导电理论（通用8篇）
导电理论 篇1
Conducting polymers ( CPs) are a polymer materi- al with polymer properties and conductive characteris- tics which has been developed since 1 970 s［1，2］,CPs are one of the EAPs which have many promising fea- tures including light weight,small energy consump- tion,good flexibility,low power consumption,biocom- patibility,and ability to work in liquid and air environ- ments,even are very similar with natural muscle in some performance,which are the best candidate as bi- omimetic muscles,and also quite general denominated as Artificial Muscles［3—8］. They are widely used in the fields of the bionic robot,artificial limb,cell diagno- sis,sensor and so on. So CPs are potential intelligent materials with great development. A large number of studies show that a variety of conjugated polymers by doping can be turned into CPs with different conductiv- ity properties, the representative with polypyrrole ( PPy ) , polyaniline ( PAN )and polythiophene ( PTh)［9，10］. Due to the high electrical conductivity, stability,biocompatibility,and redox properties,and can better improving mechanical properties of CP actu- ators,polypyrrole ( PPy) is regarded as a most widely used CPs［11］.
The research object is CP made of polypyrrole ( PPy) used to make multilayer bending CP actuators, it can be operated in the air. The actuators mainly con- sist of three layers,an inner porous polyvinylidine flu- oride ( PVDF ) is filled with an electrolyte ( Li+TF- SI－) ,when a potential is passed between the polymer ( PPy) electrodes,the redox reaction will occur in in- ternal structure,TFSI－anions will move from the elec- trolyte to the positively charged polymer ( PPy ) elec- trode and hence cause a volume expansion. With refer- ence to the operation principle of the actuators,an equivalent mechanical model of the cantilever beam is presented in section 2. The experimental system has been set up for the PPy polymer actuators in section 3, and through experiment,the accuracy of the equivalent beam model can be determined for design purpose,and the model is also accurate enough to mimic the bending behavior of the polymer actuators.
1 Actuator structure and mechanism
The structure of the bending-type polymer actua- tors in this study is depicted in fig. 1( a) . It consists of three main layers: two outer PPy layers( 30 μm) that are the active components ( electrodes) ,an inner por- ous separator of PVDF( 110 μm) that holds the liquid electrolyte ( Li+TFSI－) ,and two sputtercoated gold layers with negligible thickness for the electrochemical- ly growing the polymer layers on the PVDF layer, which thickness is 10 ~ 100 ( 1 = 0. 1 nm) . This platinum layers are served to increase the conductivity between the electrolyte and PPy layers. Therefore,the total thickness of the CP actuators was approximately 170 μm. This composite structure exhibits a simple bending motion like a bilayer cantilever［12—15］.
(b)Schematic representation of the bending principle
There will be electric field inside the actuator when an electric potential is applied across the elec- trodes attached to the actuator. Under the action of electric field,the redox reaction will occur. The redox process can be described as:
With reference to chemical reaction process,TF- SI－serve as doped ions of PPy. When a voltage is ac- ted on the actuator,the PPy layer on the anode side is oxidized while is reduced on the cathode side. In order to maintain the charge neutrality within the PPy layers, TFSI－anions will move from the electrolyte to the posi- tively charged polymer ( PPy ) electrode and hence cause a volume expansion. While this is happening in the positive electrode,TFSI－anions will leave the neg- atively charged electrode as reduction of the PPy caused it to become uncharged and then a volume con- traction occurs. The volume changed due to the move- ment of the charge balancing anions in and out of the polymer layers,in other words,it is because that some solvent molecules move inside the polymer layers which is caused by osmotic effects or the hydrophilous of the TFSI－anions［16］. The overall result is that the cantile- vered structure will bend towards the negative elec- trode,as depicted in fig. 1( b) .
2 The equivalent mechanical model
The mechanical,electrical and chemical proper- ties of the actuators can not be taken into account di- rectly in establishing a mathematical model. With ref- erence to the operation principle of the actuators,and given its own characteristics and widespread application prospect,it will be equivalent to a cantilever beam structure starting from the practical application of the polymer actuators. The equivalent model actually be- longs to a gray box model［17，18］,the mathematical mod- el is set up based on physical characteristics of the ac- tuator,and other basic parameters of the equivalent beam model can be fitted from the experiment data. Its internal stress field produced by the ion migration is as- sumed to be uniformly distributed load applied on the beam.
2. 1 Bending motion curve model
When applying a low voltage 0 ~ 1. 0 V to the pol- ymer actuators,the bending deformation is relatively large compared to other smart materials,the internal bending moment is derived referring to the bending curve model based on PPy layer expansion or contrac- tion. Due to the limited range of magnitude of applied potentials,the elastic modulus is considered as a con- stant,which has been reported［19］that the elastic mod- uli are taken to be 80 MPa for EPPyand 440 MPa for EPVDF.
The bending curve of the PPy actuator,as shown in fig. 2. The micro segment which was intercepted from the actuator was denoted by ds. The top position coordinates of the actuator is ( x1,y1) ,dy is an incre- mental vertical displacement and dx denotes an incre- mental horizontal displacement. The tip displacement x1of the actuator can be related to the radius of the curvature R via a simple geometric approach［4，19］:
That was assumed y1<< x1,so have:
According to the Euler-Bernoulli law,using the parameters described in fig. 2,a beam bending moment and bending deformation curvature ratio relationship can be established:
Where s is arc length,θ is the slope of the deflected beam,EI = EPPYIPPY+ EPVDFIPVDFis the flexural rigidity for the entire actuator strip. With reference to the geo- metric dimensions shown in fig. 3,the area moments of inertia can be expressed as:
Thus,the flexural rigidity is:
Substituting eq. ( 1) and eq. ( 6) into eq. ( 3) for the internal bending moment, the fully expanded equation was obtained:
Here the cantilever was assumed which is a pure bending beam,and shear force is zero. In order to de- rive the normal stress and the linear strain on the cross section of beam,the two aspects of geometry and phys- ics were taken into account. With reference to fig. 2 and fig. 3,suppose that intercept micro section ds from the beam hypothetically by two cross sections ( fig. 2) . The geometric aspect,when beam bending,the two cross sections will relatively rotate a small angle dθ by plane assumption. Then the linear strain ε at a dis- tance of y from the neutral axis on the cross section could be expressed as:
For a physical standpoint,when the material is within linear elastic range,and the tensile and com- pression modulus of elasticity are the same. Physical relationship by Hooke’s Law under uniaxial stress state can be obtained:
Comparing with eq. ( 3) ,eq. ( 9 ) can be rewrit- ten as:
Thus,for the PPy layers and the PVDF layers, the respective stresses are:
Substituting eq. ( 3 ) into eq. ( 10 ) ,when the cantilever is a pure bending beam and y = h on the cross sections, the bending stress ( σ) can be ex- pressed as:
where h is half of the total thickness.
2. 2 Bending force model
Modeling methods are reported in lots of reference [16,18,19],in the reference[20],Timoshenko’s method has been extended to model force outputs of the trilayer polymer actuator. Bending deflection happens due to ionic migration,while equivalent model can not simulate the movement of the ions and molecules in and out of the polymer layers. So under a quasi-static condition,the internal stress field produced by the ion migration hypothesis as an uniformly distributed load applied on the cantilever beam. Then calculate the free end displacement of actuators by using the equivalent uniformly distributed load q.
