导电生物材料应用论文
篇一：导电高分子材料及其应用综述
摘要：主要论述了导电高分子材料的种类、发展概况及其应用，对新近开发的复合型导电高分子材料产品进行了介绍，并对导电高分子材料的发展进行了展望.导电高分子材料具有高电导率、半导体特性、电容性、电化学活性，同时还具有一系列光学性能等，具有与一般聚合物不同的特性。因此,它们在导电材料、电极材料、电显示材料、电子器件、电磁波屏蔽以及化学催化等方面具有很大的潜在应用。根据导电高分子材料的研究和应用现状分析了其今后的研究趋势，并展望了其应用前景。
关键词：导电高分子 应用 导电高分子材料 复合型导电高分子 导电高分子材料的种类
按照材料的结构与组成，可将导电高分子材料分为两大类。一类是复合型导电高分子材料，另一类是结构型（或本征型）导电高分子材料。
1.1 复合型导电高分子材料
复合型导电高分子材料是将各种导电性物质以不同的方式和加工工艺（如分散聚合、层积复合、形成表面电膜等）填充到聚合物基体中而构成的材料。几乎所有的聚合物都可制成复合型导电高分子材料。其一般的制备方法是填充高效导电粒子或导电纤维，如填充各类金属粉末、金属化玻璃纤维、碳纤维、铝纤维、不锈钢纤维及锰、镍、铬、镁等金属纤维，
填充纤维的最佳直径为7m。复合型导电高分子材料在技术上比结
构型导电高分子材料具有更加成熟的优势，用量最大最为普及的是炭黑填充型和金属填充型。
1.2 结构型导电高分子材料
结构型（又称作本征型）导电高分子是指那些高分子材料本身或经过掺杂后具有导电功能的聚合物。这种高分子材料本身具有“固有”的导电性，由其结构提供导电载流子，一旦经掺杂后，电导率可大幅度提高，甚至可达到金属的导电水平。从导电时载流子的种类来看，结构型导电高分子材料又被分为离子型和电子型两类。离子型导电高分子通常又称为高分子固体电解质，它们导电时的载流子主要是离子。电子型导电高分子指的是以共轭高分子为主体的导电高分子材料。导电时的载流子是电子（或空穴），这类材料是目前世界导电高分子中研究开发的重点。
2 导电高分子材料的发展概况
复合型导电高分子材料在工业上的应用始于20世纪60年代。它是将导电的炭黑、金属粉末、金属丝或碳纤维混到高分子基质中而形成的导电材料。进入80年代，美、德、日等国先后制定了有关限制电磁干扰/射频干扰（EMI / RFI）公害的规定，规定生产的各种电子电气设备必须有电磁屏蔽设施，使得导电高分子材料的研究开发空前活跃，市场需求量增大。从1982 -1987 年，美国对导电高分子材料的需求量增长了3.3倍，日本从1980 -1987年需求量增长了4.4 倍。90年代随着微电子工业的发展,导电高分子材料的市场越来越大。据预测，到21世纪初，导电塑料总消费量将从上世纪90年代初的5.45 万I 增
至20.9 万,保持年增长率15%的势头。
结构型导电高分子材料是1971年由日本白川研究用齐格勒- 纳塔催化剂合成聚乙炔时发现的。80年代以来，发现聚对苯硫醚、聚吡咯、聚噻吩、聚喹啉等共轭型聚合物均可通过掺杂形成高导电塑料。90 年代，结构型导电高分子材料已部分进入实用化阶段，如德国Zippering Kessler 公司制成了用于生产高剪切的结构型导电高分子材料模塑部件的专用小型设备。BASF 公司研制的聚乙炔，在导电率与质量比上已经达到许多金属相同的量级。
虽然结构型导电高分子材料已开始进入实用化，但因其性能不稳定、难加工、成本高等缺点，使其占整个导电高分子材料的比重相当低，目前市场供应的产品90%以上是复合型的。据预测，到2010 年结构型导电高分子材料将占总导电高分子材料销售
额的17.5%。此外,日本的道化学、三菱气体化学、宇部工业、德国的BASF等公司对导电塑料已经进入了更高层次的研究。目前聚乙炔是技术上最为成熟的结构型导电高分子材料，并且得到了推广应用。
