在室温下具有高电导率的材料及其制备方法技术

公开了生产室温导电率超过１０↑［６］Ｓ／ｃｍ的聚合材料的方法，在一最佳具体实施方案中，材料是以厚度小于１００μｍ的薄膜形式生产的。导电是通过超极化子线经过介电薄膜进行的，薄膜的生产是首先将大分子聚合物质沉积在一基体上。在制备中，物质必须是粘性液态。然后将物质电离产生稳定的自由电子（极化子）。这是借助于将其暴露于紫外辐射并在聚合物中有强极性基团时进行的。然后使用各种技术，诸如施以强电场，将极化子结合在一起成为介质中导电线。此后将介质在其玻璃化点以下冷却或在大分子间引发交联以稳定导电率。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电导率很高的材料。更具体地说，本专利技术涉及由高分子量化合物形成的高导电材料和生产这种高导电材料的技术。因为电导体在现代化技术中起着十分重要和普遍需要的作用，对导电体的改进显然是重要和实用的。特别是因为导电材料的电阻率产生不可逆转的能耗，很明显，生产导电率很高的材料、特别是在室温下导电率很高的材料是需要的。另外，导电材料除了传导电能外还有许多的应用。有用的导电材料一般分成两大类无机的非分子导电体(诸如金属、合金和金属氧化物或陶瓷)和有机的以及有机元素分子导电体(诸如聚合物和有机盐类)。金属、合金和金属氧化物金属和合金是现今最广泛使用的导电体。在整体上它们具有离子晶格而无化学键。这些材料虽然有好的室温导电率(σ≈105S/cm)，但它们的电阻率仍然是足够大而产生很大的功率损耗，特别是在高电流时。因为在较低温度下扩散的传导电子减小，金属的电阻率可用冷却方法稍微降低。但是这种在较低温度下的电阻率的降低一般不足以补偿冷却导电体所需要的能量。Kamerlingh Onnes于1991年有一卓越发现，在某一临界温度Tc以下，某些金属经历一从正常状态到超导状态(在此状态中直流电阻突然降至零)的电子相转移。但因为大多数金属的转移温度是在绝对零度的10度以内，所以超导金属在技术上的实际应用是有限的。陶瓷金属氧化物像金属一样，具有原子晶格。但与金属对比，它们在室温下是不良的电导体。使人惊异的是，1987年发现了超导转移温度在100°K左右的一些陶瓷金属氧化物。因为将温度冷却到100°K要比冷却到10°K容易得多，所以这些新的“高温”超导体在技术应用上比常规的超导金属有更多的潜力。尽管如此，然而这些“高温”超导体与室温相比仍然必须冷却到非常低的温度，并因之严重地限制了它们的应用潜力。多年来一直认为所有的超导体享有与最先发现的金属超导体共同的特性。但是现今认识到，超导体有不同的类型，其中有一些不享有普通金属超导体的所有性能。而且重要的是要认识到，虽然超导性的BCS理论(Phys.Rev.(物理学评论)，108:1775(1957))解释了金属的超导性，但未解释较不普通的超导体类型。例如现在没有物理理论去充分解释高温陶瓷超导体。签于这些陶瓷超导体的实验发现和现在的理论不能对它们进行解释，所以必定有科学上未知的超导机理。因为新的超导体类型机理和特性现在还是未知的并在各主要方面肯定与常规超导体不同，这些新类型的超导体将被称为高导电材料，以避免与常规超导体和它们的特性混淆。申请人定义高导电材料为电导率σ超过106S/cm的材料。从狭义上讲，虽然所有的超导体都必需是高导电材料，但高导电材料并非都一定是超导体，特别是一个理想的导体是高导电材料但并非超导体。R.Bourgoin在US 4,325,795中报告了该专利公开了由导电粒子(铋粉)悬浮在介电聚合物(环氧树脂)中组成的材料的制备方法。它的两个组分被混合在一起并用一种非常特别的方法进行处理以形成直径为 之间的极小单丝。该专利宣称，这些单丝的导电性在室温下显现了超导性，即电导率超过了金属电导率(σ≥106S/cm)·Bourgoin指出，铋的浓度必须至少10％(体积)以便得到高的电导率·现有的资料和试验都不足以确定Bourgoin材料的稳定性，此材料显然未找到好的应用并也未付诸生产。