1、材料新进展材料新进展主要内容 材料发展历史材料发展历史 材料革命材料革命 复合材料复合材料 生物材料生物材料 智能材料智能材料 新型聚合物新型聚合物材料发展历史 人类文明的发展水平很大程度上取决于该人类文明的发展水平很大程度上取决于该文明所处时期的材料的特征和功能。文明所处时期的材料的特征和功能。 石器石器 青铜青铜 铁器铁器玻璃、陶瓷、青铜、铁钢、合金、聚合物人造黏土制品、天然金属材料革命 有机化学的发展有机化学的发展 1825年，德国化学家维勒，制备尿素 1856年，英国化学家博金，合成染料马尾紫 19世纪90年代称为“紫红色十年”，这期间诞生了有机化学的另一分支聚合物化学，这一领域对新材
2、料的发展产生了巨大的影响。 新材料的发现 1865年，英国发明家亚历山大.帕克斯，硝酸纤维素 1900年，美国化学家贝克兰德，酚醛塑料 20世纪2030年代许多聚合物新材料的发明和商品化，包括：脲醛塑料、聚氯乙烯、聚苯乙烯、尼龙、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、密胺塑料、四氟乙烯等。新金属的发展铁碳合金铁碳合金熟铁熟铁铸铁铸铁碳钢碳钢英国冶金学家英国冶金学家亨利亨利.贝莫西贝莫西现代炼钢法：向熔化的铁水中吹入热空气，可得到现代炼钢法：向熔化的铁水中吹入热空气，可得到含碳比例适当的钢含碳比例适当的钢 铁与各种金属的合金铁与各种金属的合金 1868年，苏格兰冶金学家马歇特在贝莫西钢加入少量钨，年，苏格兰
3、冶金学家马歇特在贝莫西钢加入少量钨，使其硬度更大，韧性更好，使用寿命更长。使其硬度更大，韧性更好，使用寿命更长。 1819年，铬合金钢年，铬合金钢 1912年，不锈钢年，不锈钢 1905年，镍铬铁合金（美国工程师玛希发明，电热丝）年，镍铬铁合金（美国工程师玛希发明，电热丝） 铝铜镁锰合金铝铜镁锰合金硬铝，硬铝，1908年，德国工程师维尔姆发明。年，德国工程师维尔姆发明。之后之后Al-Cu-Mg合金系合金系 、Al-Zn-Mg-(Cu)合金系合金系 、Al-Li合合金系相继发明。金系相继发明。 镍钴合金镍钴合金 镍钛合金镍钛合金 铜合金铜合金 镁合金镁合金其它非铁合金其它非铁合金9.11事件与材
4、料 2001年9月11日第一次撞击被劫持的波音767撞击世贸大厦北塔第二次撞击第二架被劫持的飞机撞击世贸大厦南塔材料的进步与摩天大楼的兴起与发展 19世纪60年代平炉炼钢的改进，使坚固而质轻的钢材成为建筑物的主要承力结构钢框架的主力材料。 纽约世界贸易中心大楼建于1966年，1973年竣工，有110层，411米高，用钢7.8万吨。其它摩天大楼迪拜塔 台北101大楼 上海环球金融中心 818米 509.2米 492.5米世贸大楼坍塌的原因：高温下材料强度迅速降低。大楼怎样建才结实 用高强、轻质材料，如使用强化钢材、高强混凝土及玻璃材料研究进展新型材料师法自然的材料人工合成材料 复合材料 生物材料
5、 智能材料 光学材料 材料研究目前最具有发展前景的材料研究目前最具有发展前景的领域是纳米材料。科学家将采用领域是纳米材料。科学家将采用自下而上的顺序从分子和原子层自下而上的顺序从分子和原子层次来合成新物质。纳米技术不仅次来合成新物质。纳米技术不仅能够对现有材料进行变革，同时能够对现有材料进行变革，同时还能够为新的化合物的设计和制还能够为新的化合物的设计和制造提供全新的方式。造提供全新的方式。纳米材料纳米材料复合材料 复合材料就是用两种或两复合材料就是用两种或两种以上不同性能、不同形种以上不同性能、不同形态的组分材料通过复合手态的组分材料通过复合手段组合而成的一种多相材段组合而成的一种多相材料。