3 导电高分子材料的应用
导电高分子材料与金属材料相比，具有质量轻、易成型、耐腐蚀性好、可选择的电导率范围宽、结构易变和半导体特性、具有高电导率、可逆氧化还原性、不同氧化态下的光吸收特性、电荷储存性、导电与非导电状态的可转换性等。目前主要用于导电衬料、可充电电池电极材料、光电显示材料、信息记忆材料、屏蔽和抗静电材料、电子器件等方面。
(1)作为导电材料导电聚合物具有高电导率，在理论上讲，导电聚合物应该成为金属电力输送材料的有力竞争者，但是对多数导电聚合物来说，电导率相对较低，化学稳定性较差，在空气中很快失去导电性能，因此，作为电力输送材料与金属相比还有较大差距，在这方面的大规模应用开发还有待上述性能的改进。聚乙炔在掺杂状态下的电导率能与铜媲美。由于电性不够稳定，导电高分子尚不能替代铜、铝、银等金属而加以利用。但是，目前已研制出一种加压性导电橡胶，这种橡胶只有在加压时才表现导电性，而且仅在加压部位显示导电性，未加压部位仍保持绝缘性。加压性导电橡胶可用作压敏传感器，还被广泛应用于防爆开关、音量可变元件、高级自动把柄、医用电极、加热元件等方面。另外，导电高分子可制成彩色或无色透明轻质导电薄膜。除了在传统的透明导电膜玻璃的应用范围内得到应用外，还可用作电子材料的基材，如在电致发光面板、液晶和透明面板、指示计检测仪器窗口的防静电和电磁屏蔽材料等方面已经应用，目前正集中精力进行开发薄型液晶显示的透明电极、透明开关面板、太阳能电池的透明电板等，估计在不久也将得到应用.
(2)作为电极材料导电聚合物不仅来源广泛，而且重量轻、不污染环境，与无机电极材料相比，由导电聚合物作为电极具有很高的能量比，电压特性好，这一优势对于以航空航天、以及电动汽车为应用对象的特种可充电电池的研制来说意义十分重大。根据其使用的掺杂剂不同，目前以导电聚合物为电极材料的二次电池主要有3种结构类型：①以导电聚合物作为电池的阴极材料；②作为阳极材料；③电池
篇二：导电材料
一、导电材料的分类
导电材料按导电机理可分为电子导电材料和离子导电材料两大类。
电子导电材料包括导体、超导体和半导体。导体的电导率≥106 S/m ，超导体的电导率为无限大（在温度小于临界温度时），半导体的电导率为10-7~104 S/m 。当材料的电导率小于10-7S/m时，就认为该材料基本上不能导电，而称为绝缘体。
1.导体、超导体、半导体和绝缘体的区别不仅是电导率的大小，它们的能带结构和导电机理也有很大的不同。
2. 按综合性质，功能与作用分类
3. 按电荷载体的不同: 电子导体、离子导体、混合型导体
二、导体材料
1. 导体材料的概念：
2. 导电机理：经典自由电子论、能带论、量子自由电子论
3.导体的种类
导体材料按照化学成分主要有以下三种：
（1）金属材料。这是主要的导体材料，电导率在107~108S/m之间，常用的有银、铜和铝等。
（2）合金材料。电导率在105~107S/m之间，如黄铜，镍铬合金等。
（3）无机非金属材料。电导率在105~108S/m之间。如石墨在基晶方向为2.5×106S/m
4. 导体材料的应用：金属导体材料主要用作电缆、电机、引线、布线、辐射屏蔽、电池、开关、传感器、信息传输、金属填充和接（触）点材料等。
1、半导体（semiconductor）的电子结构跟绝缘体相近，只是半导体的能带要比绝缘体小，电子受热或光等能量容易被激发，同时产生空穴而形成传导。
2、半导体的分类
按成分分类：可分为元素半导体和化合物半导体。元素半导体又可分为本征半导体和杂质半导体。化合物半导体又分为合金、化合物、陶瓷和有机高分子四种半导体。
按掺杂原子的价电子数分类：可分为施主型（又叫电子型或n型）和受主型（又叫空穴型或p型）。前者掺杂原子的价电子大于纯元素的价电子，后者正好相反。
