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碳纳米管、石墨烯在导电涂料中的应用

发布人:admin  2017年5月11日 浏览 869





导电涂料是伴跟着现代科学技术而迅速发展起来的特种功能涂料,按导电机理不同可分为本征型和填充型两类。本征型导电涂料是指聚合物本身或经由掺杂而具有导电性,该类涂料的研究虽已取得重大进展,但目前仍存在电荷载流子迁移率低且溶解性和加工性较差等题目。填充型导电涂料由成膜树脂和导电填料平均混合而成,其中聚合物本身不具有导电性,主要依赖填充的导电粒子提供自由载流子而具有导电性。填充型导电涂料的制备和使用简朴易行,目前已在静电耗散、电磁屏蔽、电子封装等领域得到广泛应用。



常用的导电填料有金属粉末和碳系粉末,其中金属粉末作为填料制备的涂料具有较好的导电机能,但金属密度大,在涂料中易沉降,且在服役期间轻易氧化导致涂层导电机能下降甚至失去导电机能。比拟金属填料而言,碳系导电填料具有密度小、耐侵蚀和导电机能不乱等长处。炭黑和石墨是常用的碳系导电填料,近年来,碳纳米管(CNTs)和石墨烯(GNS)作为新型导电填料的研究取得了令人瞩目的成果。本文从导电机理、研究状况及影响导电机能的因素3个方面临碳纳米管和石墨烯导电涂料进行论述,并对其未来研究发展方向进行瞻望。




1 导电涂料的导电机理
平均分散在涂膜内的导电填料含量超过一定值时,涂膜的电阻率迅速降低,表现出导电机能,这种现象被称为渗流,这一临界值即为渗流阈值。导电涂料的导电机理与渗流理论紧密亲密联系,主要包括导电回路的形成和电子的传输两个方面。
1.1 导电回路的形成
理论研究以为涂膜内的导电填料含量达到渗流阈值后,复合体系内的导电粒子便会彼此搭接或列队形成三维导电网络回路。导电粒子与聚合物混合时会形成界面,体系界面能过剩。导电填料含量越高,分散效果越好,体系界面能过剩也就越大。Miyasaka等将体系界面能与涂料导电机能联系起来,以为渗流阈值是一个与体系界面能有关的函数,当体系界面能过剩到接近极限值时,导电填料将产生团圆避免界面能进一步增大,该理论能较好地解释填料含量超过渗流阈值后,电导率晋升变缓并终极维持在恒定值的现象。
1.2 电子的传输
导电回路的形成是从宏观上来描述导电机理的,而电子传输则是电流形成的微观过程。填充型导电涂料的电子传输过程比较复杂,目前比较认可的主要有导电通道理论、场致发射理论和地道效应理论。导电通道理论以为电子是通过涂层内彼此接触的导电粒子来实现传输的,场致发射和地道效应理论则以为在热振动或内部电场作用下,电子可以越过势垒在彼此相邻几纳米的导体粒子间迁移。大量研究表明CNTs或GNS含量较低时,导电涂层的交流电导率跟着频率的进步而迅速增大,当它们含量超过渗流阈值后,即使频率变化,交流电导率依然保持不乱。这是由于跟着外场频率的升高,光子能量相应增大,电子在局域态间的跃迁概率增大从而晋升体系的交流电导率,一旦CNTs或GNS的含量超过渗流阈值,体系中即形成了畅通的导电网络,故交流电导率不再随频率而改变。所以当CNTs或GNS含量较高时,电子主要经由导电通道进行传输;当其含量较低时,形成连续导电通道的几率较小,这时电子主要通过场致发射和地道效应来实现传输。



 

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