6、料。 其中有一相是连续的称为基体相，另一相是分散的、被基体包容的称为增强相 。增强相与基体相之间有一个交界面称为复合材料界面 。 复合材料的增强相一般采用能提高基本材料力学性能的物质。因为纤维的刚性和抗拉伸强度大，因此增强材料大多数为各类纤维。所用的纤维可以是玻璃纤维、碳或硼纤维、氧化铝或碳化硅纤维、金属纤维（钨、铂、钽和不锈钢等），也可以是复合纤维。纤维是材料的骨架，其作用是承受负荷、增加强度，它基本上决定了复合材料的强度和刚性。 基体相的主要作用是使增强材料粘合成型，且对承受的外力起传导和分散作用，基体材料可以是高分子聚合物、金属材料、陶瓷材料等。 复合材料的特点复合材料的特点比强度和比模
7、量高比强度和比模量高抗疲劳性能好抗疲劳性能好减振性能良好减振性能良好高温性能好高温性能好分分 类类按基体材料按基体材料类型类型树脂基金属基无机非金属基按分散相的按分散相的形态形态连续纤维增强纤维织物、编织体增强片状材料增强短纤维或晶须增强颗粒增强复合材料的历史和发展 人类历史上的复合材料人类历史上的复合材料 泥砖、混凝土 高级复合材料高级复合材料 聚合物基体聚合物基体：玻璃钢（玻璃纤维增强聚酯）， 碳纤维、芳胺纤维、氧化铝纤维增强塑料 金属基体金属基体：铝纤维增强钢 陶瓷基体陶瓷基体：碳化硅晶须增强氮化硅 碳碳材料碳碳材料：连续碳纤维增强碳基体 复合材料的应用航空、太空和相关军事领域航空、太空
8、和相关军事领域 航天飞机、波音大型客机、战斗机、导弹系统民用领域民用领域 体育设备（如滑雪板、赛艇、高尔夫球杆等），基础设施（如桥梁、海上钻井平台等），工业、机械和工具制造（如天线、压力容器、电影摄像机机身、印刷电路板等）例：李宁牌新款羽毛球拍 球拍采取轻盈的碳素复合纤维，制成圆管型预浸材料，通过多维连续的立体编织方式，获得高强度和刚性，“李宁”独创的TB Nano材料科学与工程技术，采用纳米级的工艺科技，令球拍中碳纤维与树脂的结合程度，突破既往，天衣无缝。打击力度随之提升20%。 成也材料，败也材料 哥伦比亚航天飞机，采用大量先进哥伦比亚航天飞机，采用大量先进复合材料复合材料 碳纤维碳纤维/
9、环氧树脂制作主货舱门，用凯芙拉纤环氧树脂制作主货舱门，用凯芙拉纤维维/环氧树脂制造各种压力容器，用硼环氧树脂制造各种压力容器，用硼/铝复合材铝复合材料制造主机身隔框和翼梁，用碳料制造主机身隔框和翼梁，用碳/碳复合材料制造碳复合材料制造发动机的喷管和喉衬，发动机组的传力架全用硼发动机的喷管和喉衬，发动机组的传力架全用硼纤维增强钛合金复合材料制成，被覆在整个机身纤维增强钛合金复合材料制成，被覆在整个机身上的防热瓦片是耐高温的陶瓷基复合材料。在这上的防热瓦片是耐高温的陶瓷基复合材料。在这架代表近代最尖端技术成果的航天飞机上使用了架代表近代最尖端技术成果的航天飞机上使用了树脂、金属和陶瓷基复合材料。树
10、脂、金属和陶瓷基复合材料。 坠毁原因坠毁原因 外部燃料箱表面脱落的一块泡沫材料击中航天飞机热保护系统，是导致事故发生的主要原因。航天飞机共有两万多块黑色、白色和灰色的隔热板，它们由碳硅化合物组成，如果有隔热板松动、损坏或丢失可能会改变航天飞机的空气动力结构，进入大气层中遇到华氏3000度的高温会引起铝制机身变形，从而导致更大面积的隔热板脱落，使航天飞机的温度超过承受极限而导致破裂和爆炸。生物材料 生物材料生物材料包括人工制造、半人工制造（或二者结合），以及为生物系统功能服务而设计的有生命的材料。 分类：分类：1.在化学和生物功能方面基本无生命的材料2.通过周围组织或其它生物材料相结合或发生反应