Under the action of uniformly distributed load,a mechanics analysis model of constrained cantilever beam as shown in fig. 4,list the flexural curve equation of cantilever beam at a distance x from the fixed:
Differentiating eq. ( 14) results in:
As can be seen from the curve equation,the max- imum deflection length and angle occur at the tip of cantilever beam,substituting x = L into eq. ( 14 ) and eq. ( 15) :
By the eq. ( 16 ) and eq. ( 17 ) can work out the output angle and deflection of the actuator in different lengths.
With reference to fig. 2,through combining eq. ( 13) and eq. ( 17) ,and Hooke’s Law σ = Eε ,the relation between the deflection and the strain ε can be obtained:
3 Experimental results and discussion
The movement characteristics of CP actuators is due to volume change in the PPy layers,which was caused by ions migration when the internal charge den- sity uneven,this shows that the bending properties of the polymer actuators have a direct relationship with material internal ion migration. The experiment system is shown in fig. 5,which was set up by multilayer ben- ding PPy actuators to illustrate the relationship between bending displacement and output voltage. The polymer actuator was clamped on the electrode clamps,the in- put voltage signal was provided by an external digital function signal generator ( F20A ) ,electrode clamps was connected with cathode / anode of the generator ( F20A) by copper wire. A noncontact laser displace- ment sensor ( Senso Part,model FT50 ) was used to measure the tip displacement of the actuator,which has 40 mm measurement range,80 $m resolution,0. 6 ms corresponding time,0 ~ 10 V analog output voltage signal. The outputting proportional voltage measured by a DAQ Cord ( model PCI-1710U ) interfacing with a personal computer. The image of the actuator strip was captured by a high-speed camera ( FASTEC IMAG- ING,model Inline 1 000) ,the grid paper was placed behind the actuator strip,as described in fig. 6. Other equipment includes an iron stand.
The bending actuator strips of different dimensions in experimentation are cut from the bulk sheet,and the layered structure of the actuator was described in sec- tion 2. The micrograph of this actuator was captured by a stereomicroscope ( model XTL-340 E) ,as shown in fig. 7,the platinum layers are not visible in the image. The conductivity of solution is related to its internal electrolyte concentration. In order to get an electrolyte concentration in which the actuator can be steady oper- ation for a long time and high efficiency bending. We choose the solution of which concentration ratio is 0. 5 mol as the final experimental electrolyte,and the poly- mer actuators must be soaked in this electrolyte for 30 min until use［17，19］.
When a voltage is applied cross over the actuator, with the increase of the electrifying time,the redox re- action in the internal of the actuator is accelerated,which results in the tip position change of the actuator. According to the bending curve model of the actuator, combined with laser displacement sensor in fig. 2,the steady-state displacement of the actuator can be meas- ured( 8 mm × 2 mm × 0. 17 mm ) for the step input voltages ranging from 0. 1 to 1. 0 V,as depicted in fig. 8. The laser focused 1. 0 mm form the tip of the ac- tuator. From the graph of the fitted curve,it is ob- served that the actuator had shown the same trends at different voltages,that is to say faster bending rate in the initial stage,then gradually slows and eventually it tends to be a stable state. The actuation speed depends on many electrochemomechanical parameters including the dimension and structure of the actuator,the ionic concentration,the solvent and the ion type［20］.
The tip displacements of 2 mm wide actuators were measured,as depicted in fig. 9. The experimental results indicate that the bending displacement of the actuators is related to its length,i. e. the actuator was longer,the tip displacement was larger. These results also show that the actuators have shown the same trends at different lengths,i. e. the input voltage was higher,the tip displacement was larger. Indicating that the steady state displacement of the actuators are linear with applied voltage,which is expected because the higher voltage goes through the actuator layers,the more energy is provided to accelerate the redox reac- tion. After applied voltage reach 0. 8 V,the deflection amplitude of the actuators will slow down,and when the voltage is 1. 0 V,the displacement may reach half the length of the actuators,i. e. bending effect can be considered optimal. These results are also consistent with the refernce［17］. At the same time,the ratio of the concentration of 0. 5 mol solution serve as experiment electrolyte is the better choice.
Eq.(17)can be rewritten as:
According to eq. ( 20 ) ,the numerical value of equivalent uniformly distributed load q can be obtained under different voltages,and fit the relationship be- tween uniformly distributed load and voltage,as shown in fig. 10.
The curve fitted relationships are as follows:
From the graph of the fitted curve in fig. 10,it can be seen that the relationship between voltage and the uniformly distributed load is linear,when the actu- ator is longer,the uniformly distributed load is smal- ler,and the blocking force is smaller,so the tip force of the actuators can be measured. With reference to fig. 1 and fig. 4,it is observed that the direction of the uniformly distributed load is related to cathode / anode. These results also show that applying uniformly distrib- uted load to cantilever beam is equivalent to the ben- ding of the actuator due to the actuator internal ion mi- gration under a certain voltage,and the direction of uniformly distributed load is same to the bending direc- tion of the actuator.
With reference to fig. 2 and tip displacement of the actuators ( fig. 9) ,the radius of curvature at the tip of the actuators can be calculated by eq. ( 1 ) . The variation trend of actuators bending degree under differ- ent voltages are shown in fig. 11,it can be seen that with the increase of voltage,the decline rate of bend curvature of the actuators get gradually smaller. That can be assumed an equivalent bending moment is act- ing on the cantilever beam and leads it to bend,ben- ding rigidity value is calculated with Eq. ( 6 ) ,i. e. EI = 0. 145 367 N · mm2. With reference to Fig. 11, the value of the bending moment can be obtained by eq. ( 7 ) in the following table 1. Due to the use of good flexibility and small structure size of the actuators in the experiment,it is very reasonable to get such a small bending moment value and the validity of the model has been proved.
The value of the strain ε is measured by combi- ning eq. ( 18) and fig. 9,the experimental results indi- cate that a linear relationship can be obtained between the voltage and strain,and derived voltage with strain scaling factor approximation,as shown in fig. 12.
The curve fitted relationships are as follows:
Toverify that it can support a certain load at the tip of the actuator ( 10 mm × 2 mm ) ,loaded with 8 pieces of micro magnet at the actuator tip. The magnet with a diameter of 1 mm,thickness of 0. 5 mm,and total mass of 21. 2 mg are located 1. 0 mm form the tip of the actuator. The actuator movements are recorded with a high-speed camera to measure the vertical move- ment of the tip load. The images are depicted in fig. 13. According to bending force model in section 2, assuming that the blocking force on the tip of the actua- tor is equal to the gravitation force ( Fg) of magnets, i. e. F = Fg= mg,where m is the mass of magnets,g is the gravitation constant.
When the voltage is 0 V,δ = 0. 88 mm,as seen in fig. 13( a) ,and from the image of fig. 13 ( b) ,it is observed that the actuator can lift a load of 21. 2 mg up to a certain height,δ = 1. 83 mm. Fig. 14 shows that the voltage and vertical displacement are a linear rela- tionship in the condition that the actuator lifting a load.
4 Conclusions
According to the excellent properties of PPy mate- rials,the bending property of the polymer actuators is researched. This study is to build up a grey box model to explain the tip deformation of PPy actuator strips based on the practical application of the polymer actua- tors. The results prove that the polymer actuator pos- sess great performance because they can provide large deformation with a little energy consumption,and veri- fy that it can support a certain load at the tip of the ac- tuator. It has been demonstrated that the equivalent beam model is valid for different lengths of the polymer actuator strips,as well as various step input voltages, and the model is also accurate enough to mimic the bending behavior of the actuator.
