电活性高分子材料 2PPT推荐.pptx

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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。

、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。

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。

形成过程：

在升高聚合物温度的同时，施加高电场，使材料内的偶极子指向化，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。

影响因素：

温度极化时材料的温度应达到该聚合物的玻璃化温度以上，熔点以下。

极化后材料温度则要降低到室温或玻璃化转变温度以下。

对聚四氟乙烯，温度在150200之间，对PVDF,温度应保持在0120之间。

电场电场越强、极化过程越快、极化程度越大。

材料位置和电极形状电极形状直接影响材料的极化均匀性。

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。

极化装置结构特点：

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。

形成过程：

在两电极（其中一个电极做成针型）之间施加数千伏的电压，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。

技术要点：

、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，并加数百伏正偏压。

、除了电晕放电法以外，其他的放电方法，如火花放电、唐深德放电也可以应用。

后两种方法可在聚合物表面累积较大密度的电荷，提高极化强度。

电晕放电极化法适合小体积驻极体的制备过程。

特点：

优点-方法简便，不需要控制温度；

缺点-稳定性不如热极化形成法。

3、液体接触极化法属于实电荷注入法，得到的高分子驻极体表面带有电荷。

极化过程：

通过一个软湿电极将电荷从金属电极传导到聚合物表面，从而达到极化目的。

在金属电极表面包裹一层由某种液体润湿的软布，聚合物背面制作一层金属层，在电极与金属层之间施加电压，使电荷通过润湿的包裹层传到聚合物表面。

该湿电极可以在机械装置控制下，在材料表面扫描移动，使电荷分布到整个材料表面。

当导电液体挥发，移开电极之后，电荷被保持在聚合物表面。

要点：

1、电极施加的电压大小，不仅要考虑极化的需要，还要考虑电荷传输过程中克服液体和聚合物界面双电层的需要。

2、考虑到挥发性、润湿性和使用方便，电极润湿用液体多为水和乙醇。

优点：

方法简单，易控制，电荷分布均匀，能获得大面积驻极体材料。

4、电子束注入法通过电子束发射源将适当能量的电子直接注入到合适厚度的聚合物中。

可以得到具有体电荷的高分子驻极体，主要是由于电子束具有较高的能量，可以穿透材料表面。

要点：

电子束的能量和被极化材料的厚度应该配合好，防止电子能量过高而穿过聚合物膜。

聚合物厚度与穿透电子的能量有一定关系。

为了使电子束在材料表面均匀注入，需要在电子束运行途中加入扫描或者散焦装置。

该方法己经被用来给厚板型聚合物和薄膜型材料注入电荷。

5、光驻极体形成法使用光作为激发源产生驻极体。

理论依据：

如果在电场存在下，使用可见光或者紫外光照射光导材料，由于光照射产生的载流子被电场分离，并被俘获，会产生永久性极化。

电荷可以是分布在电极和聚合物界面上的两个分离的，符号相反的双电荷分布区，也可以是分布于材料内部的单电荷分布区。

应用于无机和有机光导体的电荷注入过程，其中最重要的高分子光导体是聚乙烯基咔唑与芴酮共聚物。

四、高分子驻极体的分析测试和研究方法1、有效表面电荷密度测定法剖析式电容法（经典方法）电容探针法（改进的方法）动态电容法补偿法热脉冲法极化与退极化电流法,2、电荷分布测定方法适用于较厚片状样品的切割法可剖析式法拉第杯法感应退极化组合法光辐射释放法热脉冲法电荷补偿法间接测量电荷分布法,激光感应压力脉冲法散光强度调制法,新方法，分辨率可达微米量级,五、高分子驻极体的应用高分子驻极体由于其特殊结构和荷电状态，使其具有静电作用、热电性质、压电性质和铁电性质。

与相应的陶瓷类材料相比，聚合物型驻极体具有柔性好、成本低、材料来源广、频率响应范围宽、成型加工相对容易的特点，因而在许多领域获得应用，并且仍在迅速发展。

1、制作驻极体换能器件利用压电和热电特性。

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、电致发光与电热发光的差异电热发光：

由于材料的电阻热效应，使材料本身温度升高，产生热激发发光，属于热光源，如常见的白炽灯。

电致发光：

电激发发光过程，发光材料本身发热并不明显，属于冷光源，如常见的发光二极管。

2、电致发光高分子材料发展史,20世纪初发现SiC晶体在电场作用下的发光现象。

在此基础上开发出各种无机半导体电致发光器件。

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现象。

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，很容易实现大面积显示。

、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,根据电致发光器件的结构原理，在其中使用的主要材料包括电子注入材料（阴极材料）、空穴注入材料（阳极材料）、电子传输材料、空穴传输材料和荧光转换材料（发光材料）。

为了提高性能，还加入诸如荧光增强填加剂和三线激发态发光材料等辅助材料。

前者是为了提高器件的光量子效率，后者是为了使相对稳定，不易以光形式耗散的三线激发态发出可见光。

其中，电子传输材料、空穴传输材料和荧光转换材料都可以用有机功能高分子材料来制作。

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，使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。

发光层：

承担荧光转换的作用。

2、聚合物电致发光机理仍然沿用无机半导体的发光理论。

（1）发光过程：

、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式发生能量耗散（发光）。

（2）电能和光能的转换由电能产生的激子属于高能态物质，其能量可以将发光分子中的电子激发到激发态。

激发态电子通过一定的途径进行能量耗散。

能量耗散方式：

通过振动弛豫、化学反应等非光形式耗散；

通过荧光历程，以发光形式耗散，即电致发光；

磷光形式耗散，但不明显。

（3）电致发光的量子效率放出的荧光能量占激发过程吸收的总能量之比为电致发光的量子效率。

理论上，电致发光的效率存在着一个极限，一般情况下为25%。

这是因为对于常见共扼型电致发光材料，产生单线激发态和三线激发态的比值约为1：

3。

（4）发光效率的影响因素发光效率与材料的光致发光效率、产生激子的载流子比率、载流子复合产生单线态激子的比率和器件外部发光的比率均成正比。

材料的光致发光效率材料的固有性质，只与材料的分子结构和超分子结构有关。

可以通过分子设计，改变分子结构提高