[科普中国]-导电体

定义

导电体是容易导电的物体，即是能够让电流通过材料。（不容易导电的物体则叫绝缘体，所以并不是能导电的物体叫导体，不能导电的物体叫绝缘体，这是一般人常犯的错误）。

分类电子导体电子导体有金属，石墨及某些金属的化合物（如WC）等，它是靠自由电子的定向运动而导电，在导电过程中自身不发生化学变化。金属导体里面有自由运动的电子，导电的原因是自由电子，当温度升高时由于导电物质内部质点的热运动加剧，阻碍自由电子的定向运动，因而电阻增大，导电能力降低。半导体随温度其电阻率逐渐变小。导电性能大大提高，导电原因是半导体内的空穴和电子对。

离子导体离子导体依靠离子的定向运动(即离子的定向迁移)而导电，例如电解质溶液或熔融的电解质等。当温度升高时，由于溶液的黏度降低，离子运动速度加快，在水溶液中离子水化作用减弱等原因，导电能力增强。

导电能力的定义在科学及工程上常用利用欧姆来定义某一材料的导电程度。

几种金属导电性能：

银 100

铜99

金74

铝61

大小依次为 银 铜 金 铝 镍 钢 合金

几种导体材料在温度20℃时的电阻率：

银 1.6*10^-8

铜 1.7*10^-8

铝 2.9*10^-8

钨 5.3*10^-8

铁 1.0*10^-7

锰铜合金 4.4*10^-7

捏铝合金 5.0*10^-7

镍铬合金 1.0*10^-6

导电体与绝缘体复相陶瓷中的渗流现象导电体与绝缘体复相陶瓷的导电性能符合渗流理论，其渗流转变曲线受多种因素的影响，除导电相与绝缘相二相组成的配比外，还受到二相颗粒的尺寸、形状及分布的影响，复相陶瓷的烧成温度、温度制度影响了临界指数、晶粒粒径比及晶界层，从而也影响渗流转变曲线。

导电体 -绝缘体复合材料一直是人们广为研究的课题，导电体 -绝缘体组成的复合体中的各因素 (各相的几何因素和电特性 )决定了它的宏观电性能，因而预言复合体中各因素对复合体性能的影响规律是极为重要的。1

渗流理论导电体与绝缘体的复合，必然存在下列现象： 当导电相含量较低时，导电粒子无规则地弥散在绝缘相中，复合体的导电率很小，与绝缘相的导电率接近；随导电相的增加，导电颗粒将聚集成较大的团簇，在某个临界含量 ，导电颗粒将相互连接成一个无限的团簇，形成一个导电通路，复合体的导电率快速增加，发生非线性突变；随导电相的进一步增加，复合体的电导率快速接近导电相的电导率。1

影响渗流阀值的因素对于球状或近似球状颗粒的二组成相，二相的晶粒在空间随机填充，则此类复合材料的渗流阀值在0.01到大于0.5之间变化，渗流阀值的具体数值完全依赖于二相晶粒的结构参数，如晶粒尺寸、形状及分布。

1、渗流阀值与晶粒尺寸的关系：

以Ri表示绝缘相颗粒的粒径， Rc表示导电相颗粒的粒径，则二相颗粒的粒径比Ri /Rc对渗流阀值有重大影响。对于球状或近似球状的晶粒，粒径比决定了渗流阀值的大小。1

2、渗流阀值与晶粒形状的关系：

当导电相晶粒非球状时，则由于长条状晶粒比球状晶粒易于相互连接而形成渗流通路，因此与类似条件下球状粒子相比，其渗流阀值Vc将减小。如碳纤维( L /d= 100)与环氧树脂的复合材料，其渗流阀值Vc可低到0.0055。引入排除体积 (Vex )的概念后 ，其渗流阀值可表示为：

Vc = 1- ex p [- Bc* V / ]

其中：V 为晶粒体积，为排除体积平均值， Bc为临界接触数。1

应用导电相与绝缘相复合，其复合材料的电导率遵循渗流理论，符合渗流转变曲线，而渗流转变曲线受多种因素的影响，因而可以通过控制上述影响因素，使导电相与绝缘相的复合符合所期望的渗流转变曲线，进而获得所需的烧结产物，取得最佳的效果。

