4第电活性高分子材料.ppt
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1、第四章 电活性高分子材料,第一节 概 述 1、电活性高分子材料 在电参数作用下,由于材料本身组成、构型、构象或超分子 结构发生变化,表现出的特殊物理和化学性质的高分子材料。,2、电活性高分子材料类型 至目前,电活性高分子材料包括以下主要类型: 导电高分子材料-第三章 高分子驻极体材料-在电场作用下,材料永久或伴永久极化 现象。 高分子电致变色材料- 高分子电致发光材料- 高分子介电材料-在电场作用下,材料计划能力大大提高, 以极化方式贮存电荷的高分子材料。 高分子电极修饰材料-对电极表面进行修饰,改变其性质, 提高使用效果。,第二节 高分子驻极体和压电、热电现象 一、高分子驻极体概述 1、高分
2、子驻极体 通过电场或电荷注入方式将绝缘体极化,其极化状态在极化 条件消失后能半永久性保留的材料称为驻极体(cLcctret)。具有 这种性质的高分子材料称为高分子驻极体(potymeric electret)。,2、高分子驻极体的结构特征(电荷分布) 高分子驻极体实际上是带有相对恒定电荷的带电体。其荷电 状态和结构如图41。 表面电荷 实电荷 (要求材料本身具有很高的绝缘性能) 驻极体电荷 体电荷 极化电荷 (要求材料的分子内部具有比较大的偶极矩,并且 在电场作用下偶极矩能够定向排列形成极化电荷),3、高分子驻极体的主要类型 根据目前研究现状,主要有两类高分子材料。 、一类是高绝缘性非极性聚合
3、物,如聚四氟乙烯和氟乙烯 与丙烯的共聚物,它的高绝缘性保证了良好的电荷储存性能。 、另外一类是强极性聚合物,如聚偏氟乙烯,这类物质具 有较大的偶极短。 事实上,很多材料都具有压电、热电性能。但是只有那些压 电常数及热电常数值较大的材料才成为压电材料或热电材料。如 表4-1所示。,在有机聚合物中经拉伸的聚偏氟乙烯(PVDF)的压电常数最大, 具有较高实用价值。 4、高分子驻极体的特性 目前研究和使用最多的驻极体是陶瓷和聚合物类驻极体。其 中,聚合物类驻极体具有储存电荷能力强,频率相应范围宽,容易 制成柔性薄膜等性质,具有很大的发展潜力。,二、高分子驻极体的压电、热电作用原理 在驻极体的许多性质中
4、,比较重要的是压电和热电性质。 1、压电性质 当材料受到外力作用时产生电荷,该电荷可以被测定或输 出;反之,当材料在受到电压作用时(表面电荷增加),材料会 发生形变,该形变可以产生机械功,这种物质称为压电材料。 2、热电性质 当材料自身温度发生变化时,在材料表面的电荷会发生变 化,该变化可以测定;反之,当材料在受到电压作用时(表面电 荷增加),材料温度会发生变化,这种物质称为热电材料。 3、压电、热电作用机理 有多种机理解释。其中,主要以材料中具有“结晶区被无序 排列的非结晶区包围”这种假设为基础。即:,、在晶区内,分子偶极矩相互平行,这样极化电荷被集中 到晶区与非晶区界面,每个晶区都成为大的
5、偶极子。 、假设材料的晶区和非晶区的热膨胀系数不同,并且材料 本身是可压缩的。 这样当材料外形尺寸由于受到外力而发生形变时(或温度变 化时),带电晶区的位置和指向将由于形变而发生变化,使整个 材料总的带电状态发生变化,构成压电(热电)现象。如下图:,三、高分子驻极体的形成方法 高分子驻极体的制备多采用物理方法实现。最常见的形成方 法包括热极化、电晕极化、液体接触极化、电子束注入法和光电 极化法。 如,热极化、电晕极化形成法: 1、热极化法形成法 是制备极化型高分子驻极体的主要方法。 在升高聚合物温度的同时,施加高电场,使材科内的偶极子指向化,在保持电场强度的同时,降低材料温度,使偶极子的指向性
6、在较低温度下得以保持,而得到的高分子驻极体。 说明: 、制备时的温度应达到该聚合物的玻璃化温度以上,熔点 以下。,、电场越强、极化过程越快、极化程度越大。 、当聚合物沉积在电极表面时,电荷可以通过电极注入材 料内部,使驻极体带有真实电荷。如果聚合物与电极保持一定间 隔,可以通过空气层击穿放电,给聚合物表面注入电荷。因此热 极化过程经常是一个多极化过程。 特点: 优点是-极化得到的极化取向和电荷累积可以保持较长时间。,2、电晕放电极化法 是制备电荷注入型高分子驻极体的主要方法。 在两电极(其中一个电极做成针型)之间施加数干伏的电压,发生电晕放电,依靠这种放电在绝缘聚合物表面注入电荷,形成高分子驻
