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导电功能材料
2017-3-22

 导电材料是一种新型功能材料,已被广泛应用于电子、航空航天、通信、印刷、包装等领域。目前导电粉体主要以填料为主要应用形式,使基体材料具有导电性、抗静电、屏蔽电磁波等功能。

 
一、导电粉体特性
 
导电粉体的特性见下表
特性
性能指标
导电性好
电阻率一般在10−5~109Ω∙cm。
透波性好
一般要求抗静电涂层的透波率>85%。
颜色浅
导电粉末的颜色应为白色、近白色、浅灰、浅蓝、浅驼色等。
粉末细度高
一般要求细度在325目以下。
相容性好
与各种基料(树脂、橡胶等高分子材料)的相容性好。
稳定性高
长期保持电性能不变,能够耐热、耐寒和耐一般化学药品腐蚀。
 
二、导电材料分类及应用
 
导电材料根据化学成分的不同可以分为碳系、金属系、金属氧化物系、结构高分子系以及复合型等五类;
 
根据导电材料功能不同,又可分为防静电材料、导电材料、电极材料、发热体材料、电磁波屏蔽材料。
 
1、碳系导电材料
 
碳系导电材料包括导电炭黑、石墨、碳纤维等,具有导电性好、着色力强、化学稳定性高、密度小、价格低廉等特点,以其制备的导电油墨、导电胶等广泛应用于电子、化工等领域。
 
碳系导电材料存在的不足主要是分散稳定性差、颜色深,因此,实际应用中受到一定的限制。目前,碳纳米管材料、石墨烯等新材料,已被探索作为新型的碳系导电材料使用。
 
石墨烯导电油墨
 
2、金属系导电材料
 
金属系导电材料主要包括银系、铜系、镍系等导电材料,具有良好的导电性和延展性,颜色相对较浅,因此,应用较为广泛。
 
其中,以银系导电材料的导电性能最佳,抗氧化能力最强,但价格高昂,使用过程中容易发生银离子迁移造成短路;
 
镍和铜价格较金属银便宜很多,但这两种材料制备成粉体后,容易发生氧化反应,造成电阻的急剧上升,影响导电性能,用有机磷化合物、偶联剂、杂环类化合物或羰基化技术等处理可以提高其抗氧化能力,但相对较高的使用成本,并且限制其在应用领域。
 
 
金属银粉体微观形貌
 
3、金属氧化物系导电材料
 
金属氧化物系导电材料以其熔点高、抗氧化能力强、价格适中等优点,受到下游应用企业的喜爱。
 
目前比较常见的导电金属氧化物有掺锑二氧化锡(ATO)、掺铝氧化锌(ZAO)、掺铟氧化锡(ITO)。
 
a 掺锑二氧化锡(ATO)
掺杂了锑的二氧化锡(简称ATO)的导电性明显提高,且具有颜色浅、稳定性好等优良特性。在一定的锑掺杂量范围内,掺锑量越多,导电性能越好,但粉体颜色越深。目前,现有技术采用的是用少量锑均匀地掺杂于二氧化锡的粉体中,能够克服了粉体颜色深的问题,同时保证导电性能。
 
掺锑二氧化锡粉体微观形貌
 
b 掺铝氧化锌(ZAO)
掺铝氧化锌(ZAO)是氧化锌与氧化铝形成的置换型固溶体。掺铝氧化锌(ZAO)不仅紫外线吸收性能好、化学稳定性高,而且具有颜色浅、可见光透过率高、导电性好等优良特性,可以广泛应用在抗静电涂料、橡胶和塑料等领域,有取代导电性好但价格昂贵的ITO材料的趋势。
 
掺铝氧化锌(ZAO)粉体微观形貌
 
c 掺铟氧化锡(ITO)
掺铟氧化锡(ITO)具有低电阻率、高可见光透射率等性能优势。掺铟氧化锡可以切断对人体有害的电子辐射、紫外线及远红外线,被广泛应用于各种平板显示器、传感器、气敏元件之中。
 
掺铟氧化锡(ITO)粉体微观形貌
 
4结构型导电高分子材料
 
结构型导电高分子材料又称为本征型导电高分子材料,与传统的复合导电高分子材料相比具有质轻、环境稳定性好、结构可设计、电导率可调、可弥补金属填料的缺陷等特点,同时还具有抗静电、电磁屏蔽或吸收电磁波以及电致发光、光致变色和能发生非线性光学效应等不同特征。
 
在诸多领域都有着潜在的应用价值,如在导电、防腐、电磁干扰屏蔽、芯片制造、微电子、液晶显示器等领域得到了应用。
 
结构型导电高分子材料
 
5、复合型导电材料
 
随着信息工业的发展,对于具有导电功能的复合材料的需求越来越迫切。复合导电材料是采用导电材料与成型材料填充复合而成的一类新型导电材料。
工艺方法
应用案例
表面导电膜形成法
用导电涂料蒸镀金属或金属氧化物膜,或采用金属热喷涂、湿法镀层等形成表面导电膜。
聚酯薄膜上蒸镀金、铂或氧化铟等制成透明的导电性薄膜。
导电填料分散法
目前生产导电高分子材料的主要方法。导电材料过去常用碳黑,现在多采用碳纤维、石墨纤维、金属粉、金属纤维及碎片、镀金属的玻璃纤维及其他各种新型导电材料。
可用于制造各种导电高分子材料。
导电材料层积复合法
将碳纤维毡、金属丝、片、带等导电层与塑料基体层叠压在一起制成的导电塑料。
轻质塑料蓄电池、太阳能电池、传感器件、微波吸收材料。
 
三、小结
 
导电材料不仅可用于电子、化工等行业,还可广泛应用于军事、信息安全等领域,市场前景极为广阔。虽然现在市场上导电材料产品种类繁多,但其在功能性导电材料的应用至今还无法同时满足导电性好、价格低、理化性能稳定和颜色等要求。
 
另外,我国部分高端导电材料目前仍依赖于从欧美等先进国家进口,导电材料领域的研究人员及相关企业还需继续努力,特别是在复合导电材料方面寻找突破口,探索新型导电材料,以更好地满足科技发展对导电材料更新更高的要求。
 
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