摘要：导电聚合物因具有能耗小、质轻、柔韧性好等优异特性,在生物机器人和生物医学设备中具有广泛的应用前景。针对多层弯曲型聚吡咯导电聚合物驱动器搭建的实验系统,依据等效悬臂梁理论建立驱动器力学模型。测量驱动器施加0~1 V低电压时的基体弯曲变形量,通过研究驱动器的弯曲位移与电压、力与电压的关系,建立电压与等效均布载荷的函数关系式。实验结果表明,电压与垂直方向位移成线性关系,当电压为1 V时偏转位移可达到驱动器长度的一半,并且得出电压与应变的比例因子。最后,通过驱动器举起约为5倍自身重量的重物移动2.71 mm,验证了驱动器顶端可以承受力。
关键词：导电聚合物,聚吡咯,驱动器,悬臂梁结构,等效模型
导电理论 篇2
1 导电机理
填充复合型导电高分子材料的导电机理非常复杂,通常可从导电通路如何形成和形成导电通路后如何导电两个方面来研究。
1.1 导电通路的形成
导电通路的形成研究的是加入基体聚合物中的导电填料在给定的加工工艺条件下,如何达到电接触而在整体上自发形成导电通路这一宏观自组织过程。实验研究表明,当复合体系中导电填料的含量增加到某一临界含量(渗流阀值)之后,体系电阻率突然下降,变化幅度在10个数量级左右,然后体系电阻率变化又回复平缓。为了解释这种导电性能突变现象,人们提出了许多理论,最有代表性的是日本东京工业大学Miyasaka K等提出的导电高分子复合材料热力学理论[3]。此理论认为,基体聚合物与导电填料的界面效应直接影响体系的导电性能,它不仅很好的解释了体系的导电渗流阈值与所用的聚合物和导电填料的种类有关,而且与实验吻合。影响复合材料导电通路形成的因素很多,例如:导电填料粒子的尺寸、形状及在树脂中的分布状况,基体树脂的种类、结晶性,导电填料粒子与基体树脂的界面效应,以及复合材料加工工艺、固化条件等对导电网络都有很大影响[4]。
1.2 导电理论
对于导电通路形成后如何导电,则主要研究导电通路或部分导电通路形成后载流子迁移的微观过程,主要涉及导电填充物之间的界面问题。目前已有宏观的渗流理论、微观的量子力学隧道效应理论和场致发射效应等多种理论。
1.2.1 渗流理论
渗流理论,又称导电通道学说,认为体系中导电粒子相互连接成链,电子通过链移动产生导电。主要是解释电阻率-填料浓度的关系,不涉及导电的本质,只是从宏观角度解释复合物的导电现象,渗流理论可以解释导电填料临界浓度的电阻率突变现象[5]。刘远瑞等[6]通过研究填充型丙烯酸树脂导电银浆中银粉的浓度与电阻率变化的关系,证明了渗流理论的正确性。Gurland,Turner以及Aharoni等分别建立了经验公式来解释电阻率-填料浓度的关系[7],但公式只适用于一部分复合物。Bueche F[8], Miyasaka K[9],汤浩[5]等从不同的角度建立了计算电阻率的模型来模拟电阻率-填料浓度曲线,但这些模拟均无普遍适用性。复合型导电高分子材料研究中比较流行的几种渗流模型有:统计渗流模型、界面热力学模型、有效介质模型以及双渗流模型等[4],目前各种渗流模型都只能描述部分体系的规律,理论研究与实际结果仍有较大偏差。任何一个好的模型必须能解释填充型复合材料的各种性能,如电导率与导电相材料的掺量依赖性[10,11],电导率与频率的依赖性[12],温敏特性[13],V-I特性[14] ,压阻特性[15,16,17]等。许多模型并未考虑到基体聚合物及填料粒子的影响,因此这一领域的研究还需进一步完善[5]。
1.2.2 隧道效应理论
隧道效应理论是应用量子力学来研究材料的电阻率与导电粒子间隙的关系,它与导电填料的浓度及材料环境的温度有直接的关系[18]。隧道效应理论认为,导电依然有导电网络形成的问题,但不是靠导电粒子直接接触来导电,而是热震动时电子在导电粒子间迁移产生导电[19]。Medalia A I[20]在低温条件下建立了隧道电流密度关系方程; Shklovskii B I[21]等建立了两相邻导电粒子发生隧道效应的平均距离与单位体积的导电粒子数目方程; Ezquerra T A[22]等推导了复合材料电阻率与导电粒子隧道间距的关系式。隧道效应理论能合理地解释聚合物基体与导电填料呈海岛结构复合体系的导电行为。量子力学隧道效应理论能与许多导电复合体系的实验数据相符。但隧道效应理论所涉及的各物理量都与导电粒子的间隙宽度及其分布状况有关,隧道导电机理只能在导电填料的某一浓度范围对复合材料的导电行为进行分析和讨论。
1.2.3 场致发射理论
Van Beek[23]等也认为粒子填充导电复合材料的导电行为是由隧道效应造成的, 但认为这是导电粒子内部电场发射的特殊情况,提出了场致发射理论并建立了方程。场致发射理论认为,当导电粒子的内部电场很强时,电子将有很大的几率跃迁过聚合物层所形成的势垒到达相邻的导电粒子上,产生场致发射电流而导电。场致发射理论由于受温度及导电填料浓度的影响较小,因此相对于渗流理论具有更广的应用范围,且可以合理地解释许多复合材料的非欧姆特性。
尽管导电高分子复合材料发展较快,但至今没有一个较为完善的、普遍适用的导电机制来解释复合体系导电通路的形成及其导电行为。填充复合型导电高分子材料的导电机理是渗流理论、隧道效应和场致发射这3种导电机制相互竞争的结果。当导电填料含量和外加电压都低时,导电粒子间距离较大,形成链状导电通道的几率较小,隧道效应机理占主导作用;当导电填料含量低而外加电压高时,场致发射机理起主要作用;当导电填料含量高时,导电粒子间距离小,形成链状导电通道的几率大,渗流理论机理的作用变得显著。
2 导电性能的影响因素
2.1 基体聚合物的影响
从聚合物结构上讲,聚合物侧基的性质、体积和数量,主链的规整度、柔顺性、聚合度、结晶性等对体系导电性均有不同程度影响[19,24,25]。填充复合型导电高分子材料的导电性随基体聚合物表面张力减小而升高;基体聚合物聚合度越高,价带和导带间的能隙越小,导电性越高;聚合物结晶度越高,导电性越高;交联使体系导电性下降[24]。基体聚合物的热稳定性对复合材料的导电性能也有影响,一旦基体高分子链发生松弛现象,就会破坏复合材料内部的导电途径,导致导电性能明显下降[26]。共混高聚物/炭黑复合材料比单一高聚物/炭黑复合材料有更高的导电性[27]。
2.2 导电填料的影响
