导电高分子材料的优点范文

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关键词：导电高分子复合材料；导电性；应用

中图分类号：TQ 316 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）06（a）-0000-00

导电高分子材料就是在高分子材料的基础上，根据使用的要求，加入了相应的导电体，经过多重技术的处理之后，使其具有了较高的导电能力。而由于这种材料在制造的过程中，使用对材料的要求不高，使用的技术加工手段简单，使用的生产成本较低，导电性能较好等原因，受到了社会各界的广泛重视。因此，为了使导电高分子复合材料在当前阶段中更好的应用，在当前的科学研究中，加强对其进行研究成为了必然趋势。

1导电高分子复合材料的导电理论

1.1 统计渗滤模型

在高分子复合材料的导电理论中，首先就是统计渗滤模型，这一模型通常是几何模型为基础上建立的，就是将复合材料中基本物质使用一定技术将其抽象化，使其存在一定形状的分散体系，然后根据一定的机理要求，将其进行重新的排列，使其重新组合成一个整体，使高分子材料中的基本物质成为了连续相，而加入的导电体材料根据其功能的不同，有些成为了连续相，有些成为了分散相，这些有效的分散相以及连续相，就在导电高分子复合材料中构造出了导电通道。在这一模型的基础上，对导电高分子复合材料的电阻率与导电体进行深层次的分析，在两者之间建立相应的联系。最具有代表性的就是在建立统计渗滤模型时，根据不同的需求，将基本物质抽象为形状、大小不同的球型、规则的多面体等，同时将导电体抽象成连续性的珠串等[1]。这种模型有效的将高分子材料的导电理论进行了阐述，但是其也具有一定的缺点，就是其只能使用在较为简单的复合材料中，复合材料中只能有一种基本物质以及导电体材料，对于具有多种基本物质或者导电体材料的复合材料时，虽然也能建立相应的模型，但得到的理论与实际之间会存在较大的差异。

1.2 热力学模型

随着统计渗滤模型的使用，人们逐渐的发现其有一些缺点，例如在构建模型时，往往忽略了基本物质与导电体之间的作用关系，使得到的结果具有一定的偏差，不满足当前社会发展的需求，在这种情况下，就研究出了热力学模型来对导电高分子复合材料导电理论进行了阐述，使结果得到了很大的改进。这一理论是以热力学原理的基础上建立的，在这项理论中，认为构建导电通道的过程中，导电体处于临界状态的体积与模型中多余的自由能具有一定的联系，当模型中多余的自由能达到一定的程度后，就会在模型的内部自动的构建出导电通道。并且，高分子材料中基本物质的熔融粘度较大，更好的阻止了平衡相的分离；导电体粒子的直径较小，更好的帮助平衡相分离。使用这种模型来对导电高分子复合材料进行阐述与实际更加接近[2]。

2 导电高分子复合材料的特殊效应理论

导电高分子材料的性能往往不是一成不变的，在特定的环境中，其性能也会逐渐的在变化着。例如一些导电高分子复合材料在拉力或压力的作用下，就会出现一些特别的效应，例如压敏效应、拉敏效应等，可以根据这些特殊的效应来对地导电高分子复合材料进行阐述。

在压敏、拉敏效应理论中，可以利用通道理论对其进行阐述。在不同的高分子材料，所中具有的临界范围不同，在压敏的情况下，材料中的导电体相对就不是很多，使得导电体的分布不是很好，无法直接构造出导电通道，如果在这时向复合材料施压，压力不是很高时，没有达到材料的最大临界值，复合材料仍然具有高阻态；当所施加的压力过高时，超过了最大临界值，就会使复合材料发生一定的形变，使其内部构建出了导电通道，从而使其具有了导电性。在拉敏的情况下，材料含有大量的导电体，其内部具有一定的导电通道，这时在对其使用拉力时，当垃圾过大，超过最大临界值时，复合材料就会发生形变，致使其全本具有的导电通道遭受了损坏，从而使复合材料不在具有导电性[3]。

3 导电高分子复合材料的应用以及发展趋势

3.1 导电高分子复合材料的应用

导电高分子的原材料一般为聚合物或者具有导电效果较强的填充物，随着科学技术的不断发展，目前已经成功研制出了具有良好导电性的高分子复合材料，且随着高分子复合材料的广泛应用，也增加了抗静电、电磁波屏蔽等功能，使得导电高分子材料获得了巨大的技术突破，目前，根据导电高分子材料的性能不同，可以将其分为半导体材料、高导电体材料、热敏导体材料等，其材料成分不仅有金属材料，如铜、铝等，同时也含有碳系聚合物，大大增加了导电高分子复合材料的稳定性，同时降低了制作成本。另外，由于导电高分子复合材料的优点，使得基于传统的工作方式有了极大程度的改善，如在开关元件生产过程，传统的导电材料的在开关中虽然能够保证电流的有效传输，但是金属材质会产生无用功率，同时导体过热还会引发安全事故，因此，在开关元件的生产中应用高分子复合材料，能够有效的保护用电安全，同时，利用高分子复合材料的热效应，能够制作出热敏传感器，提高能源的利用率，另外，导电高分子复合材料也在航电器的制作、煤电系统、建筑施工中有着广泛的应用[4]。

3.2 导电高分子复合材料的研究进展

由于高分子复合材料具有非常良好的应用前景，因此，我国重视并鼓励高分子复合材料研究的创新和发展，但是高分子复合材料具有较强的不稳定性，其性能容易受到制作工艺、制作环境等外在因素的影响，近年来，先进的导电理论指出寻研制能与复合材料稳定结合的导点模型是未来高分子复合材料的研究发展方向。随着科学技术的不断发展，目前已经得出复合体系的构建是建立导线模型的前提要素，利用拓扑学方法能够有效的对复合材料的参数进行测量，同时能够有效的观测出不同添加剂对导电高分子复合材料的影响。由于高分子复合材料必须具有实用性，因此，导电高分子复合材料的研究上也偏向于增加其稳定性、轻便型、降低制作工艺与成本，同时使导电高分子复合材料能够适应不同的温度及湿度，扩大导电高分子复合材料的应用范围，尽管在理论研究上存在诸多的困难，但是在应用方面已经取得了巨大的突破[5]。

4 总结

综上所述，在现阶段的发展中，导电高分子复合材料占据重要的作用，有效的对其进行使用，可以更好地促进社会的发展。并且随着不断对其进行研究，相关的理论知识已经得到了一定的发展，处在了一个瓶颈阶段，很难在使其继续发展。因此，在当前阶段对导电高分子复合材料进行研究时，就要向着应用方面进行研究，使其在实际中起到更大的作用，有效的促进我国社会的发展。

参考文献

[1]陆昶，胡小宁，赫玉欣等.特殊形态结构导电高分子复合材料的电学性能[J].材料研究学报，2012，07（01）：37.

[2]屈莹莹，赵帅国，代坤等.各向异性导电高分子复合材料的研究进展[J].塑料工业，2012，06（05）：22.

[3]徐晓英，王世安，王辉.复合导电高分子材料微观网络结构及导电行为仿真分析[J].高电压技术，2012，10（09）：2221.

