功能高分子材料学 教学课件 ppt 作者李青山 3.ppt
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1、第三章第三章 物理功能高分子材料物理功能高分子材料物理功能高分子材料包括物理功能高分子材料包括: :|光学功能光学功能|电学功能电学功能|磁学功能磁学功能|热学功能热学功能|声学功能声学功能|力化学功能与能量转换功能高分子力化学功能与能量转换功能高分子 一、光功能高分子材料一、光功能高分子材料高分子发光材料高分子发光材料 1990 1990 年英国剑桥大学的年英国剑桥大学的 Cavendish Cavendish 实验室的实验室的 Burroughes Burroughes 等人在等人在 Nature Nature 上首次报道了以共轭聚合物上首次报道了以共轭聚合物- -聚对苯撑乙烯(聚对苯撑乙
2、烯(PPVPPV)作发光层的黄绿光电致发光器)作发光层的黄绿光电致发光器件,这一科研成果立即引起了科学界同行的极大兴趣,件,这一科研成果立即引起了科学界同行的极大兴趣, 出现了具有一定应用前景出现了具有一定应用前景的可用于发光二极管的高分子材料。的可用于发光二极管的高分子材料。 1991 1991 年美国加州大学圣巴巴拉分校年美国加州大学圣巴巴拉分校 HeegerHeeger 教授领导的研究小组进一步证实教授领导的研究小组进一步证实了了 BurroughesBurroughes 等人的结论,并对材料和器件进行了改进。由于等人的结论,并对材料和器件进行了改进。由于 HeegerHeeger 教授
3、在教授在导电聚合物研究与应用领域所做出的卓越贡献,他与导电聚合物研究与应用领域所做出的卓越贡献,他与 MacDiarmidMacDiarmid及日本的及日本的ShirakawaShirakawa 分享了分享了 2000 2000 年的诺贝尔化学奖。年的诺贝尔化学奖。 可用作光电显示的聚合物材料很多,研究最广且最具有应用前景可用作光电显示的聚合物材料很多,研究最广且最具有应用前景的有机共轭聚合物主要有三大类即的有机共轭聚合物主要有三大类即聚苯撑乙烯类聚苯撑乙烯类;聚苯类聚苯类和和聚芴类聚芴类。nPPVnMEH-PPVnCN-PPVOH3CONCnBOPM-PPVH3COOORRnPPPnLPPP
4、R1R2R1R2RRnPF聚苯撑乙烯聚苯撑乙烯(PPV)(PPV)及其衍生物及其衍生物聚对苯聚对苯(PPP)(PPP)与梯形聚苯与梯形聚苯(LPPP)(LPPP) 聚芴聚芴(PF)(PF)光功能材料按用途分为光功能材料按用途分为 光介质材料光介质材料固体激光材料固体激光材料光致发光材料光致发光材料非线性光学材料非线性光学材料光导纤维光导纤维光学薄膜光学薄膜固体的发光和发光材料固体的发光和发光材料激发源和发光材料分类激发源和发光材料分类发光(发光(Luminescence):一般用来描述某些固体材料由于吸收能:一般用来描述某些固体材料由于吸收能量而随之发生的发射光现象。发光可以以激发光源类型的不
5、同划分量而随之发生的发射光现象。发光可以以激发光源类型的不同划分为如下发光类型:为如下发光类型:光致发光(光致发光(Photoluminescence):以光子或光为激发光源,常:以光子或光为激发光源,常用的有紫外光作激发源。用的有紫外光作激发源。电致发光(电致发光(Electroluminescence):以电能作激发源。:以电能作激发源。阴极致发光(阴极致发光(Cathodoluminescence):使用阴极射线或电子束:使用阴极射线或电子束为激发源。为激发源。光致发光材料的吸收光谱光致发光材料的吸收光谱发光材料的发射光谱和吸收光谱发光材料的发射光谱和吸收光谱左图所示左图所示ZnS:Cu
