第六章導(dǎo)電與發(fā)光功能高分子材料

1、第一節(jié)第一節(jié) 導(dǎo)電高聚物的物理化學(xué)性能導(dǎo)電高聚物的物理化學(xué)性能 導(dǎo)電高聚物的普遍結(jié)構(gòu)式1.1.電學(xué)性質(zhì)電學(xué)性質(zhì) 絕緣體/半導(dǎo)體/導(dǎo)體 三相共存室溫電導(dǎo)率 10-10105 S/cm, 強(qiáng)烈地依賴于主鏈結(jié)構(gòu)、摻雜劑、摻雜度、合成方法和條件。導(dǎo)電高聚物薄膜拉伸取向后，電導(dǎo)率在拉伸方向要高個數(shù)量級。. .光學(xué)性質(zhì)光學(xué)性質(zhì)導(dǎo)電高聚物的共軛鏈結(jié)構(gòu)，在紫外可見光區(qū)有強(qiáng)吸收。. .磁學(xué)性質(zhì)磁學(xué)性質(zhì)載流子為孤子(soliton)、極化子(polaron)和雙極化子(bipolaron)。帶電孤子、極化子自旋有順磁性。4.4.電化學(xué)性電化學(xué)性 高聚物電導(dǎo)率是由鏈上和鏈間兩部分組成， 鏈上電導(dǎo)率是由鏈結(jié)構(gòu)和共軛電

2、子離域程度， 鏈間電導(dǎo)率是載流子的傳導(dǎo)性能， 摻雜是導(dǎo)電高聚物的重要手段。導(dǎo)電高聚物的摻雜是氧化/還原過程，不是原子的替代。 聚苯胺的化學(xué)摻雜過程 1.聚乙炔(PA) PA的分子結(jié)構(gòu) 聚乙炔可進(jìn)行氧化、還原、電化學(xué)摻雜和質(zhì)子酸摻雜。理論預(yù)測電導(dǎo)率可達(dá)106107 S/cm，現(xiàn)達(dá)到105 S/cm，接近金屬銅。力學(xué)性質(zhì)不如銅。但PA穩(wěn)定性差，作為導(dǎo)電高聚物的模型。.聚苯胺(PAn)現(xiàn)在被多數(shù)人接受的PAn分子鏈結(jié)構(gòu)： 其中y代表PAn的氧化程度，當(dāng)y=O.5時， PAn是典型的苯二胺和醌二亞胺的交替結(jié)構(gòu)，摻雜后導(dǎo)電性最好。y值大小受聚合時氧化劑種類、濃度等條件影響，用過硫酸銨作氧化劑的聚合產(chǎn)物中

3、y接近干0.5。這種結(jié)構(gòu)的形成一般認(rèn)為可分成兩步： 第一步，單體按陽離子自由基機(jī)理聚合成全醌二亞胺結(jié)構(gòu)； 第二步，該結(jié)構(gòu)被苯胺單體還原為苯二胺-醌二亞胺交替結(jié)構(gòu)：不同氧化程度的Pan可由聚合物經(jīng)氧化或還原制備。質(zhì)子酸摻雜 PAn的質(zhì)子酸摻雜機(jī)理和摻雜產(chǎn)物結(jié)構(gòu)，主要由極化子晶格模型和四環(huán)苯醌變體模型解釋：3.聚吡咯(PPy)容易電化學(xué)合成，形成致密膜，電導(dǎo)率高(102S/cm)，穩(wěn)定性好于聚乙炔吡咯在酸性水溶液中進(jìn)行電化學(xué)聚合在酸性水溶液中，氧化聚合 PPy的結(jié)構(gòu) 兩種摻雜態(tài)結(jié)構(gòu) PPy 難溶難熔，很難共混，用吸附聚合制得高 分子復(fù)合物 .聚對苯(PPP) 與AsF5摻雜后可導(dǎo)電 .聚苯亞乙烯(

