论文部分内容阅读
摘 要：介绍了导电橡胶的导电机理和应用。导电机理主要有宏观渗滤理论即导电通路机理和量子力学隧道效应理论；导电橡胶主要有等向性导电橡胶、异向性导电橡胶、压敏导电橡胶、电磁屏蔽用导电橡胶和抗静电导电橡胶等。
关键词：导电橡胶 导电机理 电磁屏蔽
近年来，随着电子工业和信息技术的迅速发展，电子产品间产生的电磁干扰问题越来越明显。电磁干扰、电磁辐射及静电等问题已经给人们的日常生活和工农业生产带来了很大的影响。如何有效地降低电子产品间的电磁干扰、电磁辐射等问题成为了各国专家研究的热点。电磁屏蔽是电磁干扰防护控制的最基本方法之一，其功能有两个：一是控制辐射区域内部的电磁波，不使其越出某一区域；二是防止外来的辐射进入某一区域。通过吸收、反射和多重反射，电磁波的能量在传播过程中被损耗到不会干扰仪器正常工作的程度[1，2]。導电橡胶以其良好的导电性、延展性、弹性、环境密封性和耐介质腐蚀性，在电磁屏蔽领域得到了广泛应用。
导电橡胶通常是指体积电阻在109Ω·cm以内的橡胶。导电橡胶按导电本质的不同，分为结构型[3，4]和复合型两种[5，6]。前者是从改变材料结构来实现其导电能力；而后者是采用向材料中加入各种导电填料的办法实现其导电能力。由于复合型导电橡胶具有成本低、工艺简单、易于加工等特点，已被广泛应用于抗静电材料、导电涂料、导电薄膜、正温度系数材料以及电磁波屏蔽材料等领域。
一、导电机理
自从复合型导电橡胶问世以来，人们对其导电机理进行了广泛的研究。复合型导电橡胶的导电机理十分复杂，通常从导电通路如何形成和材料形成导电通路后如何导电两个方面进行研究。目前，比较流行的理论主要有宏观渗滤理论，即导电通路理论和量子力学隧道效应理论。
1.宏观渗滤理论（导电通路机理）
宏观渗滤理论主要研究电阻率和填料浓度的关系，并不涉及导电的本质，只是从宏观角度解释复合材料的导电现象，该理论认为复合材料体系内部的导电是通过导电填料在基体中相互衔接形成连续的导电网络提供电子流动通道来实现的。即当橡胶中导电填料用量增大到某一临界值时，橡胶内部形成较完整的导电通路网络，橡胶的电阻率会急剧下降。在电阻率与导电填料用量的关系中，存在一个狭窄的突变区域，在此区域内导电填料用量的任何微小变化都会导致橡胶电阻率显著变化，这种现象称为渗滤现象，导电填料的临界用量通常称为渗滤值。
2.量子力学隧道效应理论
在人们的研究过程中发现，导电体系中的导电粒子在还未完全接触时就产生了明显的导电现象，于是就产生了隧道效应学说[7]。该学说的理论依据是量子力学理论。即当导电填料用量较小时，橡胶基体内部导电粒子间距较大，复合材料微观结构中尚未形成导电通路网络，此时仍可能存在导电现象，这种导电现象是由热振动电子在导电粒子之间的迁移所致，导电电流是导电粒子间隙宽度的指数函数。隧道效应几乎仅仅发生在距离很接近的导电粒子之间，间隙过大的导电粒子之间没有电流传导。
二、导电橡胶的应用
随着近年来集成电路和大规模电子产业的发展，导电橡胶的研究与应用也迅猛发展起来。随着许多高精尖技术的新型电子产品的问世，各种高精密的新型导电橡胶制品也相继出现。
1.等向性导电橡胶
等向性导电橡胶在各个方向都具有均一的导电性。既有弹性又有适宜的电阻，不产生振荡，开关负荷小，可制成任意形状的按键开关。目前，已用于制作电脑和电子游戏机的键盘。
2.异向性导电橡胶
异向性导电橡胶具有一定方向的导电性。它适用于液晶显示器内的高电阻连接器或印刷电路板触头的低电阻连接器。
3.压敏导电橡胶
压敏导电橡胶的导电性随着压力的增加电阻变小，在不受力时一般为绝缘体。它有两种类型：一是开关型，不受压力时为绝缘体，当压力达到一定值后，电阻急剧降低至导电状态。可用于制造固态开关元件和无冲击开关元件，如高速公路或道路用的车辆资讯感测器等。二是类比型，其电阻值随压力的变化而逐渐变化。
4.电磁屏蔽用导电橡胶
