复合导电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,可以在较大范围内根据使用需要调节材料的电学和力学性能,并且成本较低,简单易行,在抗静电、电磁波屏蔽、微波吸收、电子元件中的电极、按键开关、电子摄影法的记录材料以及面状发热体等领域应用广泛。
复合导电材料的导电添加剂主要有抗静电剂和导电填料两类,以加入各种导电填料为主。导电填料的种类、用量、粒度和状态以及它们在高分子材料中的分散状态对材料性能影响很大。各种导电填料及其特点见表。
体系 | 类别 | 品种 | 主要特点 |
碳系 | 炭黑 | 乙炔炭黑 油炉法炭黑 热裂法炭黑 槽法炭黑 其他 | 导电性好、纯度高、加工困难 导电性及其他性能较好 导电性差、成本低、常用作增强材料 导电性差、粒径小,可用于着色 共同问题——色彩单调 |
碳纤维 | 聚丙烯腈(PAN)基 沥青基 | 导电性良好,成本高,加工困难 比PAN基碳纤维导电性差,成本低 | |
石墨 | 天然石墨 人造石墨 | 导电性随产地而异,难粉碎 导电性随生产方法而异 | |
金属系 | 金属粉 | 铜、银、镍、铁、铝等 | 易氧化变质,银等价格昂贵 |
金属氧化物 | 氧化锌、氧化铅、二氧化钛、氧化锡、三氧化二钒、二氧化钒、氧化锑、氧化铟等 | 导电性较差 | |
金属薄片 | 铝箔 | 色彩鲜艳导电性好 | |
金属纤维 | 铝、镍、铜、不锈钢纤维等 | 价格昂贵,加工困难,导电性好 | |
其他 | 镀金属玻璃纤维、玻璃微珠、云母、碳纤维等 | 加工时存在变质问题 |
通常将导电填料加入聚合物基体中去后,总有部分导电粒子能够相互接触而形成链状导电通道,使复合材料得以导电;而另一部分导电粒子则孤立在绝缘的树脂基体中,基本上不参与导电。但是,由于导电粒子之间存在着内部电场,如果这些孤立粒子相距很近,那么由于热振动而被激活的电子就能越过树脂界面层所形成的势垒而跃迁到相邻导电粒子上形成较大的隧道电流;同时当导电粒子间的内部电场很强时,电子将有很大的概率飞跃树脂界面层势垒而跃迁到相邻导电粒子上,产生场致发射电流。复合材料的导电性能是导电通道、隧道效应和场致发射3种导电机理作用的竞争结果。但复合导电材料的导电机理比较复杂,当复合体系中导电填料的含量增加到某一临界含量时,体系的电阻率会急剧降低,体系电阻率-导电填料含量曲线上出现一个狭窄的突变区域,通常称为渗滤现象。导电填料的临界含量通常称为渗滤阈值,在突变区域之后,体系电阻率随导电填料含量的变化又回复平缓。通常认为高分子树脂基体与导电填料之间的界面效应对复合体系中导电回路的形成有很大影响。