11、后，在身体内发挥积极作用的材料3.一段时间后可降解或被吸收的材料人造皮肤、血液、神经、组织和器官人造皮肤、血液、神经、组织和器官使用的材料使用的材料金属、陶瓷金属、陶瓷高分子材料高分子材料例：心脏支架 在中国，每年约150,000名患者接受支架植入手术 不锈钢支架 镍支架 钽支架 人造器官人造器官医用高分子材料医用高分子材料人造心脏人造心脏硅橡胶，聚氨酯橡胶硅橡胶，聚氨酯橡胶人造血管人造血管聚氨酯橡胶，聚对苯二甲酸乙二酯聚氨酯橡胶，聚对苯二甲酸乙二酯人造气管人造气管有机硅橡胶，聚乙烯有机硅橡胶，聚乙烯 人造肾人造肾醋酸纤维素，聚酯纤维醋酸纤维素，聚酯纤维 人造鼻人造鼻聚乙烯，有机硅橡胶聚乙烯，
12、有机硅橡胶 人造肺人造肺聚四氟乙烯，聚碳酸酯，聚丙烯聚四氟乙烯，聚碳酸酯，聚丙烯 人造骨人造骨聚甲基丙烯酸甲酯，酚醛树脂聚甲基丙烯酸甲酯，酚醛树脂 人造肌肉人造肌肉硅橡胶和涤纶织物硅橡胶和涤纶织物 人造皮肤人造皮肤硅橡胶，聚多肽硅橡胶，聚多肽人造皮肤 皮肤的自体移植和异体移植 1981年美国的扬纳斯成功研制出一种人造皮肤，并首次移植给一位烧伤患者。人造皮肤仿造人体皮肤，分上下两层，上层为带弹性的硅树脂（硅氧烷聚合物）材料，下层为胶原质纤维基体（从牛腱和硫酸软骨素中提取）人造血管人造血管早期早期：尼龙、聚乙烯塑料、聚乙烯醇：尼龙、聚乙烯塑料、聚乙烯醇现今现今：涤纶（聚对苯二甲酸乙二醇酯），特富龙
13、：涤纶（聚对苯二甲酸乙二醇酯），特富龙（聚四氟乙烯）（聚四氟乙烯）智能材料 定义定义:能感知外界的变化后以某种形式对其能感知外界的变化后以某种形式对其作出反应，从而改变自己的行为的材料作出反应，从而改变自己的行为的材料 种类种类：压电和电致伸缩材料、磁致伸缩材：压电和电致伸缩材料、磁致伸缩材料、形状记忆合金、电流和磁流变材料、料、形状记忆合金、电流和磁流变材料、光致变色或热致变色材料、人造橡胶光致变色或热致变色材料、人造橡胶形状记忆合金镍系合金 Ni-Ti、 Ni-Ti-Pd、 Ni-TiFe铜系合金 Cu-Zn-Al和Cu-Al-Ni 铁系合金Fe-Pt、Fe-Cr-Ni、Fe-Mn-Si
14、有记忆功能的合金材料是1963年，美国海军军械实验室的研究人员发现的。 具有形状记忆功能的合金一般都具有马氏体相变，将合金加热到相变温度时，就能从马氏体结构转变为奥氏体结构，完全恢复原来的形状。 形状记忆合金的应用形状记忆合金的应用 形状记忆合金被广泛地用于卫星、航空、生物工程、医药、形状记忆合金被广泛地用于卫星、航空、生物工程、医药、能源和自动化等方面。能源和自动化等方面。 如：如： “阿波罗阿波罗”11号登月舱携带号登月舱携带的天线就是用当时刚刚发明不久的记忆合金制成的。其它的天线就是用当时刚刚发明不久的记忆合金制成的。其它如管接头和紧固件、血栓过滤器、脊柱矫形棒、接骨板、如管接头和紧固件
15、、血栓过滤器、脊柱矫形棒、接骨板、人工关节、人造心脏等。人工关节、人造心脏等。压电和电致伸缩材料 压电效应是压电效应是18801880年杰克斯年杰克斯. .居里和皮埃尔居里和皮埃尔. .居里两居里两兄弟首先发现的。他们发现材料在电场作用下会变兄弟首先发现的。他们发现材料在电场作用下会变形（压电效应）；反之，材料变形又会产生电场形（压电效应）；反之，材料变形又会产生电场（逆压电效应）。（逆压电效应）。 逆压电效应属于一种典型的电致伸缩效应逆压电效应属于一种典型的电致伸缩效应压电陶瓷 1942-1944年间，美国、日本和苏联的化学家发现了陶瓷材料钛酸钡（BaTiO3)具有压电特性，1947年首次应
