跟材料學有關的論文

　　材料學作為戰略性領域的基礎學科,在國防建設、基礎設施、軍用民用等領域具有廣闊的應用價值。下文是小編為大家整理的的範文，歡迎大家閱讀參考!

　　篇1

　　淺析導電高分子材料及其應用

　　摘要：自從1977年來，導電高分子材料的研究受到了普遍的重視和發展。介紹了導電高分子材料的分類、導電機制、在各領域中的應用及研究進展。

　　關鍵詞：高分子材料;導電機理;導電塑料;用途

　　20世紀70年代，白川英樹、Heeger和MacDiarmid等人首次合成了聚乙炔薄膜，後來又經摻雜發現了可導電的高聚物，這就是導電高分子材料。導電高分子材料的發現，改變了人們對傳統塑料、橡膠等高分子材料是電、熱的不良導體的觀念，經過40多年的發展，導電高分子材料也從最初的聚乙炔發展到聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等數十種高分子材料，成為金屬材料和無機導電材料的優良替代品。而今這種導電高分子材料已廣泛應用於電子工業、航空航天工業之中，並對新型生物材料和新能源材料的開發產生巨大的影響。

　　1 高分子材料的分類及導電機理

　　導電高分子材料通常是指一類具有導電功能***包括半導電性、金屬導電性和超導電性***、電導率在10-6 S/cm以上的聚合物材料。這類高分子材料具有密度小、易加工、耐腐蝕、可大面積成膜，以及電導率可在絕緣體-半導體-金屬態***10-9到105 S/cm***的範圍裡變化。這種特性是目前其他材料所無法比擬的。按照材料結構和製備方法的不同可把導電高分子材料分為結構型***或本徵型***導電高分子材料和複合型導電高分子材料兩大類。

　　1.1 結構型導電高分子材料

　　結構型導電高分子材料是指高分子本身或少量摻雜後具有導電性質的高分子材料，一般是由電子高度離域的共軛聚合物經過適當電子受體或供體進行摻雜後製得的。結構型導電高分子材料具有易成型、質量輕、結構易變和半導體特性。最早發現的結構型高分子聚合物是用碘摻雜後形成的聚乙炔。這種摻雜後的聚乙炔的電導率高達105 S/cm。後來人們又相繼開發出了聚苯硫醚、聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺等導電高分子材料。這些材料摻雜後電導率可達到半導體甚至金屬導體的導電水平。

　　1.1.1 聚乙炔

　　純淨聚乙炔摻進施主雜質***鹼金屬***Li、Na、K***等***或受主雜質***鹵素、AsF5、PF5等***後才能導電。與半導體不同的是，摻雜聚乙炔導電載流子是孤子。

　　聚乙炔中孤子是怎樣形成的呢?反式聚乙炔結構有兩種形式，互為映象，如圖1所示：

　　A相和B相能量相等，都是基態。如果原來整個反式聚乙炔處於A相，通過激發可以變為B相，中間出現的過渡區域，稱為正疇壁，反之稱為反疇壁。正疇壁稱為孤子，反疇壁稱為反孤子[1]。激發過程中所提供的能量只分布在正、反疇壁中，疇壁以外的部分能量不變。孤子態是由導帶和價帶各提供1/2個能級構成的，因此電荷Q=0，當用施主或受主雜質進行摻雜形成荷電孤子後，Q=±e。反式聚乙炔摻雜後，施主雜質向碳鏈提供電子，被激發形成的孤子帶有負電，如果是受主雜質，將從碳鏈中吸取電子，使孤子帶有正電。這樣孤子就成為反式聚乙炔中的導電載流子。

　　聚乙炔是目前世界上室溫下電導率最高的一種非金屬材料，它比金屬質量輕、延展性好，可用作太陽能電池、電磁開關、抗靜電油漆、輕質電線、鈕釦電池和高階電子器件等。

　　1.1.2 聚對苯撐

　　聚對苯撐***PPP***有如圖2 所示兩種結構形式：

　　其中***a***式穩定，而***b***不穩定，很難單獨存在，當FeCl3與PPP摻雜時發生電荷轉移使PPP分子鏈成為正離子，而FeCl3以FeCl4-負離子的形式加到分子鏈上，同時FeCl3被還原成FeCl2[2]，即：