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关键词：液晶　液晶高分子　应用

中图分类号：TN15　文献标识码：A　文章编号：1007-3973(2011)004-031-01

1　引言

液晶高分子材料是在一定条件下可以液晶态存在的高分子所加工制成的材料，较高分子量和液晶有序的有机结合使液晶高分子材料具有一些优异的特性。例如，液晶高分子材料具有非常高的强度和模量，或具有很小的热膨胀系数，或具有优良的电光性质等等。研究和开发液晶高分子材料，不仅可以提供新的高性能材料从而促使技术的进步和新技术的产生，同时可以促进高分子化学、高分子物理学、高分子加工以及高分子应用等领域的发展。因此，研究液晶高分子材料具有重要意义。

2　液晶高分子材料的发展

液晶高分子存在于自然界很多物质中，像是生物体中的纤维素、多肽、核酸、蛋白质、细胞及细胞膜等都存在液晶态。液晶的原理首先在1888年由奥地利植物学家F Reinitzer(F.Reinitzer,Monatsh，Chem,9,421，1888)提出，之后，德国科学家O，Lehamann验证了液晶的各向异性，他建议将其命名为Fliess，endekrystalle，在英语中也就是液晶(Liquid Crystal或简化为LC)。19世纪60年代，人们发现聚对苯甲酰胺溶解在二甲基乙酰胺LiCI中，和聚对苯二甲酰对本二胺溶解在浓硫酸中，都可以形成向列型液晶(根据分子排列的形式和有序性不同，液晶有三种不同的结构类型：近晶型、向列型和胆甾型。向列型液晶只保留着固体的一维有序性，具有较好的流动性)。刚性分子链在溶液中伸展，当其浓度达到临界浓度时由于部分刚性分子聚集在一起形成有序排列的微区结构，使溶液由各向同性向各向异性转变，由此形成了液晶。随即，美国杜邦公司(DuPont’s)先后推出了PSA(聚苯甲酰胺)及Kevelar纤维PPTA(聚对苯二甲酰对苯二胺)，标志着液晶高分子研究工业化发展的开始。到70～80年代，出现了诸如Xydar(美国Dartin公司，1984年),Vectra(美国Calanese公司，1985年)等一系列商用型热致液晶，液晶高分子材料逐渐开始推广。发展至今，液晶这一形态已经成为一个相当大的物质家族，其商业用途多达几百种，例如日常生活中所用的液晶显示手表、计算器、笔记本电脑和高清晰的彩色电视等都已商品化，使得显示技术领域发生重大的革命性变化。

液晶高分子的一系列不同寻常的性质已经得到了广泛的实际应用，其中大家最为熟悉的就是上面说到的液晶显示技术，它是应用向列型液晶的灵敏的电响应特性和优秀的光学特性的典型例子。把透明的向列型液晶薄膜夹在两块导电的玻璃板之间，在施加适当电压的点上变得不透明，因此当电压以某种图形的形式加到液晶薄膜上就产生了图像。这一原理等同于学生日常学习使用的计算器，在通电时液晶分子排列变得有秩序，使光线容易通过；不通电时分子排列混乱，阻止光线通过，因而显示出所要计算的数字。液晶显示器件最大的优点在于耗电低，可以实现微型化和超薄化。与小分子液晶材料相比，液晶高分子在图形显示方面的应用前景在于利用其优点开发大面积、平面、超薄型、直接沉积在控制电极表面的显示器，具有相当大的优势。

液晶高分子还可以利用其热，光效应来实现光存储。首先将存储介质制成透光的液晶态晶体，这时测试的光完全透过，证明没有信息记录；当用一束激光照射存储介质时，局部温度升高而使液晶高分子熔融成各向同性熔体，分子失去有序性：激光消失后，液晶高分子凝结成不透光的固体，信号被记录下来。此时如果再照射测试光，将仅有部分光透过，记录的信息在室温下永久保存。这同目前常用的存储介质――光盘相比，其对信息的存储依靠记忆材料内部的特性变化使得液晶高分子存储材料的可靠性更高，而且不用担心灰尘和表面的划伤对存储数据的影响，更适合于重要数据的长期保存。

此外，将刚性高分子溶液的液晶体系所具有的流变学特性应用于纤维加工过程中，已创造出一种新的纺丝技术――液晶纺丝，这种新技术使纤维的力学性能提高了两倍以上，获得了高强度、高模量、综合性能优越的纤维。由于刚性高分子溶液形成的液晶体系具有高浓度、低粘度和低切变速率下高度取向的流变学特性，因此采用液晶纺丝便顺利地解决了高浓度溶液必然伴随着高粘度的问题。同时，由于液晶分子的取向，纺丝时可以在较低的牵伸条件下就获得较高的取向度，避免纤维在高倍拉伸时产生应力和受到损伤。这样所得的高性能纤维可用于制造防弹衣、缆和特种复合材料等。

3　液晶高分子材料的应用

液晶高分子材料不仅在化学、物理方面得到了广泛的应用，其在生物医学方面的应用也是不可小视的。由于在电、磁、光、热、力等条件变化时，液晶高分子将发生显著的变化，使得液晶高分子膜比一般的膜材料具有更高的透过量和选择性。因此，利用溶致性液晶(根据液晶形成条件的不同液晶态物质又可分为“热致型液晶”和“溶致型液晶”)高分子的成型过程，如形成层状结构，再进行交联固化成膜，可以制备具有部分类似功能的膜材料。脂质体是液晶高分子在溶液中形成的一种聚集态，这种微胶囊最重要的应用就是作为定点释放和缓释药物的使用。微胶囊中包裹的药物随体液到达病变点后被酶作用破裂释放出药物，达到定点释放药物的目的。

如前所述，作为新兴的功能材料，液晶高分子材料具有很多突出的优点。随着人们对它不断的研究，液晶高分子材料会逐步代替目前使用的部分金属和非金属材料。液晶高分子材料作为一种较新的高分子材料，人们对它的认识还不充分，但在不远的将来，液晶高分子材料的应用一定会越来越广泛。对人类的生存和发展做出新的贡献。

参考文献：

[1]罗祥林.功能高分子材料[M].京：化学工业出版社,2010.

[2]何曼君，张红东等.高分子物理[M].上海：复旦大学出版社，2007.

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1 红外光谱法（IR）的应用—— 对高分子絮凝剂进行官能团认证

红外光谱法通常是作为分析各种高分子聚合物材料的最佳选择。到目前为止，红外光谱仪可分为三代，第一代是用棱镜作为分光元件，缺点是分辨率较低，且对仪器的操作环境要求较高；第二代是用衍射光栅作为分光元件，不仅分辨率得到了提高，而且价格较便宜、对操作环境的要求也不高；第三代是傅立叶变换红外光谱仪，具有光通量高、噪音低、测量速度快、分辨率高、波数准确度高、光谱范围宽等优点。

上述三代红外光谱技术一般都是指透射红外光谱技术，由于透射红外光谱技术存在如下缺点：

（1）利用固体压片或液膜法采集样品，制作样品操作繁琐，且光程难以控制一致，导致测量结果出现误差。

（2）由于大多数物质都有自己独特的红外吸收光谱，当样品中存在多个组分时，导致谱峰重叠。

因此，采用透射红外光谱技术对某些样品进行测试仍有较大的局限性。随着光谱分析技术的迅速发展，漫反射、衰减全反射等硬件以及差谱等软件技术的出现，弥补了透射红外光谱技术的缺陷，大大扩展了红外光谱技术的应用领域。尤其是傅立叶变换红外光谱（FT-IR）技术更成为对高分子聚合物进行定性、定量分析的有力工具。

对于某一未知高分子材料，首先根据样品的外观特性、来源、用途以及物理性质进行初步分析，然后根据判定结果选择适当的方法进行分离。对于一些组成较简单、主要组分含量又特别高的高分子材料，也可不分离直接测定。

1.1 样品制备

分析某一高分子材料，首先必须预处理样品，目的是尽可能分离各组分。通常采用的方法是溶剂萃取法，该方法是根据在不同溶剂中的不同溶解性能从而将不同的高分子材料分离出来。不同的高分子絮凝剂所用的添加剂各不相同，选择适当的萃取剂是非常必要的。选择依据是尽量选择那些对聚合物溶解度小而对添加剂溶解度大的溶剂。

1.2 谱图分析

将样品分离以后，即可作红外光谱分析。一般从红外光谱图中仅能得到分子的结构及相应的官能团信息，并不能知道该物质具体是什么。因此，在解析红外谱图时，应更多的了解样品的物理化学性质、不饱和度、元素分析等信息。

得到红外谱图之后，一般从该谱图中的强吸收谱带开始分析，通过分析这些强吸收谱带，即可得到对应于化合物的主要官能团信息，从而得到未知化合物的主要分子结构；然后依次分析其它较弱的吸收谱带。

1.3 比对验证

通过以上初步分析，再将谱图与“萨特勒”（Sadlter）标准红外光谱集进行比对。通过对比验证可以得到化合物的名称、分子式、结构式等相关信息。在比对验证过程中，首先可根据样品的分子式及可能的结构式并结合物理常数查阅。若样品谱图与标准谱图完全符合，即可确定此样品。如果是新化合物，查不到其标准图谱，则可结合其它分析方法如元素分析、核磁共振、质谱等来确定其分子结构。