16、用于留声机的拾音器上，后来发展用于振动探测仪声波定位系统、点火系统、水中听音器等。 如今，锆钛酸铅(PbTiZrO3,PZT)已取代钛酸钡，成为现今最常用的压电材料。应用于高压发生器、超声换能器和声纳换能器、报警系统、电唱机等，最常见的是生产汽车安全气囊汽车安全气囊的传感器。智能自修复材料 复合材料损伤类型复合材料损伤类型 冲击损伤、疲劳损伤、环境损伤冲击损伤、疲劳损伤、环境损伤材料自修复技术材料自修复技术埋植技术 在复合材料中预埋入内含粘接剂的微型结构，在复合材料中预埋入内含粘接剂的微型结构，这种微型结构应该对材料的原有性能不产生影响。这种微型结构应该对材料的原有性能不产生影响。当复合材料内
17、部产生微裂纹时，处于裂纹扩展前当复合材料内部产生微裂纹时，处于裂纹扩展前沿的微型结构在裂纹扩展力的作用下破裂，释放沿的微型结构在裂纹扩展力的作用下破裂，释放出粘接剂，把裂纹面粘接在一起，阻止裂纹的进出粘接剂，把裂纹面粘接在一起，阻止裂纹的进一步扩展，从而实现材料的自修复功能。一步扩展，从而实现材料的自修复功能。图图1 内置胶囊仿生自修复机理示意图内置胶囊仿生自修复机理示意图(1)内含修复剂的微胶囊和催化剂分散于复合材料基体中；内含修复剂的微胶囊和催化剂分散于复合材料基体中；(2)发生裂纹后使微胶囊破裂，修复剂流出渗入裂纹；发生裂纹后使微胶囊破裂，修复剂流出渗入裂纹；(3)流出的修补剂来修复裂纹
18、或者催化剂促使材料内部产生化流出的修补剂来修复裂纹或者催化剂促使材料内部产生化学反应而修补裂纹。学反应而修补裂纹。 微型结构常采用微胶囊或空心玻纤微型结构常采用微胶囊或空心玻纤 如：1994年，美国Illinois大学的Carolyn Dry将空心玻璃纤维埋入混凝土中，纤维内注入缩醛高分子溶液作为粘接剂。在外力作用下基体开裂时，空心纤维断裂，粘接剂流出并进入裂纹面，固化后把裂纹面粘接在一起，阻止了裂纹的继续扩展。 在日本，以东北大学三桥博三教授为首的日本学者将内含粘接剂的空心胶囊掺入混凝土材料中，使混凝土裂缝重新愈合。 微胶囊材料：膜材、芯材微胶囊材料：膜材、芯材智能复合材料胶囊使用的膜材多为
19、高分子材料，如：环氧树脂、聚智能复合材料胶囊使用的膜材多为高分子材料，如：环氧树脂、聚乙烯、聚苯乙烯、聚丁二烯、聚醚、聚脲、聚乙烯醇、聚酰胺、聚乙烯、聚苯乙烯、聚丁二烯、聚醚、聚脲、聚乙烯醇、聚酰胺、聚丙烯酰胺、聚氨脂、聚甲基丙烯酸甲脂、聚乙烯吡咯烷酮和聚硅氧丙烯酰胺、聚氨脂、聚甲基丙烯酸甲脂、聚乙烯吡咯烷酮和聚硅氧烷等烷等 。它们的特点是成膜性好，化学稳定性好。它们的特点是成膜性好，化学稳定性好。芯材可以是单一的，也可以是混合的。目前修复用粘接剂多为双组芯材可以是单一的，也可以是混合的。目前修复用粘接剂多为双组分型，如：环氧树脂、不饱和聚酯树脂以及乙烯基树脂和它们的固分型，如：环氧树脂、不饱
20、和聚酯树脂以及乙烯基树脂和它们的固化剂。分别把修复剂和固化剂作为芯材制备成微胶囊，使用时将这化剂。分别把修复剂和固化剂作为芯材制备成微胶囊，使用时将这些胶囊按一定比例混合后掺入基体材料。些胶囊按一定比例混合后掺入基体材料。 例如例如M MR RKesslerKessler等以尿素一甲醛聚合物为膜材，双环戊二烯等以尿素一甲醛聚合物为膜材，双环戊二烯(DCPD)(DCPD)单体为芯材制备了微胶囊，在单体为芯材制备了微胶囊，在GrubbsGrubbs催化剂的作用下修复材料内催化剂的作用下修复材料内部裂纹。部裂纹。 Andrew LoxleyAndrew Loxley等以聚甲基丙烯酸甲脂为芯材制备了微