按晶态分类：可分为结晶、微晶和非晶半导体。
3、n型半导体和p型半导体的.形成机理与p-n节
某些物质在一定温度条件下电阻降为零的性质称为超导电性。
超导体的电阻率小于目前所能检测的最小电阻率10-26Ω·cm，可以认为电阻为零。
1、引言
在生物无法生存的低温世界里，许多物质的性质会发生意想不到的变化，超导性便是其中之一。超导材料的研究及开发近百年来一直是当今世界最前沿的课题之一。1911年H.K.Onnes发现金属汞在4.2K附近电阻突然消失，揭开了超导物理和超导材料科学研究的历史篇章。超导体具有极为丰富而奇特的物理化学特性，如零电阻、抗磁性、磁通量子效应以及Josephson效应等，正是这些特性使它在电力、可控核聚变、磁悬浮、电磁推进装置、储能、磁材料、微电子以及微波器件等领域显示出其它材料无法比拟的优越性，成为推动超导材料研究的巨大动力。但是，尽管世界各国的科学家和工程师为之辛勤奋斗多年，然而超导材料的实用化进程却没有像人们预想的那样快，这主要是人们始终无法逾越影响超导实用的最基本障碍，即“温度壁垒”。从发现超导现象到1986年为止，75年来人们研究了各种超导材料，但是其最高超导转变温度只有23K，因此超导材料只能工作在昂贵、复杂的液氦或者液氢介质中。超低温制冷技术及成本问题极大地限制了超导技术的开发应用。
1986年4月Bednorz和Muller发现了La-Ba-Cu-O氧化物超导材料，其超导转变温度Tc>30K，是超导材料研究的重大突破，从此翻开了探索高临界温度超导材料的新篇章。1987年2月，朱经武（美）、吴茂昆（美）和赵忠贤（中）（它们都是炎黄子孙）等发现了Y-Ba-Cu-O超导材料，其Tc>90K，进入了成本极其低廉的液氮（77K）温区，令世人惊喜！这引起了一场科学史上空前的研究高临界温度超导材料的热潮，并席卷全球！人们将这类临界温度大于77K的超导材料，称为“高临界温度超导材料”，简称“高温超导材料”。
超导的研究从学科上可分为物理学和材料工程学两大部分。前者从凝聚态物理角度，研究超导态性质及正常态性质，电子结构及超导电性机理等。重费米子
超导材料和铜氧化物超导材料的发现向传统超导理论的配对机制提出了挑战，是当前凝聚态物理中最活跃的研究领域。后者则从材料工程角度出发，研究超导材料的成分设计、原材料合成技术、线带材、块材和薄膜的制备技术与改善电磁特性的制备技术、材料基础（相图和精细微观结构）研究、材料的应用（弱点和强点）研究开发等，是超导材料的产业化基础。本章将重点从材料工程学方面介绍一下超导材料领域的研究进展情况。
2、超导的基本特性
（1）. 零电阻效应
材料在一定温度以下，其电阻为零的现象称为材料的超导电现象。在一定温度下具有零电阻超导电现象的材料，称为超导体（Superconductor）。1911年荷兰著名低温物理学家昂纳斯（H.K.Onnes）发现在T＝4.1K下汞具有超导电性。采用“四引线电阻测量法”可测出超导体的R－T特性曲线，如图4－2所示。
图中的Rn为电阻开始急剧减小时的电阻值，对应的温度称为起始转变温度TS；当电阻减小到Rn/2时的温度称为中点温度TM；当电阻减小至零时的温度为零电阻温度T0。由于超导体的转变温度还与外部环境条件有关，定义在外部环境条件（电流，磁场和应力等）维持在足够低的数值时，测得的超导转变温度称为超导临界温度。
（2）.迈斯纳效应
1933年，迈斯纳（W.Meissner）发现：当置于磁场中的导体通过冷却过渡到超导态时，原来进入此导体中的磁力线会一下子被完全排斥到超导体之外（见图4－3），超导体内磁感应强度变为零，这表明超导体是完全抗磁体，这个现象称为迈斯纳效应。
（3）.同位素效应