2 核磁共振法（NMR）的应用

对高分子聚合物作各种表征时主要利用核磁共振法：均聚物立规性分析；异构体的鉴别；共混及三元共聚物的定性定量分析；官能团鉴别；端基表征；序列分布及等规度的分析等。采用核磁共振技术分析研究高分子聚合物的方法是：选用合适的溶剂、提高温度或采用高场仪器的液体高分辨率技术；或是利用固体高分辨核磁共振光谱仪，采用魔角旋转等技术。

3 扫描电镜（SEM）的应用

扫描电镜是利用高能电子束对样品表面作光栅扫描，从而得到反映样品表面性质的图像。样品的质量决定了成像的质量，良好的样品应是导电、干燥的固体样品。若导电性不好可以在表面喷镀一层均匀、连续的重金属膜。

4 透射电镜（TEM）的应用

透射电镜是利用能量的损失及其方向的改变来测量样品的厚度。在操作时，将液体样品滴到有支持膜的铜网上，再用滤纸吸去多余的液体，晾干后放入电镜内即可。

该文介绍了以上几种大型仪器在高分子絮凝剂的结构分析表征以及絮凝性能方面的应用。可以看出，现代仪器分析技术在研究高分子絮凝剂的性能，并使之应用到废水处理当中具有很好的发展前景，值得深入探讨。

参考文献

薛奇编.高分子结构研究中的光谱方法.北京：高等教育出版社，1995.

张雪芹，潘远江，李杨.核磁共振方法在高分子聚合物方面的应用.现代科学仪器，2001（6）：22，29-33.

赵华章，高宝玉，岳钦艳，等.二甲基二烯丙基氯化铵的合成及分析.油田化学，2000，17（2）：184-187.

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[关键词]材料 发展 金属材料 无机非金属材料 高分子材料

人类社会的发展历程,是以材料为主要标志的。历史上,材料被视为人类社会进化的里程碑。对材料的认识和利用的能力,决定着社会的形态和人类生活的质量。历史学家也把材料及其器具作为划分时代的标志:如石器时代、青铜器时代、铁器时代、高分子材料时代……

100万年以前,原始人以石头作为工具,称旧石器时代。1万年以前,人类对石器进行加工,使之成为器皿和精致的工具,从而进入新石器时代。现在考古发掘证明我国在八千多年前已经制成实用的陶器,在六千多年前已经冶炼出黄铜,在四千多年前已有简单的青铜工具,在三千多年前已用陨铁制造兵器。我们的祖先在二千五百多年前的春秋时期已会冶炼生铁,比欧洲要早一千八百多年以上。18世纪,钢铁工业的发展,成为产业革命的重要内容和物质基础。19世纪中叶,现代平炉和转炉炼钢技术的出现,使人类真正进入了钢铁时代。与此同时,铜、铅、锌也大量得到应用,铝、镁、钛等金属相继问世并得到应用。直到20世纪中叶,金属材料在材料工业中一直占有主导地位。20世纪中叶以后,科学技术迅猛发展,作为发明之母和产业粮食的新材料又出现了划时代的变化。首先是人工合成高分子材料问世,并得到广泛应用仅半个世纪时间,高分子材料已与有上千年历史的金属材料并驾齐驱,并在年产量的体积上已超过了钢,成为国民经济、国防尖端科学和高科技领域不可缺少的材料。其次是陶瓷材料的发展。陶瓷是人类最早利用自然界所提供的原料制造而成的材料。50年代,合成化工原料和特殊制备工艺的发展,使陶瓷材料产生了一个飞跃,出现了从传统陶瓷向先进陶瓷的转变,许多新型功能陶瓷形成了产业,满足了电力、电子技术和航天技术的发展和需要。

现在人们也按化学成分的不同将材料划分为金属材料,无机非金属材料和有机高分子材料三大类以及他们的复合材料。

金属材料科学主要是研究金属材料的成分组织、结构、缺陷与性能之间内在联系的一门学科。金属材料科学与工程的工作者还要研究各种金属冶炼和合金化的反应过程和相的关系,金属材料的制备方法和形成机理,结晶过程以及材料在制造及使用过程中的变化和损毁机理。对其按化学成份进行分类可以分为钢铁、有色金属以及复合金属材料。按用途分类包括结构材料和功能材料。

金属基复合材料(MMC)因其良好的性能而得到了人们广泛的关注。它是一类以金属或合金为基体,以金属或非金属线、丝、纤维、晶须或颗粒状组分为增强相的非均质混合物,其共同点是具有连续的金属基体。目前,特别是航空航天部门推进系统使用的材料,其性能已经达到了极限。因此,研制工作温度更高、比刚度和比强度大幅度增加的金属基复合材料,已经成为发展高性能结构材料的一个重要方向。1990年美国在航天推进系统中形成了3250万美元的高级复合材料(主要为MMC)市场,年平均增长率16%,远高于高性能合金的年增长率1.6%。

无机非金属材料是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材料。是除有机高分子材料和金属材料以外的所有材料的统称。在晶体结构上,无机非金属的晶体结构远比金属复杂,并且没有自由的电子。具有比金属键和纯共价键更强的离子键和混合键。这种化学键所特有的高键能、高键强赋予这一大类材料以高熔点、高硬度、耐腐蚀、耐磨损、高强度和良好的抗氧化性等基本属性,以及宽广的导电性、隔热性、透光性及良好的铁电性、铁磁性和压电性。无机非金属材料已从传统的水泥、玻璃、陶瓷发展到了新型的先进陶瓷、非晶态材料、人工晶体、无机涂层、无机纤维、半导体材料以及光学材料。由于新型无机非金属材料除具有传统无机非金属材料的优点外,还有某些特征如:强度高、具有电学、光学特性和生物功能等,因此它们已成为现代新技术、新产业、传统工业技术改造、现代国防和生物医学所不可缺少的物质基础。

高分子材料为有机合成材料,亦称聚合物。自20世纪20年代德国著名科学家斯托丁格开创这一学科以来,高分子科学和技术的发展极为迅猛,如今已形成非常庞大的高分子工业。它具有较高的强度,良好的塑性,较强的耐腐蚀性能,很好的绝缘性能,以及重量轻等优良性能,在是工程上的发展最快的一类新型结构材料。高分子材料按其分子链排列有序与否,可分为结晶聚合物和无定型聚合物两类。结晶聚合物的强度较高,结晶度决定于分子链排列的有序程度。工程上通常根据机械性能和使用状态将其分为三大类:塑料、橡胶以及合成纤维。其中,我国的合成纤维、合成树脂和合成橡胶已分别居世界产能的第一、二和三位。

参考文献:

[1]谢盛辉.《材料科学发展史》课程构想及教学纲要. 2006,26,(5).

[2]许顺生.金属材料科学概述.中国科学院上海冶金研究所.