21、胶等以聚甲基丙烯酸甲脂为芯材制备了微胶囊。囊。微胶囊自修复智能复合材料制备 一在材料制造和热处理过程中加入微型结构，使一在材料制造和热处理过程中加入微型结构，使之成为材料的一部分；之成为材料的一部分； 二是将微型结构放置在层合板间，使之与材料集二是将微型结构放置在层合板间，使之与材料集成在一起。成在一起。微胶囊制备微胶囊制备1、化学法：、化学法：利用单体小分子发生聚合反应生成高分子成膜材料将芯材包覆，常用的方法是原位聚合法。2、物理机械法：、物理机械法：通过输送管道或其它特定的设备在加压、加热的条件下，将芯材和膜材输送到喷嘴头喷出，使膜材包封在芯材上。其中喷雾干燥法是最常用的微胶囊化技术。存在
22、的问题 微胶囊壳的断裂机理，微胶囊的机械性能，使用耐微胶囊壳的断裂机理，微胶囊的机械性能，使用耐久性等有待进一步研究久性等有待进一步研究 微胶囊在基体的分布特性及微胶囊与基体材料的匹微胶囊在基体的分布特性及微胶囊与基体材料的匹配配 粘结剂的的扩散方式、流动性和粘结强度，粘结剂粘结剂的的扩散方式、流动性和粘结强度，粘结剂对基体材料的浸润对基体材料的浸润 材料多次愈合的可行性材料多次愈合的可行性新型聚合物聚合物分类：聚合物分类： 加成聚合物、缩合聚合物 热塑性塑料和热固性塑料聚合物最新研究领域聚合物最新研究领域 传导聚合物 树状聚合物和超支化聚合物 人造蛋白质传导聚合物 传导性聚合物的发现是材料科
23、学领域的一个重大突破，发现者日本的白川英树和美国的艾伦黑格, 艾伦马克迪尔米德获得2000年诺贝尔化学奖。2000年诺贝尔化学奖得主年诺贝尔化学奖得主 1974年日本筑波大学H.Shirakawa在合成聚乙炔的实验中，偶然地投入过量1000倍的催化剂，合成出令人兴奋的有铜色的顺式聚乙炔薄膜与银白色光泽的反式聚乙炔。 Ti(OC4H9)4Al(C2H5)3HCCH1000 倍催化剂108107 S/m103102 S/m导电高分子材料的发现导电高分子材料的发现 1975年，年，G. MacDiarmid 、 J.Heeger与与H.Shirakawa合作进行研究，合作进行研究，他们发现当聚乙炔曝
24、露于碘蒸气中进行掺杂氧化反应他们发现当聚乙炔曝露于碘蒸气中进行掺杂氧化反应(doping)后，其电后，其电导率令人吃惊地达到导率令人吃惊地达到3000S/m。聚乙炔的掺杂反应聚乙炔的掺杂反应 19801980年，年，英国英国DurhamDurham大学的大学的W.FeastW.Feast得到更大密度的聚乙炔。得到更大密度的聚乙炔。 1983 1983年，加州理工学院的年，加州理工学院的H.GrubbsH.Grubbs以烷基钛配合物为催化剂以烷基钛配合物为催化剂将将环辛环辛四烯转换了聚乙炔四烯转换了聚乙炔，其导电率达到，其导电率达到35000S/m35000S/m，但是难以加工且不稳定，但是难以