6、的吸收谱带。发射光谱反映发光材料辐射光的情的吸收谱带。发射光谱反映发光材料辐射光的情况,对应谱峰的波长就是发光的颜色,一般说来其波长大于吸收光谱况,对应谱峰的波长就是发光的颜色,一般说来其波长大于吸收光谱的波长,右图所示,的波长,右图所示,1 1图为图为Zn2SiO4:Mn的发射光谱,图的发射光谱,图2 2为其吸收光谱。为其吸收光谱。固体激光材料固体激光材料 激光的产生激光的产生入射光子引发受激辐射或被吸收入射光子引发受激辐射或被吸收E2E1h E2E1h 引发受激辐射引发受激辐射吸收吸收h h AAA电子从电子从E2返回返回E1,并释放出并释放出一个光子一个光子hv=E2-E1&只有能量为只
7、有能量为hv=Ehv=E2 2-E-E1 1的光子才能引起受激辐射;的光子才能引起受激辐射;&受激辐射后,就有两个能量都是受激辐射后,就有两个能量都是hvhv的光子;的光子;&受激辐射光的位相、偏振都与入射光相同;受激辐射光的位相、偏振都与入射光相同;&在外界光子引发受激辐射的同时,也发生吸收在外界光子引发受激辐射的同时,也发生吸收的过程;的过程;&处于低能态的原子数总是很多,外界光子被吸处于低能态的原子数总是很多,外界光子被吸收的可能性更大,引发受激辐射的可能性很小。收的可能性更大,引发受激辐射的可能性很小。 光致高分子材料光致高分子材料HHHHHHHHHHHHAHHHHHHHHHHHHHH
8、HHHHHASHHHHHHhh hh h光致发光材料的基本组成光致发光材料的基本组成 光致发光材料一般需要一种基质晶体结构,例如光致发光材料一般需要一种基质晶体结构,例如ZnS、CaWO4和和Zn2SiO4等,再掺入少量的诸如等,再掺入少量的诸如MnMn2+2+、SnSn2+2+、PbPb2+2+那样的阳离子。这些阳那样的阳离子。这些阳离子称作离子称作激活剂(激活剂(ActivatorsActivators)。如图说明一般荧光体和磷光体的发。如图说明一般荧光体和磷光体的发光机制。一般说来,发光固体吸收了激活辐射的能量光机制。一般说来,发光固体吸收了激活辐射的能量hh,发射出能量,发射出能量为为
9、hh的光,而的光,而总小于总小于,即发射光波长比激活光的波长要增大,即发射光波长比激活光的波长要增大。光致发光原理:位形坐标模型光致发光原理:位形坐标模型(Configurational Coordinate Model CCMConfigurational Coordinate Model CCM)所谓位形坐标图,就是用纵坐所谓位形坐标图,就是用纵坐标表示晶体中发光中心的势能,标表示晶体中发光中心的势能,其中包括电子和离子的势能以其中包括电子和离子的势能以及相互作用在内的整个体系的及相互作用在内的整个体系的能量;横坐标则表示中心离子能量;横坐标则表示中心离子和周围离子的位形和周围离子的位形(
10、ConfigrationConfigration),其中包括),其中包括离子之间相对位置等因素在内离子之间相对位置等因素在内的一个笼统的位置概念。一般的一个笼统的位置概念。一般的也可代用粒子间核间距作横的也可代用粒子间核间距作横坐标。坐标。发光中心基态的势能图发光中心基态的势能图光致变色聚合物的结构与类别光致变色聚合物的结构与类别光致变色螺吡喃聚合物光致变色螺吡喃聚合物NPO ( C H2C H2O ) m O2CO ( C H2C H2O ) m O2CNON O2NOO2Nn光致变色螺噁嗪聚合物光致变色螺噁嗪聚合物二芳基乙烯光致变色聚合物二芳基乙烯光致变色聚合物光致变色偶氮聚合物光致变色偶