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1实验步骤

1．1实验前准备（1）制备校正用零浊度水．参照国际标准ISO7027中规定的方法，选择孔径为0．1μm（或0．2μm）的微孔滤膜过滤蒸馏水，反复过滤2次以上，本实验过滤5次，所获得的滤液即为检定用的零浊度水．该水贮存于清洁的，并用该水冲洗后的玻璃瓶中．（2）打开SGZ－2P浊度仪背后的电源开关，预热30min．（3）分别用上述制得的校正用零浊度水和400浊度水校正浊度仪．（4）称取0．10g钛白粉，放于烘箱进行烘干，15min后取出．待冷却片刻后，倒进烧杯中，向其中加蒸馏水至40mL，用玻璃棒搅拌均匀，静置20min，然后采取上清液，放于浊度仪中，待读数稳定后，记录浊度值．

1．2制备硅酸钠溶液（1）称取0．15g二氧化硅粉末和0．20g氢氧化钠，在烧杯中溶解，稀释并充分反应，静置，澄清，用移液管将所得上清液（硅酸钠溶液）转移至试管中．反应式如式（1）所示。（2）制备活性硅酸溶胶．用另一试管取适量盐酸，使用滴管将上述硅酸钠溶液逐滴加入盐酸中，边加边振荡试管，并使用广泛pH试纸测定生成物的pH值，pH值大于9．0（这里定为10．0）时停止滴入硅酸钠溶液．反应式如式（2），（3）所示．（3）同样称取0．10g导电钛白粉，放于烘箱烘15min，冷却片刻后倒入烧杯中，将上述所得的硅溶胶转移进来，加蒸馏水稀释至40mL，用玻璃棒搅拌均匀待测．

1．3测量数据首先重复步骤（2），分别在pH值为11．0，12．0，13．0，14．0时停止滴入硅酸钠溶液．然后再重复步骤（3），用样品试样瓶取样，放于浊度仪中测定其浊度值，待读数稳定后记录此时悬浊液的浊度值。

2结果与讨论

2．1实验数据在温度为20℃，相对湿度为53％的实验条件下，测试不同pH值的活性硅酸溶胶作为分散剂的钛白粉悬浊液的浊度值，其实验结果见表1．

2．2分析与讨论

2．2．1无机表面改性根据浊度值与分散性的关系可知，经过处理（进行无机表面改性）后的导电钛白粉的分散性比未经处理导电钛白粉的分散稳定性有显著的改善．当pH值在11左右时，浊度值最大，此时分散系的分散稳定性最好．这是因为硅包膜通过生成“活性硅”形成一层均匀致密的无定形水合氧化硅膜．当Na2SiO3酸化时，最初析出的是Si（OH）4．单体形式的Si（OH）4活性很大，很快生成硅氧烷链的聚合硅胶．活性硅就是指单体的和低聚合度的水合氧化硅，而具有高分子量的聚合物不活泼．这种膜的特征是：首先膜厚基本均匀，结构致密，是连续的，不是多孔的海绵状；其次氧化硅以羟基形式牢固地结合到钛白粉表面．二氧化硅与钛白粉之间是通过Si—O—Ti结合在一起的颗粒．无机表面改性就是将无机化合物或金属通过一定的手段在其表面沉积，形成包覆膜，或者形成核－壳复合颗粒，改善表面性能［16］．

2．2．2酸碱度的影响由表1看出浊度值随着pH值增大而不断增大，到达11时达到最大值，再继续增大pH值，浊度值会逐渐减小，当接近14时浊度值达到最小．在pH＝11．0时浊度值达到了一个峰值，表明此时导电钛白粉在pH＝11．0的活性硅酸溶胶中分散稳定性达到了最佳的效果；而在pH＝12．0，pH＝13．0和pH＝14．0时，浊度值急剧下降，说明分散效果变差了，而且pH越大（碱性越强），浊度值越小．这是因为粉体表面主要受相互排斥的静电斥力和相互吸引的范德华力的作用，当静电斥力远远大于范德华力时，分散性就好，否则分散性很差．pH值是通过改变钛白粉颗粒表面的正负电荷量从而形成双电层，而这种双电层可以看作是四周被同一电荷所包围的粒子，当pH值改变时，电荷浓度发生变化，电荷产生斥力，当这种斥力大于范德华引力时，粒子就会分开，体系处于分散稳定状态．

2．2．3防静电性能的钛白粉用ATO包覆TiO2获得的ATO／TiO2导电粉体［18］，能同时具备ATO与TiO2的优点：既有一定的导电性，颜色较浅，能吸收紫外光，又具有很好的耐候性及高温使用性能．ATO、ATO／TiO2粉作为一种新型的功能导电材料，主要是以添加剂的形式应用于各种材料中，用于制备各种颜色的永久性导电、电磁屏蔽及防静电材料，如导电涂料、导电胶（粘合剂）、导电塑料、导电橡胶、导电陶瓷、导电水泥、导电油墨、导电纤维等导电制品．以上采用的溶剂是蒸馏水，实验结果表明，采用无水乙醇作溶剂时，重复实验步骤（4），导电钛白粉悬浊液的浊度值也要远远大于5．60，说明采取无水乙醇作为溶剂时，导电钛白粉悬浊液的分散体系比在蒸馏水中要稳定得多，分散性更好．Ti—O的不平衡使TiO2极性很强，表面吸附的水因极化而发生解离，易形成羟基．TiO2颗粒的比表面积越大，表面羟基数量越多．羟基的存在可提高TiO2作为吸附剂及各种载体的极性，为表面改性提供方便．尽管TiO2本性是亲水憎油的，改性就是利用一定的化学物质通过一定的工艺方法使其与TiO2表面上的羟基发生反应，消除或减少表面醇羟基的量，接枝或包覆其他化学物质，使产品由亲水变为疏水，以达到改变表面性质的目的［19］．另外经改性后的钛白粉具有亲油性，这对各种高分子材料的多功能改性提供了重要的方法，由此对可以研制防静电多功能高分子材料提供了理论依据．

3结束语

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机遇与科研同行

据统计，美国从1960―1973年由静电引起的火灾爆炸中，仅装油事故就166起；日本的静电火灾每年约发生100起，其中人体带电所酿成的火灾约占据20%。静电产生的火花和易燃易爆气体、液体、粉尘等物质接触后，所导致的安全隐患相当严重。我国是一个拥有13亿人口的大国，其中有近7亿的一线产业工人，每年因防护服装的功能性弱、稳定性差、环保指标不达标所造成的安全健康问题也相当严重。

近年来，国家出台《中华人民共和国安全生产法》、《个体防护装备选用规范》等相关法律法规，对防静电职业安全防护工装面料的配备标准提出新要求。为更好地保障火药、化工、煤炭等行业工作服装的安全性，国家安全生产监督管理总局提出将防护服防静电标准由GB 12014―1989修订为GB 12014―2009，于2009年12月1日正式推行。

该标准出台，要求中石油、中石化等相关部门企业在采购防静电工装时，不仅要重视防静电服装的功能性，更要考虑到功能在安全防护基础上的耐久性。防静电安全国内导电材料也由原来的三足鼎立提升为目前炭黑成分导电纤维才能符合GB 12014―2009标准要求，这给面料、服装生产企业带来了较大的技术难度。

蓝天海20年来致力于防静电面料开发研究，始终重视科研。2010年，公司与中国纺织科学研究院江南分院合作成立了中国纺织科学研究院江南分院特种面料研发中心，从而成为国内为数不多的集研发与销售于一体的科技创新型企业；2012年蓝天海和清华大学合作，成功推出中国第一块功能性品牌面料吊牌；2013年聘请加拿大阿尔伯塔大学教授宋国文作为公司的高级技术顾问，为公司研发能满足中国6.5亿产业工人安全防护要求的功能性面料。

蓝天海作为防护服国家标准主要起草单位及国内最大最具专业的防静电安全防护面料供应商，攻克了达到GB 12014―2009标准的技术难关。为确保面料的防静电性能，蓝天海从采用不锈钢导电材料开始，经历了研制防静电整理剂、金属氧化物导电材料、炭黑导电材料等阶段。防静电面料组织也从镶嵌到目前的经纬交织，防静电性能进一步提高，并确立了独特的“蓝翔GB 12014―2009面料十项生产要求”及“蓝翔GB 12014―2009面料使用注意事项”。

当难点遇到“蓝天海”

防护服受环境、洗涤次数及穿着时间的延长的影响，有可能出现导电性能的衰减。为确保使用蓝翔面料制作的防护服在使用中防静电安全性能的稳定，蓝天海采用了耐光性和稳定性好的第五代40D/7F炭黑涤纶基导电材料，终于生产出了“蓝翔”第四代高性能防静电安全防护面料。

“生命无价，安全是天，我们在确保蓝翔工装面料的防静电性能符合GB 12014―2009标准的基础上，在行业内首家承诺蓝翔工装面料的防静电安全防护性能在3年内有效。”该公司技术部人员介绍说。

从外观看，蓝翔第四代高性能B级防静电安全防护面料与同行的防静电面料基本一致，但该面料的导电性能已明显优于GB 12014―2009 B级标准，部分产品已达到GB 12014―2009 A级标准，面料表面电阻在1×105Ω～1×108Ω之间，并具有耐光及导电性能稳定的特点。