25、加工且不稳定。 19871987年，德国年，德国BASFBASF科学家科学家 N. Theophiou N. Theophiou 对对聚乙炔聚乙炔合成方法进行了合成方法进行了改良，改良，得到的聚乙炔得到的聚乙炔电导率与铜在同一数量级电导率与铜在同一数量级，达到，达到10107 7S/mS/m。 后续研究进展后续研究进展导电高分子的主要类型：导电高分子的主要类型： 除了最早的聚乙炔（除了最早的聚乙炔（PA）外，主要有聚吡咯）外，主要有聚吡咯(PPY)、聚噻、聚噻吩吩(PTH)、聚对苯乙烯、聚对苯乙烯(PPV)、聚苯胺、聚苯胺(PANI)以及他们的以及他们的衍生物衍生物 其中聚苯胺结构多样、掺杂机
26、制独特、稳定性高技术应用其中聚苯胺结构多样、掺杂机制独特、稳定性高技术应用前景广泛，在目前的研究中备受重视前景广泛，在目前的研究中备受重视 其中聚乙炔的所能达到的电导率在已发现的导电聚合物中其中聚乙炔的所能达到的电导率在已发现的导电聚合物中是最高的，达到了是最高的，达到了105S/cm量级，接近量级，接近Pt和和Fe的室温电导的室温电导率率 导电高分子材料的导电机理有机化合物中的有机化合物中的 键和键和键键 在有机共轭分子中，键是定域键，构成分子骨架；而垂直于分子平面的p轨道组合成离域键，所有电子在整个分子骨架内运动。离域键的形成，增大了电子活动范围，使体系能级降低、能级间隔变小，增加物质的导
27、电性能。导电高分子材料的共同特征交替的单键、双键共轭结构导电高分子材料的共同特征交替的单键、双键共轭结构 聚乙炔由长链的碳分子以聚乙炔由长链的碳分子以sp2键链接而成，每一个碳原子有一个价键链接而成，每一个碳原子有一个价电子未配对，且在垂直于电子未配对，且在垂直于sp2面上形成未配对键。其电子云互相接触，面上形成未配对键。其电子云互相接触，会使得未配对电子很容易沿着长链移动，实现导电能力。会使得未配对电子很容易沿着长链移动，实现导电能力。半导体到导体的实现途径掺杂半导体到导体的实现途径掺杂(doping) 在共轭有机分子中在共轭有机分子中电子是无法沿主链移动电子是无法沿主链移动的，而的，而电子
28、虽较易移动，但也相当定域化电子虽较易移动，但也相当定域化，因因此必需移去主链上部分电子此必需移去主链上部分电子(氧化氧化)或注入数个电或注入数个电子子(还原还原)，这些，这些空穴空穴或额外电子可以在分子链上或额外电子可以在分子链上移动，使此高分子成为导电体。移动，使此高分子成为导电体。导电高分子材料的掺杂途径导电高分子材料的掺杂途径氧化掺杂 (p-doping): CHn + 3x/2 I2 CHnx+ + x I3-还原掺杂 (n-doping): CHn + x Na CHnx- + x Na+ 添补后的聚合物形成盐类，产生电流的原因并不是碘离子或钠离子而是共轭双键上的电子移动。掺杂导电高
29、分子材料的导电机理掺杂导电高分子材料的导电机理 碘分子从聚乙炔抽取一个电子形成碘分子从聚乙炔抽取一个电子形成I3，聚乙炔分子形成带正电，聚乙炔分子形成带正电荷的自由基阳离子，在外加电场作用下双键上的电子可以非常容易荷的自由基阳离子，在外加电场作用下双键上的电子可以非常容易地移动，结果使双键可以成功地延着分子移动，实现其导电能力。地移动，结果使双键可以成功地延着分子移动，实现其导电能力。导电高分子的掺杂与无机半导体的掺杂的对比导电高分子的掺杂与无机半导体的掺杂的对比无机半导体中的掺杂导电高分子中的掺杂本质是原子的替代本质是原子的替代 是一种氧化还原过程是一种氧化还原过程掺杂量极低（万分之几）掺杂