采用不同种类导电填料的复合材料导电性能各不相同,同一类型的导电填料也因生产厂家、生产方式和加工工艺的不同而存在差别。填料粒子的形状对复合材料电导率有较大的影响,三维结构的氧化锌晶须作填料能形成非常有效的导电通道,因此能高效率地赋予复合材料导电性[25];树枝状填料一般情况下先端结构比球状及片状粒子发达,配位原子数相应较多,在复合材料中形成网络结构时相对密集、完整,所以电导率相应较高。各种填料并用时,其电导率比单独使用球状或片状填料时高[28]。对于金属粉填充复合型导电高分子材料,它的电导率受粒径大小、状态及形状的影响:采用胶态金属作填料,体系电导率较高;若改用片状金属薄片作填料,其电导率会显著提高,金属薄片越薄其导电性越好;纤维状填料的导电性能随纤维的长径比的增大而升高[19];当需要特别高的电导率时,最好选用导电性良好的银粉和金粉作导电填料。对于炭系材料选用结构性好、比表面积大、表面活性基团含量少的炭黑品种能赋予复合型导电高分子材料良好的导电性能[29]。
一般来说,当聚合物中加入填料量一定时,电导率随粒径减小而升高。在导电填料加入较少的情况下,导电粒子间形不成无限网链,材料导电性比较差。只有在高于临界值后,材料的导电性才能显著提高,但在导电填料加入过多的情况下,因为起粘连作用的聚合物量太少,所以导电粒子不能紧密接触,导电性也不稳定。
2.3 制备方法及制备工艺的影响
采用溶液共混法比采用熔融共混法制得的复合材料导电性高[30]。填充复合型导电高分子材料的导电性在很大程度上取决于填料在高聚物中的分散状态和导电结构的形成情况。要使各组分充分混合,复合体系必须进行混炼,而混炼又会破坏填料的组织和结构(如炭黑的链状结构、氧化锌晶须的三维结构等)从而影响导电性能,所以要控制混炼工艺条件。为保持导电组织结构的完整性,挤出时受应力要尽可能小、剪切速度要尽可能低[25]。选择合理的混炼工艺参数也很关键,例如在制备金属纤维填充复合型导电高分子材料时,为避免金属纤维折断,注射时应降低螺杆转速和背压,提高机筒和模具温度。为提高均匀分散效果,有时还需添加适当的加工助剂[31]。加工前材料要尽可能干燥,因为痕量水分或其它低分子挥发物可能使制品出现气泡或表面缺陷,影响导电结构的完整性。加工温度升高或流体融体指数增大,体系的黏度和剪切应力降低,对导电结构的完整性有利。另外,延长成型时间和提高成型温度也对导电结构的完整性有利[24]。冷却速度不会明显影响无定型高聚物的导电性,但熔体缓慢冷却可增加结晶或部分结晶高聚物的结晶度,提高导电性。
2.4 其它因素的影响
除上述因素外,使用介质、使用时间和环境,以及加工模具、聚合时的条件(如:电极电位、聚合速度、聚合时溶剂的性质等[32])等在一定程度上都会影响复合体系的导电性能。对于由多组分盐组成的低共熔物与少量高分子共混而成,被称之为“Polymer-in-Salt”的高分子固体电解质,其共熔体系的熔点越低,玻璃化转变温度也越低,越有利于离子传导,所以相应的离子电导率也越高,低共熔物的熔点以及样品的处理方式对电导率的影响较大;样品从高温快降至室温再升温比样品从高温慢降至室温再升温的电导率高[33]。
3 结 语
对于复合型导电高分子材料导电机理及导电性能影响因素的研究,一方面可研究影响导电网络形成的各种因素,通过对现有各种理论模型的有机结合,以描述复合体系的导电行为;另一方面,通过对各种理论模型从加工条件、成型工艺等方面进行修正,使之更加完善,这将对复合型导电高分子材料的成品开发、综合性能优化及应用,具有重大指导意义。
摘要：采用渗流理论、量子力学隧道效应理论和场致发射效应等理论,对填充复合型导电高分子材料的导电机理进行了分析介绍;从聚合物的结构、导电填料的种类、性能、用量、复合材料制备方法、加工及使用条件等因素,分析了影响填充复合型导电高分子材料导电性能的主要因素。
叙事作文四年级:铅芯导电的奥秘 篇3
那天，我们正在上科学课，我模仿科学书上的内容做了一个电路检测器。我用三根导线，一节电池和一个灯泡，很快就做好了电路检测器。我请同桌帮了我一把，分别尝试了橡皮、塑料和钢笔，发现都没有导电性。突然我有了一个新点子：“咱们看看铅芯能不能导电吧?”本来我没报太大的希望，铅芯怎么会导电呢?我在同桌的帮助下，开始了实验。当铅芯和导线连接的那一刻，小灯泡却突然发出了耀眼的光。我又反复试了几次，小灯泡依然亮了。
我百思不得其解，铅芯为什么会导电呢，铅芯又不是金属物质呀?我把铅芯导电的发现兴高采烈地告诉了科学老师，并询问铅芯导电的原因。老师想了想，说：“噢，铅芯里含有一种物质——碳，它也是导体，所以能导电。”
通过这件事，我明白了只要有善于观察的眼睛，生活处处都有值得发现的东西。好好观察，你一定会发现更多有趣的事物，发现更多的奥秘。
3.26
作者：马欣怡
导电理论 篇4
随着经济的发展和社会的进步,水泥混凝土逐渐由使用的单一化向智能化方向发展[1]。 作为智能混凝土重要分支之一的导电混凝土,因其良好的物理力学性能和特殊的导电性能, 在道路除冰雪、电磁干扰屏蔽、工业防静电、重大土木基础设施内部应力和健康状况自诊断和检测等领域得到了广泛的应用[2,3,4,5]。 导电混凝土是在普通混凝土中加入碳纤维、钢纤维和石墨等导电成分,使混凝土既具有结构材料的特性,又具有导电材料的特性[6,7,8]。 近年来, 我国学者对导电混凝土进行了大量研究,取得了一些重要成果。 王玉福[9]研究了碳纤维导电混凝土的导电特性,结果表明其具有良好的导电性能,但碳纤维在混凝土中不宜分散, 容易产生结团现象,造成材料的浪费,抬高工程造价。 彭海龙[10]研究了碳纤维石墨复相导电混凝土的电性能和磁性能,结果表明碳纤维和石墨的复掺,在降低碳纤维掺量的同时能提高混凝土的导电性能,但石墨的加入会严重影响混凝土的力学强度。 刘涛[11]研究了细钢纤维石墨复相导电混凝土的压敏性能,结果表明钢纤维的加入能明显改善混凝土的力学性能,但相比于碳纤维石墨复相导电混凝土, 混凝土的导电能力大幅降低。 因此,制备导电性优越、力学性能有保证,同时造价低廉的导电混凝土材料,具有非常重要的现实意义。 基于此,本文通过试验,研究碳纤维-钢纤维石墨三相复合导电混凝土的强度和导电性能,提出三种材料的最佳配比,使混凝土不仅具有良好的导电性能,而且兼具优良的力学强度,为导电混凝土的进一步开发和利用打下基础。
1试验
1.1原材料
水泥选用成都某公司生产的P·O 42.5级水泥, 其主要物理力学指标如表1所示;细骨料采用普通河砂; 粗骨料选用最大公称粒径为16mm的连续级配碎石;减水剂为聚羧酸系高效减水剂,减水率在30%以上 ; 碳纤维采用深圳某公司生产的TC36碳纤维, 单丝直径≤8μm, 含碳量≥93%, 拉伸强度3.5MPa,拉伸模量200GPa;钢纤维选用Cs04-08/21号钢纤维,单丝直径0.6mm,单丝长度35~40mm,抗拉强度600MPa; 石墨来自 北京某公 司 , 纯度≥ 99.88%,细度分别为200目、400目和600目。
1.2配合比
导电混凝土试样均采用统一的基准混凝土,基准混凝土配合比如表2所示,碳纤维和钢纤维掺量分别按占基准混凝土体积百分数计算,石墨掺量按石墨占混凝土质量百分比计。
1.3试验方法