　　2FeCl3+e→FeCl4-+FeCl2

　　因此，摻雜過程實際上是一個氧化還原過程或電荷轉移過程。如果摻雜劑為受體分子，電荷轉移使高分子鏈成為正離子，摻雜劑為負離子，如果摻雜劑為給體時，則相反。聚對苯撐***PPP***的導電性和熱穩定性優良，有多種合成方法，常溫下為粉末，難以加工成型。電化學聚合可得到薄膜狀產品，但電化學聚合的產物聚合度小、電氣特性和機械效能低，可採用可溶性預聚體轉換工藝提高其聚合度。

　　1.1.3 聚噻吩

　　噻吩的分子結構如圖3所示，環上有兩類C原子，因此在發生聚合反應時會有3種連線結構，其中α-α連線時，噻吩環之間的扭轉角度最低，當其與一些複合材料發生摻雜時會通過π-π鍵共軛作用結合在一起，形成一個個相對獨立的導電單元，這些導電單元相對純的聚噻吩而言，具有更高的電導率[3]。

　　1.1.4 聚吡咯

　　聚吡咯***PPy***是少數穩定的導電高聚物之一，但純PPy只有經過合適摻雜劑摻雜後才能表現出較好的導電性。聚吡咯常用的摻雜劑有金屬鹽類如FeCl3，鹵素I2、Br2，質子酸如H2SO4等。不同種類的摻雜劑對PPy摻雜及形成高導電性的機理不同，但大部分具有氧化性的摻雜劑，其摻雜過程可以用電荷轉移機理來解釋。按此機理摻雜時，聚合物鏈給出電子，摻雜劑被還原成摻雜劑離子，然後此離子與聚合物鍊形成複合物以保持電中性。以FeCl3為氧化劑製備聚吡咯，通過電荷轉移形成複合物，反應按下式進行[4]：

　　1.1.5 聚苯胺

　　與其他導電高聚物一樣，聚苯胺***PAN***是共軛高分子，在高分子主鏈上交替重複單雙鏈結構，具有的價電子雲分佈在分子內，相互作用形成能帶等。其化學結構如圖4 所示。

　　聚苯胺可以看作是苯二胺與醌二亞胺的共聚物，x的值用於表徵聚苯胺的氧化還原程度，不同的x值對應於不同的結構、組分及電導率。完全還原型***x=1***和完全氧化型***x=0***都為絕緣體，在0

　　聚苯胺***PAN***的研究後來居上，它與熱塑性塑料摻混具有良好的導電性，與其他導電高聚物相比，具有良好的環境穩定性，易製成柔軟、堅韌的膜，且價廉易得等優點。在日用商品及高科技方面有著廣泛的應用前景。

　　1.2 複合型導電高分子材料

　　複合型導電高分子材料是以高分子聚合物作基體，加入相當數量的導電物質組合而成的，兼有高分子材料的加工性和金屬導電性。既具有導電填料的導電性、導熱性以及電磁遮蔽性，又具有基體高聚物的熱塑性、柔韌性以及成型性，因而具有加工性好、工藝簡單、耐腐蝕、電阻率可調範圍大、價格低等很多優良的特點，已被廣泛應用於電子工業、資訊產業以及其他各種工程應用中。複合型導電塑料是經物理改性後具有導電性的塑料，一般是將導電性物質如碳黑、金屬粉末、金屬粒子、金屬絲和碳纖維等摻混於樹脂中製成。在技術上比結構型導電塑料成熟，不少品種已商業化生產。

