材料性能与测试课件第九章材料的电性能1

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1、1,第九章 材料的电学性能,2,材料电学性能是材料物理性能的重要组成部分。电流是电荷的定向运动，因此有电流必须有电荷输运过程。电荷的载体称为载流子，可以是电子、空穴、离子； 由于工程技术领域对材料导电性能的不同要求，相应的研制出不同电学性能的材料，如导体合金、精密电阻合金、电热合金、触点材料、半导体材料等；,引 言,3,9.1 材料的导电性能,9.2 材料的超导性能,目 录,9.4 材料的热电性能,9.5 材料压电性能与铁电性能,9.3 介质极化与介质损耗,4,一、 导电概念 当在材料的两端施加电压时，材料中有电流流过，电流是电荷的定向流动，电荷载体称为载流子，包括电子、空穴、离子； 欧姆定律

2、 二、 电阻概念 与材料的性质有关，还与材料 的长度及截面积有关 三、 电阻率和电导率 互为倒数，前者单位欧米(m),电导率单位西/米 (S/m)只与材料本性有关，而与导体的几何尺寸无关 是评定导电性的基本参数。,9.1 材料的导电性能,9.1.1 材料的导电性能指标,5,四、 相对电导率 把国际标准软纯铜(在20的电阻率=0.01724m，电导率=58106 S/m)的电导率作为100，其它导电材料与该数之比的百分数；例如，Fe的IACS为17，Al为65，Ag为115； 五、导电性能分类 按照导电性能高低把固态材料分为导体(0.01m)、半导体(0.01m1010m)、绝缘体(1010m)

3、；,6,一、 金属及半导体的导电机理,导电理论的发展经历了三个重要阶段：经典电子理论量子电子理论能带理论 1、经典电子理论 离子构成了晶格点阵, 价电子是 自由电子, 遵循经典力学气体分子 的运动规律；自由电子定向运动中， 不断与正离子发生碰撞，产生电阻； 金属的导电性取决于自由电子的数 量、平均自由程和平均运动速度；,9.1.2 材料的导电机理,n电子密度； e电子电量； l平均自由程； v电子运动平均速度； m电子质量,7,1)不能解释一价金属导电性比二、三价金属好； 2)实践证明，高温T，低温T 5。 3)自由电子的比热，实验值比理论值小很多。 4)经典理论不能解释超导现象,存在的缺陷,

4、，可见理论与实际不符,经典电子论在一定程度上解释了金属导电的本质,用经典力学处理微观质点的运动，不能正确反映微观质点的运动规律,8,2、量子自由电子理论 根本区别是自由电子的运动必须服从量子力学的规律。电子是费米子，导电的只是费米能级附近的电子，原子的内层电子保持着单个原子时的能量状态，价电子按量子化具有不同的能级电子具有波粒二象性运动为着的电子作为物质波，有关系式： 一价金属中自由电子的动能 E K为波数频率，表征自由电子可能具有的能量状态参数 从粒子的观点看，曲线表示自由电子的能量与速度(或动量)之间的关系；从波动的观点看，曲线表示电子的能量和波数之间的关系；电子的波数越大，则能量越高；

5、没有加外加电场时自由电子沿正、反方向运动着电子数量相同，没有电流产生；,图9-1 自由电子的EK曲线,9,在0K以上只有少数能量接近费米能的自由电子才可能跃迁到较高的能级中去。在室温下大约只有1%的自由电子才能实现这个跃迁。这就成功地解释了自由电子对比热容的贡献为何只是经典电子理论计算出来的百分之一。 不是所有的自由电子都能参与导电，在外电场的作用下，只有能量接近费密能的少部分电子，方有可能被激发到空能级上去而参与导电。这种真正参加导电的自由电子数被称为有效电子数。,10,在外加电场的作用下，使正反向运动的电子数不等，使金属导电，只有处于较高能态的自由电子参与导电； 缺陷和杂质产生的静态点阵畸

6、变和热振动引起的动态点阵畸变，对电磁波造成散射，形成电阻；,nef单位体积内实际参加传导的电子数； e电子电量； l平均自由程； v电子运动平均速度； m*电子有效质量 散射系数,缺陷：假设离子势场均匀，不符合实际,图9-2 电场对EK曲线的影响,11,3、能带理论 量子自由电子模型与实际情况有差别，例如：Mg是二价金属，导电性比一价铜差；另外，量子力学认为电子有隧道效应，一切价电子都可以位移，为什么固体的导电性差别巨大？能带理论解决； 价电子是公有化、能量量子化，和量子自由电子理论一致；,金属中由离子所造成的势场不是均匀的，这个势能不是常数，是位置的函数，采用单电子近似求解薛定锷方程，得出电