超导体的临界温度TC与其同位素质量M有关。M越大，TC越低，这称为同位素效应。例如，原子量为199.55的汞同位素，它的TC是4.18K，而原子量为203.4的汞同位素，TC为4.146K。M与TC有近似关系：TCM＝常数 12
（4）. 约瑟夫森效应
当在两块超导体之间存在一块极薄的绝缘层时，超导电子（对）能通过极薄的绝缘层，这种现象称为约瑟夫森（Josephson）效应，相应的装置称为约瑟夫森器件。如图4－4所示。
总结：临界温度（Tc）、临界磁场（Hc）、临界电流Ic是约束超导现象的三大临界条件。当温度超过临界温度时，超导态就消失；同时，当超过临界电流或者临界磁场时，超导态也会消失，三者具有明显的相关性。
篇三：纳米生物医学材料的应用
摘要：纳米材料和纳米技术是八十年代以来兴起的一个崭新的领域,随着研究的深入和技术的发展,纳米材料开始与许多学科相互交叉、渗透,显示出巨大的潜在应用价值,并且已经在一些领域获得了初步的应用。本文论述了纳米陶瓷材料、纳米碳材料、纳米高分子材料、微乳液以及纳米复合材料等在生物医学领域中的研究进展和应用。
关键字：纳米材料；生物医学；进展；应用
1. 前言
纳米材料是结构单元尺寸小于100nm的晶体或非晶体。所有的纳米材料都具有三个共同的结构特点:(1)纳米尺度的结构单元或特征维度尺寸在纳米数量级(1~100nm),(2)有大量的界面或自由表面,(3)各纳米单元之间存在着或强或弱的相互作用。由于这种结构上的特殊性,使纳米材料具有一些独特的效应,包括小尺寸效应和表面或界面效应等,因而在性能上与具有相同组成的传统概念上的微米材料有非常显著的差异,表现出许多优异的性能和全新的功能,已在许多领域展示出广阔的应用前景,引起了世界各国科技界和产业界的广泛关注。
“纳米材料”的概念是80年代初形成的。1984年Gleiter首次用惰性气体蒸发原位加热法制备成功具有清洁表面的纳米块材料并对其各种物性进行了系统研究。1987年美国和西德同时报道,成功制备了具有清洁界面的陶瓷二氧化钛。从那时以来,用各种方法所制备的人工纳米材料已多达数百种。人们正广泛地探索新型纳米材料,系统研究纳米材料的性能、微观结构、谱学特征及应用前景,取得了大量具有理论意义和重要应用价值的结果。纳米材料已成为材料科学和凝聚态物理领域中的热点,是当前国际上的前沿研究课题之一[1]。
2. 纳米陶瓷材料
纳米陶瓷是八十年代中期发展起来的先进材料,是由纳米级水平显微结构组成的新型陶瓷材料,它的晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、气孔尺寸、缺陷尺寸等都只限于 100nm量级的水平[2]。纳米微粒所具有的小尺寸效应、表面与界面效应使纳米陶瓷呈现出与传统陶瓷显著不同的独特性能。纳米陶瓷已成为当前材料科学、凝聚态物理研究的前沿热点领域,是纳米科学技术的重要组成部分[3]。 陶瓷是一种多晶材料,它是由晶粒和晶界所组成的烧结体。由于工艺上的原因,很难避免材料中存在气孔和微小裂纹。决定陶瓷性能的主要因素是组成和显微结构,即晶粒、晶界、气孔或裂纹的组合性状,其中最主要的是晶粒尺寸问题,晶粒尺寸的减小将对材料的力学性能产生很大影响,使材料的强度、韧性和超塑性大大提高。
常规陶瓷由于气孔、缺陷的影响,存在着低温脆性的缺点,它的弹性模量远高于人骨,力学相容性欠佳,容易发生断裂破坏,强度和韧性都还不能满足临床上的高要求,使它的应用受到一定的限制。例如普通陶瓷只有在1 000℃以上,应变速率小于10-4/s时,才会发生塑性变形。而纳米陶瓷由于晶粒很小,使材料中的内在气孔或缺陷尺寸大大减少,材料不易造成穿晶断裂,有利于提高材料的断裂韧性;而晶粒的细化又同时使晶界数量大大增加,有助于晶粒间的滑移,使纳米陶瓷表现出独特的超塑性。许多纳米陶瓷在室温下或较低温度下就可以发生塑性变形。例如:纳米TiO2(8nm)陶瓷和CaF2陶瓷在180℃下,在外力作用下呈正弦形塑性弯曲。即使是带裂纹的TiO2纳米陶瓷也能经受一定程度的弯曲而裂纹不扩散。但在同样条件下,粗晶材料则呈现脆性断裂。纳米陶瓷的超塑性是其最引入注目的成果。
