导电塑料
时间:2004-09-21
塑料是人们最熟悉的材料之一,它的强度好,密度低,耐腐蚀,可以制成各种机械零件和日用品。同时,它还是一种广泛使用的电绝缘材料,然而你听说过塑料能导电吗?
这纯粹是科学上的一次偶遇。1970年的一天,日本筑波大学的白川教授在指导学生做一项用乙烯气制取聚乙炔的实验时,学生误把比实际需要量多1000倍的催化剂加入试剂中,结果得到的不是应得到的含有碳基长链的黑色聚乙炔粉末,而是一种银光闪闪的薄膜,与其说是塑料,不如说更像金属。1977年,白川在与另外两个美国人研究这种塑料薄膜时发现,掺入碘后它居然能导电,导电率增加了3千万倍。尽管这样,它的导电率只相当于金属铅,或者说是铜和银的百分之
80年代初,导电聚合物还是实验室的珍品,而现在已在许多工业领域内应用,并引起研究单位的重视。关于聚合物为什么能够导电,目前还没有圆满的答案。但相信随着科学的发展,终会真相大白。
随后的研究表明,除聚乙炔外,还有一些高分子聚合物加入掺杂剂后也成为导电塑料,例如聚苯硫醚、聚毗咯、聚噻吩、聚噻唑等。目前,已制成一批导电性与银、铜相当的聚合物,被称为有机金属或合成金属。
首先在实验室取得成功并走进市场的是塑料电池。美国布里奇斯通和日本精工埃普森公司合资生产了一种电池,它的一个电极是金属锂,另一个电极是聚苯胺导电塑料。它的尺寸与硬币相仿,可以多次重复充电。作为计算机的辅助电源,具有很长的工作寿命。德国生产的薄型挠性电池,仅明信片那么大,适合于手提式工具的电源。
电池放电是因为两个电极之间有电压差存在。在普通电池里,包括上面谈到的塑料电池里,阳极和阴极采用两种不同的材料制造。电池放电时,电极之一就逐渐溶解在电解质中,变成正离子,并在电解质中运动;电池充电时,这些离子获得电子,重新回到电极上。这样经过几次充放电后,电极表面易形成复膜,使电池效率降低和失效。
在改进的塑料电池中,阴极和阳极是由相同的导电塑料薄膜组成,由电解质而不是电极来提供运动的正离子,因此经过多次充电和放电,电极材料依然完好如初。充电次数可达1000次以上。塑料电池体积小、重量轻,可以提供常规铅蓄电池10倍的电力,而且每次充电时间也缩短了。
首先对塑料电池感兴趣的是汽车工业,人们早就希望用蓄电池做动力来代替内燃机,但在此之前蓄电池车都因为太笨重和性能不可*而无法推广,而塑料电池形状灵活,可以制成薄板装在汽车的车顶或车门夹层里,在汽车内的发动机位置只装一台高效的电动机,便可使汽车的加速性能和爬坡性能大大改善。此外,塑料电池是密封的,不会释放有害的化学物质和气体,因此这种蓄电池车将是一种无公害的小汽车。
导电塑料薄膜有一种特殊性能,即通过电化学或物理方法可使它从透明变成不透明。丰田公司的一种高级小汽车计划采用带有这种导电塑料薄膜的窗玻璃,自动挡住强烈照射的阳光。
导电塑料的另一特点是具有消除静电的功能。计算机和电子设备机房都要求抗静电防护,新型飞机上的电子器件要求防电磁干扰,树脂基复合材料机身、机翼要求防雷击,这些要求都可以用导电塑料薄膜屏蔽加以解决。
导电塑料还有一项重要的潜在用途,就是作为未来机器人的人工肌肉,当用电化学方法对某些导电塑料掺杂和不掺杂时,其体积就能发生膨胀和收缩的变化,使机器人的四肢获得必要的运动。
在美国、欧洲和日本的一些实验室里已制成一系列导电塑料器件,其中包括二极管和晶体管。导电塑料的导电性跨越了绝缘体-半导体-导体三种状态,因此有很大的灵活性。目前的太阳能电池是由硅和其它半导体材料制成,不仅成本高,而且效率低( 10%以下)。如果一旦改用导电塑料薄膜,就可以使用压制薄膜切割法,生产出大量廉价的高效太阳能电池。
科学家预言,在未来的能源工业中,导电塑料将成为重要的一员。