　　目前，關於複合型導電高分子材料的導電機理有巨集觀滲流理論，即導電通路學說、微觀量子力學隧道效應理論和微觀量子力學場致發射效應等三種理論[6]。

　　***1***滲流理論：這一理論認為，當複合體系中導電填料用量增加到某一臨界用量時，體系電阻率急劇下降，體系電阻率-導電填料用量曲線出現一個狹小的突變區域，在此區域內導電填料的任何微小變化都會導致電阻率顯著變化，這種現象稱為滲濾現象，導電填料的臨界用量通常稱為滲濾閾值。

　　***2***隧道效應理論：該理論認為複合體系在導電填料用量較低時，導電粒子間距較大，混合物微觀結構中尚未形成導電網路通道，此時仍不具有導電現象。這是因為此時高分子材料的導電性是由熱振動電子在導電粒子之間的遷移造成的。隧道效應現象幾乎僅僅發生在距離很接近的導電粒子之間，間隙過大的導電粒子之間沒有電流傳導行為。

　　***3***場致發射效應理論：該理論認為，當複合體系中導電填料用量較低，導電粒子間距較大、導電粒子內部電場很強時，電子將有很大機率飛躍樹脂介面勢壘躍遷到相鄰電子離子上，產生場致發射電流，形成導電網路。

　　1.2.1 炭黑新增型導電高分子材料

　　炭黑不僅價格低廉、導電效能持久穩定，而且可以大幅度調整複合材料的體積電阻率。因此，由炭黑填充製成的複合導電高分子材料是目前用途最廣、用量最大的一種導電材料。複合材料導電性與填充炭黑的填充量、種類、粒度、結構及空隙率有關，一般來說粒度越小，孔隙越多，結構度越高，導電性就越強。

　　1.2.2 金屬新增型導電聚合物

　　這類導電塑料具有優良的導電性，比傳統的金屬材料重量輕、易成型、生產效率高、成本低，進入20世紀80年代後，在電子計算機外殼、罩、承外掛、傳輸帶等方面得到應用，成為最年輕、最有發展前途的新型導電和電磁遮蔽材料。常見的金屬類導電填充劑有金、銀、銅、鎳等細粉末。

　　2 導電高分子材料的廣泛應用

　　2.1 在電子元器件開發中的應用

　　2.1.1 用於防靜電和電磁遮蔽方面

　　導電高聚物最先應用是從防靜電開始的。將特定比例的十二烷基苯磺酸和對甲苯磺酸混合酸摻雜的PANI與聚***丙烯腈-丁二烯-苯乙烯***樹脂***ABS***共混擠出，製備了雜多酸摻雜PANI/ABS複合材料，通過現場聚合的方法在透明聚酯表面聚合了一層導電PANI，表面電阻可控制在106~109 Ω[7]。通過對複合材料EMI遮蔽的研究，發現在101 GHz下，複合材料的遮蔽效能隨其中PANI含量的增大而增大。摻雜能提高PANI的遮蔽效能。

　　2.1.2 導電高分子材料在晶片開發上的運用

　　在各種帶有微晶片的卡片以及條碼讀取裝置上，高分子聚合物逐漸取代矽材料。塑料晶片的價格僅為矽晶片的1 %~10 %，並且由於其具有可溶性的特性而更易於加工處理[8]。目前國際上已經研製出集成了幾百個電子元器件的塑料晶片，採用這種導電塑料製造的新款晶片可以大大縮小計算機的體積，提高計算機的運算速度。

　　2.1.3 顯示材料中的導電高分子材料

　　有機發光二極體是由一層或多層半導體有機膜，加上兩頭電極封裝而成。在發光二極體的兩端加上3伏~5伏電壓，負極上的電子向有機膜移動，相反，與有機膜相連的正極上的電子向負極移動，這樣產生了相反運動方向的正負電荷載體，兩對電荷載體相遇，形成了“電子-空穴對”，並以發光的形式將能量釋放[9]。由於它發光強度高、色彩亮麗，光線角幾乎達到180度，可用於製造新一代的薄壁顯示器，應用在手機、掌上電腦等低壓電器上，也應用於金融資訊顯示上，使影象生動形象，並可圖文通顯。利用電致變色機理，還可用於製造電致變色顯示器、自動調光窗玻璃等。