由于电子仪器、通讯器材和电脑本身会产生电磁波，同时也会受到外界电磁波的干扰，因此，要对电磁波进行屏蔽。用导电橡胶进行电磁屏蔽的原理是：通过导电橡胶密封件的环流诱导作用， 反射和吸收部分外界所注入的（或自身发射的） 电磁波的能量， 使屏蔽面透过的残留电磁波能量减弱到安全网络系统可以接受的程度。其目的就是用导电材料把电磁场限制在一个区间， 或者是将电磁场的强度减弱到一个规定的数值内。
5.抗静电导电橡胶
过去抗静电导电橡胶多以炭黑为导电填料，体积电阻率为104～108Ω·cm，制品为黑色，橡胶老化后会析出炭黑从而污染环境。近年来，国内多采用硅系硅化物填料，可制成不同颜色的彩色抗静电导电橡胶，其体积电阻率为105～107Ω·cm，抗静电性能比黑色橡胶好。
参考文献
[1]陈晶. Fe @Ag 复合粒子的制备及其性能研究[A]. 武汉： 武汉理工大学， 2010. 5.
[2]丁世敬， 赵跃智， 葛德彪. 电磁屏蔽材料研究进展[J]. 材料导报， 2008， 22（4）： 30～33.
[3]M Kryszewski. Semi conductive Polymers PWN [M]. Warsaw： Poland chemical lnastny Publiation Company， 1980.
[4]S Etemad， et al. Electron transport processes in conduct or filled polymers [J]. Ann Rev Phys Chem， 1982， 33： 443.
[5]V E Gul， et al. Electro conductive Polymeric Materials [M]. Moscow： Russia lndastnial Publication company， 1968.
[6]G R Cot t on and L J Murphy. Electrical conduction in carbon composites[J]. Rubber Chem Technol， 1988， 61： 609.
[7]耿新玲， 刘君， 任玉柱， 等.导电硅橡胶研究进展[J]. 航空材料学报， 2006， 26（3）：283～288.
关键词：导电橡胶 导电机理 电磁屏蔽
近年来，随着电子工业和信息技术的迅速发展，电子产品间产生的电磁干扰问题越来越明显。电磁干扰、电磁辐射及静电等问题已经给人们的日常生活和工农业生产带来了很大的影响。如何有效地降低电子产品间的电磁干扰、电磁辐射等问题成为了各国专家研究的热点。电磁屏蔽是电磁干扰防护控制的最基本方法之一，其功能有两个：一是控制辐射区域内部的电磁波，不使其越出某一区域；二是防止外来的辐射进入某一区域。通过吸收、反射和多重反射，电磁波的能量在传播过程中被损耗到不会干扰仪器正常工作的程度[1，2]。導电橡胶以其良好的导电性、延展性、弹性、环境密封性和耐介质腐蚀性，在电磁屏蔽领域得到了广泛应用。
导电橡胶通常是指体积电阻在109Ω·cm以内的橡胶。导电橡胶按导电本质的不同，分为结构型[3，4]和复合型两种[5，6]。前者是从改变材料结构来实现其导电能力；而后者是采用向材料中加入各种导电填料的办法实现其导电能力。由于复合型导电橡胶具有成本低、工艺简单、易于加工等特点，已被广泛应用于抗静电材料、导电涂料、导电薄膜、正温度系数材料以及电磁波屏蔽材料等领域。
一、导电机理
自从复合型导电橡胶问世以来，人们对其导电机理进行了广泛的研究。复合型导电橡胶的导电机理十分复杂，通常从导电通路如何形成和材料形成导电通路后如何导电两个方面进行研究。目前，比较流行的理论主要有宏观渗滤理论，即导电通路理论和量子力学隧道效应理论。
1.宏观渗滤理论（导电通路机理）
宏观渗滤理论主要研究电阻率和填料浓度的关系，并不涉及导电的本质，只是从宏观角度解释复合材料的导电现象，该理论认为复合材料体系内部的导电是通过导电填料在基体中相互衔接形成连续的导电网络提供电子流动通道来实现的。即当橡胶中导电填料用量增大到某一临界值时，橡胶内部形成较完整的导电通路网络，橡胶的电阻率会急剧下降。在电阻率与导电填料用量的关系中，存在一个狭窄的突变区域，在此区域内导电填料用量的任何微小变化都会导致橡胶电阻率显著变化，这种现象称为渗滤现象，导电填料的临界用量通常称为渗滤值。
