導(dǎo)電聚合物薄膜材料課件

導(dǎo)電聚合物薄膜材料的力學(xué)性能的常見(jiàn)研究方法

Themechanicalbehaviorsofconductingpolymerthinfilmmeasuredwithatraditionalmethod導(dǎo)電聚合物薄膜材料的力學(xué)性能的常見(jiàn)研究方法

1研究?jī)?nèi)容及方法/Contentsandmethod研究背景/Background直接測(cè)量法/direct-measuringmethod電子散斑干涉微測(cè)原理/ESPI導(dǎo)電聚合物薄膜材料電化學(xué)制備工藝/theelectrochemicalworkingtechnologyofthesampler薄膜技術(shù)與討論/Thethinfilmstechnologyanddiscussions結(jié)論/Conclusions研究?jī)?nèi)容及方法/Contentsandmethod研究背2年代相對(duì)重要性40608090200020102020金屬高分子材料復(fù)合材料陶瓷導(dǎo)電聚合物高溫聚合物高模量聚合物聚脂環(huán)氧樹(shù)脂聚苯乙烯研究背景/Background年代相對(duì)重要性40608090200020102020金屬高3研究背景/Background導(dǎo)電高分子材料具有以下特點(diǎn)：1)是多學(xué)科交叉、知識(shí)密集、技術(shù)密集、資金密集的一類新產(chǎn)業(yè)2)它的設(shè)計(jì)、制備、質(zhì)量控制及性能測(cè)試等方面，綜合利用了現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)。3)它的生產(chǎn)規(guī)模小，但品種多，更新?lián)Q代快，價(jià)格昂貴，技術(shù)保密性強(qiáng)屬于難度較大的產(chǎn)業(yè)。研究背景/Background導(dǎo)電高分子材料具有以下特點(diǎn)：4研究背景/Background高分子材料通常被認(rèn)為是一類導(dǎo)電性能差的絕緣材料。20世紀(jì)70年以來(lái)，出現(xiàn)了具有導(dǎo)電性能的一些有機(jī)材料，聚乙炔則是公認(rèn)的第一個(gè)有機(jī)導(dǎo)電高分子。這一貢獻(xiàn)主要由日本科學(xué)家-白川英樹(shù)和美國(guó)A.G.Macdiarmd。他們將聚乙炔的導(dǎo)電率從10-9

S/m提高到103S/m。從半導(dǎo)體變成了金屬型導(dǎo)體（1971年）。高分子導(dǎo)電機(jī)理：有離子傳導(dǎo)理論，電子傳導(dǎo)理論和新近提出的孤子理論。研究背景/Background高分子材料通常被認(rèn)為5研究背景/Background離子性導(dǎo)電高分子材料是含有某離子的固體（如聚氧乙烯），他們能溶解某種無(wú)機(jī)鹽，而且溶入的鹽呈離子狀態(tài)。離子在電場(chǎng)作用下移動(dòng)，產(chǎn)生電流。高分子中物質(zhì)的移動(dòng)速度因高分子本身運(yùn)動(dòng)性能的增加而增大因此，溫度越高，這類高分子的導(dǎo)電率就越大。而且，這類材料中一些離子濃度隨濕度的增加而增大，導(dǎo)電率也隨濕度的增加而增大，所以這類材料可以作濕敏傳感器。研究背景/Background離子性導(dǎo)電高分子材6研究背景/Background導(dǎo)電高分子材料的制備：要想獲得具有導(dǎo)電性的高分子材料，有以下兩種方法：1）使高分子本身具有導(dǎo)電性，這就是合成共軛體系的高分子并適當(dāng)摻雜。2）把導(dǎo)電性的填充劑分散到高分子中，制成復(fù)合材料。這類材料可以做到強(qiáng)度比金屬高，更耐腐蝕，而且生產(chǎn)過(guò)程耗能低，成型加工工藝良好，成本較低，所以發(fā)展很快。特別是根據(jù)需要，通過(guò)分子設(shè)計(jì)進(jìn)行試制和生產(chǎn)。研究背景/Background導(dǎo)電高分子材料的制備：7研究背景/Background導(dǎo)電高分子的摻雜：1）導(dǎo)電高分子的摻雜是指經(jīng)過(guò)化學(xué)、電化學(xué)、物理和光學(xué)的過(guò)程，使高分子鏈變成導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，即產(chǎn)生導(dǎo)電載流子，并適當(dāng)摻雜。