11、氮聚合物CCH2CCH3OCH2CH2N CH2CH3NNNO2PDR1MCCH2CCH3OCH2CH2N CH2CH3NNNO2PNDR1MCCH2CCH3OCH2CH2N CH2CH3NNNO2PDR1AOnnn苯氧基萘并萘醌光致变色聚合物苯氧基萘并萘醌光致变色聚合物OOOOOOtransanaUVVis光致变色材料的应用光致变色材料的应用光的控制和调变光的控制和调变全息记录介质全息记录介质计算机记忆元件计算机记忆元件信号显示系统信号显示系统辐射计量计辐射计量计感光材料感光材料模拟生物过程、生化反应模拟生物过程、生化反应高分子光导纤维高分子光导纤维 光纤是一种非常细的可弯曲的导光材料。单根
12、光纤的直径约为几到几光纤是一种非常细的可弯曲的导光材料。单根光纤的直径约为几到几百微米,它由内层材料(芯料)和包层材料(涂层)组成的复合结构。百微米,它由内层材料(芯料)和包层材料(涂层)组成的复合结构。为了保护其不受损坏、最外面再加一层塑料套管。为了保护其不受损坏、最外面再加一层塑料套管。总外径总外径125200m 纤芯纤芯 高透明高透明 固体材料固体材料 包层包层折射率较纤芯折射率较纤芯低低 固体材料固体材料 覆层覆层 高强材料高强材料光在光纤中的传播原理光在光纤中的传播原理 光纤芯料的折射率高于包层材料的折射率,当入射光线由内层射到两光纤芯料的折射率高于包层材料的折射率,当入射光线由内层
13、射到两层的界面时,只要入射角小于临界角,就可全反射折回内层,完全避层的界面时,只要入射角小于临界角,就可全反射折回内层,完全避免了传输过程中的折射损耗。免了传输过程中的折射损耗。 石英系光纤石英系光纤按使用的材料分为按使用的材料分为 多组份玻璃光纤多组份玻璃光纤 塑料光纤等塑料光纤等 包层式光纤:光纤由纤芯和包复层包层式光纤:光纤由纤芯和包复层( (皮层、鞘层皮层、鞘层) )构成构成按构造分为按构造分为 自聚焦式光纤:这种光纤传光效果好,光线不会泄漏自聚焦式光纤:这种光纤传光效果好,光线不会泄漏 以聚苯乙烯为芯,聚甲基丙烯酸甲酯为包层材料以聚苯乙烯为芯,聚甲基丙烯酸甲酯为包层材料按材料的组合形
14、式分按材料的组合形式分 以聚甲基丙烯酸甲酯为芯,含氟聚合物为包层材料以聚甲基丙烯酸甲酯为芯,含氟聚合物为包层材料 以重氢化聚甲基丙烯酸甲酯为芯,含氟聚合物为包层以重氢化聚甲基丙烯酸甲酯为芯,含氟聚合物为包层光导纤维分类光导纤维分类高分子光纤的进展高分子光纤的进展低损耗塑料光纤低损耗塑料光纤重氢化聚甲基重氢化聚甲基丙烯酸甲酯是丙烯酸甲酯是光损耗较小的光损耗较小的芯材芯材耐热高分子耐热高分子v甲基丙烯甲基丙烯酸酯共聚物酸酯共聚物芯光纤。芯光纤。 v热固性聚热固性聚合物芯光纤。合物芯光纤。v氟聚合物氟聚合物光纤。光纤。耐湿塑料光纤耐湿塑料光纤为提高塑料光纤为提高塑料光纤的耐湿性,在芯的耐湿性,在芯材
15、聚合物中引入材聚合物中引入脂肪环、苯环和脂肪环、苯环和长链烷基。长链烷基。二、二、 电功能材料电功能材料 绝缘材料绝缘材料 高分子绝缘材料又称高分子电介质。合成高分子一般具有如高分子绝缘材料又称高分子电介质。合成高分子一般具有如下特点:电绝缘性优良、质量轻、强度大、易加工,因此可以广下特点:电绝缘性优良、质量轻、强度大、易加工,因此可以广泛地用作电子材料,在机器的小型、轻量、高性能、大容量、多泛地用作电子材料,在机器的小型、轻量、高性能、大容量、多功能化等方向作出贡献。功能化等方向作出贡献。导热绝缘材料导热绝缘材料密封绝缘材料密封绝缘材料压电效应(压电效应(Piezoelectric effe