按标准成型尺寸为150mm×150mm×150mm的混凝土试件,将分散剂倒入盛有热水的烧杯中充分溶解后,加入碳纤维并不断搅拌至碳纤维单丝分散后倒入搅拌锅,与粗细骨料一起搅拌1min,然后依次加入钢纤维、水泥、石墨和水,继续搅拌2min,再加入减水剂搅拌至所需的工作性,最后倒入模具中成型,在标准养护室中24h后脱模,并养护至一定龄期。
抗压强度按规范要求进行测试;导电性能采用四电极法进行测试,成型试件时将电极埋入混凝土试样中, 其中内测电极相距6cm, 外侧电极相距12cm。
2碳纤维单相导电混凝土
在混凝土中分别掺加不同掺量的碳纤维,测定混凝土28d的抗压强度和不同龄期的电阻率,研究碳纤维掺量对混凝土强度和导电性能的影响,结果如图1所示。
从图1可以看出, 当碳纤维掺量小于0.4%时, 随着碳纤维掺量的增多,混凝土的抗压强度逐渐增大,而当碳纤维掺量大于0.4%时,再增大掺量反而会使抗压强度降低,当碳纤维掺量为0.4%时,混凝土抗压强度达到39.95MPa。 这是因为,当碳纤维掺量小于0.4%时,少量碳纤维填充在混凝土内部的空隙中,使混凝土密实度增大,抗压强度提高;而当碳纤维掺量大于0.4%时, 随着碳纤维掺量的增大,混凝土中引入的非连续相逐渐增多,一方面混凝土拌合物稠度增大,流动性降低,引入混凝土内部的空隙逐渐增多;另一方面,碳纤维在混凝土中分布的均匀性变差,容易出现结团现象,应力集中点增多, 因而抗压强度逐渐降低。
kg/m3
当碳纤维掺量由0.2%增大至0.4%时, 混凝土电阻率急剧下降,导电性能明显变好;之后电阻率随着碳纤维掺量的增大逐渐降低,直至碳纤维掺量大于0.8%时,电阻率趋于稳定。 分析其原因为:当碳纤维掺量小于0.4%时,虽然碳纤维在混凝土中的分布较均匀,但碳纤维之间的联接很少,无法在混凝土内部形成导电通路,此时增大碳纤维掺量能明显改善混凝土的导电性能,降低电阻率;继续增大碳纤维掺量使混凝土内部碳纤维的接触点进一步增多,电阻率逐渐降低,直至碳纤维掺量达到0.8%后, 混凝土内部已形成完整的导电通路,多余的碳纤维对导电性能几乎没有贡献, 反而会造成材料的浪费。 综合考虑,碳纤维最优掺量应为0.4%。
随着养护龄期的延长, 混凝土电阻率逐渐增大,导电性能逐渐下降,尤其是在7d以前,随着龄期的延长,导电性能急剧下降,当龄期在21d以后时,导电性能趋于稳定。 这是因为,7d以前水泥水化不充分, 混凝土内部无法形成完整的胶凝结构,为离子的定向移动提供了良好的环境;随着水化反应的继续进行, 水分子与水泥水化后生成OH-和结晶水,混凝土内部水泥水化产物形成的胶凝结构逐渐完善,隔断了部分导电通道,因而导电性能逐渐变差,电阻率逐渐增大;当龄期大于21d时,水泥水化基本稳定,胶凝结构基本形成并处于稳定,因此再延长龄期对导电性能的影响不大。
为进一步确定混凝土导电性能与碳纤维掺量之间的关系,将不同龄期的电阻率(Re)和碳纤维掺量(C)之间进行对数回归,回归结果如表3所示。
从表3可以看出,各养护龄期的混凝土,电阻率与碳纤维掺量间都具有很好的对数相关性,相关性系数R2都大于0.97,因此,可以用对数回归描述不同碳纤维掺量时碳纤维单相混凝土的导电性能。
3钢纤维-石墨复相导电混凝土
3.1石墨细度对复相导电混凝土性能的影响
首先在混凝土中掺加体积分数为1%的钢纤维,再掺加6%不同目数(200mm、400mm和600mm) 的石墨,测定混凝土28d抗压强度和不同龄期的电阻率,研究石墨细度对混凝土强度和导电性能的影响,结果如图2所示。
从图2可以看出,石墨目数越大,混凝土抗压强度越低,当石墨目数大于400目时,混凝土抗压强度降低至20MPa以下。 这是因为目数越大,石墨颗粒数目越多,吸收的自由水越多,混凝土中参与水泥水化反应的水越少,抗压强度越低。 随着石墨目数的增大,混凝土电阻率急剧减小,导电性能明显改善,其中掺加400目和600目石墨时,混凝土的电阻率相差很小,导电性能基本接近,说明当目数大于400目时,石墨细度对导电性能的影响很微弱。 这是因为,相同条件下,目数越大石墨颗粒越多,石墨颗粒在混凝土内部的分布越广泛,电子跃迁的次数越多, 导电性能越好; 当目数大于400目时,电子跃迁发生的次数基本趋于稳定,导电性能趋于稳定。
3.2石墨掺量对复相导电混凝土性能的影响
控制钢纤维掺量为1%,选择200目的石墨,测定不同石墨掺量时混凝土28d抗压强度和不同龄期的电阻率,研究石墨掺量对混凝土强度和导电性能的影响,结果如图3所示。
从图3可以看出,随着石墨掺量的增大,混凝土抗压强度逐渐减小,当石墨掺量超过8%时,抗压强度急剧下降;石墨掺量越多,吸收的水分越多,水泥水化反应程度越低,混凝土内部空隙越多,抗压强度越低。 复相混凝土电阻率随着石墨掺量的增大逐渐减小,当石墨掺量大于8%时,电阻率变化幅度很小,混凝土导电性能趋于稳定状态,例如当石墨掺量由2%增大至8%和10%时,混凝土28d的电阻率分别从2814Ω·cm降低至1504Ω·cm和1476Ω· cm,分别降低了46.6 %和47.5%。 这是因为当石墨掺量较小时,石墨颗粒被水泥和细骨料包裹处于被隔离状态,彼此之间无法接触,导电性能较弱,随着石墨掺量的增多,隔离层厚度逐渐变薄,水泥放热引起振动使激活的电子容易穿过隔离层发生跃迁, 形成隧道电流,使混凝土的导电性能显著改善。 当石墨掺量大于8%时,电子跃迁逐渐稳定,因而混凝土导电性能也趋于稳定。
4碳纤维-钢纤维-石墨三相导电混凝土
4.1三种材料掺量对三相导电混凝土性能的影响
为更精确地确定三相导电混凝土中三种导电材料的掺加量,设计9组不同试验,测定混凝土不同龄期的电阻率和28d抗压强度, 试验结果如表4所示。
从表4可以看出,碳纤维掺量为0.3%的混凝土电阻率普遍较大,都在109Ω·cm之上,而碳纤维掺量为0.5%的混凝土电阻率普遍较低, 都在110Ω· cm之下。 同时各组试验电阻率都随着养护龄期的延长逐渐增大,当龄期超过21d时,电阻率变化趋势趋于平缓,混凝土导电性能趋于稳定。 第3组试验得到的各龄期电阻率值明显小于其他组,表明三相导电混凝土的导电性能最好;第2组试验得到的导电混凝土抗压强度最大,为39.15MPa,第3组试验得到的抗压强度为38.05MPa,与第2组抗压强度相差不大。 因此,当碳纤维、钢纤维和石墨掺量分别为0.5%、0.8%和5%时,三相导电混凝土的导电性能最佳,同时具有较高的强度。
4.2三相导电混凝土导电性能的灰关联分析
为分析三种导电材料对混凝土导电性能的影响程度,通过灰关联分析计算得到不同养护龄期时三种材料掺量与混凝土电阻率之间的灰关联度,计算结果如表5和图4所示。
