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西南科技大学
题目名称：高分子导电复合材料的导电机理 及电磁屏蔽分析
学生姓名：高勇
学生学号：20100203
指导教师：马寒冰
2013 年 6 月 1 日
摘要：系统介绍高分子导电复合材料的基本特征、导电机理、电磁屏蔽。分别从渗流理论 、隧道效应理论和场致发射效应理论三个方 面进行导电机制的比较和分析。
关键词：高分子、复合材料、电磁屏蔽、导电机理、渗流理论 、隧
道效应理论、场致发射效应理论
引言：由于高分子导电复合材料特殊的结构和优异的物理化学性，
能使它成为材料科学的研究热点 ，作为不可替代的新兴基础有机功能材料之一的高分子导电复合材料运用在很多领域，高分子导电复合材料在分子设计和材料合成、掺杂机理和方法 、可溶性和加工性、导电机理、光、电、磁等物理性能和相关机理及技术上的应用探索都已取得重要的研究进展。
1. 导电高分子复合材料的构成
导电高分子复合材料是以高分子材料为基体，同时添加各种导电填料复合而成的具有导电功能的多相复合体系。导电高分子复合材料既具有导电功能同时又具有高分子材料的许多优异特性而且可在较大范围内根据使用需求调节材料的电学和力学性能，成本较低。导电高分子复合材料主要由高分子材料、导电物质及其他辅助填料等通过一定的工艺方法复合而成。高分子材料的基体主要有环氧树脂、聚酰胺-酰亚胺等热固性树脂和聚氯乙烯等热塑性树脂。填料主要有炭黑、
碳纤维、石墨等碳系填料和金属系填料，如金属粉、金属氧化物等。运用最多的是炭黑填料。
2. 导电机理
高分子导电复合材料的导电机理比较复杂 。自从导电高分子复合材料出现后 ，人们对其导电机理进行了广泛的研究 ，目前比较流行的有三个理论：一是宏观的渗流理论，即导电通道学说；二是微观量子力学的隧道效应理论；三是微观量子力学的场致发射效应理论。
2.1 渗流理论
该理论主要用来解释高分子导电复合材料的电阻率和添加的导电填料含量之间的关系，它不涉及复合体系的导电本质，只是从宏观角度解释复合体系的导电现象。大量的实验研究结果表明，当复合体系中导电填料的含量增加到某一临界含量时，体系的电阻率急剧下降，体系的电阻率一导电填料含量曲线出现一个狭窄的突变区域，在此区域内，导电填料含量的任何细微变化均会导致电阻率的显著改变，这种现象通常称为渗滤现象，导电填料的临界含量通常称为渗滤阀值；在突变区域之后，体系电阻率随导电填料含量的变化又恢复平缓。
2.2 隧道效应理论
隧道效应理论是应用量子力学的结果。当复合体系中导电填料含
量较低、导电粒子间距较大时仍存在导电现象，该理论认为导电是电子迁移的结果。复合导电体系中依然存在导电网络，但导电不是靠导电粒子的接触来实现，而是热振动时电子在导电粒子之间的迁移造成的 ，且导电电流（即隧道电流）是导电粒子间间隙宽度的指数函数。隧道效应几乎仅发生在距离很接近的导电粒子之间 ，间隙过大的导电粒子之间无电流传导行为。隧道效应理论已成功地应用于碳黑／聚氯乙烯导电复合体系，从而证明了隧道效应机理在有些复合体系中确实存在。
2.3 场致发射效应理论
该理论认为 ，当复合体系中导电填料含量较低、导电粒子间距较大、电粒子之间的内部电场很强时，导电子将有很大的几率飞跃树脂界面势垒而跃迁到相邻的导电粒子上，产生场致发射电流，形成导电网络 。
2.4 导电机理分析
高分子导电复合材料中普遍存在着导电通道、隧道效应和场致发射三种导电机制。在导电填料含量较高的情况下，复合体系中导电粒子之间的间距较小，形成链状导电通道的几率较大，这时导电通道机理的作用占优势；导电填料含量低、在低外加电压作用下，复合体系中导电粒子之间的间距较大，形成链状导电通道的几率较小，这时隧道效应起主要作用；这在导电填料含量低、高外加电压作用下，场致