粒子填充型导电复合材料的导电机理[1].pdf

第30卷第3期《陶瓷学报》Vol.30,No.3
2009年9月JOURNALOFCERAMICSSep.2009

文章编号：1000-2278（2009）03-0281-05

粒子填充型导电复合材料的导电机理

周静1孙海滨1郑昕2刘俊成1
(1.山东理工大学，淄博：255091；2.金晶玻璃集团，淄博：255200)

摘要

粒子填充型导电复合材料可由在聚合物或陶瓷基体中加入炭系或金属系导电填料制得。该材料具有制备简单、成本低等优
点，可在较大范围内根据用途调节电性能和力学性能，已在许多领域获得重要应用。但是该材料的导电机理还很不成熟，存在争
论。本文从导电网络形成的宏观层面分析讨论了渗滤理论、微结构模型、界面热力学模型和有效介质理论，从载流子迁移过程的微
观层面分析讨论了导电通道理论、隧道导电理论和电场发射理论，并分析了各理论模型的优点和缺陷。
关键词粒子填充型，导电复合材料，导电机理
中图分类号：TQ174.75+6文献标识码：A
有很多，但存在诸多差异。本文将从两个层面对其进
1前言行总结：①导电网络的形成；②导电网络形成后载流
子的迁移过程。前者研究的是导电填料如何达到电接
触，进而自发形成导电网络这一宏观过程；后者研究
在聚合物或陶瓷基体中加入炭系或金属系导电
的是导电网络形成后，载流子迁移的微观过程。
填料，可制得粒子填充型导电复合材料。该材料具有
制备简单、成本低等优点，可在较大范围内根据用途
调节电性能和力学性能，已在众多领域获得重要应2导电网络的形成
用。陶瓷基导电复合材料主要应用于航空航天[1]、电
影响导电网络形成的因素有很多，基于这些影响
热取暖、工业加热、医疗保健等领域。聚合物基导电复
因素，许多理论模型应运而生其中，最具代表性的
合材料既在电磁屏蔽、防静电、分子导线等技术领域。
得到广泛应用，也可用于光电子器件和发光二极管等有：渗滤理论、微结构模型、界面热力学模型以及有效
介质理论等，在此一并介绍
领域[2]。。
一般而言，若想获得优异的导电性能，需要增加2.1渗滤理论
复合材料中导电填料的掺量，而这在一定程度上会削渗滤理论解释的是导电填料的体积分数对复合
材料电导率的影响当导电填料体积分数很小时，填
弱材料的力学强度。换言之，导电复合材料的高强度。
料粒子之间相互离散，复合材料的电导率取决于基体
与高导电性能不可兼得。因此，如何在保证力学强度
电导率，此时复合材料电导率很低；当填料体积分数
要求的前提下优化导电性能已成为一大难题。为此，
人们尝试着开发新的导电体系或对传统材料进行改超过某一临界值时，填料粒子之间接触，开始形成导
性，而这些都迫切需要对复合材料的导电机理有一深电渗滤网络，使得复合材料的电导率急剧增大，此临
界体积分数称为渗滤阈值渗滤阈值的大小不仅取决
刻认识。。
关于粒子填充型导电复合材料导电机理的报道于导电填料和基体的类型，还取决于导电填料在基体

收稿日期：2009-06-20
基金项目：科技部中小企业创新基金(编号：06C26213701384)
通讯联系人：刘俊成，男，E-mail:[e-mail]
282《陶瓷学报》2009年第3期

中的分散状况和基体的形态[3]。如果复合材料的渗滤构，得出：

阈值较高，则必须在基体中加入大量的导电填料才能σασβFS
σc＝σαfαc+σβfβc+(4)
获得较好的导电性。σβfαm+σαfβm
上式中，分别为相相及复合材料
Kirkpatrick等人[4]首先将经典统计渗滤模型σα、σβ、σcα、β
的电导率，是两相结构分散度；为
成功地应用于二元导电混合体系。随后，Aharoni[5]对FSα、βfαc、fβc
相的分散体积；分别是三维微结构中
其进行了改进，Janzen[6]运用Aharoni的概念，并结合α、βfαm、fβm
相的体积分数
Kirkpartrick的渗滤计算结果进行推导，得到渗滤方α、β。
程：同渗滤理论一样，微结构模型也可以解释导电填
料体积分数与导电网络的关系，但理论值与实验值存
φ=1(1)
c1+0.67zρε在一定差异。其原因在于该理论仅从统计和导电填料

上式中，φc是渗滤阈值，z是配位数，ρ为填料密度，的几何特征出发，而没有从体系的热力学和动力学角
ε为填料粒子的比孔隙体积。度考虑，忽略了基体和导电填料间的差异以及彼此间
渗滤理论认为导电粒子相互接触或者粒子间隙界面效应的影响。
在1nm以内才可以形成导电网络。在渗滤阈值附近，2.3界面热力学模型
复合材料的电导率和导电填料体积分数的关系如Sumitau等人[9]认为在聚合物基体中导电网络的
下[7]：形成与体系的总界面自由能有关，当总界面能达到一

t
σm＝σ（hφ-φ）c(2)个与基体无关的普适常数△g*后