高聚物的导电性类型
高聚物的介电常数
介 2.
1 2
电24.0
3
常23.5
数ε23.0～～ 4
～～
′210.
205. △湿度对高聚物非0介极00电性性高20的聚影物40响的介60电8常温（0 数℃100与度）温
度1的-P关P；系2-HDPE；3-LDPE；
4-PTFE
9 ε7 ′ 60
5 Hz
3 60 Hz
1000 Hz 1000 2ε
低电压 区
高电压区 绝缘破坏区
I
电流-电压曲线 击穿电压强度：连续对高聚物材料升高电压，电当压试V样被击穿时的电压和试样厚度的比
值称为击穿电压强度。
Eb
V h
§8-3 高聚物的击穿电压强度 介电击穿的形式、原因及决定因素
高压电场
本征击穿
加速
离子
运动
少数自由电子
获能 碰撞
新的 电子
高聚物材料
介电击 穿形式
V 高聚物介电损耗示意图
－高聚物将电能转变为热能损耗的程度。
△介电损' '耗的原因
对非极性'高聚物 在交变电场中，所含的杂质产生的漏导电流，载流子流动时，克服
内摩擦阻力而作功，使一部分电能转变为热能，属于欧姆损耗。
对极性高聚物 在交变电场中极化时，由于黏滞阻力，偶极子的转动取向滞后于交变
电场的变化，致使偶极子发生强迫振动，在每次交变过程中，吸收一部分电能成热能而释
0.抗0静. 电0. 剂0. 2 345
0. 6
抗静 电剂 加入 量对 静电 荷的 影响
1PVC
2-PE
3-PP
§8-4 高聚物的静电现象
抗静电剂的选择 对抗静电剂的要求
亲水性强 与高聚物的相溶性好 容易分散混合 稳定性好 无毒、无味、无害 加入后不影响高聚物其他性能
高分子物理课件 - 四川大学 - 冉蓉 - 第七章 高聚物的电学性能
常见聚合物介电损耗角正切
影响介电损耗tgδ的因素
高聚物的极性增大 极化程度增大 tgδ↑
*
CH2
O *
<
*
CH2
CHOR *
有杂质 本体聚合物
tgδ↑
<
乳液聚合物
7.6 高聚物的导电性
高聚物绝缘性的量度——绝缘电阻（率） 体积电阻RV（率） 表面电阻RS（率） 高聚物导电性的量度——电导（率） 体积电导（率） 表面电导（率）
N
N
N
最 新 应 用
掺杂导电态： 电池、电色显示器件、超电容的电极材料、静电屏蔽 材料、金属防腐材料、电解电容器、微波吸收隐身材料、 电致发光器件、正极修饰材料、透明导电涂层、化学和生 物传感器、导电纤维等。 中性半导态： 电致发光材料、场效应管（FET）半导体材料 等。
目前存在的问题
加工性不好 稳定性不好 较难合成结构均一 的聚合物
物体导电的基础
——内部具有能自由迁移的自由电子或空穴。 聚合物的电子类型： 内层电子——紧靠原子核，一般不参与反应，正常电场 下无移动能力。 σ电子——成键电子，键能较高，离域性小，定域电子。 ｎ电子——与杂原子结合，孤离存在时无离域性。 π电子——两个成键电子Ｐ电子重叠而成，孤离存在时具 有有限的离域性，电场作用下可作局部定向移动，随π电子 共轭体系的增大，离域性增大。
解决低导电率的方法——掺杂
根据能带理论，能带区如果部分填充就可以产生电导。 减少价带中的电子——Ｐ型掺杂 向空能带区中的注入电子——ｎ型掺杂
聚乙炔， PA 聚对苯，PPP 聚苯乙炔，PPV
导电高聚物目前的主要种类
S S N N N S
S
聚噻吩 PTh
N
新型导电聚合物
新型导电聚合物/磁性复合物的性能概论摘要论述了导电聚合物的结构及其特征以及导电聚合物的分类及其导电机理，并论述了近年来导电聚合物/磁性复合物的磁性能、导电性能、吸波性能、光电性能及聚苯胺等新型复合物的研究现状、导电聚合物/磁性复合物等有发展潜力的新应用领域。
关键词聚合物磁性导电复合物聚苯胺导电聚合物又称导电高分子，是指通过掺杂等手段，能使得电导率在半导体和导体范围内的聚合物。
通常指本征导电聚合物，这一类聚合物主链上含有交替的单键和双键，从而形成了大的共轭π体系。
π电子的流动产生了导电的可能性。
没有经过掺杂处理的导电聚合物电导率很低，属于绝缘体。
其原因在于导电聚合物的能隙很宽（一维半导体的不稳定性），室温下反键轨道（空带）基本没有电子。
