何布局上的特征。不同功

能复合材料的对称性须选用不同的描述方法。如，0-3型（球形颗粒分散在基

体中）复合材料各向同性；1-3型（针行颗粒按一定方向排列）产生双折射行

为；2-2型（片状颗粒分散在基体中）则出现负光性。

调整尺寸当功能体尺寸从微米、亚微米减小到纳米时，原有的宏观物理性

质会发生变化。这是由于物体尺寸减小时表面原子数增多引起的。

调整周期性

2）可利用复合效应创造新型复合功能材料

乘积效应热-形变材料（X/Y）与另一种形变-电导材料（Y/Z）复合，其效果

就是

即由于两组分的协同作用得到一种新的热-电导功能复合材料。

其他非线性效应例如，彩色胶片是以红、蓝、黄三色感光材料膜组成一个系

统，能显示出各种色彩，单独存在即无此作用。这是系统效应的例子。

三、复合型功能材料种类介绍

1、压电复合材料

? 压电材料是指材料在外力作用下产生电流，或反过来在电流作用下产

生力或形变的一种功能材料。

? 传统的压电材料( 压电陶瓷如锆钛酸铅)密度高、声阻抗大、性脆，

不能制成大面积薄片和复杂的形状，不易与水和人体等轻负载匹配；

压电聚合物材料（PVDF聚偏二氟乙烯）密度低、柔性好、阻抗低、易

与轻质负载匹配，但是压电常数低、有强的各向异性且难极化。

? 压电复合材料是70年代发展起来的一类功能复合材料。一般是由压电

陶瓷和聚合物基体按照一定的联接方式、一定的体积或质量比例和一

定的空间几何分布复合而成。压电复合材料克服了两者的困难。

? 压电复合材料类型及制备方法

压电复合材料的联接方式是指各相材料在空间分布上的自身连通方式，它决定着压电复合材料的电场通路和应用分布形式。

0-3型压电复合材料极化较难是由于压电填充相上的极化电场强度远小于外加

极化电场强度。可在复合材料中加入导电相，如少量碳、锗等物质，以提高聚

合物基体的导电率。

工艺流程：混料->硫化（固化）->上电极->极化

1-3型压电复合材料是指由一维连通的压电相平行地排列于三维连通地聚合物中

而构成的两相压电复合材料。设计该构型的初衷是考虑到聚合物相比陶瓷相柔

软，可以有效传输应力，使应力的放大作用及外加整体介电常数减小，从而实现

压电系数gh的增加。

聚合物泊松比产生的内应力减小了应力放大系数＝>引入发泡剂或玻璃球1.1压电效应

某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发

生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。依据电介质压电效应研制的一类传感器称为压电传感器。1.2压电复合材料研究概况

压电材料由于具有响应速度快、测量精度高、性能稳定等优点而成为智能材料结构中广泛应用的传感材料和驱动材料。但是，由于存在明显的缺点，在实际应用中收到了极大的限制。例如，压电陶瓷的脆性很大，经不起冲击和非对称受力，而且其极限应变小、密度大，与结构粘合后对结构的力学性能会产生较大的影响。压电聚合物虽然柔顺性好，但是它的使用温度范围小，而且其压电应变常数较低，因此作为驱动器使用时驱动效果差。为了克服上述压电材料的缺点，人们开发了压电复合材料。由于压电复合材料不但可以克服压电材料的缺点，而且还兼有有机高分子与无机材料两者的优点，甚至可以根据使用要求设计出单项压电材料所没有的性能，因此越来越引起人们的重视。

压电复合材料是有压电相材料与非压电相材料按照一定的连通方式组合在一起而构成的一种具有压电效应的复合材料。压电复合材料的特性以及各种性能主要由各项材料的连通方式决定。按照各相材料的连通方式，压电材料可以分为10种基本类型，即0-0、0-1、0-2、0-3、1-1、2-1、2-2、2-3、1-3、3-3型。

迄今为止，压电复合材料的发展已有20多年的历史，1978年，Newnham首次提出了压电复合材料的概念，并开始研究压电复合材料在水声中的应用，研制成功了1-3型压电复合材料。在此基础上美国斯坦福大学的Auld等人建立了PZT 柱周期排列的1-3型压电复合材料的理论模型，并分析了其中的横向结构模型；纽约菲利普斯实验室的W.A.Smith等人用1-3型压电复合材料做成了用于医学图像处理的超声换能器，取得了较好的效果。在随后的数年中，许多国家的科研机构也相继开展了压电复合材料的研究工作。