4、PPV) (聚苯乙炔） 苯環(huán)與乙炔交替結(jié)構(gòu)，摻雜簡單 “可溶性前體”使聚合容易 顏色淺，用途廣第四節(jié)第四節(jié)電致發(fā)光高分子材料電致發(fā)光高分子材料.激子(Frankel)緊束縛激子，小激子.大激子(Wannier)弱束縛激子.光致發(fā)光(photoluminescence, PL).電致發(fā)光(electroluminescence, EL)電致發(fā)光高分子材料結(jié)構(gòu)圖聚對苯乙烯(PPV) 二次電池 光電子器件 傳感器 電磁屏蔽 隱身技術(shù)及材料 顯示器件電子聚合物具有可逆的電化學(xué)氧化還原性能，因而適宜做電極材料，制造可以反復(fù)充放電的二次電池。第一個這樣的電池是聚乙炔電池，但它穩(wěn)定性很差，沒有實(shí)用性。199

5、1年，日本橋石公司推出第一個商品化的聚合物二次電池。它的負(fù)極為鋰鋁合金，正極為聚苯胺，電解質(zhì)是LiBF4在有機(jī)溶劑中的溶液。電池的特點(diǎn)是：由于金屬鋰和聚苯胺的標(biāo)準(zhǔn)電極電位相差較大，它的開路電壓在33V左右，相當(dāng)于三節(jié)鎳鎘或鎳氫電池；它采用金屬鋰箔作負(fù)極，配以有機(jī)電解液，因而是一種新型的鋰電池，即聚合物鋰電池。聚合物二次電池聚合物二次電池導(dǎo)電高分子電容器 導(dǎo)電高分子成型后，電導(dǎo)率可達(dá)到100102Scm數(shù)量級，因而可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的“電解電容器”中的液體或固體電解質(zhì)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的“雙電層電容器”中的電解質(zhì)，制成相應(yīng)的導(dǎo)電高分子電容器。 發(fā)光二極管 最簡單的高分子發(fā)光二極管(PLED)的原理見圖。它由IT

6、O正極、金屬負(fù)極和高分子發(fā)光層組成。從正、負(fù)極分別注入正負(fù)載流子，它們在電場作用下相向運(yùn)動，相遇形成激子，發(fā)生輻射躍遷而發(fā)光。聚合物發(fā)光二極管，(AlPPySnO2)可以發(fā)黃綠光 。 隱身技術(shù)及其材料 電子干擾技術(shù)(電磁屏蔽和隱身技術(shù)) 隱身材料是指能夠減少軍事目標(biāo)的雷達(dá)特征、紅外特征、光電特征及目視特征的材料的統(tǒng)稱。41隱形飛機(jī)隱形飛機(jī) F117F117隱形戰(zhàn)斗機(jī)隱形戰(zhàn)斗機(jī) 為了躲避敵方雷達(dá)的監(jiān)測，在飛機(jī)表面涂一層特殊為了躲避敵方雷達(dá)的監(jiān)測，在飛機(jī)表面涂一層特殊的的磁性材料吸波材料磁性材料吸波材料，它可以吸收雷達(dá)發(fā)射的電磁波，使，它可以吸收雷達(dá)發(fā)射的電磁波，使得雷達(dá)電磁波很少發(fā)生反射，因此敵

7、方雷達(dá)無法探測到雷達(dá)得雷達(dá)電磁波很少發(fā)生反射，因此敵方雷達(dá)無法探測到雷達(dá)回波，不能發(fā)現(xiàn)飛機(jī)，這就使飛機(jī)達(dá)到了隱身的目的?；夭?，不能發(fā)現(xiàn)飛機(jī)，這就使飛機(jī)達(dá)到了隱身的目的。 隨著科學(xué)技術(shù)和電子工業(yè)的發(fā)展，各種電子儀隨著科學(xué)技術(shù)和電子工業(yè)的發(fā)展，各種電子儀器、設(shè)備的應(yīng)用日益增多，特別是電子元件小器、設(shè)備的應(yīng)用日益增多，特別是電子元件小型化、高度集成化及電子儀器儀表輕量化、高型化、高度集成化及電子儀器儀表輕量化、高速化、數(shù)字化，信號電頻小，所以更易受外界速化、數(shù)字化，信號電頻小，所以更易受外界電磁干擾而使其動作失誤，從而帶來嚴(yán)重后果電磁干擾而使其動作失誤，從而帶來嚴(yán)重后果； 另一方面，電子儀器的外殼另

