高美珍 材料科学与工程导论-23II.ppt

陶瓷和聚合物中的电子输运特性 室温时大多数聚合物和陶瓷是绝缘材料，它们的电子能带结构类似图18.4c所示。填满的价带和空的导带由一个比较大的带隙隔开，通常带隙大于2eV。因此正常温度的热能只能将特别少的电子激发跃过带隙，贡献很小的电导率值。表18.3给出了几种材料的室温电导率（大量陶瓷和聚合物材料的电阻率列在附录B表B.9中。 18.3 18.15离子材料的电导 离子性材料中的阳离子和阴离子都具有一定电荷，电场存在时，阳离子和阴离子能够迁移或扩散，因此这些带电离子的净运动导致电流，这个电流是除了电子运动产生电流之外的另一个电流。当然阳离子和阴离子迁移方向相反。离子性材料的总的电导率?等于电子和离子贡献之和。 ?总＝?电子性＋?离子性 (18.25) 那种贡献为主，取决于材料的纯度和温度。 每种离子对应一个迁移率?i， (18.26) 其中ni和Di分别是具体离子的价态和扩散系数，e, k和T与前面相同。在总的电导率中，离子的贡献和电子的贡献都随温度升高而增大。然而，尽管有两种电导率贡献，大多数离子性材料即使在高温下，仍然是绝缘的。 18.16聚合物的电特性 大多数聚合物材料是绝缘体（见表18.3），其中电荷传导机制还没有被很好地理解，但是人们直觉地认为高纯聚合物中的电荷传导是电子性的。 导电聚合物 已经合成出电导率与金属导体等同的聚合物，它们被认为是导电聚合物。这类材料中有的电导率已经高达1.5×107(?-m)-1。基于体积，这一值对应于铜的电导率的1/4，基于重量是铜的电导率的两倍。 在12种聚合物中观察到了这种导电现象。这些聚合物包括：掺入适当杂质的聚乙炔、聚对苯、聚吡咯、聚苯氨。与半导体相同，这些聚合物可以制成n-型或p-型，取决于掺杂物质。与半导体不同的是，掺杂原子并不取代聚合物原子。高纯聚合物具有绝缘体电子能带结构特征。导电聚合物中大量自由电子和空穴的形成机制很复杂，还未被完全理解。简单说来，杂质原子导致新能带形成，新能带与聚合物本征价带和导带重叠，引起带半充满和室温高浓度自由电子和空穴的形成。 在聚合物合成过程中，用机械或磁学方法使聚合物链取向排列，可以得到高度各向异性，沿取向方向，材料电导率有最大值。 这类导电聚合物具有一系列潜在的用途，因为密度低，弹性高，容易生产。目前生产的充电电池使用聚合物作电极，这些电池在许多方面优越于金属电池。其它一些可能的应用包括：飞机和航天构件中的敷线（配线，线路），衣服的防静电涂层，电磁屏蔽材料和电子器件（例如，晶体管和二极管）。 介电行为（dielectric behavior） 介电材料是绝缘材料的一种，主要用在电容器中。 18.17 电容 一个电容器两端加电压时，电容器一个极板带正电，另一个极板带负电，相应电场由正极板指向负极板。电容C与两个极板存储电荷量有关 (18.27) 其中，V是电容器两端电压，电容单位是库仑每伏特，或者法拉第（F）。 图18.26a 考虑两个极板之间为真空的平行板电容器（图18.26a），电容由下式计算： (18.28) 这里A代表板的面积，l是两板之间距离，参数?0是真空介电常数，是一个普适常数，为8.85×10-12 F/m。 如果两个极板之间插入介电材料（图18.26b），那么： (18.29) 这里?是介质的介电系数，它大于?0，相对介电系数?r常称为介电常数，等于： (18.30) ?r大于1，表示两极板之间插入介质后，电荷存储能力增加。介电常数是电容器设计中主要考虑的一个材料特性。表18.4含有几种介电材料的?r值。 图18.26b 18.4 18.18 场矢量和极化 解释电容现象的最好方法是借助场矢量。对每一个电偶极，正负电荷相互分离，如图18.27所示。每个偶极对应一个电偶极矩p， p=dq (18.31) 其中q是偶极电荷的大小，d是偶极电荷的分离距离。 偶极矩是一个矢量，方向是从负电荷指向正电荷，如图18.27所示。电场E存在时，E也是一个矢量，电场对偶极的作用力（或力矩）将使得偶极沿外加电场E方向取向，这个现象示于图18.28。偶极矩的取向过程叫极化（polarization）。 18.27 现在回到电容器上，电容器极板上表面电荷密度D或单位面积电荷量（C/m2）与电场成比例，真空中， (