　　2.2 在塑料薄膜太陽能電池開發中的應用

　　傳統的矽太陽能電池不僅價格昂貴，而且生產過程中消耗大量能源，因此成本昂貴，無法成為替代礦物燃料的能源，而塑料薄膜電池最大的特點就是生產成本低、耗能少。一旦技術成熟，可以在流水線上批量生產，使用範圍也很廣。製造塑料薄膜太陽能電池需要具有半導體效能的塑料。奧地利科學家用聚苯乙烯和碳摻雜形成富勒式結構的材料，再將它們加工成極薄的膜，然後在膜層上下兩面蒸發塗上銦錫氧化物或鋁作為電極。由於聚苯乙烯受到光照時會釋放出電子，而富勒式結構則會吸收電子，如果將燈泡接在這兩個電極上，電子開始流動就會使燈泡發光[10]。

　　2.3 在生物材料開發中的應用

　　在生命科學領域，導電高分子材料可製成智慧材料，用於醫療和機器人制造方面。由於導電有機聚合物在微電流刺激下可以收縮或擴張，因而具備將電能轉化為機械能的潛力，這類導電聚合物組成的裝置在較小電流刺激下同樣表現出明顯的彎曲或伸張/收縮能力。為了把聚合物變成伸屈的手指活動，加上了含PPY的三層複合膜[PPY/緣塑料膜/PPY]，其中一層PPY供給正電荷，另一層PPY供給負電荷。機器人手指工作：提供正電荷的一側凹陷進去，即體積收縮;提供負電荷的一側就鼓脹起來，體積膨脹，引起手指彎曲[11]。用改進的PAN和碳纖維合併起來作為纖維束驅動器，用它製造手指關節鏈***見圖5***其中關節的動作是藉助於鐳射發動和纖維反抗成對的推拉控制，是由改變pH來激發動作的，並有激發纖維和反抗纖維的數量來控制位置[12]。

　　最新研究表明，DNA也可以具有導電性，因此，把導電塑料與生命科學結合起來，可以製造出人造肌肉和人造神經，以促進DNA的生長或修飾DNA，這將是導電塑料在應用上最重要的一個趨勢。

　　2.4 在新型航空材料開發中的應用

　　航空製造所用複合材料是一種聚合體樹脂製成的矩陣結構，由耐熱效能良好的增強型碳素纖維層或者玻璃纖維層膠合而成，再利用熔爐打造成所需要的形狀，以適應不同零件所承受的壓力。另外，像聚苯胺、聚吡咯可用於電磁遮蔽，塗有其聚合纖維的飛機，能吸收雷達訊號，使飛機隱身，還可排除雷擊的危險。在導彈外面裹上一層這類聚合物，不僅可防止產生靜電，還可減輕導彈的重量[13]。

　　3 導電高分子材料的研究進展

　　20世紀70年代以來，電子、電氣、通訊產業的迅速崛起，推動了導電材料的快速發展。隨著導電材料使用環境的變化，對導電材料的發展也提出了新的要求。總體來說，導電高分子材料的發展主要圍繞以下幾個方面：

