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塑料是人們zui熟悉的材料之一,它的強(qiáng)度好,密度低,耐腐蝕,可以制成各種機(jī)械零件和日用品。同時,它還是一種廣泛使用的電絕緣材料,然而你聽說過塑料能導(dǎo)電嗎?
這純粹是科學(xué)上的一次偶遇。1970年的一天,日本筑波大學(xué)的白川教授在指導(dǎo)學(xué)生做一項用乙烯氣制取聚乙炔的實驗時,學(xué)生誤把比實際需要量多1000倍的催化劑加入試劑中,結(jié)果得到的不是應(yīng)得到的含有碳基長鏈的黑色聚乙炔粉末,而是一種銀光閃閃的薄膜,與其說是塑料,不如說更像金屬。1977年,白川在與另外兩個美國人研究這種塑料薄膜時發(fā)現(xiàn),摻入碘后它居然能導(dǎo)電,導(dǎo)電率增加了3千萬倍。盡管這樣,它的導(dǎo)電率只相當(dāng)于金屬鉛,或者說是銅和銀的百分之
80年代初,導(dǎo)電聚合物還是實驗室的珍品,而現(xiàn)在已在許多工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用,并引起研究單位的重視。關(guān)于聚合物為什么能夠?qū)щ姡壳斑€沒有圓滿的答案。但相信隨著科學(xué)的發(fā)展,終會真相大白。
隨后的研究表明,除聚乙炔外,還有一些高分子聚合物加入摻雜劑后也成為導(dǎo)電塑料,例如聚苯硫醚、聚毗咯、聚噻吩、聚噻唑等。目前,已制成一批導(dǎo)電性與銀、銅相當(dāng)?shù)木酆衔铮环Q為有機(jī)金屬或合成金屬。
首先在實驗室取得成功并走進(jìn)市場的是塑料電池。美國布里奇斯通和日本精工埃普森公司合資生產(chǎn)了一種電池,它的一個電極是金屬鋰,另一個電極是聚苯胺導(dǎo)電塑料。它的尺寸與硬幣相仿,可以多次重復(fù)充電。作為計算機(jī)的輔助電源,具有很長的工作壽命。德國生產(chǎn)的薄型撓性電池,僅明信片那么大,適合于手提式工具的電源。
電池放電是因為兩個電極之間有電壓差存在。在普通電池里,包括上面談到的塑料電池里,陽極和陰極采用兩種不同的材料制造。電池放電時,電極之一就逐漸溶解在電解質(zhì)中,變成正離子,并在電解質(zhì)中運動;電池充電時,這些離子獲得電子,重新回到電極上。這樣經(jīng)過幾次充放電后,電極表面易形成復(fù)膜,使電池效率降低和失效。
在改進(jìn)的塑料電池中,陰極和陽極是由相同的導(dǎo)電塑料薄膜組成,由電解質(zhì)而不是電極來提供運動的正離子,因此經(jīng)過多次充電和放電,電極材料依然完好如初。充電次數(shù)可達(dá)1000次以上。塑料電池體積小、重量輕,可以提供常規(guī)鉛蓄電池10倍的電力,而且每次充電時間也縮短了。
首先對塑料電池感興趣的是汽車工業(yè),人們早就希望用蓄電池做動力來代替內(nèi)燃機(jī),但在此之前蓄電池車都因為太笨重和性能不可*而無法推廣,而塑料電池形狀靈活,可以制成薄板裝在汽車的車頂或車門夾層里,在汽車內(nèi)的發(fā)動機(jī)位置只裝一臺的電動機(jī),便可使汽車的加速性能和爬坡性能大大改善。此外,塑料電池是密封的,不會釋放有害的化學(xué)物質(zhì)和氣體,因此這種蓄電池車將是一種無公害的小汽車。
導(dǎo)電塑料薄膜有一種特殊性能,即通過電化學(xué)或物理方法可使它從透明變成不透明。豐田公司的一種小汽車計劃采用帶有這種導(dǎo)電塑料薄膜的窗玻璃,自動擋住強(qiáng)烈照射的陽光。
導(dǎo)電塑料的另一特點是具有消除靜電的功能。計算機(jī)和電子設(shè)備機(jī)房都要求抗靜電防護(hù),新型飛機(jī)上的電子器件要求防電磁干擾,樹脂基復(fù)合材料機(jī)身、機(jī)翼要求防雷擊,這些要求都可以用導(dǎo)電塑料薄膜屏蔽加以解決。
導(dǎo)電塑料還有一項重要的潛在用途,就是作為未來機(jī)器人的人工肌肉,當(dāng)用電化學(xué)方法對某些導(dǎo)電塑料摻雜和不摻雜時,其體積就能發(fā)生膨脹和收縮的變化,使機(jī)器人的四肢獲得必要的運動。
在美國、歐洲和日本的一些實驗室里已制成一系列導(dǎo)電塑料器件,其中包括二極管和晶體管。導(dǎo)電塑料的導(dǎo)電性跨越了絕緣體-半導(dǎo)體-導(dǎo)體三種狀態(tài),因此有很大的靈活性。目前的太陽能電池是由硅和其它半導(dǎo)體材料制成,不僅成本高,而且效率低( 10%以下)。如果一旦改用導(dǎo)電塑料薄膜,就可以使用壓制薄膜切割法,生產(chǎn)出大量廉價的太陽能電池。
科學(xué)家預(yù)言,在未來的能源工業(yè)中,導(dǎo)電塑料將成為重要的一員。
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