该面料最大的优势在于，耐光、耐摩擦、耐屈曲、耐氧化及耐腐蚀能力强，可缓解防护服受阳光等环境、洗涤次数及穿着时间的延长出现导电性能的衰减现象。面料具有的高导电性能的特性，可确保防护服在穿着1～2年时间内防静电安全防护性能的有效性。同时，蓝翔面料的甲醛、偶氮、pH值、透气性、强力明显高于GB 18401―2010等相关国家标准。

据蓝天海技术人员介绍，第四代面料的关键技术难点是第五代导电材料的研发，为了使导电纤维达到良好的可纺性，公司技术人员主要攻克了母粒与皮层其他组分的相容性、皮层组分的流动性的难题。同时，攻克了导电母粒的多色配方方法，导电成分露与藏的比例对纤维性能的影响，皮层组分的改变对导电纤维物理性能的影响等技术难题。

第五代导电纤维选用了超导炭黑作为导电体，它具有粒径小而均匀、较大的DBP吸油值及BET比表面积值等优点。同时，选择适合制造纤维的高分子材料助剂，以及耐光性和耐热性好的聚酯为基材，并在生产过程中适时增加纤维中的炭黑含量，通过添加剂克服炭黑与高分子材料界面间的分散性，寻找最佳加工参数研制而成的特殊的复合纤维，使导电炭黑以小于1.5pm的幅度间隔部分在纤维表面外露、部分在纤维内部蕴藏，也使导电纤维导电性能优良并且更加耐久。

面对市场与未来

随着国家、行业、企业对安全生产的重视，以及产业工人对自身保护意识的增强，很多原来对防静电服装没有需求的行业，也纷纷开始使用防静电安全防护服装。目前，市场主要的应对措施有两种：一种是研发新型的导电丝，另一种是采用不同原料、不同生产工艺加工防静电面料。蓝天海在防静电面料方面一直走在前列，在同行只简单采用白丝、灰丝、黑丝的时候，他们已经与其供应商共同开发出了白丝2号、黑丝2号等系列产品。

篇7

关键词：纳米 陶瓷膜

一、前言

陶瓷材料作为全球材料业的三大支柱之一，在日常生活及工业生产中起着举足轻重的作用。但是由于存在脆性（裂纹）、均匀性差、可靠性低、韧性、强度较差等的缺陷，因而使其应用受到了一定的限制。随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随之产生，它克服了陶瓷材料的许多不足，并对材料的力学、电学、热学、磁光学等性能产生重要影响，为陶瓷材料的应用开拓了新领域使陶瓷材料跨入了一个新的历史时期。

纳米陶瓷膜便是纳米陶瓷材料的大家庭中的一种，其产生于21世纪初，具有分离效率高、效果稳定、化学稳定性好、耐酸碱、耐有机溶剂、耐菌、耐高温、抗污染、机械强度高、膜再生性能好、分离过程简单、能耗低、操作维护简便、膜使用寿命长等众多优势，并且对GPS信号无任何屏蔽作用。纳米陶瓷隔热膜是21世纪的航天领域高科技产品，该产品起先应用于美国军事、航空、航天领域。

二、正文

1.纳米陶瓷膜简介及研发历史

陶瓷膜技术是膜技术中的翘楚，但20世纪80年达国家已在广泛应用时，中国在此领域却还是一片空白。十几年过去了，依靠自主创新，中国陶瓷膜技术从无到有，不仅打破了国外的封锁与垄断，还达到了国际领先水平。膜是一种高分子化学材料，它有无数个只能用微米甚至纳米计算的小孔，既有分离、浓缩、净化和脱盐功能，又有高效、节能、环保、分子级过滤等特征。膜技术发明之后便广泛运用于食品加工、水质净化、环境治理、制药工业、化工与石油化工等领域，用来实现产品的净化分离。陶瓷膜就是由经过高温烧结的陶瓷材料制成的分离膜。由于具有独特的耐性，其一进入市场便成为膜领域发展最为迅速、也最有发展前景的品种之一。

到1989年底，南京工业大学徐南平院士才开始了在陶瓷膜领域的艰难探索。经过二十多年的不懈奋斗与努力，中国在陶瓷膜领域不仅打破了西方的封锁与垄断，而且依靠自主创新达到了国际先进水平。

2.纳米陶瓷膜特征与原理

相较于传统聚合物分离膜材料，陶瓷膜具有化学稳定性好，能耐酸、耐碱、耐有机溶剂；机械强度大，可反向冲洗；抗微生物能力强；耐高温；孔径分布窄、分离效率高等优点，在食品工业、生物工程、环境工程、化学工业、石油化工、冶金工业等领域得到了广泛的应用，其市场销售额以30%的年增长率发展着。陶瓷膜的不足之处在于造价较高、无机材料脆性大、弹性小、给膜的成型加工及组件装备带来一定的困难。

陶瓷膜分离工艺是一种“错流过滤”形式的流体分离过程：原料液在膜管内高速流动，在压力驱动下含小分子组分的澄清渗透液沿与之垂直方向向外透过膜，含大分子组分的混浊浓缩液被膜截留，从而使流体达到分离、浓缩、纯化的目的。

陶瓷膜是由孔隙率30%～50%、孔径50nm～15μm的陶瓷载体，采用溶胶-凝胶法或其它工艺制作而成的非对称复合膜。用于分离的陶瓷膜的结构通常为三明治式的：支撑层（又称载体层）、过渡层（又称中间层）、膜层（又称分离层）。其中支撑层的孔径一般为1～20μm，孔隙率为30%～65%，其作用是增加膜的机械强度；中间层的孔径比支撑层的孔径小，其作用是防止膜层制备过程中颗粒向多孔支撑层的渗透，厚度约为20～60μm，孔隙率为30%～40%；膜层具有分离功能，孔径从0.8nm～1μm不等，厚度约为3～10μm，孔隙率为40%～55%。整个膜的孔径分布由支撑层到膜层逐渐减小，形成不对称的结构分布。

陶瓷膜根据孔径可分为微滤（孔径大于50nm）、超滤（孔径2～50nm）、纳滤（孔径小于2nm）等种类。进行分离时，在外力的作用下，小分子物质透过膜，大分子物质被膜截留，从而达到分离、浓缩、纯化、去杂、除菌等目的。

3.纳米陶瓷膜的优势

陶瓷隔热膜系是由导电性物质氮氧化物组成，具有独特的分子结构，是一种性能独特并持久耐用的复合陶瓷膜结构。因而其具有阻隔红外线、分离效率高、效果稳定、化学稳定性好、耐酸碱、耐有机溶剂、耐菌、耐高温、抗污染、机械强度高、膜再生性能好、分离过程简单、能耗低、操作维护简便、膜使用寿命长、隔热性能好，质量稳定等众多优势，并且对GPS信号无任何屏蔽作用。能够保持最高的可见光透射率的同时，又能提供最高的红外线和远红外线的反射。

4.纳米陶瓷膜的研究现状

纳米陶瓷膜目前主要采用纳米材料淀积技术，与PET表面涂布纳米陶瓷有所不同，它是将纳米陶瓷材料混合到PET基材颗粒，从而提高产品性能，使其达到前所未有的稳定。在金属膜的技术上通过纳米陶瓷技术，采用先进的真空磁控溅射工艺，用精微的纳米状陶瓷物质来制造，从而使产品对光进行智能滤光筛选，最大限度阻隔热量，性能大大优于单纯金属薄膜。此外，纳米陶瓷膜的生产还采用了高隔热低反光技术，一方面可以使薄膜有效隔热率超过90%，提高室内舒适度和节省能源；另一方面却没有增加薄膜的反光。通常提高隔热能力的同时，总是要加强隔热膜的反光，这样会使得室内可见光大量损失，并且使得通信信号大幅减弱；强烈的内反光极易干扰视线，引起视觉疲劳。