虽然压电复合材料的研究和应用已取得了很大的进展，但是从总体来看，还

很不成熟，正处于发展阶段。首先，作为一种功能材料，其应用范围还很狭窄，

根据目前的研究论文和报道来看，其应用主要集中在超声检测领域，而在其他的

领域的应用则几乎未见报道，因此，如何拓宽压电复合材料的应用应该是当前的

一个研究方向。其次，从目前的研究状况来看，还没有建立一套完整的压电复合

材料的力-电耦合理论及微观力学模型，使人们对于如何根据工程应用来设计压电复合材料缺乏必要的理论依据，因此，根据压电复合材料的力学电学特性及损伤、破坏机制建立正确的力-电耦合理论及微观力学模型是目前压电复合材料研究领域中的一个热门话题，另外，由于智能材料结构以成为目前材料界发展的一个重要

的方向，而压电复合材料由于性能优良且具有可设计性，这使得它必然会成为只

能是材料结构中的首选传感材料甚至驱动材料，因此，研究压电复合材料在智能

结构材料的应用也是其发展的一个重要方向。

压电复合材料有10中基本类型，但是综合性能较好、最适合在智能材料结构中应用的压电复合材料主要有0-3型、1-3型、3-3型。

1.3压电复合材料的制造方法

1）1-3型压电复合材料是由一维的压电陶瓷柱平行于排列于三维连通的聚合

物中而构成的两相压电复合材料。在1-3型压电复合材料中，由于聚合物相得柔

顺性远比压电陶瓷相好，因此当1-3型压电复合材料受到外力作用时，作用于聚

合物相的应力将传递给压电陶瓷相，造成压电陶瓷相得应力放大；同时，由于聚

合物相的介电常数极低，是整个压电复合材料的介电常数大幅降低。这两个因素

综合作用的结果是压电复合材料的压电电压常数g得到了较大幅度的提高，并且

由于聚合物的加入使压电复合材料的柔顺性也得到了显著地改善，从而使材料的

综合性能得到了很大的提高。

在1-3型压电复合材料中，压电陶瓷的体积分数φ是影响其性能的一个重要参数。一些实验结果表明：随着φ的增加，压电复合材料的压电常数几乎呈线性增加，当φ＞40%时增幅趋于平缓并接近与压电陶瓷的压电常数，而压电复合材料

的介电常数则几乎随着φ的增大而一直呈线性增加。另外，压电陶瓷柱的形状参

数ω/t的增大，压电复合材料的介电常数呈上升趋势。

1-3型压电复合材料的制作方法一般采用两种基本方式，即排列浇铸法和切割浇铸法。排列浇铸法是较早采用的一种制作方法，这种方法是将压电陶瓷棒是先

在莫班上插排好，然后向其中浇注聚合物，固化之后再经切割成片、镀电极、极

化及形成1-3型压电复合材料；切割浇铸法是沿与压电陶瓷块极化轴相垂直的两

个水平方向上通过准确的切割，在陶瓷块上刻出许多深槽，然后在槽内浇注聚合物，固化之后将剩余的陶瓷基体切除掉，经镀电极、极化之后即形成1-3型复合

材料。另外，为了进一步提高压电复合材料的压电电压常数g，Lynn等人还开发

了1-3-0型压电复合材料。这种压电复合材料是在1-3型复合材料的基础上引入

一些气孔来减弱聚合物相的泊松耦合效应，从而使压电陶瓷相的应力放大作用得

到进一步的增强。

虽然1-3型压电复合材料的压电应变常数d和机电转换系数k低于压电陶瓷，但是它的压电电压常数和柔韧性却得到了明显的改善。

2）0-3型压电复合材料市值在三维连通的聚合物基体中均匀填充压电陶瓷颗

粒而形成的压电复合材料。在0-3型压电复合材料中，压电陶瓷想呈颗粒状均匀

分布，因此它的电场通路的连通性明显差于1-3型压电复合材料，而且使得复合

材料中形不成压电陶瓷相的应力放大作用。这样，同纯压电陶瓷和1-3型压电复

合材料相比，0-3型压电复合材料的压电变常数d就要低得多；但是，由于0-3型

压电复合材料的介电常数极低，因此它的压电电压常数g仍然较高，而且它的柔顺性能也远比压电陶瓷的好，因此其综合性能要优于纯压电材料。

0-3型压电材料的制作工艺：首先将压电陶瓷制成粉末状，然后将陶瓷粉末与聚合物混合均匀并加入适量的熔剂搅拌均匀，待有机溶剂完全挥发后模压成型，再经固化、切割、镀电极、极化之后即形成0-3型压电复合材料。

