书城科普材料纵横
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第14章 令人惊奇的高分子功能材料(2)

1)音像器材磁带录音机用耦合器、电唱机用旋转变压器、电视接收机及计算机显示器、显像管、色纯会聚调节磁环、磁带录像机旋转磁头用马达及FG传感器、CD和VCD机的驱动马达、开门电机、耳机磁体及扬声器磁体;2)家用电器电冰箱、冷藏库、消毒柜、浴室等的门封磁条,洗衣机排水阀电机、定时器电机、电饭锅管座,电视机、录像机、电冰箱、洗衣机、吸尘器等电器的零部件;3)计算机及办公软盘驱动器电机、打字机送纸马达、冷却轴流风机、CRT显示校正装置;静电复印机的显影磁辊、清洗磁辊、传真机中的磁辊、激光打印机磁辊;机械:钟表中的步进电机;工件固定永磁体、工业机器人用磁传感器、磁控开关、步进电机)汽车工业汽车无触点分电器磁垫圈、燃料喷射泵用步进电机、防震贴板;医疗卫生、文化:

5)磁疗保健品磁疗床垫、磁疗转子、卫生肥皂盒;磁性绘图板、学生教具、广告、文具、磁性显示黑板;家具中的门扣、各种磁性玩具等。

四、磁性高分子材料展望

近年来发展起来的非晶和纳米微晶金属软磁材料具有许多优异的特性。纳米材料具有与常规材料不同的优异性能,另外非晶态材料通常具有高强度、高耐腐蚀性和高电阻率等特性。可以预见,采用非晶和纳米微晶金属软磁材料与聚合物复合有望制备出新型的磁性高分子材料,这类新材料既具有非晶和纳米微晶金属软磁材料优异的磁性能,又具有高分子材料易于加工、尺寸精度高、可加工成各种复杂的形状等优点。因此,对磁性聚合物进行深入的研究将大有可为。综上所述,磁性高分子材料已以其方便独特的性能和优越的新型功能成为当今科学技术领域的重要基础材料之一5.3特殊信息员——高分子光纤英国物理学家丁铎尔做过一个简单实验:在装满水的木桶上钻个孔,然后用灯从桶上边把水照亮。结果发现水从小孔流出来之后,水流弯曲光线也跟着弯曲,光居然被弯弯曲曲的水俘获了。这是为什么呢?

表面上看,光好像在水流中弯曲前进。实际上,在弯曲的水流里,光仍沿直线传播,只不过在内表面上发生了多次全反射,光线经过多次全反射向前传播。为丁铎尔现象。后来人们造出一种透明度很高、粗细像蜘蛛丝一样的玻璃丝——玻璃纤维,当光线以合适的角度射入玻璃纤维时,光就沿着弯弯曲曲的玻璃纤维前进。由于这种纤维能够用来传输光线,所以称它为光导纤维。

光导纤维可以用于通信技术,1979年9月,一条3.3千米的120路光缆通信系统在北京建成,几年后上海、天津、武汉等地也相继铺设了光缆线路,利用光导纤维进行通信。利用光导纤维进行的通信叫光纤通信。一对金属电话线至多只能同时传送一千多路电话,而根据理论计算,一对细如蛛丝的光导纤维可以同时通一百亿路电话!铺设1000千米的同轴电缆大约需要500吨铜,改用光纤通信只需几千克石英就可以了。沙石中就含有石英,几乎是取之不尽的。2009年度诺贝尔物理学奖获得者中有“光纤之父”的华裔科学家高锟,他凭借在光纤领域的卓著研究而获得此殊荣。

5.3.1高分子光纤的优点及其应用

高分子光纤质轻、柔软,更耐破坏(振动和弯曲)。高分子光纤有着优异的拉伸强度、耐用性和占用空间小的特点。这些优点对于高分子光纤在汽车中的成功应用尤为重要。一个典型的豪华车内部至少有几千米的铜线和铜缆,重量和成本大为增加。飞机、火车和其他交通工具莫不如此。由于高分子光纤的直径和数值孔径大,因此光传导能力大。传输的频率越高,运用高分子光纤的成本就越低。此外,高分子光纤的切割、布线、黏结、抛光和其他加工容易。一般来说,最简单的剪刀也可以用来切割高分子光纤,因此其连接方便快捷(最多不超过1分钟)。同时,由于高分子光纤使用650纳米波长收发模块,使用者可见也容易判断光纤的连接是否成功。另外,高分子光纤的连接对端面藏留的灰尘和碎屑不敏感。