灰关联分析是贫信息系统分析的有效手段,由邓聚龙教授于1982年提出, 是灰色系统方法体系中的一类重要方法,是对动态灰过程发展态势整体接近性分析方法[12]。 现有的灰关联方法都是采用计算逐点关联测度值平均值的办法确定关联度,具有局部点关联倾向和造成信息损失等缺点[13]。
(1) 灰关联系数
设X是灰关联 因子集 ,x0(x0(1),x0(2), … ,x0(n))为参考列,xi(xi(1),xi(2),…,xi(n))(i=1,2,… , m) 为比较列, 比较列和参考列之间的灰关联系数为:
式中,为两极最小差;为两极最大差;ρ 为分辨系数,一般取0.5。
(2) 灰熵
(3) 灰关联熵与灰关联度
设X为离散数列,x0∈x为参考列,xi∈x(i=1,2, …,m)为比较列,Ri={ξ[x0(k),xi(k)],k=1,2,…,n},则:
称为分布的密度值。
Xi的灰关联熵表示为:
序列xi的灰熵关联度为E(xi)Δ=H (Ri)/Hmax, 其中Hmax=lnn, 代表由n个元素构成的差异信息列的最大值。其中由灰熵关联度确定主要因素,灰熵关联度越大,影响越显著。
从图4可以看出, 三种导电材料对混凝土导电性能影响的显著程度是:碳纤维>石墨>钢纤维。 这主要与三种材料在混凝土中的导电机理有关, 导电混凝土之所以导电,是因为在电压作用下,混凝土内部的Ca2+、Na+、K+、OH-和SO42-等发生定向移动而形成电流。碳纤维和钢纤维主要是通过相互联接,在混凝土内部搭建导电网格, 为导电离子的定向移动提供通道, 而石墨主要是作为分散相分散在混凝土内部,容易受到水泥颗粒、细骨料和水化产物的阻隔而形成势垒,随着石墨颗粒之间间距的减小,在外界能量作用下电子发生跃迁, 势垒被打破, 从而实现导电。相比于电子跃迁,导电通道的形成为自由离子的定向移动提供了很好的渠道, 因而混凝土导电性能改善程度较大。然而,三种导电材料中钢纤维本身的导电能力最差,极大地削弱了混凝土的导电能力,因此相比于石墨,钢纤维对导电能力的影响程度较小。
5结论
(1)抗压强度随碳纤维掺量的增大表现出先增大后减小的变化趋势,当掺量为0.4%时,抗压强度最大;碳纤维掺量越大,混凝土电阻率越小,导电性能越好;当碳纤维掺量大于0.8%时,电阻率趋于稳定,综合确定碳纤维掺量为0.4%;混凝土电阻率与碳纤维掺量之间呈现很好的对数规律变化; 随着养护龄期的延长, 电阻率逐渐增大, 导电性能逐渐下降,当龄期超过21d后,导电性能趋于稳定。
(2)石墨目数越大 ,混凝土强度越低 ,电阻率越小,当目数为400目和600目时电阻率相差不大;随着石墨掺量的增大, 混凝土抗压强度和电阻率逐渐减小,当石墨掺量超过8%时,混凝土导电性能趋于稳定。
导电合金术语 篇5
2.1 单位长度电阻resistance per unit length
导体在基准温度下单位长度的电阻值。
2.2 体积电阻率volume resistivity
截面积均匀的导体, 单位长度的电阻与截面积之积。
2.3 质量电阻率mass resistivity
导体的单位长度电阻与其单位长度质量之积。
2.4 标准退火铜standard annealed copper
20℃时具有下列各项性能标准值的退火铜:
a) 体积电阻率为 (1/58) ×10-6Ψ·m=0.017 241×10-6Ψ·m;
b) 密度为8.89×103kg/m3;
c) 线膨胀系数为0.000 017℃-1;
d) 在固定于线上的两个电位接点之间, 让金属自由膨胀时所测得电阻随温度变化的系数为0.003 93℃-1= (1/254.45……) ℃-1
e) 从a) 和b) 可知, 质量电阻率为 (1/58) ×10×8.89×10Ψ·kg/m=0.153 28×10Ψ·kg/m。
2.5 国际退火铜标准电导率百分数conductivity per cent IACS
导电度electrical conductivity
国际退火标准铜 (IACS) 在20℃的 (体积或质量) 电阻率对试验材料在20℃ (同一单位) 的电阻率之比, 用百分数表示。单位符号为%IACS。
2.6 软化温度softening temperature
金属对其硬度特性所能承受的最高温度, 若在该温度下保持2h将导致其室温硬度下降的最大值为原硬度值的15%。
2.7应力弛豫stress relaxation
应力松驰stress relaxation
导电理论 篇6
本研究采用LMPA作为导电填料,通过多次反复进行机头拉伸和加入纳米填料的方法使LMPA颗粒在聚乙烯(PE) 基体中粒径减小、分散均匀,进而通过 与纳米尺 度橡胶粒 子 (ENP)进行共混制备出了导电性能得到改善的PE/ENP全硫化热塑性弹性体。全硫化热塑性弹性体的制备过程示意图如图1所示。
1实验部分
1.1原料
线型低密度聚乙烯(LLDPE,7042),中国石油化工股份有限公司茂名石 化分公司;锡铅银合 金粉 (Sn-Pb-Ag,熔点为180℃,粒径为24~45μm),北京三禾鼎鑫高新技术有限公司; MWCNTs(FloTubeTM9000,ρ=1.75g/cm3),北京天奈科技有限公司;MMT(Nanomer?I.44PSS,ρ=1.7g/mL),美国Nanocor公司;ENP(Narpow?VP101,ρ=0.91g/cm3),中国石油化工股份有限公司北京化工研究院。
1.2LLDPE/LMPA复合材料的制备
将LLDPE与Sn-Pb-Ag合金粉均匀混合,其中Sn-Pb-Ag合金粉的含 量为2.5% (vol,体积分数,下同 ),然后经过HAAKE PolyLab同向双螺杆挤出机在LMPA的熔点温度之下进行共混填充,双螺杆挤出机各加热段的温度分别设定为150、160、170、175、175℃和180℃(机头)。在共混过程中LMPA颗粒始终保持固态并被均匀地分散到LLDPE基体中,当熔体通过挤出机机头口模时,在LMPA的熔点附近进行机头拉伸。拉伸速率为160m/min,是在保证不断丝情况下的最大拉伸速度。将得到的LLDPE/LMPA纤维剪碎继续经双螺杆挤出机进行机头拉伸,反复进行7次,制成不同LMPA粒径的LLDPE/LMPA复合材料。
将少量MWCNTs或MMT与LLDPE和Sn-Pb-Ag合金粉进行混合,在同样条件下进行机头拉伸,也反复进行了7次机头拉伸,制成不同LMPA粒径的LLDPE/LMPA/纳米填料复合材料。其中MWCNTs与LLDPE的质量比为0.1∶100, MMT与LLDPE的质量比为1∶100。
1.3全硫化热塑性弹性体的制备
将所得到的复合材料与ENP按照LLDPE与ENP的质量比为30∶70的比例经过HAAKE PolyLab密炼机在150℃、 60r/min的条件下混合10min,然后将得到的混合物模压成测试用样品。 模压条件 为先在150℃、5MPa的条件下 热压5min,然后再于20℃、5MPa的条件下冷压5min。