影响0-3型压电复合材料性能的参数较多，其中，压电陶瓷的体积分数φ是一个重要的参数，研究表明，当φ＜60%时，复合材料的压电常数极低，只有当φ超过60%时复合材料的压电常数才会迅速增加。但是，如果φ值过大，复合材料难以成型，因此，理想的φ值约为60%-70%。φ对复合材料的介电常数ε也有较大的影响，随着φ的增大，ε几乎线性地增大。

同1-3型压电复合材料相比，0-3型压电复合材料的压电应变常数d和压电电压常数g不高，但是其柔韧性更好，而且与PVDF相比，其综合性能不相上下，但是其制备工艺却更简单，成本也更低，更适合批量生产。因此，0-3型压电材料是一种在性能上可以替代压电陶瓷和PVDF而制造成本却更低的新型压电传感材料，将来必然会在只能材料结构中得到广泛应用。

3）3-3型压电复合材料是指聚合物相和压电相在三维空间内相互交织、相互包络各自形成的一种空间网络结构，一般聚合物相采用环氧树脂或者硅橡胶。这种3-3型压电复合材料与传统的实心压电陶瓷相比，具有很多的优点。首先，3-3型压电材料的静水压灵敏度特别高。其次，3-3型压电复合材料具有较低的体积密度，当PZT陶瓷相的体积分数为50%时，3-3型复合材料改善了它与水之间的声阻抗率匹配和耦合。

一般3-3型压电复合材料采用BURPS（有机物烧去法）工艺制备，其步骤是：将塑料球粒与压电陶瓷粉末在有机粘结剂中均匀混合，烧结后形成多孔陶瓷框架

网络；然后再填充聚合物，经固化、磨平、上电极后即形成3-3型压电复合材料。

1.4压电材料应用

1.4.1换能器

换能器是将机械振动转变为电信号或在电场驱动下产生机械振动的器件。

压电聚合物电声器件利用了聚合物的横向压电效应，而换能器设计则利用了

聚合物压电双晶片或压电单晶片在外电场驱动下的弯曲振动，利用上述原理可生

产电声器件如麦克风、立体声耳机和高频扬声器。目前对压电聚合物电声器件的

研究主要集中在利用压电聚合物的特点，研制运用其它现行技术难以实现的、而

且具有特殊电声功能的器件，如抗噪声电话、宽带超声信号发射系统等。

压电聚合物水声换能器研究初期均瞄准军事应用，如用于水下探测的大面积

传感器阵列和监视系统等，随后应用领域逐渐拓展到地球物理探测、声波测试设

备等方面。为满足特定要求而开发的各种原型水声器件，采用了不同类型和形状

的压电聚合物材料，如薄片、薄板、叠片、圆筒和同轴线等，以充分发挥压电聚

合物高弹性、低密度、易于制备为大和小不同截面的元件、而且声阻抗与水数量

级相同等特点，最后一个特点使得由压电聚合物制备的水听器可以放置在被测声

场中，感知声场内的声压，且不致由于其自身存在使被测声场受到扰动。而聚合

物的高弹性则可减小水听器件内的瞬态振荡，从而进一步增强压电聚合物水听器

的性能。

压电聚合物换能器在生物医学传感器领域，尤其是超声成像中，获得了最为成功的应用、PVDF薄膜优异的柔韧性和成型性，使其易于应用到许多传感器产品中。

1.4.2压电驱动器

压电驱动器利用逆压电效应，将电能转变为机械能或机械运动，聚合物驱动器主要以聚合物双晶片作为基础，包括利用横向效应和纵向效应两种方式，基于聚合物双晶片开展的驱动器应用研究包括显示器件控制、微位移产生系统等。要使这些创造性设想获得实际应用，还需要进行大量研究。电子束辐照P（VDF-TrFE）共聚合物使该材料具备了产生大伸缩应变的能力，从而为研制新型聚合物驱动器创造了有利条件。在潜在国防应用前景的推动下，利用辐照改性共聚物制备全高分子材料水声发射装置的研究，在美国军方的大力支持下正在系统地进行之中。除此之外，利用辐照改性共聚物的优异特性，研究开发其在医学超声、减振降噪等领域应用，还需要进行大量的探索。