2）按與單體單元的摩爾比計(jì)算，摻雜劑的用量一般在百分之幾到百分之幾十。3）摻雜之后，摻雜劑殘基嵌入高分子的分子鏈之間，起到離子作用，但他們本身不參加導(dǎo)電。4）摻雜后的高分子可以呈半導(dǎo)體性，也可以呈金屬性，取決于摻雜的程度。研究背景/Background導(dǎo)電高分子的摻雜：8研究背景/Background導(dǎo)電高分子材料的用途：導(dǎo)電高分子材料有多方面的用途，最主要的有：1）可以進(jìn)行氧化還原摻雜和去摻雜，并且可以通過(guò)電極反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此可以用來(lái)作充電電池的電極材料。2）高分子在一定摻雜程度上呈現(xiàn)半導(dǎo)體性質(zhì)，因而可以制成二極或三極管。1986年日本用聚噻吩制成了場(chǎng)效應(yīng)管，其效率很高。3）用于電致變色和顯示。如聚吡咯等顯示元件的開(kāi)關(guān)時(shí)間約為20s，開(kāi)關(guān)壽命達(dá)到107次，接近液晶水平，可以用全固體顯示器，可能會(huì)實(shí)現(xiàn)顯示技術(shù)的一大突破。研究背景/Background導(dǎo)電高分子材料的用途：9研究背景/Background導(dǎo)電高分子材料的用途：4）用于傳感器和檢測(cè)器。如聚呋喃濕度傳感器，聚噻吩電子射線測(cè)量計(jì)，聚吡咯NO,NO2,CO氣體傳感器等都已問(wèn)世。此外，導(dǎo)電高分子在電磁屏蔽和抗靜電方面也有實(shí)際的應(yīng)用，尤其是隱形飛機(jī)的出現(xiàn)，也激發(fā)了導(dǎo)電高分子作為微波或電磁波吸收材料的研究。研究背景/Background導(dǎo)電高分子材料的用途：10研究背景/Background導(dǎo)電聚合物薄膜材料物理化學(xué)以及力學(xué)特點(diǎn)：（1）導(dǎo)電性從絕緣到接近金屬材料整個(gè)范圍內(nèi)可以控制；（2）化學(xué)性能穩(wěn)定，不易揮化；（3）具有金屬鋁的強(qiáng)度，韌性較好，形狀固定，易剪裁；（4）可以制備成納米管狀的薄膜。研究背景/Background導(dǎo)電聚合物薄膜材料物理化學(xué)11研究背景/Background導(dǎo)電聚合物薄膜材料應(yīng)用領(lǐng)域：（1）根據(jù)其導(dǎo)電特性多用于各種半導(dǎo)體裝置（如二極管、p-n結(jié)、信息儲(chǔ)存、塑料傳感器）（2）熱、光、磁、電等敏感元件（3）根據(jù)其特點(diǎn)：可以作為抗靜電、防腐、隱形涂層等（4）根據(jù)其他特點(diǎn)：可以用作顯像管、微波掃描等。研究背景/Background導(dǎo)電聚合物薄膜材料應(yīng)用領(lǐng)域：12研究背景/Background研究現(xiàn)狀：目前對(duì)導(dǎo)電高分子的研究，國(guó)外有文章評(píng)價(jià)為：已經(jīng)進(jìn)入從青銅時(shí)代向高分子時(shí)代轉(zhuǎn)型的新時(shí)期。(isintransitionfromthebronzeagetotheeraofpolymers[G.Inzelt,etal.ElectrochimicaActa45(2000)2403-2421)]。研究重點(diǎn)主要集中在材料與器件的功能以及制備中出現(xiàn)的物理、化學(xué)特性，電化學(xué)反應(yīng)控制、聚合鏈上多種相互作用的分子形成過(guò)程，分子聚合特性、材料微組織結(jié)構(gòu)以及這些材料的物理、化學(xué)特性以及力學(xué)性能參數(shù)的檢測(cè)。但用電子散斑干涉技術(shù)精確測(cè)試材料的力學(xué)性能以及進(jìn)行斷裂分析的研究國(guó)內(nèi)外尚未見(jiàn)報(bào)道。研究背景/Background研究現(xiàn)狀：13石油、天然氣裂解、蒸餾有機(jī)原料乙炔、乙烯有機(jī)合成聚合、縮合等高分子材料聚噻吩導(dǎo)電聚噻吩薄膜導(dǎo)電聚噻吩薄膜材料的制備工藝/WorkingtechnologyofCPTF材料的制備技術(shù)和工藝過(guò)程對(duì)材料的性能會(huì)產(chǎn)生巨大的影響,因此，對(duì)制備技術(shù)和工藝過(guò)程的研究十分必要。