有机和有机元素分子导电体在陶瓷高温超导体发现前20多年，斯坦福大学物理学教授W.A.Little发现，某些有限维度化合物在非常高的温度下显现超导性在理论上是可能的(Phys,Rev.134:A 1416(1964))。这一工作提高了在某些基础方面与普通超导体有很大不同的新型超导体的可能性。Little设想的超导体不是整体(Bulk)金属或陶瓷，而是具有准-维带状结构的多共轭聚合物。虽然在多共轭聚合物中还未观察到超导性，但Little的工作促动了研究有机超导体和有机导电体的实验工作和理论工作。有机导电体的一个普通类型是在分子主链上有已很好确定的共轭体系的聚合物类，即链上有周期性交替的单链和双键，例如这一类中的聚乙炔。它的组织得很好的共轭体系使其具有半导体的性质。但是如果进行掺杂，聚乙炔的电导率便增加到接近金属的水平(σ≈105S/cm)。聚乙烯是典型的大分子化合物，即其分子量大于1000amu(原子质量单位)。聚乙烯通常的结晶相含量远大于50％，这使其成为相对硬质的材料。如果单链浓度变得太高(即大于75％)或引入了痕量的氧，聚乙炔的电导率便急剧下降。在80年代发现了超导临界温度Tc＜12°K的某些有机盐。虽然这些化合物与金属和陶瓷相比有完全确定的分子量(在100amu数量级)，它们仍形成晶体结构。像陶瓷一样，现今没有理论能充分解释这些有机盐的超导性机理。最近L.N.Grigorov,D.N.Rogachev和A.V.Kraev在PolymerScience(聚合物科学)，Vol.35,No.11(1993)中报道了在室温下高导电的某些聚合物薄膜的发现。他们发现了两种大分子聚合物，氧化的无规立构聚丙烯(OPP)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)，二者都可以用来生产这种薄膜。与共轭聚合物导电体对比，OPP和PDMS是非共轭的聚合物，也未掺杂。这些薄膜不像Bourgoin的材料，它们不需要加入导电粒子。OPP和PDMS有很高的分子量(大于10,000amu)。它们的主链和侧取代物都是完全饱和的并只含单键，虽然OPP在氧化时能出现数目可忽略不计的双键。氧化的OPP和PDMS均含有大量的氧，这样便增加了静电介电常数。还需注意的是，用这些化合物的任一种制得的薄膜都是粘性的液态并有很小的结晶相。这些薄膜最显著的特征是，用几种不同技术直接通过薄膜测定的室温导电性至少比金属大5个数量级，即σ≥1011S/cm。而且用间接磁技术估计，σ≥1020S/cm。值得注意的是，高导电性只发生在通过薄膜垂直于表面的某些狭窄(≈1μm)的通道里。通过这些通道的电子线(thread)被不能分离电子线的非导电区所环绕。限制这些薄膜实际应用的一个问题是这些导电线的密度很低。另一困难是电子线很少出现在厚度大于约10μm的薄膜中。然而这些导电薄膜的主要问题是在室温下通过薄膜的导电率很不稳定，在恒定的条件下能自发出现和消失。而且，此先有技术的说明不包含任何对这些高导电化合物必要性质的理论和理解，也不能使人去推测什么样的相关化合物也可显示类似导电性质或什么样的方法可用于改进导电稳定性。由于这些缺点的结合，这些薄膜的实际应用是极有限的。因此，本专利技术的主要目的是提供一类克服了上面所讨论的先有技术缺点的高导电材料。本专利技术的主要目的特别是提供一类在室温下导电性稳定并远大于106S/cm的聚合物材料。本专利技术的另一目的是提供可在实际技术应用中使用的这种高导电材料。本专利技术的又一目的是提供生产这种高导电材料的方法。本专利技术的更特殊的目的是生产一类可用于生产稳定且有高密度的的高导电电子线的材料的聚合物。本专利技术还有一目的是提供有实际使用长度的电子线的材料。诸如此类的本专利技术目的将在下面的说明及附图中变得一目了然。这些目和和优点是提供在室温下稳定且导电率很高的材料的生产方法来完成的。本专利技术公开的方法包括形成大分子物质的介质，在介质中产生自由电子，诱导这些电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在接近室温时具有大于１０↑［６］Ｓ／ｃｍ的稳定导电率区域的材料，该材料包括具有低于５０ｖｏｌ％结晶相的实质上固体大分子物质，无附加的实质上参与材料导电率的导电材料。