1.4.3传感器上的应用

压电式压力传感器是利用压电材料所具有的压电效应所制成的。压电式压力传感器的基本结构如右图所示。由于压电材料的电荷量是一定的，所以在连接时要特别注意，避免漏电。

压电式压力传感器的优点是具有自生信号，输出信号大，较高的频率响应，体积小，结构坚固。其缺点是只能用于动能测量。需要特殊电缆，在受到突然振动或过大压力时，自我恢复较慢。

压电元件一般由两块压电晶片组成。在压电晶片的两个表面上镀有电极，并引出引线。在压电晶片上放置一个质量块，质量块一般采用比较大的金属钨或高

比重的合金制成。然后用一硬弹簧或螺栓，螺帽对质量块预加载荷，整个组件装

在一个原基座的金属壳体中。为了隔离试件的任何应变传送到压电元件上去，避

免产生假信号输出，所以一般要加厚基座或选用由刚度较大的材料来制造，壳体

和基座的重量差不多占传感器重量的一半。

测量时，将传感器基座与试件刚性地固定在一起。当传感器受振动力作用时，由于基座和质量块的刚度相当大，而质量块的质量相对较小，可以认为质量块的

惯性很小。因此质量块经受到与基座相同的运动，并受到与加速度方向相反的惯

性力的作用。这样，质量块就有一正比于加速度的应变力作用在压电晶片上。由

于压电晶片具有压电效应，因此在它的两个表面上就产生交变电荷（电压），当

加速度频率远低于传感器的固有频率时，传感器给输出电压与作用力成正比，亦

即与试件的加速度成正比，输出电量由传感器输出端引出，输入到前置放大器后

就可以用普通的测量仪器测试出试件的加速度；如果在放大器中加进适当的积分

电路，就可以测试试件的振动速度或位移。

1.4.4在机器人接近觉中的应用

机器人安装接近觉传感器主要目的有以下三个：其一，在接触对象物体之前，获得必要的信息，为下一步运动做好准备工作；其二，探测机器人手和足的运动

空间中有无障碍物。如发现有障碍，则及时采取一定措施，避免发生碰撞；其三，为获取对象物体表面形状的大致信息。

超声波是人耳听见的一种机械波，频率在20KHZ以上。人耳能听到的声音，振动频率范围只是20HZ－20000HZ。超声波因其波长较短、绕射小，而能成为声波射线并定向传播，机器人采用超声传感器的目的是用来探测周围物体的存在与

测量物体的距离。一般用来探测周围环境中较大的物体，不能测量距离小于

30mm的物体。

超声传感器包括超声发射器、超声接受器、定时电路和控制电路四个主要部分。它的工作原理大致是这样的：首先由超声发射器向被测物体方向发射脉冲式

的超声波。发射器发出一连串超声波后即自行关闭，停止发射。同时超声接受器

开始检测回声信号，定时电路也开始计时。当超声波遇到物体后，就被反射回来。等到超声接受器收到回声信号后，定时电路停止计时。此时定时电路所记录的时间，是从发射超声波开始到收到回声波信号的传播时间。利用传播时间值，可以

换算出被测物体到超声传感器之间的距离。这个换算的公式很简单，即声波传播

时间的一半与声波在介质中传播速度的乘积。超声传感器整个工作过程都是在控

制电路控制下顺序进行的。

压电材料除了以上用途外还有其它相当广泛的应用。如鉴频器、压电震荡器、变压器、滤波器等。

1.5.压电材料新应用

1.5.1“人群农场”为火车站供电

两名波士顿的研究生正在欧洲进行一项火车站设计工程，他们最近有了个奇

怪的想法——把人的运动转化为电能。他们的“人群农场”将会利用人们走动时

地板的滑动来产生电。

这两名年轻人是美国麻省理工学院建筑和规划系的James Graham和Thaddeus Jusczyk。他们正在意大利都灵进行一项火车站的模型设计。Graham说：“在设计时，我们试图就近寻找资源，就产生了这个想法。这是一个振动的空间，有很多人，所以我们想捕获所有的运动，把它们转化成能量。”

据ENR网站报道，他们最初的想法比较简单，后来决定用人的脚步。Graham 介绍说，欧洲曾有一家建筑公司为一家舞蹈俱乐部设计的地板就是利用压电（机

械能转化为电能）技术产生能量给电灯供电。“我们的这个火车站有3/4英里乘

1/4英里大小，但是能用于发电的部分很集中，很适合这种工程。”