5.纳米陶瓷膜的应用前景

随着现代科学技术的发展和生活水平的提高，人们越来越重视节能和环。建筑物门窗玻璃、顶棚玻璃、汽车玻璃和船舰玻璃对可见光的透过性有较高的要求，但在满足采光需要而使可见光透过的同时，太阳光的热量也随之传递。因此，对室内温度和空调制冷能耗产生一定程度的影响。在夏季这种影响特别显著，透过玻璃窗进入室内的太阳能量加大的了空调的载荷。通常空调的设定温度与负荷具有如下关系：设定的制冷温度提高2℃，制冷电力负荷将减少约20%；设定的制热温度调低2℃，制热电力负荷将减少约30%。为了节约能源，人们采用了金属镀膜热反射玻璃和各种热反射贴膜，用以反射部分太阳光中的能量，从而达到隔热降温的目的。但是，这种做法对产品的应用构成影响，要么达不到预定的效果，要么加大了制作工艺成本。纳米陶瓷膜出现，为透明隔热问题的解决提供了新的途径，具有广阔的应用前景及市场价值。目前在国内，研发应用此产品已经引起了不少公司的关注。

三、结论

近几十年来，陶瓷材料的应用及发展是非常迅速的，陶瓷材料作为继金属材料、高分子材料后最有潜力的发展材料之一，它在各方面的综合性能明显优于现在使用的金属材料和高分子材料。陶瓷材料的应用前景还是相当广阔的，尤其是能源、信息、空间技术和计算机技术的快速发展，更加拉动了具有特殊性能材料的应用。相信在不久的将来，陶瓷材料会有更好、更快的发展，展示出其重要的应用价值，为人类的文明发展做出重要贡献。

参考文献 ：

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Abstract： The conductivity properties and temperature-resistance characteristic of polymeric conductive composites filled by titanium diboride are investigated. The resistance of conductive composites decreases slowly with the increasing content of titanium diboride， and then decreases rapidly to low resistance state when the content of titanium diboride reaches a critical value. The resistivity of conductive composites increases slowly with the increasing temperature， and then increases rapidly to high resistance state when the temperature reaches the melting temperature of the polymer. Electron beam radiation crosslinking can eliminate resistance negative temperature coefficient of the conductive composites.

P键词：二硼化钛；导电复合材料；聚合物基；负温度效应

Key words： titanium diboride；conductive composites；polymeric；negative temperature coefficient

中图分类号：TB332 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）15-0157-03

0 引言

聚合物基导电复合材料在正常温度下可维持较低的电阻值，当温度升高到聚合物熔融温度附近时，其电阻会突变为高电阻状态[1-3]。因此可把聚合物基导电复合材料制备成电路保护元件，连接到电路中，当电路中发生过电流或过高温情况时，其电阻会突变为高阻，截断电路，达到保护电路中其它元件的目的，此类材料已被广泛应用于移动终端如智能手机、平板电脑、笔记本电脑锂电池的过电流保护。

聚合物基导电复合材料一般由聚合物和导电填料复合而成，导电填料均匀分布于聚合物基材中[4-6]。常用于导电复合材料中的聚合物有聚乙烯、聚偏氟乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物等，而导电填料一般为碳黑、金属粉或导电陶瓷粉[7-8]。碳黑具有性能稳定，价格低廉的优点，但是，由于碳黑的导电率较高，无法制备出低电阻率的导电复合材料。镍、铜等金属粉具有极低的电阻，但是易氧化，需要对导电复合材料进行包封，造成加工工艺复杂，失效风险较高。为得到较低的电阻值，同时克服金属粉易氧化的弊端，具有优异导电性能和抗氧化能力的导电陶瓷粉逐渐成为近期研究的热点。本文主要研究以二硼化钛（TiB2）陶瓷粉填充聚合物导电复合材料的电性能和温度-电阻特性。

1 样品制作及测试

1.1 原材料及样品制作

高密度聚乙烯（HDPE），中国石油天然气股份有限公司生产，牌号2200J，熔体流动速率为5.5g/10min，断裂伸长率80%，密度ρ=0.964g/cm3。TiB2粉末，粒径3～5μm，密度4.45g/cm3，电阻率14×10-6（Ω・cm）。

将HDPE、TiB2按照一定的配比加入转矩流变仪中混炼，转矩流变仪的温度为185℃，转速为30rpm，混炼时间为15分钟，然后将混炼好的复合材料热压成0.3mm厚的片状。再通过热压合在片状材料的两面压合铜电极箔。热压合的温度为185℃，压力为5MPa，压合时间为10分钟。然后在水冷冷压机上冷压5分钟，冷压压力为5MPa。最后将压合好的片材切割成4*5.5mm的小芯片。

1.2 测试与表征

电阻的测试：SB2230型数字直流电阻测试仪测试电阻。温度-电阻特性测试：将样品放在温度程序控制仪控制的烘箱中以一定速率升温，升温速率为2℃/min，同时采集测试样品在各个不同温度时的电阻值。扫描电子显微镜观察复合材料断面形貌。

2 结果与分析

2.1 TiB2填充量与导电复合材料导电性能的关系

图1是TiB2填充聚乙烯导电复合材料的电阻和TiB2体积分数的关系。从图中可以看出，导电复合材料的电阻与TiB2体积分数的关系是非线性的。当TiB2体积分数比较低（0～25%）时，导电复合材料的电阻随着TiB2体积分数的增加而小幅下降；继续增加TiB2的填充量，当TiB2体积分数达到30%左右时，导电复合材料的电阻开始急剧下降，在较窄的一段体积分数区间（25%～35%）内降幅高达多个数量级，出现绝缘体-导体转变，即逾渗现象；当TiB2的体积分数超过临界区域后，导电复合材料的电阻变化幅度又逐渐平缓。

导电填料含量与导电复合材料电阻的这种非线性关系可以用导电通道理论来解释。当TiB2体积分数较低时，TiB2粉末颗粒之间间距过大，还未相互接触形成导电通道，此时导电复合材料的电阻随TiB2含量的增加变化较小；当TiB2体积分数达到某一临界点时，TiB2颗粒之间开始接触，开始形成连通的导电通路，此时TiB2体积分数的少量增加就会使导电通道大规模形成，从而出现导电复合材料电阻的绝缘体-导体突变；超过临界区域以后，导电复合材料中的导电网络已经基本完善，再进一步增加TiB2的体积分数对导电复合材料的电阻影响不显著。

2.2 温度对不同TiB2含量的导电复合材料电阻的影响

图2为不同TiB2含量的导电复合材料的温度-电阻特性曲线。从图中可以看出，在25～110℃区域，У绺春喜牧系牡缱杷孀盼露鹊纳高缓慢上升；从110℃至HDPE熔融温度峰值（约135℃）的温度区间内，导电复合材料的电阻随温度的上升而急剧增大，形成导体-绝缘体转变，即电阻正温度效应；超过HDPE熔融温度峰值135℃以后，导电复合材料的电阻处于高阻状态，但是电阻呈现逐渐下降的趋势，出现电阻负温度效应（NTC）现象。从图2中还可以看出，随着TiB2含量的增加，导电复合材料电阻随温度的突变程度减小，这是因为当TiB2含量较低时，导电通道还不完善，有些地方可能仅有少量导电通道，聚合物结晶相熔融和体积膨胀很容易破坏这些薄弱的地方，从而导致电阻随温度的变化程度更大；TiB2含量增加时，导电通道数量增加，导电网络趋于完善，结晶相熔融和体积膨胀等因素导致的局部导电链的破坏对整个导电通道的影响减小，因此电阻随温度的变化程度变小。

多种因素的共同作用使导电复合材料产生了电阻正温度效应，其中聚合物结晶相的熔融和体积随温度上升产生的膨胀是两个重要的原因。由于TiB2颗粒与聚合物基体中的结晶相不相容，TiB2颗粒分布在非晶相中或晶界区，相互接触形成导电通道。25～110℃区域，导电复合材料中大量结晶相的存在阻碍了聚合物分子链的运动，限制了TiB2颗粒的位置改变，由TiB2形成的导电通道改变较小，因此电阻随着温度的升高缓慢上升。当温度处于110℃至HDPE熔融温度峰值（约135℃）的温度区间内时，聚合物的结晶相开始熔融，TiB2颗粒向已经熔融的区域扩散，相互之间的接触开始松动，导电通道被破坏，特别是聚合物基体体积的突然增大，TiB2颗粒间被撑开，加剧了导电通道的破坏，因此此时导电复合材料的电阻会大幅增加，出现电阻正温度效应现象。超过HDPE熔融温度峰值135℃以后，聚合物分子链段剧烈的运动推动TiB2颗粒聚集，TiB2颗粒重新进行近程分布，形成新的导电通道，导电复合材料电阻下降，出现NTC效应。