30、量极低（万分之几） 掺杂量一般在百分之几到掺杂量一般在百分之几到百分之几十之间百分之几十之间 掺杂剂在半导体中参与导掺杂剂在半导体中参与导电电 只起到对离子的作用，不只起到对离子的作用，不参与导电参与导电 没有脱掺杂过程没有脱掺杂过程 掺杂过程是完全可逆的掺杂过程是完全可逆的 导电高分子的应用导电高分子的应用1.发光二极发光二极-半导体特性的应用半导体特性的应用 利用导电高分子与金属线圈当电极，半导体高分子在中间，当两电利用导电高分子与金属线圈当电极，半导体高分子在中间，当两电极接上电源时，半导体高分子将会开始发光。比传统的灯泡极接上电源时，半导体高分子将会开始发光。比传统的灯泡更节省能源更节
31、省能源而且产生较少的热而且产生较少的热，具体应用包括，具体应用包括平面电视机屏幕、交通信息平面电视机屏幕、交通信息标志等。标志等。高分子发光二极管具有颜色可调、可弯曲、大面积和低成本等优点。高分子发光二极管具有颜色可调、可弯曲、大面积和低成本等优点。2.太阳能电池太阳能电池-半导体特性的应用半导体特性的应用 导电高分子可制成太阳电池，结导电高分子可制成太阳电池，结构与发光二极管相近，但机制却相反，构与发光二极管相近，但机制却相反，它是将光能转换成电能。它是将光能转换成电能。 优势在于廉价的制备成本，迅速优势在于廉价的制备成本，迅速的制备工艺，的制备工艺，具有塑料的拉伸性、弹具有塑料的拉伸性、弹
32、性和柔韧性性和柔韧性 。v一个分子类似于一根导线。一个分子类似于一根导线。v可用于高灵敏度检测、超大规模集可用于高灵敏度检测、超大规模集成技术等。成技术等。v“模板聚合、分子束沉积模板聚合、分子束沉积等方法等方法制制备备“分子导线分子导线”或导电高分子微管或导电高分子微管( (或纳米管或纳米管) ) 3.分子导线分子导线4.二次电池二次电池高分子掺杂态高分子掺杂态储存电能、脱储存电能、脱掺杂过程中释掺杂过程中释放电能放电能 全塑电池全塑电池输出电压输出电压3V3V、电池容量、电池容量3mA.h3mA.h，复充放电上千次。，复充放电上千次。 5.生物传感器生物传感器-电化学掺杂电化学掺杂/去掺杂
33、之可逆性的应用去掺杂之可逆性的应用葡萄糖传感器葡萄糖传感器尿素传感器尿素传感器乳酸传感器乳酸传感器胆固醇传感器胆固醇传感器6.气体传感器气体传感器导电高分子与大气某些介质作用导电高分子与大气某些介质作用-电电导率改变导率改变, , 除去介质除去介质-恢复。（掺杂恢复。（掺杂/ /或脱掺杂过程）。或脱掺杂过程）。可用作选择性高、灵敏度高和重复性好可用作选择性高、灵敏度高和重复性好的气体传感器。的气体传感器。 导电性可以在绝缘体、半导体、金属导体之导电性可以在绝缘体、半导体、金属导体之间变化间变化, ,不同的吸波性能不同的吸波性能v密度小密度小轻轻v加工性能加工性能薄薄v稳定性较好稳定性较好高温使
34、用高温使用 7.雷达隐身材料雷达隐身材料v掺杂掺杂/ /脱掺杂实现导体脱掺杂实现导体- -绝缘体之间的转变，绝缘体之间的转变，v且电位、且电位、PHPH、掺杂量等变化伴随、掺杂量等变化伴随颜色变化颜色变化， 可用于电显示可用于电显示8.电显示材料电显示材料最新研究进展和发展趋势最新研究进展和发展趋势高导电性导电聚合物高导电性导电聚合物高强度导电高分子高强度导电高分子可溶性导电高分子可溶性导电高分子分子导电分子导电自掺杂或不掺杂导电聚合物、复合型聚合自掺杂或不掺杂导电聚合物、复合型聚合物、光电磁多功能聚合物等物、光电磁多功能聚合物等 高导电性导电聚合物高导电性导电聚合物目前为止发现的导电高分子仍