大厅和斜坡使用的动力地板系统有很大的节能潜力。Graham和Jusczyk估计，理想状况下人的一步能使两盏60瓦的灯泡亮一秒钟。而一群人的脚步，或者拖行李的压力能让人的行动产生的动态能量成为一种新的、便宜又干净的能源。“我

们并不仅仅是想发明一种可以用在某些地方的高科技垫子，我们是想真正把它结

合到建筑系统中。”

1.5.2发电地板

Graham和Jusczyk的想法还停留在理论阶段，但已经有人把理论付诸于现实了。这个人就是美国芝加哥的自由设计师Elizabeth Redmond。

Redmond在负责一项名为“能源飞跃”的工程。在这项工程中，地板砖就是用可以发电的材料制成的。“我的设计是使用2英寸乘1英寸由锆酸铅制成的压

电陶瓷板，上面装有黄铜覆盖的镍电极，这样电流渗漏很低。”Redmond介绍说，每1英尺乘1英尺的地面上有这么一块板，当有人踩过一块板，可以产生5.5瓦

的电能。

Redmond去年在美国密歇根州Ann Arbor闹市区的人行道上试验了她的设计。工作装置是4块2英尺乘4英尺的压电板，周围是普通的水泥板。这些压电板内

部安装了4个发光二极管，只要有人踩上就会被点亮。这样参与者就可以看见他

们的运动确实产生了电。这个试验模型花费了1000美元，不包括人力。Redmond表示最大的花费在于压电材料，但如果压电板能大量生产，只要有人在内部或者附近走动，它们就可以用于建筑物、街道和霓虹灯的照明。

Redmond现在正在进行她的下一代设计，她从Mohawk Industries——一家专营家用和商业地板的大型公司那里获得了1万美元的资助，用来研究瓷砖、材料和最优的安装尺寸之间的关联。Redmond表示这代产品可能今年10月就会面世。

1.5.3发电背包为便携式电子设备供电

密歇根理工大学机械工程师Jonathan Granstrom和Joel Feenstra、亚利桑那州立大学的Henry Sodano和NanoSonic公司的Kevin Farinholt在最近一期的《巧妙材料和结构》杂志上发表了文章，介绍了他们在能量获得方面的最新创新成果——一款利用压电材料制成的通过背带产生能量，为便携式的电子设备充电的背包。

研究组设计这种背包的目的是想让电子设备的使用者可以保持其行动的灵活性，同时让便携式电子设备的用户不需要再背着沉重的电池。

PhysOrg网站采访了Sodano。他表示：“这种系统的好处就是可以无缝取代现有材料。背带在使用上和传统材料毫无差别。”据介绍，这种背包的背带是用聚偏氟乙烯(PVDF)制成的。这种材料很强韧，感觉和尼龙很像。但不同于尼龙的是，PVDF是一种压电材料，可以把压力转化为电力。

当负重100磅——士兵背包的通常重量，以2~3公里的时速行走时，模拟数据显示，背带可以产生45.6毫瓦的能量。研究人员表示，这个能量输出可以为小型电子设备提供电能，又能在长时间行路中成为沉重电池的替代品。

据Sodano介绍，可以使用的电子设备包括矿工帽子上的小型照明灯（约38毫瓦）、苹果iPod nanoMP3播放器（约46毫瓦）和摩托罗拉Razr手机——待机时需要9毫瓦的持续电能，通话中需要360毫瓦。Sodano表示，用之前要积累

能量，因此可以走20分钟，再通话两分半钟，或者可以白天给照明灯充电，晚上使用。将来，这个能量还可以用于给手持的GPS系统供电——该系统要求

165~200毫瓦的持续电能。

Sodano表示，设计背带最大的挑战是找到非常强健、持久的电极，因为一般的电极不能忍受背带的巨大张力。因此，研究人员和NanoSonic公司合作，后者提供了可以做电极的材料。研究人员制作了100纳米厚的电极，可以承受1000%的张力，同时保证导电性，释放之后还可以回到原来的形状。