2.3 辐射交联对导电复合材料温度-电阻特性的影响

图3是将导电复合材料进行不同剂量电子束辐射交联后的温度-电阻曲线，其中TiB2的体积分数均为50%。从图3中可以看出，随着辐射剂量的增加，导电复合材料的温度-电阻曲线向低温方向移动，并且在低温段时，电阻随温度变化比较明显。这可能是由于辐射使聚乙烯产生了交联，结晶度减小，熔融温度降低所致。从图3还可以看出，辐照交联达400kGy以上时，导电复合材料的NTC现象消失，这是因为交联后的聚乙烯将TiB2颗粒固定，当聚乙烯熔融时，TiB2颗粒仍然处于相对稳定的位置状态，无法重现进行近程分布，使导电复合材料的电阻一直处于稳定的高阻状态。

2.4 导电复合材料的微观结构

图4所示为TiB2填充聚乙烯导电复合材料的SEM照片，从图中可用看出，TiB2颗粒具有不规则的多面体结构，均匀分散在聚乙烯基体当中，众多的棱角有利于颗粒之间形成多个导电通道，降低电阻，加上TiB2颗粒本身具有比较低的电阻率，因此由其制备的导电复合材料具有比较低的电阻。

3 总结

①当TiB2体积分数比较低（0～25%）时，导电复合材料的电阻随着TiB2体积分数的增加而小幅下降；当TiB2体积分数从25%增加到35%时，电阻开始急剧下降，出现绝缘体-导体转变；当TiB2的体积分数超过35%后，电阻变化幅度又逐渐平缓。②温度较低时，导电复合材料的电阻随着温度的升高缓慢上升；从110℃至HDPE熔融温度峰值（约135℃）的温度区间内，导电复合材料的电阻随温度的上升而急剧增大，形成导体-绝缘体转变；超过135℃以后，出现电阻负温度效应（NTC）现象。③随着辐射剂量的增加，导电复合材料的温度-电阻曲线向低温方向移动，并且在低温段时，电阻随温度变化比较明显。辐照交联达400kGy以上时，可以消除导电复合材料的NTC现象。

参考文献：

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篇9

摘要：本文主要讲述了现代无机非金属材料的发展方向，即材料低维化、材料复合化、材料智能化、材料对环境危害减小化。

关键词：现代无机非金属材料；低维化；复合化；智能化；

环境危害减小化

在现代高科技技术的快速发展的大环境下，各行各业对新材料新功能的需求日益增加，而材料也成为了制衡各行业能否顺利向前发展的关键一环，整个材料行业本身也随着科技的进步取得了很大的成果。现代无机非金属材料除了要满足传统的功能要求和使用传统的加工生产工艺之外，随着新的国家和市场的需要以及新的技术的使用下，无机非金属材料在现代朝着以下几个方向发展：无机非金属材料的低维化、无机非金属材料的复合化、无机非金属材料的智能化、无机非金属材料对环境危害减小化。

1、材料低维化

宏观上的低维化是从整体材料向薄膜材料和纤维材料的发展。现代微电子、光电子和光子学器件等原件都是集成化的，随着其所担负功能越来越复杂但其所占用体积越来越小，普通的无机非金属材料已经不能满足这点要求，因此对于大多数信息功能器件只能使用薄膜材料，这是材料向低维化发展的一个很大原因，那就是原先无机非金属材料已经不能满足其新的使用要求。还有一点就是新的无机非金属材料可以拥有更多的特殊功能。例如结构材料通常使用涂层和薄膜来改变性能，包括增强、增韧、耐磨等。在结构材料的功能化上，薄膜具有特殊的作用。因此无机非金属材料的薄膜制备、结构和性能、表面态以及发展新的薄膜材料的研究就十分重要。在功能器件中纤维也作为集成元件，如光通信中光信号的放大、调制、选模等功能都通过功能纤维来完成，形成集成纤维光路和光网。

无机非金属材料微观上的低维化，是材料组织结构的尺寸不断变小，即从毫米、微米趋向纳米。上世纪末出现的光子学晶体，是以一维、二维和三维的以光波长为尺度(微米和亚微米)以介电常数空间周期变化的人工带隙新材料，将在本世纪内有很快的发展，特别是应用于光电子学和光子学材料和器件。纳米尺度上的超晶格薄膜、纳米线、纳米点材料的结构、性能的尺寸效应以及纳米材料的制备在上世纪末已作为公共关心的主题。纳米材料和器件由于其尺度上纳米量级，可表现出许多不同于块体结构的性质，对材料结构和性能关系的认识延伸到介观尺度。进入到21世纪将以纳米器件为中心来研究纳米材料的合成、组装与性能调控。进一步的低维化，涉及到基于原子和分子的纳米材料和技术，低维纳米材料及其复合的量子特性，量子限域体系设计和制造，研究量子点和量子线材料的电子和能带结构、杂质态和缺陷态等与结构与材料的物理性质关系，实现量子调控。

2、无机非金属材料复合化

无机非金属材料与其他材料的复合，包括与金属材料和有机高分子材料的复合是不断增加其新功能的一个主要方法。主要是根据现实中对材料新功能要求，以此为研发目标，不断的优化三大类材料的各自优点，并将其进行复合。上个世纪在传统无机非金属材料上已广泛采用，如钢筋混凝土(金属与水泥)、玻璃钢(有机高分子与无机玻璃纤维)，这类以结构材料为主的复合材料，今后仍将优化并继续发展。还有一种复合就是随着材料新性能的增加而不断产生的新的材料的复合，这种复合一般又有很大的随机性，但其可能表现出的新性能通常也是比没有复合有很大的提高。随着材料的复合的尺寸愈来愈小，以至于达到纳米和分子尺度上的复合或称之为杂化，今后在无机非金属功能材料上将颇为明显，如纳米和敏化染料杂化以及以纳米线与唾吩的复合材料的太阳能电池材料，高的非线性光学常数的无机一有机杂化材料，碳纳管与有机熔盐制成高度导电的聚合物纳米管复合材料等。功能的复合将使结构材料与功能材料的界限逐步消失，例如平板玻璃是作为门、窗、墙的结构材料，但当平板玻璃镀膜后就具有不同的光反射和吸收的阳光控制和低辐玻璃后，就成为能满足节能、环保、安全和装饰的多功能建筑玻璃。结构陶瓷也逐步功能化，利用陶瓷优良的介电性能和光反射性能，发展了结构、防热、透波(或吸波)等陶瓷材料。利用AIN陶瓷高的导热性、低的电导率和热膨胀以及优良的机械性可作为大功率半导体集成器件的基板。

作为无机非金属材料与金属材料和有机高分子材料的复合化发展趋势。复合化的最终是以应用为目标,如无机非金属材料已广泛应用在钢筋混凝土、玻璃钢等方面其中主要就是用有机高分子与无机玻璃

纤维来组成,这种结构材料为主的复合材料,这也是复合材料具有单一材料所无法满足的使用功能,更是建筑材料发展趋势。

3、无机非金属材料智能化

随着新材料的出现以及新的信号传感控制系统的逐渐应用，材料的智能化已经不再遥远。所谓材料的智能化即材料能接受外部环境变化的信息，并能实时做出反馈。这将极大的提高材料的使用范围，因此智能无机非金属材料日益受到关注。最早的智能化材料为被动式，如光色(光致变色)材料受阳光辐射，自动改变透光度，但透光度的深浅是不同控的。但电致变色材料不仅光照后变色，并且变色程度由外加电压可控，是智能自动式。智能化功能材料大都分为多片压电和铁电陶瓷的复式结构，外场信号的感知和反馈操作是分开的，目前趋向薄膜化和集成化。纳米复合材料的出现，可以把不同功能的材料从微观上复合在一起，形成紧凑的单体智能材料，这也是多功能无机非金属材料的主要发展方向。目前应用领域较广的建筑智能化,提高建筑材料的安全性智能等方面。