16、ctPiezoelectric effect) 压电效应压电效应:某些电介质在沿一定方向某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时,其内部上受到外力的作用而变形时,其内部会产生极化现象,同时在它的两个相会产生极化现象,同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后,它又会恢复到不带电的状力去掉后,它又会恢复到不带电的状态,这种现象称为正压电效应。当作态,这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时,电荷的极性也随用力的方向改变时,电荷的极性也随之改变。相反,当在电介质的极化方之改变。相反,当在电介质的极化方向上施加电场,这些电介质也会发生向上施加电
17、场,这些电介质也会发生变形,电场去掉后,电介质的变形随变形,电场去掉后,电介质的变形随之消失,这种现象称为逆压电效应,之消失,这种现象称为逆压电效应,或称为电致伸缩现象。依据电介质压或称为电致伸缩现象。依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电电效应研制的一类传感器称为为压电传感器。传感器。 压电材料:压电晶体、压电陶瓷。压电材料:压电晶体、压电陶瓷。正、负电荷中心发生偏离正、负电荷中心发生偏离晶体晶体极化极化 晶体晶体受压或拉受压或拉与施力方与施力方向垂直的向垂直的表面产生表面产生束缚电荷束缚电荷压电效应压电效应正负电荷中正负电荷中心重合,故心重合,故不带电不带电压电效应压电效应+ +-
18、- - -受压极化,受压极化,产生表面束产生表面束缚电荷缚电荷正负电荷中正负电荷中心重合,故心重合,故不带电不带电逆压电效应逆压电效应受外电场的受外电场的作用,产生作用,产生极化极化+ +- - - -压电晶体产压电晶体产生变形生变形压电晶体在外加电场作用下产生的变形与外加电压电晶体在外加电场作用下产生的变形与外加电场的大小及极性(方向)有关。在交变外加电场的作用场的大小及极性(方向)有关。在交变外加电场的作用下,压电晶体将产生拉伸及压缩变形,变形频率与外加下,压电晶体将产生拉伸及压缩变形,变形频率与外加电场的频率相同。电场的频率相同。当外加电场的频率当外加电场的频率20kHz20kHz时,则
19、压电晶体的变形时,则压电晶体的变形频率亦频率亦20kHz 20kHz 。超声波超声波利用逆压电效应,超声波探头可产生和发射超声利用逆压电效应,超声波探头可产生和发射超声波;利用正压电效应,探头可接收超声波。波;利用正压电效应,探头可接收超声波。1880年居里兄弟皮尔与杰克斯在石英晶体上首先发现年居里兄弟皮尔与杰克斯在石英晶体上首先发现1894年,福克特更严谨地定出晶体结构与压电性的关系年,福克特更严谨地定出晶体结构与压电性的关系第一次世界大战,蓝杰文发展出用石英压晶体管作为声波产生器第一次世界大战,蓝杰文发展出用石英压晶体管作为声波产生器1919年,卡迪授第一次利用石英当作频率控制器年,卡迪授
20、第一次利用石英当作频率控制器1927年,伍德与鲁密斯首先使用高功率超声波年,伍德与鲁密斯首先使用高功率超声波麻省理工学院的冯希普尔及苏俄科学家伏耳及戈曼用铁电陶磁来作换能器麻省理工学院的冯希普尔及苏俄科学家伏耳及戈曼用铁电陶磁来作换能器应用应用日用日用超声超声应用应用扩音器扩音器电话电话钟表钟表频率频率稳定器稳定器水下水下观测观测通信通信探测探测压电压电引火器引火器超声超声波清洗波清洗焊接焊接打孔打孔无损无损检测检测压电复合材料的性能特点压电复合材料的性能特点表表3-2 3-2 几种压电复合材料的性能几种压电复合材料的性能材料材料d31d33g31g33ghdhdhghPZT205450180