2、导电复合材料

? 导电复合材料是由导电材料和作为基体的绝缘材料复合得到的具有导

电功能的材料。

基体：聚合物、金属、陶瓷、水泥

导电填料：炭素、金属、金属氧化物

? 聚合物基导电复合材料通常是在基体聚合物中加另外一种导电聚合物

或导电填料复合而成。导电聚合物通常是指分子结构本身或经过掺杂

处理后具有导电功能的共轭聚合物。

基体聚合物：树脂，橡胶

导电填料：抗静电剂，各种导电材料

? 聚合物导电复合材料的制备方法

共混法

机械共混法溶液共混法共沉淀法（比较少）

共混法制备的复合材料，导电稳定性主要取决于复合材料中“渗流途径”的变化，

而渗流途径的变化则和基体聚合物的热稳定性有关

化学法

聚合物单体和导电粒子混合后聚合成型，如聚烯烃/炭黑

非导电聚合物基体上吸附可形成导电聚合物的单体，并且使之在基体上聚

合，从而获得导电复合材料。

两种聚合物单体在乳胶中进行氧化聚合后生成导电复合材料，如聚苯胺/聚吡咯

电化学法

首先利用“浸渍-蒸发法”在金属电极上涂敷一薄层塑料，然后将这一电极作为工

作电极放到含有单体的电解质溶液中。由于电解质溶液对基体聚合物的溶胀作

用，从而单体有机会扩散到金属电极表面放电。结果从基体聚合物内部开始导电

聚合物不断聚合，形成导电复合材料。

导电机理剂影响导电性能的因素

导电机理：

通过导电粒子之间的直接接触而产生传导

通过导电体之间的电子跃迁，即隧道效应，产生传导

发射电流

影响因素

导电填料种类、性质及作用的影响。

炭黑的结构均一、比表面积大、表面活性基团含量少，制备的复合材料

的

导电性能好

粒子形状（絮团状粒子优于球状及片状粒子），填料用量（渗滤阈值）。

聚合物种类的影响。

聚合物基导电复合材料的导电性随聚合物表面张力减小而升高；

对于同一聚合物基体的导电复合材料，其导电性随聚合物粘度降低而升高；

结晶度越低，导电性能越好。

2.1、导电复合材料的及分类用途

导电聚合物复合材料是一种既具有普通聚合物材料特性，又具有一定导电

性能的新型功能材料。由于导电聚合物具有重量轻、易加工成各种复杂形状、尺寸稳定性好以及电阻率在较大范围内可调等特点，因此在防静电、

微波吸收、电磁屏蔽及电化学等领域被广泛采

用。

2.2、制备方法

导电聚合物复合材料的制备方法主要有两种：一种是在基体聚合物中填充

各种导电填料；另外一种则是将结构型导电聚合物或亲水性聚合物与基体

聚合物进行共混。

2.2.1填充型导电聚合物复合材料

外加电压较低时, 由于炭黑粒子间距较大, 形成

导电通道的几率较小, 这时隧道效应起主要作用; 在炭黑用量少、但外加电压较高时, 场致发射机理变得显著; 而随着炭黑填充量的增加, 粒子间距相应缩小, 则形成链状导电通道的几率增大, 这时导电通道机理的作用更为明显。

近年来, 围绕如何提高炭黑填充型导电复合材料的导电性能这一问题进行了大量的研究, 主要表现在炭黑填料的改性以及新型导电炭黑的开发两个方面。目前最常用的改性方法是对炭黑进行高温热处理, 这不仅可以增加炭黑的比表面积, 而且可以改善其表面化学特性。用钛酸酯类偶联剂处理炭黑表面, 在改善复合材料导电性能的同时, 还能提高熔体流动性和材料的力学性能。在填充复合过程中, 添加适当的分散剂或表面活性剂, 可以防止炭黑粒子的聚集, 使其在基体聚合物中能够均匀分散。此外, 将炭黑与陶土、滑石粉等惰性物质并用, 改性效果也会有所提

高; 加入玻璃纤维或云母等增强剂还可改善复合材料的机械性能。炭黑与聚合物的化学接枝物作为母粒, 再与其它基体聚合物进行复合, 则可大幅度提高复合材料的导电性能, 而且导电稳定性也得到改善.

2.2.2金属纤维填充型导电复合材料

采用金属纤维作为填料, 填充到基体聚合物中, 经适当混炼分散和成型加工后, 可以制成导电性能优异的复合材料, 体积电阻率为10-3～100Ω·cm。由于这类材料比传统的金属材料质量轻且易加工, 因此被认为是最有发展前途的新型导电材料和电磁屏蔽材料.

金属纤维的填充量对导电性能的影响规律与炭黑填充的情形相类似, 但由于纤维填料形成链状导电通道的几率更大, 因此在填充量很少的情况下便可获得较高的导电率。金属纤维的长径比对复合材料的导电性能影响较大, 长径比越大, 导电性和屏蔽效果就越好[6]。此外, 选择合理的混