高分子光纤不产生辐射、噪声,不会对目前的管网产生负面影响,它本身也不会受到电磁和无线电频率的干扰。这使得高分子光纤可以和主同缆在同一管道里或同一线束并排铺放。

高分子光纤一般难以被窃听,非常适用于在安全程度要求高的场合进行数据传输。

(1)汽车应用

现代轿车的各种新功能要求快速可靠地传输更大的数据量。多媒体汽车意味着常常要在较差的环境中不受干扰地传输视频和音频等信号,面向媒体的系统传输(Media Oriented System Transport,MOST)标准与信息显示板(Information Display Board,IDB)标准规定使用高分子光纤。高分子光纤汽车网络已经用在级别较高的轿车上,并经受住了长时间的考验。目前,在欧洲大概有16个车型采用了高分子光纤通信系统。

(2)电子和传感器应用

高分子光纤在传感器、消费电子领域具有明显的优势,如电脑、视频摄像机、只读光盘(CD-ROM)、数字激光视盘(DVD)、激光压缩视盘(VCD)、电视、打印机、扫描仪、磁盘和立体声系统等。考虑到国内主要是把高分子光纤加工成光缆或DVD跳线出口到日本、韩国、欧美等国家与地区,高分子光纤在国内这方面的市场需求至少有1亿元。

(3)工业控制总线系统应用

随着计算机和自动控制技术的高速发展,工业自动化水平提高到一个崭新的高度。工业自动化根据其特点和使用方向可分为过程控制自动化、面向生产和制造业的自动化以及自动化测量系统(工业测量仪表)。这些工业自动化系统的建立和发展都有一个共同特点,即由直接控制系统向集散型控制系统发展,而这种集散型控制系统的发展都是以各种工业网络为基础。通过这些形形色色的工业总线系统,各种工业设备构成一个既分散又统一的整体。对塑料光纤来说,工业控制总线系统是其最稳定和最大的市场之一。通过转换器,塑料光纤可以与RS232、RS422、以太网、令牌网等标准协议接口相连,从而在恶劣的工业制造环境中提供稳定、可靠的通信线路,高速传输工业控制信号和指令,避免了因使用金属电缆线路受电磁干扰而导致通信中断的危险。

5.3.2高分子光纤的美好前景

中国科学家经过多年努力,终于掌握了批量连续化生产高分子光纤技术。中国科学院理化技术研究所现已累计生产出数百万米低损耗突变型高分子光纤,打破了日本公司在国际上的垄断地位。

当今信息技术的发展迫切需要信息容量大的光纤材料,对通信网络带宽的要求越来越高。高分子光纤具有芯径大、质地柔软、连接容易、质量轻、价格便宜、传输带宽大等优点,在宽带接入网系统、家庭智能网络系统、数据传输系统、汽车智能系统、工业控制系统以及纺织、照明、太阳能利用系统等方面的应用市场潜力巨大。

随着科技的发展,高分子光纤的应用领域越来越广,其市场的发展会越来越广阔。国外在高分子光纤的应用开发上已取得了较大的成果,且不断在加大新的应用研究的投入,因此我国应对高分子光纤的研究和发展予以密切关注。深圳大圣光电技术有限公司在高分子的研制和生产方面已取得很大进展,目前在国内外已占有较大的市场。总之,随着科技的高速发展,高分子光纤的应用领域会越来越广,必将给光通信带来一场新的革命。

5.4小体积、大容量——高分子介电材料

高分子介电材料是一种高分子电气绝缘材料,又称高分子电介质。除导电高分子材料外,几乎所有高分子材料都是高分子介电材料。高分子介电材料是用来隔离带电的或不同电位的导体,使电流能按一定方向流动的聚合物材料,其体积电阻率一般大于1×109欧姆·厘米。高分子材料绝大多数都具有优良的介电性能,品种繁多,原料来源广泛,易于加工,性能可靠,因此应用十分广泛,例如北京奥运会鸟巢的建造中使用了很多高分子介电材料。

在过去的30年中,高分子介电材料部分替代了陶瓷的应用,如电缆终端、避雷器、绝缘子等,并且也慢慢地成为了介电材料的一种重要发展趋势。

高分子介电材料越来越普及是由于它与陶瓷相比较具有出色的耐污性、耐脆裂以及重量轻的特点。然而,高分子户外介电材料不同于陶瓷类产品,由于它是有机结构的性质,对放电、紫外光和热等诸多因素比较敏感,因此,对高分子介电材料必须要经过仔细选择和彻底完整的测试,以确保产品的性能达到设计使用寿命。以下就是一些高分子介电材料的一些应用实例。