4、无机非金属材料对环境危害减小化

21世纪是人类与自然环境和谐发展的时代，尤其是我们国家，几乎所有的建设项目如果环境这不达标的话就会遭到全盘否决。所以节能降耗、环境友好、资源综合和循环利用、废弃物资循环利用和处理、有害气体液体的低排放和无害处理、有毒有害元素的替代必将是我国无机非金属材料的创新研究和生产中必须遵循的，应该全方位、多学科地研究绿色生产工艺、环境协调材料制备技术及其理论基础。传统无机非金属材料产业是著名的资源、能源高消耗和对环境的高污染。如今要按照“全面、协调、可持续发展”的科学发展观，首先解决传统无机非金属材料与生态环境协调的生产技术，成为生态环境材料。加强理论基础研究，探索出低能耗少污染的新的合成和制造工艺;提高产品性能和节耗的技术途径;废气废料的合理科学处理技术;矿物资源的合理利用和结构调整。以传统的无机非金属材料为例，建立材料环境负荷评价的方法。

发挥无机非金属材料的制备特点，加强对改善环境的关键材料的研究，诸如核废物固化材料以解决核废物的永久处理;汽车和柴油机尾气三效催化剂(稀土复合氧化物)及载体材料(多孔陶瓷和陶瓷纤维)以解决汽车和柴油机的尾气污染;光催化的建筑材料以解决建筑材料的自洁以及无机膜分离材料对药物、食物和污水处理。

5、结语

无机非金属材料在几乎所有的高科技产业中都有很重要的作用，并且随着无机非金属材料传统性能的优化以及新功能的开发，它的地位将会越来越牢固。因此正确的把握无机非金属材料的发展方向，结合这个特定时代对其的特定需求去发展整个行业，将会进一步促进整个行业的发展，使其更好的在国民经济建设中发挥作用。（作者单位：郑州大学材料科学与工程学院）

参考文献：

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【关键词】聚苯胺；电磁参数；掺杂；复合材料

一、前言

Fe3O4掺杂聚苯胺具有作为微波吸收和电磁屏蔽材料的优点，但由于军事应用的可能性，这类研究的实际应用很少公开报道，而主要是作为抗静电剂、二次电池材料使用。今后聚苯胺可以期望通过下列途径充分开发和利用其吸波性能：①利用掺杂态聚苯胺的半导体性吸收雷达波，达到雷达隐身目的；②在电子仪器内壁和孔壁上形成聚苯胺涂层，并将其导电能力提高到10-1s・cm-1以上，以实现电子仪器壳内外的电磁波屏蔽；③利用聚苯胺在掺杂前后导电能力的巨大变化，实现防护层从吸收电磁波到透过电磁波的可控切换；④通过分子结构设计和物理改性，使聚苯胺的电损耗与其他材料的磁损耗相结合，开发复合型微波吸收材料。

目前国内外研究者对磁性物质掺杂聚苯胺做了大量研究工作。将高导电性（σ≈3.4s・cm-1）聚苯胺与氨基苯磺酸共聚物溶解于碱性溶液中，以FeCl2作为掺杂剂，制备γFe2O3/PANI的电磁复合材料，分析表明，复合物的磁性能依赖于反应液的pH值，当pH值升高时，其饱和磁化强度Ms最大达33.2emu/g，吸波能力比PANI/Fe3O4（Ms=20emu/g）要高。在材料设计二元协同理论的指导下，提出的“修饰-再掺杂法”，即先采用微乳液法合成由导电聚苯胺（PANI/DBSA）的氯仿溶液修饰原位生成的Fe3O4纳米颗粒的复合物，然后在该复合物存在下使聚笨胺聚合，结果表明，磁导致导电聚苯胺的连续性不好，因此聚苯胺/纳米Fe3O4复合材料的电导率低于PANI/DBSA，而磁性能有所增加，同时具有微波电损耗和磁损耗性能。将Fe3O4的水溶液与PANI的甲基吡咯烷酮溶液进行混合，用化学方法合成出具有半导体性和导磁性的PANI/Fe3O4复合物，该复合物具有一定的微波吸收性能。用FeCl2掺杂PANI/H2SO4，使PANI/H2SO4的导电、导磁性能有所提高，在8.2～12.4GHz范围内最大衰减为17.2dB，平均衰减为11.3dB，可以作为微波吸收材料。

二、Fe3O4掺杂聚苯胺介电特性及吸波性能研究

1.实验

依次加入40ml蒸馏水，16ml盐酸，5.3ml苯胺于三口烧瓶中，同时搅拌玻璃棒。在加入蒸馏水时开始工作（以能搅拌液体为宜），否则混合物的温度会上升。温度控制在20℃左右（反应体系在水浴中冷却）。然后加入一定量的Fe3O4粉末。将做氧化剂的过硫酸铵（30g）溶于由35ml盐酸和100ml蒸馏水组成的溶液中，然后用滴液漏斗将其慢慢滴入（约每秒两滴）上述混合溶液中，溶液的颜色由绿色到蓝绿色再到深绿色，并有颗粒状的复合聚苯胺生成。继续搅拌并维持反应8小时。反应完毕后将产物进行抽滤，并用丙酮，蒸馏水反复洗涤产物，直到滤液无色。干燥，制得兼具有磁性和导电性的复合聚苯胺。

（1）样品的制备及电磁参数的测量与计算

将所制得的样品依次编号分别在摸具中制成矩形波导线所要求的尺寸（长为23.30mm，宽为10.36mm），首先用四探针测量各样品的实验数据，得出各样品的电磁参数。为了便于测量他们的吸波特性，将各样品分别与石蜡均匀混合再压制成矩形波导线所要求的尺寸（此时样品厚度均为2.88mm），再用波导式测量线测试各样品的反射系数。

（2）计算原理

根据微波吸收理论，吸收体的电压反射系数为：

Γ=[(μr/εr)1/2tanh(γd)-1]/[(μr/εr)1/2tanh(γd)+1]

表达式中εr，μr分别为相对介电常数和相对磁导率。

反射系数为R=20log|Γ|(dB)

本研究中还需考虑的一个问题是吸收频率f。从式中可以看出，吸波性与材料的电磁参数，厚度及使用频率有关。在厚度和频率相同的前提下，通过改变复合物中各组分的比例，可改变等效电磁参数，寻找到最佳配比。（3）实验结果与讨论

我们对样品测试了掺杂复合聚苯胺的电磁参数（ε＇ε"μ＇μ"）。且其对掺杂Fe3O4与苯胺的质量比例（Fe3O4／ANI）的关系如上表2．图3.1，3.2为ε＇ε"对掺杂Fe3O4与苯胺不同质量比例关系曲线。图3.3，3.4为μ＇μ"对掺杂Fe3O4与苯胺不同质量比例关系曲线。

由图中可以看出，样品的掺杂质量比例变化引起了样品的电磁参数变化。ε＇ε"、μ＇随掺杂比例变化是先增大，后减小，再增大到最大，最后又减小。当掺杂比例为35%时，ε＇ε"值最大。μ"随着掺杂比例变化，大体上是逐渐减小，因此，通过调节样品中Fe3O4与苯胺的配比，可以调节ε＇ε"及μ＇

三、结论

Fe3O4的掺杂引起了样品电导率的变化，而电导率又极大地影响吸波材料的电磁参数。同样，样品的掺杂质量比例变化引起样品的电磁参数变化。所以，我们可以通过调节磁性材料Fe3O4与苯胺的反应质量比例，可以调节复合聚苯胺的电导率，进而调节其电磁参数，最终可以调节反射系数R，并找到最大R值及最大频宽的目的。衰减为10dB时的频宽可达4.1HGz，具有良好的吸波性能。

参考文献

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[4]杨杰,沈曾民,熊涛.聚苯胺原位包覆碳纳米管材料的制备及性能[J].新型炭材料,2003,18(2):96-99.