1.4表征与测试
按照ASTM D257—2007标准,采用上海精密科学仪器有限公司PC68数字高阻计对试样的电阻进行测试。在 -80℃ 下,采用LEICA公司的ULTRACUT-R型冷冻切片机在全硫化热塑性弹性体 上切出平 面,对试样喷 碳处理后,采用美国FEI公司的NanoSEM 450扫描电子 显微镜二 次电子像 观察该平面中LMPA颗粒的分布。
2结果与讨论
2.1全硫化热塑性弹性体的体积电阻率
全硫化热塑性弹性体的体积电阻率与对应复合材料机头拉伸次数的关系如图2所示。可以看出,随着机头 拉伸次数 的增加,全硫化热塑性弹性体的导电性能逐渐提高,而且含有纳米填料的全硫化热塑性弹性体导电性的提高更加明显。此热塑性弹性体中LMPA的含量只有约0.76%。显然,增加拉伸次数以及加入纳米填料有利于聚合物基体中导电网络的形成。从图2还可以看出,含有LLDPE质量1‰ MWCNTs的全硫化热塑性弹性体比含有LLDPE质量1%MMT的全硫化热塑性弹 性体的电 阻还要低。 实际上,热塑性弹 性体中MWCNTs和MMT的含量都 很低,分别约为0.016% 和0.16%,在整个体系中所占的体积分数几乎可以忽略不计,并且,MMT还是绝缘体。然而,这些微量纳米填料对全硫化热塑性弹性体导电网络的完善却起到了重要作用,有必要对其 原因进行深入探讨。
2.2全硫化热塑性弹性体中LMPA颗粒的粒径
采用经过一次机头拉伸得到的复合材料制备的全硫化热塑性弹性体的SEM照片如图3所示。可以看出,经过一次机头拉伸后,大部分LMPA颗粒的粒径已经从24~45μm减小到只有几微米,并且比较均匀地分散在LLDPE基体中。在含有纳米填料的全硫化热塑性弹性体中,不仅LMPA分散得更均匀,而且粒径较小的LMPA颗粒也更多,平均粒径和粒间距明显变小。图4所示的是采用经过7次机头拉伸所得到的复合材料制备出的全硫化热塑性弹性体的SEM照片,可以看出,与采用一次机头拉伸得到的复合材料制备的全硫化热塑性弹性体相比,LMPA分散得更 均匀,粒径较小 的LMPA颗粒更多,平均粒径和粒间距更小。并且,纳米填料对全硫化热塑性弹性体中LMPA颗粒粒径 的影响与 图3得到的规 律相同。其中,含有极少量MWCNTs的全硫化 热塑性弹 性体中LMPA的粒径和分散程度似乎改善得更加明显[见图4(c)]。 不难看出,机头拉伸 可以明显 降低全硫 化热塑性 弹性体中LMPA颗粒粒径,并且,机头拉伸的次数越多,LMPA颗粒粒径降低的越多,LMPA颗粒分散的越均匀。纳米填料的加入则使LMPA的粒径进一步降低,全硫化热塑性弹性体的导电网络更加完善。
[(a)PE/ENP/LMPA 弹性体;(b)PE/ENP/LMPA/MMT 弹性体; (c)PE/ENP/LMPA/MWCNTs弹性体]
[(a)PE/ENP/LMPA 弹性体;(b)PE/ENP/LMPA/MMT 弹性体; (c)PE/ENP/LMPA/MWCNTs弹性体]
2.3碳纳米管改善全硫化热塑性弹性体导电性能的机理探讨
通过上述对全硫化热塑性弹性体的导电性能和微观形态的研究不难看出,纳米填料可促进机头拉伸过程中LMPA颗粒粒径的减小,进而对全硫化热塑性弹性体导电性能的改善起到了重要的促进作用,特别是MWCNTs的改性效果更好。 尽管MWCNTs的用量很小,但对全硫化热塑性弹性体导电性能的改善更为明显,除了可以更有效地在机头拉伸过程中促进LMPA颗粒粒径降低外,还可在LMPA颗粒之间架起导电通道,使全硫化热塑 性弹性体 的导电网 络更加完 善。MWCNTs促进全硫化热塑性弹性体中的导电网络完善的示意图如图5所示。在机头拉伸过程中,LMPA颗粒倾向于沿拉伸方向变形并逐渐破碎成更小的颗粒,但是破碎后的LMPA颗粒一旦相互碰撞就会熔接在一起重新形成粒径较大的颗粒。而与非极性的聚合 物基体相 比,MWCNTs与LMPA具有更好 的相容性,因此在熔融共混和机头拉伸过程 中,MWCNTs除分散在LMPA颗粒之间,更倾向于包覆在LMPA颗粒表面。 无论是包覆在LMPA颗粒表面 的MWCNTs,还是分散 在相邻LMPA颗粒之间的MWCNTs,都能够对LMPA颗粒的凝并起到很好的阻碍作用。由于在LMPA含量一定的情况下, LMPA的分散粒径越小,分散得越均匀,粒间距越小,越有利于导电网络的形成,因此与不含纳米填料的弹性体相比,含有纳米填料全硫化热塑性弹性体的导电性能得到了更为明显的提高。而对于含有很少量导电纳米填料MWCNTs的全硫化热塑弹性 体来说,不仅其中 的LMPA分散得更 好,而且MWCNTs还对LMPA颗粒起到了桥接的作用,将LMPA颗粒连接起来,形成了更好的导电网络。
3结论
采用机头拉伸法制备 的PE/LMPA复合材料 与ENP共混,制备出了导电LMPA含量不高,但电性能得到明显改善的全硫化热塑性弹性体。多次反复进行机头拉伸、加入少量MWCNTs或蒙脱土等纳米 材料,可使LMPA的粒径进 一步减小、分散得更均匀,所制备的全硫化热塑性弹性体的导电性能得到更为明显的改善。根据此研究结果,在适合的 导电纳米填料的帮助下,通过进行多次机头拉伸,有希望制备出导电填料含量很低、颜色较浅的导电全硫化热塑性弹性体。
摘要：采用双螺杆挤出机将熔点高于聚乙烯(PE)的低熔点合金(LMPA)粉末填充到PE基体中,并将机头温度设定在LMPA熔点附近进行机头拉伸,使LMPA成为超细颗粒均匀分散在PE基体中。超细金属粒子受到PE基体的保护,不会被氧化。将含有LMPA超细颗粒的PE与纳米尺度橡胶粒子(ENP)共混制备出了导电性能得到改善的全硫化热塑性弹性体(TPV)。实验结果表明:多次反复进行机头拉伸、加入少量多壁碳纳米管(MWCNTs)或蒙脱土(MMT)等纳米材料,可使LMPA的粒径进一步减小、分散得更均匀,所制备的全硫化热塑性弹性体尽管含有的导电填料量很小,但导电性能得到明显改善。根据此研究结果,在一定量导电纳米填料的帮助下,通过多次进行机头拉伸,有希望制备出导电填料含量低的导电全硫化热塑性弹性体。
导电银浆专利分析研究 篇7
导电浆料具有导电性能好和加工工艺简单等特点,被广泛应用于电子工业电路的组装[1,2]。按照导电粒子的类型可将导电浆料分为银系浆料、铜系浆料和碳系浆料。应用于太阳能电池的导电银浆因绿色能源的兴起而被广泛讨论,成为近几年的研究热点[3,4]。导电银浆由导电银基体、树脂、固化剂及其他添加剂组成。通过将银粉、无机玻璃粉与有机溶剂按照一定配比进行混合研磨制备导电银浆,根据使用条件的不同,可以配置不同黏度的浆料。
