实验十五 聚合物的体积电阻系数和表面电阻系数的测定 一、实验目的 1.掌握聚合物体积电阻系数和表面电阻系数的测试方法; 2.比较极性与非极性聚合物的电阻系数数值范围。 二、实验原理 材料的导电性是由于其内部存在传递电流的自由电荷,即载流子,在外加电场作用下,这些载流子作定向移动,形成电流。导电性优劣与材料所含载流子的数量、运动速度有关。常用电阻系数(电阻率) ρ 或电导系数(电导率)σ 表征材料的导电性,它们是一些宏观物理量,而载流子浓度和迁移率则是表征材料导电性的微观物理量。 大量高聚物是作为绝缘材料使用的,但具有特殊结构的高聚物可能成为半导体、导体,甚至人们提出了超导体的模型。决定高聚物导电性的因素有化学结构、分子量、凝聚态结构、杂质以及环境(温度、湿度等)等。 饱和的非极性高聚物具有很好的电绝缘性能,理论上计算它们的电阻系数可达到1023欧姆·米,而实测值要小几个数量级,说明高聚物中除自身结构以外的因素(如残留的催化剂、各种添加剂等)对导电性能产生了不小的影响。 极性高聚物的电绝缘性次之,微量的本征解离产生导电离子,此外,残留的催化剂、各种添加剂等都可以提供导电离子。 而一些共轭高聚物如聚乙炔则可制成半导体材料,这是由于主链上π轨道相互交叠,π电子有较高的迁移率。但是它们的导电性实际并不高,原因是受到电子成对的影响,电子成对后,只占有一个轨道,空出另一个轨道,两个轨道能量不同,电子迁移时必须越过轨道间的能级差,这样就限制了电子的迁移,材料导电率下降。采用掺杂方法可以减小能级差,电子迁移速率提高。Heeger(黑格,美国)、 MacDiarmid (麦克迪尔米德,美国)以及白川英树(日本)就成功地完成了用溴、碘掺杂聚乙炔,没有掺杂时聚乙炔的电导率为3.2X10-6Ω -1•cm-1,掺杂后竟达到了 38Ω -1•cm-1,提高了 1000 万倍,接近金属铝和铜的电导率。并且在发现聚乙炔的导电性后,黑格发现聚乙炔的磁性、电学、光学性质都异常。为了说明聚乙炔的导电性,黑格又提出了孤子导电的新概念。他们的成果在 2000 年获得诺贝尔化学奖。评奖委员会的公告说:塑料本来是不导电的绝缘体。它们合成了具有共轭链的聚乙炔,用掺杂的方式使塑料出现与金属一样的导电性。导电高分子已经成为化学及物理学研究的重要领域。不仅将导电聚合物用于聚合物电池的设想正在逐步实用化,而且发光二极管、 1移动电话显示屏以及将来的分子电路也有可能用导...