21、011252.540100PVDF2330142201701151618400-3型型PZT-橡胶橡胶222.560405615040156000-3型型PbTiO3-橡胶橡胶2.530406751003535001-3型型PZT-环氧环氧601507080210503015001-3-0型型PZT-环氧环氧701808088225604024003-3型型PZT-环氧环氧251506204241810018003-3型型PZT-橡胶橡胶10200450250451808100 d31,d33压电应变系数(压电应变系数(pC/N) g31,g33压电电压系数(压电电压系数(mVm/N) dh净
22、水压电应变系数(净水压电应变系数(pC/N) gh净水压电电压系数净水压电电压系数(mVm/N) ) 介电系数介电系数压电效应的应用压电效应的应用 压电材料的应用领域可以粗略分为两大类:即压电材料的应用领域可以粗略分为两大类:即振动能振动能和和超声振动能超声振动能- -电能换能器电能换能器应用,包括电声换能器,水声换能器和超声换能器等,以应用,包括电声换能器,水声换能器和超声换能器等,以及其它传感器和驱动器应用。及其它传感器和驱动器应用。1 1、换能器、换能器 超声波水声换能器超声波水声换能器换能器换能器超声波换能器超声波换能器2 2、压电驱动器、压电驱动器 压电陶瓷驱动器压电陶瓷驱动器压电驱
23、动器压电驱动器3 3、传感器上的应用、传感器上的应用压电式压力传感器压电式压力传感器压电式加速度传感器压电式加速度传感器4 4、在机器人接近觉中的应用(超声波传感器)、在机器人接近觉中的应用(超声波传感器) 压电材料除了以上用途外还有其它相当广泛的应用。如压电材料除了以上用途外还有其它相当广泛的应用。如鉴频鉴频器器、压电震荡器压电震荡器、变压器变压器、滤波器滤波器等。等。导电高分子分类导电高分子分类表表3-8 导电高分子分类导电高分子分类面状共轭型面状共轭型石墨、聚苯醌自由基石墨、聚苯醌自由基(PAQR)PAN热处理物、热处理物、热分解热分解Hfilm等等现状共轭型现状共轭型(SN)x、PE、
24、聚苯撑、聚甲基芳撑乙烯聚乙炔、聚苯撑、聚甲基芳撑乙烯聚乙炔等等含金属配位体的高分子含金属配位体的高分子聚聚(酮酚酞等酮酚酞等)、聚乙烯基二茂铬铁等、聚乙烯基二茂铬铁等高分子自由基盐高分子自由基盐聚阳离子聚阳离子TCNQ配位体,配位体,elastmeric inene聚合体,聚合体,HTCNQ配位体等配位体等电荷传递配位基型高分子电荷传递配位基型高分子聚乙烯基吡啶碘配位基,芳族乙烯基聚合聚乙烯基吡啶碘配位基,芳族乙烯基聚合体和电自接受性低分子化合物的体和电自接受性低分子化合物的CT配位基等配位基等三、导电高分子材料三、导电高分子材料CHCHn导电高分子的历史导电高分子的历史u18621862年年
25、LethebiLethebi聚苯胺聚苯胺u19731973年,白川英树、年,白川英树、HeggerHegger、MacDiarmidMacDiarmid掺杂掺杂聚乙炔(电导率达聚乙炔(电导率达10102 2s/cms/cm)u19861986年,年,Elsenbaumer R.L.Elsenbaumer R.L.等人得到了可溶性聚噻等人得到了可溶性聚噻吩吩 u19801980年,年,英国英国DurhamDurham大学的大学的W.FeastW.Feast得到更大密度的得到更大密度的聚乙炔。聚乙炔。 u19831983年,加州理工学院的年,加州理工学院的H.GrubbsH.Grubbs以烷基钛配
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