导电高分子研究进展

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导电高分子电磁屏蔽材料研究进展
& u* C3 J9 F2 J9 q* M1．背景及意义
近年来，随着科学技术和电子工业的高速发展，各种数字化、高频化的电子电器设备在工作时向空间辐射了大量不同波长和频率的电磁波，从而导致了新的环境污染——电磁波干扰(Electromagnetic Interference，EMI)和放射频率干扰(Radio-Frequency Interference，RFI)。与此同时，电子元器件也正向着小型化、轻量化、数字化和高密度集成化方向发展，灵敏度越来越高，很容易受到外界电磁干扰而出现误动、图像障碍以及声音障碍等。电磁辐射产生的电磁干扰不仅影响到电子产品的性能实现，而且由此而引起的电磁污染会对人类和其它生物体造成严重的危害。为解决电磁波辐射造成的干扰与泄漏，主要采用电磁屏蔽材料进行屏蔽，实现电子电器设备与环境相调和、相共存的电磁兼容环境(Electro- Magnetic Compatibility，EMC)[1]。
1 S1 P0 L  h& Q& J9 p5 e5 [电磁屏蔽技术通常使用标准金属及其复合材料，它们的屏蔽效能很好，但是存在重量大、价格昂贵、易腐蚀、难于调节屏蔽效能等缺点。导电高分子材料(Conducting Polymers，CPs)具有同样电磁屏蔽性能，且重量轻、韧性好、易加工、电导率易于调节、成本低、易大面积涂敷、施工方便。因此，它是一种非常理想的替代传统金属的新型电磁屏蔽材料，可应用在计算机房、手机、电视机、电脑和心脏起搏器等电子电器元件上[2]。
2．导电高分子材料分类及导电机理
按结构和制备方法不同，可将导电高分子材料(CPs)分为复合型与本征(结构)型两大类。导电高分子材料具有特殊的结构和优异的物理化学性能，其室温电导率可在绝缘体一半导体一金属导体范围内变化(10-9S／cm～l05S／cm)，其导电特性是它在抗静电、电磁屏蔽和吸波材料上的重要应用基础。
2．1复合型导电高分子材料及其导电机理
0 l5 Z# c+ Q6 s复合型导电高分子材料(Conducting Polymer Composites，CPCs)[3]是指经物理改性后具有导电性的高分子复合材料，它以非导电型高分子材料为基体，加入一定数量的导电材料(如碳黑、石墨、碳纤维、金属粉、金属纤维、金属氧化物等)组合而成。复合方法主要有两种，一种是对已经成型的塑料壳体进行表面处理的表面导电膜形成法，包括金属喷镀、真空镀、溅射镀、贴金属箔、湿法化学镀或电镀等；另一种称为导电填料机械加工共混复合法，即将导电填料均匀分散于聚合物基体中制成导电涂料或导电塑料。
复合型导电高分子材料的导电机理比较复杂。一般可分为导电回路如何形成，以及回路形成后如何导电两个方面。Miyasaka等认为高分子树脂基体与导电填料之间的界面效应对复合体系中导电回路的形成具有很大的影响。复合型导电高分子形成导电回路后，导电性主要取决于分布于高分子树脂基体中的导电填料的电子传输。总的说来，其导电性能主要是三种导电机理(导电通道效应、隧道效应、场致效应)相互竞争的作用。在不同情况下出现以其中一种机理为主导的导电现象。
6 N* c4 J( @) g2．2本征型导电高分子材料及其导电机理
本征型导电高分子材料(Intrinsic conducting polymers，ICPs)[4]是由具有共轭π键的聚合物，经化学或电化学“掺杂”后形成导电，导电性显示强烈的各向异性，通过大分子π键电子云交叠形成导带，共轭分子健的方向就是导电方向。从导电载流子的种类来看，又被分为离子型和电子型两类。离子型导电高分子材料通常又叫高分子固体电解质，其导电时的载流子主要是离子 电子型导电高分子材料指的是以共轭π键大分子为主体的导电高分子材料，导电时的载流子是电子(空穴)或孤子(Soliton)。