　　***1***開展分子水平上的研究和應用，開發新品種導電材料，尤其是高導電性導電聚合物、高強度導電高分子材料、可溶性導電高分子材料和分子導電材料，以便能夠製成“分子導線”、“分子電路”和“分子器件”。

　　***2***研究設計和合成結構高度穩定的、具有高熒光量子效率和高電荷載流子遷移率的共軛聚合物，製備出結構有序的導電聚合物薄膜材料[14]。

　　***3***導電材料多功能化。除具有導電效能外，還應具有優良的阻燃性、阻隔性、耐高溫、耐腐蝕、耐摩擦等效能，並在加大導電填料用量以提高導電效能的前提下，如何保持或增強複合材料的成型加工效能、力學效能和其他效能。

　　導電高分子材料的這些發展趨向預示著一個新的塑料電子學時代即將到來。

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　　篇2

　　淺析高分子材料成型加工技術

　　摘要：隨著經濟和科技的飛速發展，人民生活水平不斷的提高。人們對塑料製成品的需求越來越高，尤其是在塑料製成品的種類和質量上。而隨著一種高分子材料成型加工技術的出現和飛速發展，高分子材料也倍受人們關注，其在一定程度上促進了我國國防，航空等相關領域工業技術的發展。從應用角度來說高分子材料成型加工技術的使用價值是通過製造成各種製品來實現的，因其在材料形狀上的特殊功能，使得其對成型加工技術有著重要的意義。

　　關鍵詞：高分子材料;成型加工

　　0 前言

　　隨著工業化技術的發展和人民生活水平的提高，人們對塑料產品種類和質量的需求也越來越高。高分子材料是通過製造成各種製品來實現其使用價值的，因此從應用角度來講，以對高分子材料賦予形狀為主要目的成型加工技術有著重要的意義。高分子材料的主要成型方法有擠出成型、注射成型、吹塑成型、壓延成型等，文章綜述了高分子材料成型加工技術的最新進展。

　　1 高分子材料成型加工技術發展概況

　　近年來，高分子合成工業取得了很大的進展。如，造粒用擠出機的結構有了很大的改進，產量有了極大的提高。合成工業的新近避震使得易於控制樹脂的分子結構，加速採用大規模進行低成本的生產。隨著汽車工業的發展，節能、高速、美觀、環保、乘坐舒適及安全可靠等要求對汽車越來越重要，汽車規模的不斷擴大和效能的提高帶動了零部件及相關材料工業的發展。為降低整車成本及其自身增加汽車的有效載荷，提高塑料類材料在汽車中的使用量便成為關鍵。目前，高分子材料加工的主要目標是高生產率、高效能、低成本和快捷交貨。製品方面向小尺寸、薄壁、輕質方向發展;成型加工方面，從大規模向較短研發週期的多品種轉變，並向低能耗、全回收、零排放等方向發展。

　　2 高分子材料的主要成型方法

　　高分子材料的主要成型方法有擠出成型，吹塑成型，注射成型等。下面逐一敘述：

　　2.1擠出成型

　　擠出成型主要是利用螺桿旋轉加壓方式，連續地將塑化好的成型物料從擠出機的機筒中擠入機頭，熔融物料通過機頭口模成型為與口模形狀相仿的型坯，用牽引裝置將成型製品連續地從模具中拉出，同時進行冷卻定型，製得所需形狀的製品。擠出成型主要包括加料、塑化、成型、定型等過程。要獲得外觀和內在質量均優良的型材製品，是與原材料配方、擠出裝置水平、機頭模具設計與加工精度、型材斷面結構設計及擠出成型工藝條件等分不開的。擠出成型工藝引數的控制包括成型溫度、擠出機工作壓力、螺桿轉速、擠出速度、牽引速度、排氣、加料速度及冷卻定型等。擠出工藝條件又隨擠出機的結構、塑料品種、製品型別、產品的質量要求等的不同而改變。

　　2..2吹塑成型技術

　　吹塑，這裡主要指中空吹塑是藉助於氣體壓力使閉合在模具中的熱熔型坯吹脹形成中空製品的方法，是第三種最常用的塑料加工方法，同時也是發展較快的一種塑料成型方法。吹塑用的模具只有陰模***凹模***，與注塑成型相比，裝置造價較低，適應性較強，可成型效能好***如低應力***、可成型效能好***如低應力***，可成型具有複雜起伏曲線***形狀***的製品。吹塑成型加工的三種主要方法是：擠出吹塑成型，注塑吹塑成型和拉伸吹塑成型。