35、属于半导体的范畴，而未能到到真正的目前为止发现的导电高分子仍属于半导体的范畴，而未能到到真正的金属态金属态具有低能带能隙的导电高分子是实现具有低能带能隙的导电高分子是实现“合成金属合成金属”的重要途径的重要途径在在1984年年Wudl等合成了聚苯并噻吩，其能带能隙只有等合成了聚苯并噻吩，其能带能隙只有1eV 杂环芳香族高分子的电导率往往高于非杂环芳香族的高分子。聚合物杂环芳香族高分子的电导率往往高于非杂环芳香族的高分子。聚合物链的取向程度的提高也会大大的提高其取向方向的电导率链的取向程度的提高也会大大的提高其取向方向的电导率 1987年，年，Basescu等合成了高取向度的聚乙炔，用碘掺杂后其
36、电导等合成了高取向度的聚乙炔，用碘掺杂后其电导率高达率高达2 105S/cm，是目前所知道的电导率最高的导电聚合物之一，是目前所知道的电导率最高的导电聚合物之一 高强度导电高分子高强度导电高分子 通常化学合成的高分子常表现为没有任何通常化学合成的高分子常表现为没有任何力学强度的粉末。力学强度的粉末。 得到高性能导电高分子膜材料最有效和直得到高性能导电高分子膜材料最有效和直接的方法是电化学沉积法接的方法是电化学沉积法 低的聚合温度、强极性分子介质以及电化低的聚合温度、强极性分子介质以及电化学惰性的电极材料有利于生成堆积紧密，学惰性的电极材料有利于生成堆积紧密，性能良好的芳香导电高分子材料性能良好
37、的芳香导电高分子材料 清华大学的石高全等用纯的二氟化硼乙醇溶液清华大学的石高全等用纯的二氟化硼乙醇溶液做电解质，不锈钢片做电极在一定的电压下获做电解质，不锈钢片做电极在一定的电压下获得了力学强度超过铝的聚噻吩膜和高强度聚苯得了力学强度超过铝的聚噻吩膜和高强度聚苯膜，在这一体系中还能获得厚度为膜，在这一体系中还能获得厚度为400400到到500um500um的高强度导电聚合物板，它的抗张强度大大超的高强度导电聚合物板，它的抗张强度大大超过了一般的通用塑料过了一般的通用塑料 可溶性导电高分子可溶性导电高分子 它可以更好地用于研究分子结构与导电性能之间的关系它可以更好地用于研究分子结构与导电性能之间
38、的关系 可以很好地解决导电聚合物的加工成型问题可以很好地解决导电聚合物的加工成型问题 可溶性导电高分子可以由相应的溶液直接加工成膜或者纺可溶性导电高分子可以由相应的溶液直接加工成膜或者纺成纤维成纤维 研制可溶性高分子的一个重要技术是在导电高分子链中加研制可溶性高分子的一个重要技术是在导电高分子链中加入柔软的长链，这一技术可以应用于几乎所有的高分子单入柔软的长链，这一技术可以应用于几乎所有的高分子单体体 分子导电分子导电 高分子的导电是在一个分子链上实现的高分子的导电是在一个分子链上实现的 适当地控制分子链的结构，或者改变它适当地控制分子链的结构，或者改变它的局部环境，一个分子的各个区域可能的局
39、部环境，一个分子的各个区域可能具有不同的导电行为具有不同的导电行为 有可能制成有可能制成“分子导线分子导线”、“分子电路分子电路”和和“分子器件分子器件” 材料研究的未来 材料科学的主要发展是研究和开发新材料，目的是人工制材料科学的主要发展是研究和开发新材料，目的是人工制造耐超高温、耐超高压、超高强度、高速信息传输和在常造耐超高温、耐超高压、超高强度、高速信息传输和在常温下表现超导等特殊性能的材料。温下表现超导等特殊性能的材料。 今后材料科学将朝着高功能化、超高性能化、复杂化和智今后材料科学将朝着高功能化、超高性能化、复杂化和智能化的方向发展。能化的方向发展。 从分子原子层次上进行材料设计，按照需要设计和制备材从分子原子层次上进行材料设计，按照需要设计和制备材料。料。