例如，TiB2与BN的复合，是典型的导电相与绝缘相的复合，其中TiB2的电阻率为9～ 30μΨcm，而BN的电阻率为1016～ 1018Ψcm。TiB2与BN复相陶瓷的电导率与各成份体积分量的关系符合渗流理论，因而TiB2与BN复相导电陶瓷的烧成可以采用渗流理论作为指导：当对最终烧结产物中TiB2与BN的配比及电导率有一定要求时，则可以通过改变二相粒度比或烧结温度等手段来同时满足配比及电导率要求。1

有机导电体有机化合物也会导电长期以来，就导电性能而言，人们往往习惯于把有机化合物看作是绝缘体。但实际情况并非完全如此。 随着高分子化学和合成技术的发展，对于固体有机化合物电子电导的机理，已了解得相当清楚。在工业中用作导体的石墨，实际上就是具有金属导电性能的典型有机高分子化合物。

有机化合物特别是高分子化合物的 一个显著特点是，借助于其分子结钩和性能之间所存在的某些已知关系， 可以通过大分子的合成来调省其各种性能。石墨虽有很好的导电性能，但是它的机械性能和加工性能却很差，限制了它的应用范围。因此，如果能创制出机械性能和加工性能都很好的有机导电体，使它能在广泛的范围内发挥其作用。2

分子固体的电子电导机理要使有机化合物固体能象金属那样导电，首先要了解它是什么性质的固体，在基本结构上它和金属的主要差别是什么? 从结晶学的观点来看，金属是原子晶体，而有机化合物则是分子晶体。事实上仅仅是有机的低分子化合物才是分子晶体，至于有机高分子则往往很难制成单晶，其固体中除结晶相之外还有无定形相存在。有机材料中存在无定形相就能使它具有良好的机械性能和加工性能，所以只能把有机导电体看作是分子固体，在分析它的电子电导特点时，必须考虑到其中存在着无定形相。2

金属之所以会导电，是由于其原子晶体中存在着起导电作用的自由电子。分子固体中根本就没有这样的自由电子，要使它导电，首先便要依赖特种的分子结构设计来提供适当的载流子 ( 电子和空穴 ) 。 其次，分广固体中分子和分一子的堆积是由范德瓦尔斯力控制的，分子间的间距大，电子云的交迭很差，即使在分子内已经存在着可在外加电场下移动的载流子，也较难从一个分子迁移到另一个分子，必须使它有越过分子间位垒的活化过程。 这就是有机化合物大都是绝缘体的原因所在。因此，要使有机化合物成为导电体，其分子结构至少必须具有下列两个条件：( 1 )要能产生载流子，( 2 )分子间的电子云要有一定程度的重迭。2

提高电导率的途径为了使有机导电体出现金属电导，为了尽量提高它的电导率，改进晶体结构的几何因素便成为特别重要的问题。它的具体内容是：怎样才能控制分子在晶体中的几何堆积? 施主和受主怎样才能形成各自的分子柱? 分子柱内怎样才有均等的分子平面间距 ? 低温时怎样才能保持有效的晶体结构不变，从而不致使它从有机金属变回到半导 体?但是基本原理已很清楚：这些因素都取决于分子间的相互作用力。而要控制这种相互作用力，惟有根据现有的理论基础进行计算，从而设计出更为有效的有机导电体分子结构，使电导系数取得进一步提高。2

广泛应用有机导电体的前景要使有机导电体在广泛的工业部门得到应用，除了应进一步提高其电导率外，还得注意其机械性能和加工性能。所以必须使有机导电体的组分有一部分或全部是高分子化合物。 最理想的设计是，处于结晶区的分子能提供金属电导，而处于非晶区的分子则提供韧性和加工性。在有机导电体加工成形之后，还可以进行后处理，以使结晶区进一步完善而提高电导率。

有机导电体是从石墨的分子结构启发出来的新型材料。过去的研究和发展主要是保留和改进石墨的导电性能 ，但要克服其机械性能和加工性能都很差的缺点。在工业上广泛应用有机导电体的前景是很有希望的。除期望其 可以在电子工业甚至在电力工业中取代金属铜之外，甚至于还有发展出有机超导体的可能性。2

本词条内容贡献者为:

李勇 - 副教授 - 西南大学