7、极体。 说明: 、为了使电流分布均匀和控制电子注入强度,需要在针状 电圾与极化材料之间放置金属网。 、除了电晕放电法以外,其他的放电方法,如火花放电也 可以应用。 特点: 优点是-方法简便,不需要控制温度; 缺点是-稳定性不如热极化形成法。,四、高分子驻极体的应用 1、制作驻极体换能器件 麦克风-将声音引起的声波振动转换成电信号。 驻极体耳机、血压计、水下声纳、超声波探头等均如此。 2、制作驻极体位移控制和热敏器件 利用压电效应,驻极体薄膜会发生弯曲,因此可以制作电控 位移元件。如,光学纤维开关、磁头对准器、显示器件等。 利用热电效应,可以制作测温器件。如,红外传感器、火灾 报警器、非接触式高
8、精度温度计和热光导摄像管等。,3、高分子驻极体在生物医学领域的应用 构成生物体的基本大分子都储存着较高密度的偶极子和分子 束电荷。即,驻极体效应是生物体的基本属性。 因此,驻极体材料是人工器官材料的重要研究对象之一。可 明显改善植入人工器官的生命力及病理器官的恢复,同时具有抑 菌能力,增加人工器官置换手术的可靠性。 4、在净化空气方面的应用 高分子驻极体表面带有电荷,利用静电吸附原理可对多种有 害物质有吸附作用,可以作为空气净化材料。 如,多孔状或者无纺布形式-空气净化过滤器;聚丙烯驻极 体纤维-卷烟过滤嘴(可替代醋酸纤维)。,第三节 电致发光高分子材料 一、电致发光高分子材料概述 1、电致发
9、光高分子材料 当施加电压参量时,能够将电能直接转换成光能量的功能高 分子材料称为电致发光高分子材料。其中电致发光又称电致荧光 现象。 2、电致发光高分子材料发展史 20世纪初发现晶体(SiC)电致发光材料,60年代发现非晶态 的有机电致发光材料,90年代初发现导电聚合物的电致发光材 料。至此,聚合物薄膜型电子发光器件成为研究的主流。,3、电致发光高分子材料的特点 、通过成份、结构等改变,能得到不同禁带宽度的发光材 料,从而获得包括红、绿、蓝三基色的全谱带发光。 、具有驱动电压低、低耗、宽视角、响应速度快、主动发 光等特性。 、材料的玻璃化温度高、不易结晶,具有挠曲性、机械强 度好。 、具有良好
10、的机械加工性能,并可用简单方式成膜,很容 易实现大面积现实。 、聚合物电致发光器件具有体积小、重量轻、制作简单、 造价低等特点。,二、聚合物电致发光器件结构和发光机理 1、聚合物电致发光器件结构 电子发光材料与其他功能高分子材料不同,其性能的发挥在 更大程度上依赖于组成器件的结构和相关器件的配合。 电致发光器件结构一般采用以下三种基本方式:(图4-7) 电荷传输层:主要作用是平衡电子和空穴的传输,是电子和空穴 两种载流子能够恰好在发光层中复合形成激子发光。,2、聚合物电致发光机理 还没有形成完善的理论。仍然沿用无机半导体的发光理论。 、由正、负电极注入载流子(空穴和电子); 、在电场作用下,载
11、流子(空穴和电子)向有机相层传 输; 、空穴和电子在发光层中复合构成激子-高能态中性粒 子;(激子是处在激发态能级上的电子与处在价带中的空穴通过 静电作用结合在一起的高能态中性粒子) 、激子的能量发生转移并以光的形势发生能量耗散(发 光)。 3、电致发光光谱 电子发光的光谱性质依赖于发光材料的价带(在分子中的 键最低空轨道)与导带(在分子中的键最高占有轨道)之间,的能隙宽度,即禁带宽度。禁带宽度是激子能量进行荧光耗散时 的能量,它决定了电致发光的发光波长。 利用分子设计,调整能隙宽度,可以制备出发出各种波长光 的电致发光材料。 三、高分子电致发光材料(种类) 根据电致发光器件的结构,电致发光用
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- 活性 高分子材料
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