但经过氧化掺杂（使主链失去电子）或还原掺杂（使主链得到电子），在原来的能隙产生新的极化子、双极化子或孤子能级，其电导率能上升到10~10000 S/cm2，达到半导体或导体的电导率范围。
导电聚合物分子结构20世纪70年代初，日本驻波大学的化学教授白川英树等在高催化剂浓度条件下通过碘掺杂合成了具有金属光泽的高顺式聚乙炔薄膜，带动了导电聚合物在科学领域的研究。
典型的导电聚合物有聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩和它们的衍生物。
导电聚合物拥有金属的电子、电器及光学性能，并且具有传统聚合物的可加工性和力学性能。
近几年导电聚合物被用作电磁屏蔽、静电消散材料和电子包装材料，以及用作制备蒸汽传感器材料。
无机磁性材料是工业生产中使用最为广泛的磁性材料，对用于微波雷达、通信系统、电机与集成电感器等方面，而目前应用较广泛的无机材料主要是铁氧体类物质。
在导电聚合物和磁性材料成熟的情形下，人们对即导电又导磁的功能材料的兴趣越来越大，因为它们可应用于很多领域，比如电池、电化学显示设备、分子电子领域、电磁屏蔽、吸波材料和传感器等。
制备纳米复合材料传统的方法是直接高分子聚合。
导电聚合物都具有长程π电子主链结构。
导电高聚物
导电高聚物
导电高聚物:共轭体系高聚物经过化学或者电化学掺杂，其导电性由绝缘体转变为导体的高聚物的统称。
导电高聚物由共轭高聚物链和一价对离子组成，并且对阴阳离子与高聚物链无化学键合仅仅达到正负电荷平衡。
这种聚合物在电化学氧化以后具有自身的电子传导性，足够用于做电极材料。
导电高聚物具有普通高聚物的可分子设计和合成、可加工和密度轻、结构多样化等特点，除此之外，还具有金属和n型和P型半导体的高电导率和电磁屏蔽效应。
一些导电高聚物虽不稳定，但其可以作为导电高分子的模型，具有重大的理论价值。
导电高聚物因其独特的性能，在军事、防腐、抗静电、电磁屏蔽、场效应晶体管、二次电池、分子器件和生命科学、传感器等方面都有重要应用，有些正想实用化的方向发展，尤其是燃料电池方面。
导电高聚物具有较大的比表面积、可逆的氧化还原特性、小密度和高导电率的特点，因此其是二次电池的理想材料；导电高聚物具有半导体特性并可以n型和P型掺杂，一次可以制备晶体管、电容器和发光二极管，尤其是发光二极管（ＬＥＤ），聚合物发光二极管具有颜色可调、成本低、可弯曲等优点；高度掺杂的导电高聚物对电磁波具有全反射的特性，即电磁屏蔽效应。
但是，导电高聚物也具有自身的缺点：如不稳定，它很难成为任何实用的材料；导电高聚物因其自放电导致电池不稳，其二次电池还没有市场化；聚合物发光二极管发光频率不稳定；导电高聚物的响应速度存在局限性。
功能高分子导电高分子
第五章 导电高分子
1.3.2 复合型导电高分子 复合型导电高分子是在本身不具备导电性的 高分子材料中掺混入大量导电物质，如炭黑、金 属粉、箔等，通过分散复合、层积复合、表面复 合等方法构成的复合材料，其中以分散复合最为 常用。
第五章 导电高分子
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。由于它们制备 方便，有较强的实用性，因此在结构型导电高分子 尚有许多技术问题没有解决的今天，人们对它们有 着极大的兴趣。复合型导电高分子用作导电橡胶、 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。
导电高分子 (Conducting Polymers)
本章主要内容
一、前言 二、导电高聚物的定义，分类 三、导电高聚物的导电机理
四、导电高聚物的应用
一、前言
1
2 3
绝缘体
半导体 导体 超导体
< 10-10
按电学性能分类
10-10~102
>102
4
电导率 , s/cm （西门子/厘米） 通常，聚合物材料属于绝缘体范畴。
座右铭：去冒险吧
麦克迪尔米德小传 （Alan G. MacDiarmid，1929～）