2.量子力学隧道效应理论
在人们的研究过程中发现，导电体系中的导电粒子在还未完全接触时就产生了明显的导电现象，于是就产生了隧道效应学说[7]。该学说的理论依据是量子力学理论。即当导电填料用量较小时，橡胶基体内部导电粒子间距较大，复合材料微观结构中尚未形成导电通路网络，此时仍可能存在导电现象，这种导电现象是由热振动电子在导电粒子之间的迁移所致，导电电流是导电粒子间隙宽度的指数函数。隧道效应几乎仅仅发生在距离很接近的导电粒子之间，间隙过大的导电粒子之间没有电流传导。
二、导电橡胶的应用
随着近年来集成电路和大规模电子产业的发展，导电橡胶的研究与应用也迅猛发展起来。随着许多高精尖技术的新型电子产品的问世，各种高精密的新型导电橡胶制品也相继出现。
1.等向性导电橡胶
等向性导电橡胶在各个方向都具有均一的导电性。既有弹性又有适宜的电阻，不产生振荡，开关负荷小，可制成任意形状的按键开关。目前，已用于制作电脑和电子游戏机的键盘。
2.异向性导电橡胶
异向性导电橡胶具有一定方向的导电性。它适用于液晶显示器内的高电阻连接器或印刷电路板触头的低电阻连接器。
3.压敏导电橡胶
压敏导电橡胶的导电性随着压力的增加电阻变小，在不受力时一般为绝缘体。它有两种类型：一是开关型，不受压力时为绝缘体，当压力达到一定值后，电阻急剧降低至导电状态。可用于制造固态开关元件和无冲击开关元件，如高速公路或道路用的车辆资讯感测器等。二是类比型，其电阻值随压力的变化而逐渐变化。
4.电磁屏蔽用导电橡胶
由于电子仪器、通讯器材和电脑本身会产生电磁波，同时也会受到外界电磁波的干扰，因此，要对电磁波进行屏蔽。用导电橡胶进行电磁屏蔽的原理是：通过导电橡胶密封件的环流诱导作用， 反射和吸收部分外界所注入的（或自身发射的） 电磁波的能量， 使屏蔽面透过的残留电磁波能量减弱到安全网络系统可以接受的程度。其目的就是用导电材料把电磁场限制在一个区间， 或者是将电磁场的强度减弱到一个规定的数值内。
5.抗静电导电橡胶
过去抗静电导电橡胶多以炭黑为导电填料，体积电阻率为104～108Ω·cm，制品为黑色，橡胶老化后会析出炭黑从而污染环境。近年来，国内多采用硅系硅化物填料，可制成不同颜色的彩色抗静电导电橡胶，其体积电阻率为105～107Ω·cm，抗静电性能比黑色橡胶好。
参考文献
[1]陈晶. Fe @Ag 复合粒子的制备及其性能研究[A]. 武汉： 武汉理工大学， 2010. 5.
[2]丁世敬， 赵跃智， 葛德彪. 电磁屏蔽材料研究进展[J]. 材料导报， 2008， 22（4）： 30～33.
[3]M Kryszewski. Semi conductive Polymers PWN [M]. Warsaw： Poland chemical lnastny Publiation Company， 1980.
[4]S Etemad， et al. Electron transport processes in conduct or filled polymers [J]. Ann Rev Phys Chem， 1982， 33： 443.
[5]V E Gul， et al. Electro conductive Polymeric Materials [M]. Moscow： Russia lndastnial Publication company， 1968.
[6]G R Cot t on and L J Murphy. Electrical conduction in carbon composites[J]. Rubber Chem Technol， 1988， 61： 609.
[7]耿新玲， 刘君， 任玉柱， 等.导电硅橡胶研究进展[J]. 航空材料学报， 2006， 26（3）：283～288.