《电活性高分子材料》PPT课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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，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,，电致发光用材料包括荧光转换材,料（发光层）、载流子传输材料（载流子传输层）和载流子注入,材料（载流子注入电极）。,1、载流子传输材料,包括电子传输材料和空穴传输材料。,、电子传输材料,包括有机电子传输材料和高分子电子传输材料。,A、,有机电子传输材料,主要是金属有机络合物。如，8-羟基喹啉衍生物的铝、锌、,铍等的络合物，恶二唑衍生物,PBD,等。,B、,高分子电子传输材料,聚吡啶类的,PPY、,奈内酰胺聚合物4-,AcNI、,聚苯乙烯磺酸钠,等。,、空穴传输材料,相比于电子传输材料,还未普遍使用,。包括有机空穴传输材料,和高分子空穴传输材料。,A、,有机空穴传输材料,主要有芳香二胺类,TPD,和,NPB,及其衍生物。,B、,高分子空穴传输材料,主要有聚乙烯咔唑（,PVK）,和聚甲基苯基硅烷（,PMPS）。,2、载流子注入材料,包括电子注入材料和空穴注入材料。,、电子注入材料,主要采用低功函的金属或碱金属合金材料制作。,、空穴注入材料,主要采用,ITO,玻璃制作。,3、高分子荧光转换材料（发光材料）,包括有机荧光转换材料和高分子荧光转换材料。其中，高分,子荧光转换材料主要有以下三类：,主链共轭型,高分子电致发光材,料；,侧链共轭型,高分子电致发光材料；,复合型,高分子电致发光材,料。,、主链共轭型高分子电致发光材料,是目前使用,最广泛,的电致发光材料。主要包括聚对苯乙炔,（,PPV）,及其衍生物、聚烷基噻吩及其衍生物（,PAT）、,聚芳香烃,类化合物等。,A、,聚对苯乙炔（,PPV）,及其衍生物类,典型的线型共轭高分子电致发光材料。由于含有苯环，具有,优良的空穴传输性和热稳定性。如，表4-3。,（下接续表）,（上接表,4-3,）,B、,聚烷基噻吩（,PAT）,及其衍生物类,是主链共轭型杂环高分子电致发光材料。热稳定性好、启动,电压低。如，表4-3。,C、,聚芳香烃类,化学性质稳定，禁带宽度大，能够发射其他材料难以发出的,蓝光。如，表4-,5,。,、侧链共轭型高分子电致发光材料,是典型的，,发色团,与,聚合物骨架,连接结构。,具有较高的量子效率和光吸收系数，其导带和价带能级差处,在可见光区，所以可以合成出能,发出各种颜色光,的电致变色材,料；由于处在侧链上的,价电子不能沿着非导电的主链移动，因,此,导电能力较差,。,典型的材料有聚,N-,乙烯基咔唑、聚烷基硅烷（,PAS）,等。,、共混型高分子电致发光材料,由具有,电子发光性能的小分子,与成膜性能好、机械强度合适,的,聚合物,混合制成的复合材料。,在复合物中，连续相主要采用惰性高分子材料；作为分散相,的,荧光添加剂,决定电子发光材料的量子效率和发光波长。,常用荧光添加剂的结构和荧光颜色表示在表4-6中。,四、高分子电致发光器件的制作方法,以,透明的,ITO,玻璃电极,作为基体材料，依次在其上面用成膜方,法形成空穴传输层、荧光转换层、电子传输层，最后用真空蒸度,的方法形成电子注入电极。,目前使用的成膜方法主要有以下三类：,1,、,2,、,3,1、真空蒸镀成膜法,将涂层材料放在较高温度处，在,真空下升华,到，处在较低温,度处的,ITO,电极上而形成薄膜。,2、浸涂或旋涂成膜法,现将,成膜材料溶解,在一定溶剂中制成合适浓度的溶液，然后,将,电极浸入溶液,中，取出后挥发溶剂使之成膜。,3、原位聚合法,是目前使用,最多,的方法。,首先配制聚合单体反应溶液，然后利用电化学、光化学等方,法引发聚合反应，在电极表面生成电致发光薄膜。,4、电子注入电极的制备,主要作为实验室研究方法。,成膜材料一般使用低功函的碱土金属或它们的合金，成膜方,法主要是真空热蒸