　　2.3注塑成型技術

　　注射成型技術是目前塑料加工中最普遍採用的方法之一，可用來生產空間幾何形狀非常複雜的塑料製件。由於它具有應用面廣、成型週期短、花色品種多、製件尺寸穩定、產品效率高、模具服役條件好、塑料尺寸精密度高、生產操作容易、實現機械化和自動化等諸方面的優點。因此，在整個塑料製件生產行業中，注射成型佔有非常重要的地位。目前，除了少數幾種塑料品種外，幾乎所有的塑料***即全部熱塑性塑料和部分熱固性塑料***都可以採用注塑成型。

　　3 現今高分子材料成里加工技術的創斷研究

　　3.1聚合物動態反應加工技術及裝置

　　聚合物反應加工技術是以現雙螺桿擠出機為基礎發展起來的。國外的Berstart公司已開發出作為連續反應和混煉的十螺桿擠出機，可以解決其它擠出機作為反應器所存在的問題。國內反應成型加工技術的研究開發還處於起步階段，但我國的經濟發展強烈要求聚合物反應成型加工技術要有大的發展。指交換法聚碳酸醋連續化生產和尼龍生產中的比較關鍵的技術是縮聚反應器的反應擠出裝置，我國每年還有數以千萬噸計的改性聚合物及其合金材料的生產。關鍵技術也是反應擠出技術及裝置。

　　3.2以動態反應加工裝置為基礎的新材料製備新技術

　　***1***資訊儲存光碟直接合成反應成型技術。

　　此技術克服傳統方式的中間環節多、週期長、能耗大、儲運過程易受汙染、成型前處理複雜等問題，將光碟級PC樹脂生產、中間儲運和光碟盤基成型三個過程整合為一體，結合動態連續反應成型技術，研究酷交換連續化生產技術，研製開發精密光碟注射成型裝備，達到節能降耗、有效控制產品質量的目的。

　　***2***熱塑性彈性體動態全硫化製備技術。

　　此技術將振動力場引入混煉擠出全過程，控制硫化反直程序，實現混煉過程中橡膠相動態全硫化。解決共混加工過程共混物相態反轉問題。研製開發出擁有自主智慧財產權的熱塑性彈性體動態硫化技術與裝置，提高我國TPV技術水平。

　　4 高分子材料成型加工技術的發展趨勢

　　隨著科學技術的發展，國防、航空航天、電子電氣工程、醫藥、紡織、日用化工等高新技術領域對高分子材料應用方面的要求越來越高，高分子合成材料的開發研製已成為人們關注的熱點，它的發展成果將帶動有機化工、交通運輸、日用化工、電氣電子工業等相關工業和行業的發展。高分子材料在工業、農業、航空航天、國防中甚至在人們的日常生活中佔有重要的地位。

　　高分子材料不但改變了人們對傳統材料的觀念更給人們的生活帶來了便利因此，人們把二十世紀中期高分子材料出現的時代稱為人類開始進入高分子時代。近年來全世界各種高分子材料加工技術的高聚物的生產總量接近鋼的生產規模已超過6400多萬噸。如果按體積計算的話它已遠遠超過金屬的總產量，究其原因主要還是高分子材料的比重小。百年的歷史經驗再次證明了，要使有價值的想法變成現實，只有類似於高分子材料技術的新的技術的出現，才能改變傳統想法。

　　5結語

　　為了跟上國際化學工程學科發展的步伐，我國把“聚合過程工程”與“聚合物產品工程”定為高分子材料成型技術的研究方向。秉著實事求是的原則並結合我國國情要求我們要借鑑國外先進研究成果在打破國外的技術壟斷和封鎖的基礎上創新，實現有跟蹤向跨越的轉變;增強自主智慧財產權意識，把握最新前沿科技。走出一條發展高分子材料成型加工技術具有中國特色的道路。促進科學研究成果與實踐的結合，加快創新技術轉化為社會生產力的步伐，從而進一步我國高分子材料成型加工高新技術的創新及其產業的可持續發展。

　　參考文獻

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