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导电橡胶的机理与应用 |
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作者：西北橡胶塑胶研究设计院 雷海军 |
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导电橡胶属于复合型导电高分子材料的一种。复合型导电高分子材料是指高分子材料本身不具有导电性，但在加工成型时通过加入导电填料，如炭黑、金属粉末箔等，利用分散复合、层基复合、表面复合等方法，使制品具有导电性。其中，分散复合最为常用。
导电橡胶的工作机理
一般橡胶均为良好的电绝缘体。复合型导电橡胶的导电机理有两种理论，即链锁式导电通路和隧道效应。
链锁式导电通路的机理认为，填料粒子必须在零点几纳米以内的距离靠近，这样就可产生压差，使填料粒子的π电子依靠链锁传递移动实现电流通过。橡胶中填料粒子的分散状态形成链锁必须有一定的填料用量，才能出现强的导电现象，因而支配橡胶导电性的最主要因素是填料的用量，这是最经典的一种解释。
导电橡胶广泛应用于电子产业（相片提供Photo Courtesy: 台湾邦达）
链锁式导电通路是建立在填料必须形成链锁的前提下的。但是，用电子显微镜观察拉伸状态的橡胶并不存在炭黑链锁，却仍有导电现象，这就是隧道效应。当导电颗粒间不互相接触时，颗粒间存在聚合物隔离层，使导电颗粒中自由电子的定向运动受到阻碍。这种阻碍可视为具有一定势能的势垒。对一种微观粒子来说，其能量小于势垒的能量时，它有被反弹的可能性，也有穿过势垒的可能性。微观粒子穿过势垒的现象称为贯穿效应，也称为隧道效应。电子作为一种微观粒子，具有穿过导电颗粒之间隔离层阻碍的可能性。这种可能性的大小与隔离层的厚度以及隔离层势垒的能量与电子能量之差值有关。厚度与该差值越小，电子穿过隔离层的可能性就越大。当隔离层的厚度小到一定值时，电子就能很容易地穿过，使导电颗粒间的绝缘层变为导电层。这种由隧道效应产生的导电层可以用一个电阻和一个电容并联来等效。即：导电性是由填料粒子的隧道决定的。同时并有试验证明，随着填料粒子间距的增大，体积电阻亦随之升高。
此外，还有电场放射导电机理，这是因为在研究填料填充的高分子材料的电压、电流特性时，发现其结果不符合欧姆定律。认为之所以如此，是由于填料粒子间产生高压的电场强度而产生电流导致电场放射。综上所述，无论从哪种导电机理来理解，都认为填料的种类和配合量是支配材料最终所表现出的导电性的主要因素。
导电橡胶的应用
导电橡胶的应用是随着近年来集成电路和大规模电子产业的发展而迅速壮大的。随着消费市场的迫切需求和现代科技的不断进步，涌现出了许多高精尖技术的新型电子产品。与之相匹配，各种高精密的新型导电橡胶制品也相继问世。
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，今后将大量用于办公自动化设备上。
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。其制造方法有2种：（1）将含有炭黑的导电橡胶薄层交替重叠，经硫化后沿垂直方向切成薄片；（2）将导电纤维或金属线定向排列在橡胶中。
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2种类型：（1）开关型，不受压力时为绝缘体（断路），当压力达到一定值后，电阻急剧降低至导电状态（接通）；（2）类比型，其电阻值随压力的变化而逐渐变化。开关型压敏导电橡胶可用于制造固态开关元件及无冲击开关元件，如高速公路或道路用的车辆资讯感测器等。
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。表1 体积电阻系数与屏蔽效果的关系
 众所周知，很多因素影响屏蔽体的屏蔽效果，如屏蔽体的形状、厚度、安装方法、导电性能，但主要因素为材料的导电性。
根据场论分析，屏蔽体对电场和高频磁场的反射损耗较大，吸收损耗较小。反射损耗随着频率的增高而减小，吸收损耗与频率的平方根成正比变化。实验表明，材料的导电率越高，反射能力越强。所以屏蔽外来电磁波的干扰要选择导电率高的材料，日本学者根据实验得出如下经验公式：
SE=50+log(ρβf)-1+1.7t(f/ρβ)1/2
式中：SE为屏蔽效果（dB），ρβ为体积电阻系数（Ω.cm），f为电磁波的频率（MH z），t为屏蔽体的厚度（cm）。
按上式计算，可得出不同体积电阻系数屏蔽材料对不同频率电磁波的屏蔽效果，结果如表1、表2。表2 电磁波屏蔽效果的一般水平
 由此可知，作为一般的电磁屏蔽材料，其体积电阻系数应在1Ω.cm左右。传统的导电橡胶采用乙炔炭黑或高导电炭黑作填充剂，虽然既保留了橡胶的弹性，又具有导电性，但最小的体积电阻率只能达到2-3Ω.cm，无法满足电磁屏蔽的要求。
选用纯银粒、镀银铜粒、镀银铝粒或镀银玻璃珠等作为导电填料，与硅橡胶或氟硅橡胶配合，即可制成这类导电橡胶。该橡胶不仅具有良好的导电、导磁和电磁屏蔽性能，还具有较好的气密性、水密性、压力密封性和抗腐蚀性。
还有一种电磁屏蔽用导电橡胶是将标准线材Monel（蒙乃尔高强度耐腐蚀镍铜合金）、Ferrex(镀锡包铜铜线)和其他金属或合金线（如铝线、镀锡磷青铜线等）双层编织在矩形或圆形的CR、硅橡胶海绵橡胶或空芯、实芯的硅橡胶芯子的表面，组成复合结构材料。其表层具有对电磁波屏蔽的导电、电磁性能，内芯橡胶具有较好的压缩性（压力为0.345-0.691MPa）。这类材料对灰尘、雨和空气具有密封性能，但不能做压力密封胶。
抗静电导电橡胶
抗静电导电橡胶的体积电阻率为104-108Ω.cm，过去这类导电橡胶多以炭黑为导电填料，制品为黑色，且橡胶老化后析出炭黑会污染环境。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要好。
实验发现，将各种金属粉末或炭黑粒子混入各种橡胶中后，材料的导电性能随导电填料的浓度的变化规律大致相同。导电填料浓度较低时，材料的电导率随浓度增加很少；而当导电填料的浓度达到一定值时，电导率急剧上升，变化值可达到十个数量级以上。超过这一临界值后，电导率随浓度的变化又趋于缓慢。用电镜观察材料的结果发现，当导电填料浓度较低时，填料颗粒分散在聚合物中，相互接触较少，导电性较低。随着填料用量的增加，颗粒间接触的机会增多，电导率逐步上升。当填料浓度增加到某一临界时，体系内的颗粒相互接触，形成无限网链。无限网链就像一个金属网贯穿于聚合物中，形成导电通道，电导率急剧上升，使橡胶变成了导体。再增加填料的用量，对橡胶的导电性就不会有多大贡献，电导率趋于平缓。 (end)
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(9/11/2005) |
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