石油、天然氣裂解、蒸餾有機(jī)原料有機(jī)合成高分子材料導(dǎo)電聚噻吩薄14導(dǎo)電聚噻吩薄膜材料的制備工藝/WorkingtechnologyofCPTF電極體系聚合電位1.3V三氟化硼乙醚體系單體濃度30mmol/L導(dǎo)電聚噻吩薄膜材料的制備工藝/電極體系15三電極電化學(xué)薄膜制備示意圖三電極電化學(xué)薄膜制備示意圖16IMKOHElectrochemicalPolymerizationITOcontactelectrodeMicroporousaluminamembrane(MAM)ITO/Au/MAMAlignedPthtubulesAuvapordeposition納米管導(dǎo)電聚噻吩薄膜材料的制備工藝IMKOHElectrochemicalITOconta17電子散斑干涉微測(cè)原理/Micro-measuringmethodwiththeESPI電子散斑干涉（ESPI）技術(shù)是計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)、激光技術(shù)以及全息干涉技術(shù)相結(jié)合的一種新技術(shù)。散斑是在相干照明的情況下在漫射式的反射或透射表面觀察到的隨機(jī)分布的具有“閃爍”顆粒狀外貌的微小光斑，有亮散斑和暗散斑之分。激光的高相干性使散斑現(xiàn)象顯而易見(jiàn)。實(shí)際上，散斑就是來(lái)自粗糙表面不同面積元的光波之間的自相干涉現(xiàn)象，因而它也是粗糙表面的某些信息的攜帶者。借助于散斑不僅可以研究粗糙表面本身，而且還可以研究其位置及形狀的變化。電子散斑干涉微測(cè)原理/Micro-measuringmet18電子散斑干涉微測(cè)原理/Micro-measuringmethodwiththeESPI電子散斑干涉系統(tǒng)由光學(xué)干涉儀和信息處理系統(tǒng)組成。光學(xué)干涉儀形成原始散斑干涉場(chǎng)，由CCD探測(cè)器將其轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)輸入到帶圖像卡的計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理，最后可以直接在屏幕上觀察到與變形相關(guān)的干涉條紋。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括:(1)外腔式激光器；(2)光束提升器；(3)漸變分光器；(4)過(guò)半球擴(kuò)束鏡；(5)分光棱鏡；(6)全反射鏡；(7)變焦鏡；(8)CCD攝像頭；(9)偏振片；(10)帶圖像卡的計(jì)算機(jī)；(11)試件等。典型實(shí)驗(yàn)光路如圖1所示:電子散斑干涉微測(cè)原理/Micro-measuringmet19導(dǎo)電聚合物薄膜材料課件20電子散斑干涉微測(cè)原理/Micro-measuringmethodwiththeESPI實(shí)驗(yàn)方法:(1)按設(shè)定的實(shí)驗(yàn)光路布置好各光學(xué)元器件后，適當(dāng)調(diào)整變焦鏡，使被測(cè)試件成像清晰、大小適中；(2)通過(guò)CCD取得一幅像，然后加載使試件產(chǎn)生形變后取得第二幅像，利用圖像卡，自動(dòng)將這兩幅像相減，最后可以直接在屏幕上觀察到與變形相關(guān)的干涉條紋。電子散斑干涉微測(cè)原理/Micro-measuringmet21電子散斑干涉微測(cè)原理/Micro-measuringmethodwiththeESPI測(cè)量原理：電子散斑干涉計(jì)量系統(tǒng)可直接顯示等離面位移條紋以及等面內(nèi)位移條紋，從而利用等位移條紋測(cè)出物的位移。(1)測(cè)量離面位移，如圖2所示；(2)測(cè)量面內(nèi)位移，如圖3所示。電子散斑干涉微測(cè)原理/Micro-measuringmet22導(dǎo)電聚合物薄膜材料課件23電子散斑干涉微測(cè)原理/Micro-measuringmethodwiththeESPI

設(shè)物體沿z方向(即沿與物面垂直方向)有位移δUz，理論上證明，變形前后散斑的位相變化為：△φ=2π/λ·[δUz(1+cosi)]式中I為照射物面激光束的入射角。當(dāng)△φ=2Nπ時(shí)，變化前后的散斑圖像完全相同。通過(guò)計(jì)算機(jī)圖像處理將記錄存儲(chǔ)的變形前散斑圖與變形后的散斑圖相減，得到黑條紋位置，于是，δUz＝Nλ/[(1+cosi)]。電子散斑干涉微測(cè)原理/Micro-measuringmet24導(dǎo)電聚合物薄膜材料課件25電子散斑干涉微測(cè)原理/Micro-measuringmethodwiththeESPI