传统的氧化物陶瓷是一类重要的生物医学材料,在临床上已有多方面应用,主要用于制造人工骨、人工足关节、肘关节、肩关节、骨螺钉、人工齿,以及牙种植体、耳听骨修复体等等。此外还用作负重的骨杆、锥体人工骨、修补移植海绵骨的充填材料、不受负重影响的人工海绵骨及兼有移植骨作用的髓内固定材料等。纳米陶瓷的问世,将使陶瓷材料在强度、硬度、韧性和超塑性上都得到提高,因此,在人工器官制造、临床应用等方面纳米陶瓷材料将比传统陶瓷有更广泛的应用并具有极大的发展前景[1]。
目前, 对于具有良好力学性能和生物相容性、生物活性的种植体的需求越来越大, 由于生物陶瓷材料存在强韧性的局限性, 大规模临床应用还面临挑战。随着纳米技术和纳米材料研究的深入, 纳米生物陶瓷材料的优势将逐步显现, 其强度、韧性、硬度以及生物相容性都有显著提高, 随着生物医用材料研究的不断完善,纳米生物陶瓷材料终将为人类再塑健康人体[4]。
经过近几年的发展 ，纳米生物陶瓷材料研究已取得了可喜的成绩，但从整体来分析，此领域尚处于起步阶段，许多基础理论和实践应用还有待于进一步研究。如纳米生物陶瓷材料制备技术的研究——如何降低成本使其成为一种平民化的医用材料；新型纳米生物陶瓷材料的开发和利用；如何尽快使功能性纳米生物陶瓷材料从展望变为现实，从实验室走向临床；大力推进分子纳米技术的发展，早日实现在分子水平上构建器械和装置，用于维护人体健康等，这些工作还有待于材料工作者和医学工作者的竭诚合作和共同努力才能够实现[5]。
3. 纳米碳材料
纳米碳材料由碳元素组成的碳纳米材料统称为纳米碳材料。在纳米碳材料群中主要包括纳米碳管、气相生长碳纤维、类金刚石碳等;纳米碳管、纳米碳纤维通常是以过渡金属 Fe、Co、Ni 及其合金为催化剂，以低碳烃化合物为碳源，以氢气为载气，在 873～1473K 的温度下生成的，其中的超微型气相生长碳纤维又称为碳晶须,具有超常的物化特性，被认为是超强纤维。由它作为增强剂所制成的碳纤维增强复合材料，可以显著改善材料的力学、热学及光、电等性能,在催化剂载体、储能材料、电极材料、高效吸附剂、分离剂、结构增强材料等许多领域有着广阔的应用前景[6]。
纳米碳纤维除了具有微米级碳纤维的低密度、高比模量、比强度、高导电性之外,还具有缺陷数量极少、比表面积大、结构致密等特点,这些超常特性和良好的生物相容性,使它在医学领域中有广泛的应用前景,包括使人工器官、人工骨、人工齿、人工肌腱在强度、硬度、韧性等多方面的性能显著提高;此外,利用纳米碳材料的高效吸附特性,还可以将它用于血液的净化系统,清除某些特定的病毒或成份。
纳米碳材料是目前碳领域中崭新的高功能、高性能材料,也是一个新的研究生长点。对它的应用开发正处于起步阶段，在生物医学领域中，纳米碳材料有重要的应用潜能。
4. 纳米高分子材料
纳米高分子材料也可以称为高分子纳米微粒或高分子超微粒，主要通过微乳液聚合的方法得到。这种超微粒子具有巨大的比表面积，出现了一些普通微米级材料所不具有的新性质和新功能,已引起了广泛的注意。
聚合物微粒尺寸减小到纳米量级后,高分子的特性发生了很大的变化,主要表现在表面效应和体积效应两方面。表面效应是指超细微粒的表面原子数与总原子数之比随着粒径变小而急剧增大,表面原子的晶场环境和结合能与内部原子不同,因缺少相邻原子而呈现不饱和状态,具有很大的活性,它的表面能大大增加,易与其它原子相结合而稳定下来。体积效应是由于超微粒包含的原子数减少而使带电能级间歇加大,物质的一些物理性质因为能级间歇的不连续而发生异常。这两种效应具体反映在纳米高分子材料上,表现为比表面积激增,粒子上的官能团密度和选择性吸附能力变大,达到吸附平衡的时间大大缩短,粒子的胶体稳定性显著提高。这些特性为它们在生物医学领域中的应用创造了有利条件。目前，纳米高分子材料的应用已涉及免疫分析、药物控制释放载体、及介入性诊疗等许多方面[7]。