一、介电高分子材料介电机理

按材料对外电场的响应方式的不同,介电高分子材料分为两类:一类以电荷长程迁移,即传导的方式对外电场作出响应,这类材料称为导电材料;另一类以感应的方式对外电场作出响应,即沿电场方向产生电偶极矩或电偶极矩的改变,这类材料即电介质,这种现象称为电介质的极化。电介质的极化是电介质中的电荷在外电场作用下发生了再分布的结果。在外电场作用下,靠近正极的介质表面上产生净负电荷,而靠近负极的介质表面上则产生净正电荷,结果使介质出现宏观的电偶极矩。

电介质的极化有三种主要基本过程,即电子极化、离子极化和转向极化。

1)电子极化电子极化是因介质中的原子核外电子云畸变所产生。如果介质受到一个外电场E的作用,其原子中的电子云将偏离带正电的原子核这个中心。这样,原子就成为一个暂时的或者感应的偶极子。所有的材料,无论其固态下为何种类型的键合,都能发生这种极化。如果去掉外加电场,极化随之消失。

2)离子极化离子极化由电介质分子中的正、负离子相对位移所造成,又称为原子极化。外加电场引起电荷的分离-正离子受吸引向负极移动,而负离子向正极移动,结果产生了净余偶极矩。离子极化在离子键材料中极其重要。

3)转向极化转向极化是极性电介质分子的固有电矩在外电场作用下转动所导致,又称为分子极化或取向极化。在中,外加电场使偶极子平行于电场排列起来。与电子极化引起的暂时性偶极子相反,这种极化能够在去掉外电场后保存下来,因为所涉及的偶极子是永久性的。在包括硅酸盐在内的离子键陶瓷与极性聚合物中,偶极子极化是普遍存在的。

高分子才材料极化机制电介质极化的结果,其内部沿电场方向出现偶极矩,在垂直于电场方向的介质表面则出现感应的束缚电荷,二者同时出现,在没有极化时也同时消失。

二、介电常数与介电损耗

1)介电常数由于极化作用的结果,在电介质的表面形成了符号相反的感应电荷。此感应的束缚电荷在介质内将形成一个与外电场方向相反的电场,使外电场受到削弱。显然,介质的极化能力越强,其形成的反向电场越大。为此,取D/E比值来反映介质的极化能力,此比值称为电介质的介电常数(用“ε”表示),即ε=D/E,式中,D为介质中的电位移,D值的大小与极板上自由电荷的密度有关;E为介质中的电场强度,它是外加电场与束缚电荷形成的合电场,因此,E值的大小不仅与极板上自由电荷密度有关,而且还与介质表面的束缚电荷密度有关。显然,介电常数是反映电介质内部电极化行为的一个主要宏观物理量,用单位体积电介质中所储蓄的静电能表示。作为绝缘材料应用时,希望高分子的介电常数要小;而在电容器的情况下希望它的介电常数要大。

2)介电损耗电介质在交变电场作用下,其极化响应与在静电场下的不同。随着交变电场的变化频率不同,介质的极化响应有三种情况:当频率很低时,前述的三种形式的极化的建立完全跟得上电场的变化,此时介质极化响应可以按照与静电场类似的方法进行处理;当电场的变化频率极高时,极化建立缓慢的方式(如转向极化)则完全来不及建立,此时就不用考虑该种极化的响应问题,但对极化很快的方式(如电子极化、离子极化)仍可按照静电场中的方法进行处理;如果电场的变化与缓慢极化建立的时间可相比拟,则该极化对电场的响应强烈地受到极化建立过程的影响,产生比较复杂的介电现象。在这种情况下的极化响应,有一个明显的特点,就是出现极化损耗,常称为介电损耗。其主要表现是,在交变电场作用下,电介质以发热的形式而耗散能量。

产生介电损耗的原因在于两个方面:一是电介质中微量杂质而引起的漏导电流;另一个原因是电介质在电场中发生极化取向时,由于极化取向与外加电场有相位差而产生的极化电流损耗,其中后者是主要原因。

三、介电材料选用原则

在考察一种介电材料时,需要选用介电常数低、介电损耗低的材料。如在很小空间中获得高电容量,就需使用高介电常数材料和低介电损耗来防止热量积蓄。然而,在利用电介质加热情况下就不再如此。在这种技术应用中,具有高损耗的材料受到交变电场的作用,可以达到提高材料温度的目的。损耗高的材料能够被快速高效地加热,这就是微波炉的基本原理。其中,水分子中的H-O偶极子受到激发,这也是超声波焊接的工作原理,通常用于熔化、融合以及连接热塑性聚合物材料。