【技术特征摘要】
US 1996-2-1 08/595,3051．一种在接近室温时具有大于106S/cm的稳定导电率区域的材料，该材料包括具有低于50vol％结晶相的实质上固体大分子物质，无附加的实质上参与材料导电率的导电材料。2．权利要求1的材料，其中在接近室温下物质的杨氏模量大于0.1MPa。3．权利要求1的材料，其中物质的氧含量在0.1-13％之间。4．权利要求1的材料，其中物质具有大于76.8％的单键。5．权利要求1的材料，其中物质具有的静电介电常数值是有限的并大于2.4。6．权利要求1的材料，该材料进一步包括硬的微细非导电颗粒。7．权利要求1的材料，其中导电率在室温下超过1011S/cm。8．权利要求1的材料，其中材料明显违犯Wiedemann-Franz定律。9．权利要求1的材料，其中物质是实质上为固态的非共轭聚合物。10．权利要求9的材料，其中聚合物选自烃、有硅-氧主链的聚合物和聚氨酯。11．权利要求10的材料，其中烃选自氧化的无规立构聚丙烯和氧化的等规立构聚己烯。12．权利要求10的材料，其中具有硅-氧主链的聚合物是从具有一侧取代物的聚二甲基硅氧烷形成的，侧取代物选自甲基、氢、联苯基和侧丙烯酸基。13．权利要求10的材料，其中聚氨酯是由4,4′-亚甲二苯基异氰酸酯和聚(己二酸丁二醇酯)共缩聚形成的。14．一种导电体，该导电体包括具有在接近室温时大于106S/cm的稳定导电率区域的实质上是固体的主要是无定形的大分子物质。15．权利要求14的导电体，其中物质具有大于50％的无定形相。16．权利要求14的导电体，其中在接近室温下物质的杨氏模量大于0.1MPa。17．权利要求14的导电体，其中物质具有的静电介电常数值是有限的并大于2.4。18．权利要求14的导电体，其中稳定的导电率的区域是准一维电子线。19．一种生产包括导电率稳定区域的材料的方法，该方法包括形成包括大分子物质的介质；在介质中产生大分子离子和自由电子；诱导自由电子以形成接近室温时具有大于106S/cm导电率的导电线；将介质基本上固化以稳定导电率。20．权利要求19的方法，其中物质的初始态是一电绝缘体，单键含量大于76.8％，分子量大于2000。21．权利要求19的方法，其中物质包括烃。22．权利要求21的方法，其中烃是无规立构聚丙烯(APP)。23．权利要求22的方法，其中APP的分子量大于4000。24．权利要求21的方法，其中烃是等规立构聚己烯(IPH)。25．权利要求24的方法，其中IPH的分子量大于200,000。26．权利要求19的方法，其中物质包括一具有硅-氧主链的聚合物。27．权利要求26的方法，其中聚合物是聚二甲基硅氧烷(PDMS)并包括端甲基。28．权利要求27的方法，其中PDMS的分子量大于300,000。29．权利要求26的方法，其中聚合物是聚二甲基硅氧烷(PDMA)并包括端乙烯基。30．权利要求29的方法，其中PDMA的分子量大于15,000。31．权利要求26的方法，其中聚合物是包括侧甲基、侧氢原子和端乙烯基的共聚物。32．权利要求31的方法，其中对于每个侧氢原子大体上有三个侧甲基。33．权利要求31的方法，其中共聚物的分子量大于2000。34．权利要求26的方法，其中聚合物是包括侧联苯基、侧甲基、侧氢原子和端乙烯基的共聚物。35．权利要求34的方法，其中共聚物的分子量大于2000。36．权利要求26的方法，其中聚合物包括侧丙烯酸基。37．权利要求19的方法，其中物质包括用第一组分和第二组...

【专利技术属性】
技术研发人员：LN格里过罗威，KP萨穆布路克，
申请(专利权)人：室温超导体公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]