! F- X6 ~! C. g, J- G) J" c' S高分子聚合物导电必须具备两个条件：(1)要能产生足够数量的载流子（电了、空穴或离了、孤子等）；(2)大分子链内和链间要能够形成载流子导电通道 W.P.Su.J.R. Schriefr和A.J. Heeger于1979年提出孤子(Soliton)理论（简称SSH理论）。根据这一理论，孤子、极化子(Polaron)和双极子化(Bipolaron)被视为导电高分子的导电载流子。实验证实，“掺杂”是实现高分子导电的有效途径，而且证实了它的可靠性和实用性。“掺杂”是氧化还原过程，其实质是电荷转移；其次，导电高分子的“掺杂”量很大，可高达50%；再次，导电高分子有“脱掺杂”过程，而且“掺杂一脱掺杂”过程完全可逆。“掺杂”所用方法包括化学方法、电化学方法以及无离子引入的暂态掺杂法等。无论在掺杂实质、掺杂量、掺杂后形成的载流子性质、掺杂/脱掺杂可逆等方面与无机半导体的“掺杂”概念有本质的差异。因此，深入了解“掺杂”实质、导电机理，探索新的“掺杂”方法，
为新型导电高分子材料应用打下坚实的基础。
$ P' K, `' X  h$ a. m- S% e. Z7 M3．电磁屏蔽原理
电磁屏蔽[5]主要用来防止高频磁场的影响，从而有效控制电磁波从某一区域向另一区域的辐射传播。采用低电阻的导体材料对电磁能具有反射和引导作用，在导体材料内部产生与源电磁场相反的电流和磁极化，从而减弱源电磁场的辐射效果 并利用电磁波在屏蔽导体表面产生反射和在导体内部产生吸收及多次反射而起屏蔽作用。当电磁波传播到达屏蔽材料表面时，通常有三种不同机理进行衰减：一是在入射表面的反射衰减 二是未被反射而进入屏蔽体的电磁波被材料的吸收衰减；三是在屏蔽体内部的多次反射衰减。衰减值越大，表明屏蔽效能(SE)越好。相对电导率αr大，电磁屏蔽效果以反射损耗为主；相对磁导率μr大，电磁屏蔽衰减以吸收损耗为主。根据实际需要，对于大多数电子产品的屏蔽材料，在30MHz-l000MHz范围内，其SE至少达到35dB以上就认为是有效的屏蔽。
* Z: E1 ?3 s6 b* L, w6 O电磁波屏蔽的效果要分两种情况来考虑：远场屏蔽和近场屏蔽。如果放射源与屏蔽材料之间的距离d≥λ/2π时，是远场屏蔽，适用电磁平面波理论；若d<λ/2π，则是近场屏蔽，适用基于电偶极子和磁偶极子的近场屏蔽理论[6]用于电磁屏蔽材料的屏蔽效能(SE)，通常用Schelkunof理论[7]表示，表达式如下：
) C7 I' x) `% l9 TSE=SEA+SER+SEM
式中，SE为电磁屏蔽效果，dB；A为吸收衰减；R为表面单次反射衰减；B为内部多次反射衰减（只在A<I5dB情况下才有意义）。
  }. B  r) d% N( }6 F) l2 \' a! P一般说来，电屏蔽材料衰减的是高阻抗电场，屏蔽作用主要由表面反射R决定，吸收衰减A不是主要的。而磁屏蔽体的衰减主要由吸收衰减A决定，反射衰减R不是主要的。
2 g8 O( E# L/ s性能良好的电磁屏蔽材料应具有较高的电导率α及磁导率μr，为了在较宽广的频率范围内都有好的屏蔽作用，屏蔽材料应是高电导率及高磁导率材料的组合。

leonwhywhy

话说导电高分子当初是实验失败的产物，后来才发现它的牛逼之处

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主要还是和电磁屏蔽相关，导电高分子在抗静电方面现在的应用也很大。