設(shè)物體沿x方向產(chǎn)生位移δUx，沿y方向產(chǎn)生位移δUy，沿z方向產(chǎn)生位移δUz，則位移前后的程差改變?yōu)椋害膌左=δUzcosi+δUxsiniδl右=δUzcosi–δUxsini這里δl左、δl右分別表示左、右兩邊入射激光束由于物體位移而產(chǎn)生的程差。這兩支光束相對(duì)位相改變?yōu)椋骸鳓?2π/λ·(2δUxsini)如果△φ=2Nπ，則位移前后散斑圖相減為0，形成黑紋。于是：δUx＝Nλ/(2sini)黑條紋就是沿x方向等面內(nèi)位移分量的軌跡。電子散斑干涉微測(cè)原理/Micro-measuringmet26下夾持薄膜試樣力傳感器加力架螺旋加力桿螺母電子散斑干涉微測(cè)原理/Micro-measuringmethodwiththeESPI下夾持薄膜試樣力傳感器加力架螺旋加力桿螺母電子散斑干涉微測(cè)原272.63N時(shí)測(cè)得的條紋圖3.53N時(shí)測(cè)得的條紋圖實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論/Theexperimentalresultsanddiscussions2.63N時(shí)測(cè)得的條紋圖3.53N時(shí)測(cè)得的條紋圖實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討283.71N時(shí)測(cè)得的條紋圖3.82N時(shí)測(cè)得的條紋圖實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論/Theexperimentalresultsanddiscussions3.71N時(shí)測(cè)得的條紋圖3.82N時(shí)測(cè)得的條紋圖實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討29實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論/Theexperimentalresultsanddiscussions實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論/Theexperimental30實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論/Theexperimentalresultsanddiscussions65微米厚度的聚噻吩薄膜斷口圖實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論/Theexperimental65微米厚31實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論/Theexperimentalresultsanddiscussions65微米厚度的聚噻吩薄膜斷口圖實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論/Theexperimental65微米厚32實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論/Theexperimentalresultsanddiscussions65微米厚度的聚噻吩薄膜斷口圖實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論/Theexperimental65微米厚度33實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論/Theexperimentalresultsanddiscussions65微米厚度的聚噻吩薄膜斷口放大圖實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論/Theexperimental65微米厚34實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論/Theexperimentalresultsanddiscussions實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論/Theexperimental35Mircocrackonthesurfaceof