1927年生于新西兰。 曾就读于新西兰大学、美国 威斯康星大学以及英国剑桥 大学。 1955年开始在宾夕法尼亚大 学任教。 1973年开始研究导电高分子 2000年获诺贝尔化学奖
发表过六百多篇学术论文 拥有二十项专利技术
2、导电高分子的发现
1970’s
1971 1862 1916 1957 1967 1968
材料电学性能
高分子材料的电学性能高分子092班学号:5701109061 姓名:林尤琳摘要：种类繁多的高分子材料的电学性能是丰富多彩的。
多数聚合物材料具有卓越的电绝缘性能，其电阻率高、介电损耗小，电击穿强度高,加之又具有良好的力学性能、耐化学腐蚀性及易成型加工性能,使它比其他绝缘材料具有更大实用价值，已成为电气工业不可或缺的材料。
关键词：高分子材料电学性能静电导电介电常数高分子材料的电学性能是指在外加电场作用下材料所表现出来的介电性能、导电性能、电击穿性质以及与其他材料接触、摩擦时所引起的表面静电性质等。
电学性能是材料最基本的属性之一，这是因为构成材料的原子和分子都是由电子的相互作用形成的,电子相互作用是材料各种性能的根源.电子的微观相互作用同时是产生材料宏观性能，包括电学性能的微观基础。
在电场作用下产生的电流、极化现象、静电现象、光发射和光吸收现象都与其材料内部的电子运动相关。
深入、系统了解材料的电学性能在材料的制备、应用等方面都具有非常重要的意义。
（1）一、聚合物的介电性介电性是指高聚物在电场作用下，表现出对静电能的储存和损耗的性质。
通常用介电常数和介电损耗来表示。
（2)根据高聚物中各种基团的有效偶极距μ，可以把高聚物按极性的大小分成四类:非极性（μ＝0)：聚乙烯、聚丙烯、聚丁二烯、聚四氟乙烯等弱极性（μ≤0。
5):聚苯乙烯、天然橡胶等极性（μ＞0。
5）：聚氯乙烯、尼龙、有机玻璃等强极性（μ＞0.7）:聚乙烯醇、聚酯、聚丙烯腈、酚醛树脂、氨基塑料等聚合物在电场下会发生以下几种极化:（1）电子极化,(2）原子极化，(3）偶极极化.聚合物的极化程度用介电常数ε表示式中：V为直流电压；Qo、Q分别为真空电容器和介质电容器的两极板上产生的电荷；Q’为由于介质极化而在极板上感应的电荷.非极性分子只有电子和原子极化,ε较小;极性分子除有上述两种极化外，还有偶极极化,ε较大。
此外还有以下因素影响ε：（1)极性基团在分子链上的位置。
聚合物的电性能及导电高分子材料
1、结构
□ 分子极性越大，一般来说 和
t都g增大。非极性聚
合物具有低介电系数（ε约为2）和低介电损耗（小于10-
4）；极性聚合物具有较高的介电常数和介电损耗。一些常
见聚合物的介电系数和介电损耗值见表。
□ 极性基团位置的影响：tg
主链上的极性基团
影响小
侧基上的极性基团
影响大
NORTH UNIVERSITY OF CHINA
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影响聚合物介电性能的因素
高分子材料的介电性能首先与材料的极性有关。这 是因为在几种介质极化形式中，偶极子的取向极化 偶极矩最大，影响最显著。 决定聚合物介电损耗大小的内在因素： ①分子极性大小和极性基团的密度 ② 极性基团的可动性
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□交联、取向或结晶使分子间作用力增加限制了分子的运
动， 、 tg减 少；支化减少分子间作用力， 增加， 增tg大
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2、 外来物的影响
增塑剂的加入使体系黏度降低，有利于取 向极化，介电损耗峰移向低温。极性增塑
剂或导电性杂质的存在会使 和 tg 都增
□分子链活动能力对偶极子取向有重要影响，例如在玻璃 态下，链段运动被冻结，结构单元上极性基团的取向受链 段牵制，取向能力低；而在高弹态时，链段活动能力大， 极性基团取向时受链段牵制较小，因此同一聚合物高弹态 下的介电系数和介电损耗要比玻璃态下大。如聚氯乙烯的 介电常数在玻璃态时为3.5，到高弹态增加到约15，聚酰胺 的介电常数玻璃态为4.0，到高弹态增加到近50。