8、一方面，電子儀器的外殼(罩罩)塑料化，失去塑料化，失去了對電磁波干擾的屏蔽能力。電磁干擾已成為了對電磁波干擾的屏蔽能力。電磁干擾已成為一種社會公害，消除和減輕電磁波干擾除了正一種社會公害，消除和減輕電磁波干擾除了正確設(shè)計電路和合理布局電子元件外，電子儀器確設(shè)計電路和合理布局電子元件外，電子儀器的塑料殼體采用導(dǎo)電復(fù)合材料進(jìn)行電磁屏蔽材的塑料殼體采用導(dǎo)電復(fù)合材料進(jìn)行電磁屏蔽材料也是行之有效的技術(shù)途徑之一。料也是行之有效的技術(shù)途徑之一。電磁屏蔽聚合物主要包括兩大類：電磁屏蔽聚合物主要包括兩大類：表面導(dǎo)電材料表面導(dǎo)電材料和和導(dǎo)電復(fù)合材料。表面導(dǎo)電材料表面導(dǎo)電材料是使塑料表面金屬是使塑料表面金屬化來反射

9、電磁波；化來反射電磁波；導(dǎo)電復(fù)合材料導(dǎo)電復(fù)合材料則通過在塑料中填則通過在塑料中填充導(dǎo)電材料，形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)而達(dá)充導(dǎo)電材料，形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)而達(dá)到屏蔽效果。到屏蔽效果。復(fù)合型聚合物電磁屏蔽材料復(fù)合型聚合物電磁屏蔽材料 填充型復(fù)合屏蔽塑料是由具有優(yōu)良導(dǎo)電性能的導(dǎo)電填料及其它添加劑和合成樹脂通過混煉造粒，并采用注射成型，擠壓成型或壓塑成型等方法制得的具有導(dǎo)電功能的多相復(fù)合體。 幾乎所有的聚合物都可制成復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料，其中常用的合成樹脂有聚苯醚、聚碳酸酯、ABS、尼龍和熱塑性聚酯等等。 Contents分子導(dǎo)線和分子器件 隨著超大規(guī)模集成技術(shù)的發(fā)展，由分子材料替代半導(dǎo)體材料和電子工程向分子工程的過渡已

10、是微電子技術(shù)發(fā)展的趨勢。為此，分子導(dǎo)線、分子線圈和分子器件等新概念相繼出現(xiàn)。尤其自從1991年碳納米管(carbon nanotubes)發(fā)現(xiàn)以來，納米管和分子導(dǎo)線的研究已經(jīng)成為材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，BN、BC2N和Ag等一系列新型納米管材料相繼出現(xiàn)。 Contents分子導(dǎo)線和分子器件 分子導(dǎo)線和納米線圈 BiN單晶片在515GPa高壓下經(jīng)240W的激光照射使它在3000下升華所得到的BN納米管具有高強(qiáng)度和高熱穩(wěn)定性。 導(dǎo)電高聚物本身就是分子導(dǎo)線，它是分子器件的重要基元之一。 Contents高分子電致發(fā)光材料的應(yīng)用 高分子電致發(fā)光材料主要應(yīng)用于平面照明，如儀器儀表的背景照明、廣告等大面積顯示照明等；矩陣型信息顯示器件，如計算機(jī)、電視機(jī)、廣告牌、儀器儀表的數(shù)據(jù)顯示窗等場合。 高分子電致發(fā)光器件具有主動顯示、無視角限制、超薄、超輕、低能耗、柔性等特點(diǎn)，在開發(fā)成為新一代顯示器方面，很有發(fā)展前途。 Contents高分子電致發(fā)光材料的應(yīng)用 如日本的Pioneer Electronics公司在1997年向市場推出了有機(jī)電致發(fā)光汽車通信系統(tǒng)。在1998年的美國國際平板顯示會上展出了無源矩陣驅(qū)動的有機(jī)電致發(fā)光顯示屏。美國的Eastman Kodak公司與其合作伙伴日本的Sanyo公司采用半導(dǎo)體硅薄膜晶體管驅(qū)動的有機(jī)顯示