高导电炭黑在高分子材料中的导电机理

高导电炭黑在高分子材料中的导电机理：导电高分子复合材料的导电机理非常复杂，通常可分为导电回路如何形成和在回路形成后如何导电两方面来研究。

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a. 导电通路形成理论

在导电通路形成理论方面，人们是从导电渗滤现象开始研究的。大量的实验结果表明，是复合体系中导电炭黑的含量增加到某一临界含量时，体系的电阻率急剧降低。为了解释这种现象，人们提出了各种不同的理论。其中较为成功的理论有Miyasaka热力学理论，认为高分子树脂基体与导电炭黑之间的界面效应对导电回路的形成具有很大的影响。在复合物的制备过程中，导电炭黑粒子的自由表面变成湿润的界面，体系产生了界面能过剩，随着填料的增加，界面能过剩不断增大。当体系界面过剩达到一个与聚合物种类无关的普适常数之后，粒子开始形成导电网络，宏观上表现为电阻率突降。还有Kirkpatrick等人提出的统计渗滤模型，将导电填料视为点在数组上的随机分布，Guland在此基础上提出“平均接触数”m的概念，m在1.35-1.5之间电导率发生突变。Wessling等人则提出了“动态界面模型”，指出粒子移动的驱动力来源于体系的界面自由能，导电通路实际上是被〝冻结的耗散结构〞。而Gubbels等人则已经利用体系的能量最小化趋势和动力学特性成功地将炭黑粒子控制位于PE/PS的界面，形成最优导电通路结构。

总之，由于导电复合材料处于远离平衡态，各粒子间存在非线性耦合作用，所以必须考虑体系的复杂性和整体性，将非平衡热力学、非线性动力学和分形结构理论有机结合起来。

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b. 回路形成后的导电机理——隧道效应

体系在具有导电能力之后，及分布于高分子树脂基体中的导电炭黑的电子传输问题显得极为重要，目前有导电通道、隧道效应和场致发射学说。通常导电炭黑加入后，无法真正达到多项均匀分布，总有部分粒子互相接触而形成链状导电通道，使复合材料得以导电；另情况则是导电炭黑粒子则以孤立粒子或小聚集体形式分布在绝缘的树脂高分子树脂基体中，基本上不参与导电，但如果它们之间距离很近，那么在电场作用下，由于热振动而被激活的电子就能越过树脂界面层的势垒跃迁到相邻的导电粒子上，形成较大的隧道电流，量子力学中称之为隧道效应；或者当内部电场很强时，树脂界面层充当内部分布电容的作用，电子飞越树脂界面层的势垒，产生场致发射电流。复合导电材料的导电性能是这三种导电机理作用的竞争结果。一般来说，在低填量低电压下，炭黑粒子表面场强一般小于106V/cm，隧道效应起主要作用；在低填量高电压下，炭黑粒子表面场强一般大于107V/cm，场致发射电流起主要作用；在高填量时，炭黑粒子密度高，可形成大量导电通道，导电能带作用更加明显。