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导电性聚乙炔的出现不仅打破了高分子仅为绝 缘体的传统观念，而且为低维固体电子学和分子电 子学的建立打下基础，而具有重要的科学意义。上 述三位科学家因此分享2000年诺贝尔化学奖。
聚苯胺综述
聚苯胺综述1、引言导电高分子材料也称导电聚合物，其分子是由许多小的、重复出现的结构单元组成，即具有明显聚合物特征；若在材料两端加上一定电压，在材料中有电流通过，即具有导电的性质。
同时具备上述两条性质的材料，称为导电聚合物。
虽然都是导电体，但导电聚合物和常规金属导电体不同。
前者属于分子导电物质，后者是金属晶体导电物质。
因此，其结构和导电方式都不同。
高分子导电材料包括结构型高分子导电材料和复合型高分子导电材料两大类。
结构型导电高分子材料又称本征导电高分子，是指聚合物获得导电性能不是通过加入导电性物质，而是由其本身结构带来的。
如掺杂后的导电高分子聚合物：聚乙炔(PAc)、聚吡咯(PPy)、聚噻吩(PTh)、聚苯胺(PAn)、聚苯乙烯撑(PPV)等，这类聚合物大多是具有共轭π键结构的结晶聚合物，共轭双键可以通过电子转移的氧化还原反应变成高分子离子。
复合型导电高分子材料是将各种导电性物质(高效导电粒子或导电纤维)通过分散、层合、涂敷等工艺填充到聚合物基体中。
2、聚苯胺由于导电聚合物具有良好的电学、光学以及氧化还原特性在近20年里一直备受关注，在能源、电磁屏蔽和电致变色等领域有着广阔的前景。
自从1984年MacDiarmid在酸性条件下由苯胺单体获得具有导电性聚合物，聚苯胺已成为现在研究进展最快的导电聚合物之一。
原因在于聚苯胺具有以下诱人的独特优势：a)原料易得，合成简单；b)具有优良的电磁微波吸收性能、电化学性能、化学稳定性及光学性能；c)独特的掺杂现象；d)高的电导率；e)拥有良好的环境稳定性[1,2]。
聚苯胺被认为是最有希望在实际中得到应用的导电高分子材料。
以导电聚苯胺为基础材料，目前正在开发许多新技术，例如电磁屏蔽技术、抗静电技术、船舶防污技术、隐身技术、全塑金属防腐技术、太阳能电池、电致变色、传感器元件、二次电池材料、催化材料和防腐材料[3~11]。
3、聚苯胺的结构聚苯胺有多种结构，这是由反应条件决定的，它们之间的转化关系如下[12,13]：其中，聚苯胺最重要的存在形式是翠绿苯胺（EM，emeraldine），它具有导电性，通常可以在酸性条件下（如盐酸）通过化学氧化法制得，如果氧化剂过量，翠绿苯胺就被氧化成全氧化态聚苯胺（PNB，blue protonated pernigraniline)，这种形态的聚苯胺可能具有导电性。
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氧化还原导电高聚物
知识点：7.1.2.1 高聚物的导电类型
二、高聚物的绝缘电阻
体积电阻率 V RV 高聚物绝缘电阻的表示形式 表面电阻率
S d l 平等电极 S R S b
环状电极 S RS
2 lnD2 D1
绝缘 电阻 测定
图7.1.2-5 绝缘电阻测定
知识点：7.1.2.1 高聚物的导电类型
高聚物的导电类型
类型：1、电子导电 2、离子导电
3、氧化还原导电
知识点：7.1.2.1 高聚物的导电类型
导电高聚物的应用
导电材料 电极材料 电子导电高聚物 电显示材料 化学反应催化剂 有机分子开关 导电高聚物的应用 离子导电高聚物
代替电解质材料 全固态电池 各种电极材料
《高 分 子 物 理 》
课程团队：李彩虹 余旺旺 栗娟 苏珺
知识点：7.1.2.1 高聚物的导电类型பைடு நூலகம்
一、高聚物的导电类型
导电性 在电场作用下，物体中载流子发生移动的现
象。用电导率或电阻率表示。
在直流电场下，物体的电导率表示为：
式中 σ －电导率；
n－载流子的浓度；
e－电子电荷；
μ －载流子的移动度。
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