专利分析是技术信息分析的有效方法之一,针对导电银浆的专利分析可以帮助企业了解当前银浆的技术动态,指明技术研发方向,是实施专利战略的可靠手段。整理分析专利文献信息,再通过统计计算,得到专利技术信息全局性的情报信息,能掌握最新的技术动态信息,帮助企业研究主要竞争对手的专利研发状况、技术研发情报,为国家制定研发战略提供有力的依据[5,6,7,8]。
2 导电银浆专利信息获取
本研究收集和分析了1995年1月至2015年12月公布的中国专利信息。研究选择的检索词有银浆、导电银浆等,通过逻辑组配高级检索,删除其中一些无关、重复的专利信息,最后得到国内专利共3531件。
3 导电银浆专利管理面分析
3.1 专利申请数量分析
通过对导电银浆领域历年专利申请数量的变化分析,可以看出该技术领域的发展动向和研发投入的趋势。通过对导电银浆申请时间的统计,得到了从1995年到2015年我国导电银浆专利申请数量的变化情况,图1为专利申请年分布情况。
从图1可以看出,20世纪90年代,我国导电银浆的发展刚刚起步,专利申请数量较少,且增长缓慢,但从2003年开始,我国导电银浆每年的专利申请量出现了较快的增长,可以看出我国对导电银浆的研究越来越重视。随着电子科技的发展,导电银浆作为电路板上的基础材料受到广泛关注和研究,随着导电银浆应用于太阳能电池板,以及太阳能光伏发电的兴起,专利数量在2011年达到了一个高峰,之后随着国际市场对国内光伏市场的打压,出现国内光伏硅片市场的“过饱和”的言论,导致2012年导电银浆的研发和专利有了小幅的回落。
3.2 专利类型数量分析
将专利按发明专利申请、实用新型专利和外观设计专利3种类型进行了统计分析,图2为导电银浆3种专利类型申请比例。由图2可以看出,在3531件专利申请记录中,有69.49%的发明专利,30.13%实用新型专利,外观设计专利只有0.38%。我国导电银浆专利主要集中于发明专利,其占导电银浆专利申请数量近70%,说明我国对银浆技术研发的投入增加,掌握了一定的核心技术。
3.3 专利发明人分析
通过分析发明人的专利数量和技术构成情况,可以发现在导电银浆技术领域内具有重要发明贡献的研究人员。表1为专利总数排名前20的人员专利数量、所在公司以及各年度专利申请情况。由表1可以看出,2012年和2014年国内专利申请数量较高,发明人申请数量较为集中。孟祥法、董培才、郭万东等人申请专利数量最多,均达到49件,申请年份集中在2012年与2014年,而比亚迪股份有限公司的谭伟华在近5年中专利申请数量比较平均,说明该公司与专利人对导电银浆领域有持续的关注和研究。
3.4 专利权人分析
对专利权人的分析可以发现竞争对手的技术研究动态,为公司的发展与技术方向提供准确的定位,并可以在上下游行业中寻求最佳的技术合作伙伴。表2为专利权人的专利总数及专利类型的情况(总数的前10位)。
由表2可以看出,排名前10位的专利权人均为企业,无自然人。国内企业对导电银浆的研究大多集中在发明专利,实用新型和外观设计较少。其中,彩虹集团公司专利申请数量最多,从发明专利授权上数量也最多,说明该公司非常注重导电银浆技术的研究。
图3为主要企业专利权人申请年度分布情况。
由图3可以看出,上述几个企业在导电银浆技术领域申请专利始于2003年,2008年之后申请专利的公司逐渐增多,在2012年达到专利申请的高峰。其中,比亚迪公司从2005年之后,每年均有申请专利,说明比亚迪公司在这个阶段比较注重技术创新和知识产权保护,在关键技术上可能提前布局专利战略;而苏州市新诚氏电子有限公司和合肥中南光电有限公司专利申请主要集中在近两年,专利申请数量较大,发展势头较为迅猛。从总体上看,我国导电银浆的研究虽然起步较晚,但近几年的发展较快。
3.5 国际专利分类分析
国际专利分类(IPC)是国际上唯一通用的专利文献分类和检索工具。IPC分为5级结构,8大部分,通过考察IPC分布情况,可以了解导电银浆的研究重点、热点和发展趋势等信息。选取了专利申请集中分布的前10位IPC小类进行分析,图4为IPC小类专利数量分布情况。
从图4中可以看出,目前我国导电银浆的研究主要集中在H01B1、H01L31、H01B13等技术领域,这三个技术领域专利申请的数量占专利总数的70%以上。
3.6 各国在华申请专利占有量分析
图5为各国在华申请专利的占有量,从图5可见,发现其他国家在我国申请导电银浆的专利数量不多,美国在我国申请导电银浆专利数量最多,有21件,日本以19件紧跟其后,研究发现,美国和日本在我国申请的均以发明专利为主,说明美国、日本国家为了进入中国市场,在中国市场有了一定的专利布局。
3.6 专利法律状态分析
图6为我国导电银浆专利法律状态,从专利法律状态可以看出,1574件专利经授权后有效,651件专利失效,专利失效后,有专利战略的企业可以根据自身需要,分析失效专利中潜在的巨大价值,为企业的技术研发提供有力的依据。
4 结语
从我国导电银浆历年申请的专利数量来看,我国对导电银浆的研究起步较晚,始于1997年,在2008年前,我国导电银浆申请的专利数量一直比较少,发展水平较低。但随着太阳能光伏的发展,导电银浆的研究趋于热门,专利申请数量逐年增长,且增速较快。从专利类型来看,我国导电银浆主要集中在发明专利上。国内企业可根据国内在导电银浆领域专利数量较多的发明人和申请人进行监测和跟踪,从而提高自身技术水平和了解竞争对手的技术动态。企业可根据专利的分类布局来制定技术研发方向,并通过研究在华专利占有量和具体专利,可以引进和借鉴国外的先进技术,还可通过法律状态研究,挖掘失效专利的重要技术信息。同时,越来越多的企业都在不断地加强专利技术的研究,已经开始构筑知识产权的壁垒,巩固其市场的竞争地位。
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美国科学家发明导电水泥 篇8
据国外媒体报道, 美国内布拉斯加大学林肯分校的科研团队利用研发出的一款新型导电水泥, 可避免建筑物遭受电磁爆破坏。近年来, 安全专家不断强调电磁脉冲袭击的强大破坏力———可使电力系统一夜之间全部瘫痪, 夺走成千上百万条生命, 而电磁武器的威胁已不仅仅存在于科幻小说中。不过, 科学家已经发明出能抵御这种“末日袭击”的特殊水泥材料。这种导电水泥既能吸收也能释放电磁波, 从而对内部电子设备起到保护作用, 并且可以用喷涂的方法对现有建筑物进行改进。
科学家在普通水泥中加入了磁铁矿, 这种磁性矿石能够吸收脉冲微波, 从而具有导电性。此外, 水泥中还加入了碳和金属成分, 不仅能增强电磁脉冲的吸收力, 还能将其释放出去。据说, 这比传统的金属板防御技术有效得多, 也更便宜。
这种水泥材料现在已经可以投入商业化生产, 研究团队正与亚商集团 (ABC Group) 联手开发喷锚构筑法, 并且正在申请专利。这种材料可增加军事、金融等重要建筑的安全系数。