纳米级骨修复材料具有传统材料无可比拟的生物学性能，已在组织工程和生物材料研究中显示出广阔的应用前景，将不同生物材料复合加工，研制出类似人骨的材料，将是今后骨修复材料的研究重点。当前用于骨科临床的纳米产品不多，其性能、微观结构和生物学效应尚有待系统研究。我们相信随着纳米技术、组织工程技术和生物技术的发展与综合，必将研制出新一代性能优异的纳米骨材料，为治愈骨缺损和骨折提供最佳的选择[8]。
5. 纳米复合材料
纳米复合材料包括三种形式，即由两种以上纳米尺寸的粒子进行复合或两种
以上厚薄的薄膜交替叠迭或纳米粒子和薄膜复合的复合材料。前者由于纳米尺寸的粒子具有很大的表面能，同时粒子之间的界面区已经大到超常的程度，所以使一些通常不易固溶、混溶的组份有可能在纳米尺度上复合，从而形成新型的复合材料，研究和开发无机/无机、有机/无机、有机/ 有机以及生物活性/非生物活性的纳米结构复合材料是获得性能优异的新一代功能复合材料的崭新途径。
目前应用较广的医用材料多由一些有机高分子制成,受高分子的固有性质所限,材料的机械性能不够理想。碳纳米管具有比重低、长径比高、并且可以重复弯曲、扭折而不破坏结构,因此是制备强度高、重量轻、性能好的复合材料的最佳承荷增强材料。很多研究表明,向高分子材料中加入碳纳米管可以显著改善原有聚合物的传导性、强度、弹性、韧性和耐久性等性质。已经涉及的高分子材料包括聚氨酯、环氧树脂、聚苯乙烯等。对聚氨酯/多壁碳纳米管复合膜[9]和聚苯乙烯/多壁碳纳米管复合膜[10]的机械拉伸实验均显示,当碳纳米管与基体间存在良好的界面结合时,聚合物中的碳纳米管可以增强聚合物抗张强度。研究还发现,对碳纳米管进行石墨化温度处理和进行功能化有助于增强碳纳米管与聚合物基体间的相互作用[10],对于碳纳米管相关的复合膜和复合纤维的机械性能都有改善作用。Webster等[9]发现,MWNT和聚氨酯形成的复合材料较之传统的医用聚氨酯具有更好的电导性和机械强度,适合制造应用于临床的在体设备,如可能作为检查神经组织功能恢复情况的探针和骨科应用的假体等。
6. 微乳液
微乳液是由油、水、表面活性剂和表面活性剂助剂构成的透明液体，是一类各向同性、粒径为纳米级的、热力学、动力学稳定的胶体分散体系。微乳液是热力学稳定体系，可以自发形成。微乳液小球的粒径小于 100nm，微乳液呈透明或微蓝色。微乳液结构的特殊性使它具有重要的应用前景。近年来，随着乳液聚合理论和技术研究的不断深入，新型材料制备及分离技术的不断发展，人们对微乳液的应用研究十分关注，不断开发它在各领域中的应用，其中一些研究成果已转入实用化。
7. 总结
纳米材料是80年代中期发展起来的新型材料,它所具有的独特结构使它显示出独特而优异的性能。尽管已对纳米材料的制备、结构与性能进行了大量的研究,但在基础理论及应用开发等方面还有大量的工作尚待进行[11]。
8. 展望
纳米材料所展示出的优异性能预示着它在生物医学工程领域,尤其在组织工程支架、人工器官材料、介入性诊疗器械、控制释放药物载体、血液净化、生物大分子分离等众多方面具有广泛的和诱人的应用前景。随着纳米技术在医学领域中的应用,临床医疗将变得节奏更快、效率更高,诊断、检查更准确,治疗更有效[12]
参考文献
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