7、子在晶体中的能量状态，将在能级的准连续谱上出现能隙，分为禁带和允带；价电子在金属中的运动要受到周期场的作用;能带发生分裂，即有某些能态是电子不能取值的;,图9-3 周期场中电子运动的对EK曲线及能带,12,能带结构:允带和禁带交替，允带中每个能级只能允许有两个自旋相反的电子存在；满带电子不导电； 空能级：允带中未被填满电子的能级，空能级电子是自由的，参与导电，称为导带； 周期势场的变化幅度越大，禁带越宽 导体、绝缘体、半导体能带结构特点,图9-4 能带填充情况示意图,13,导体 允带内的能级未被填满，允带之间没有禁带或允带相互重叠 在外电场的作用下电子很容易从一个能级转到另一个能级上去而产生电

8、流 绝缘体 一个满带上面相邻的是一个较宽的禁带，由于满带中的电子没有活动的余地，即使禁带上面的能带完全是空的，在外电场的作用下电子也很难跳过禁带，即不能产生电流。 半导体 半导体的能带结构与绝缘体相同，不同的是它的禁带比较窄 半导体的能带在外界作用下，价带中的电子就有能量可能跃迁到导带中去,14,具有部分充填能带结构的晶体大都是导体；IA族碱金属Li、Na、K、Rb、Se，IB族的Cu、Ag、Au，外层s电子传导电子，每个原子只能给出一个价电子，价带只能填充半满。 二价元素，如A族碱土Be、Mg、Ca、Sr、Ba，B族Zn、Cd、Hg，每个原子给出两个价电子，能带填满，应该是绝缘体，但是在三维

9、晶体下，能带之间发生重叠，费米能级以上不存在禁带，因此也是金属； 三价元素Al、Ga、In、Tl每个单胞含一个原子，给出三个价电子，填满一个带和一个半满带，也是金属；As、Sb、Bi每个原子外围有5个电子，原胞是2个原子，5个带填10个电子全满，带中电子少，半金属，传导电子浓度只有1024/m3，比金属少4个数量级。,15,四价元素比较特殊，导带是空的，价带完全填满，中间有能隙Eg较小，Ge、Si分别为0.67eV和1.14eV。室温下，价带电子受热激发进入导带，成为传导电子，温度增加，导电性增加，因此低温下是绝缘体，室温下半导体。 离子晶体一般为绝缘体。例如NaCl晶体中Na的3s电子移到C

10、l中，3s轨道空，Cl的3p轨道满带，中间有10eV的能隙，若激发不能使电子进入导带；(一般情况下绝缘体Eg3 eV),16,金属非金属使用时间和人类文明同步，半导体应用是20世纪50年代开始，信息时代 本征半导体：纯的半导体 杂质半导体：引入杂质后的半导体，n、p型 本征半导体的电子空穴对是由热激活产生的 杂质对半导体的导电性能影响很大 本征半导体和杂质半导体的电导率与温度的关系为,半导体,0系数； Eg禁带宽度； k波尔兹曼常数； T绝对温度；,17,本征半导体室温下的Eg,18,本征激发,绝对零度时，价电子无法挣脱共价键束缚，不导电； 温度上升、光照时，热激发，产生电子空穴对，在电场作用

11、下，形成电流。本征半导体的导电能力只取决于电子空穴对数量多少，和价电子数目多少无关。,19,掺杂半导体和PN结,掺入微量的五价元素P、As、锑，多余一个价电子处于共价键之外成为自由电子，杂质原子为正离子，N型； 掺入微量的三价元素Al、B、In，少个价电子产生空穴，杂质原子为负离子，导电依靠空穴，P型；,正向导通，反向击穿，Si管导通0.6-0.8V,Ge管0.1-0.3V,20,三极管(结晶体管)和场效应管,21,1、离子晶体导电 离子导电离子电荷载流子在电场的作用下定向流动；可以分为两类：一是源于晶体点阵中基本离子的运动，称为离子本征电导，热激活引起；二是源于晶体点阵中杂质离子的运动，称为

12、杂质电导； 离子电导率和温度关系： 存在的多种载流子时，材料 的总电导率是各种电导率的 总和,二、无机非金属的导电机理,22,2、玻璃导电 常温下玻璃绝缘体，高温下电阻大大降低，有些成为导体。硅化物玻璃，可移动的载流子是SiO2基体中的一价阳离子，如Na离子。调整成分可以控制玻璃的电阻率。 目前许多的半导体玻璃、导电玻璃，如非晶硅、ITO等，复合材料，其导电机理是电子导电，和硅化物玻璃的导电机理不同。,23,9.1.3 常用的电导功能材料,一、导电材料,传送电流而很小电能损失的材料，电力工业用的电线、电缆为代表，包括强电弱电，如导电涂料、胶粘带、透明导电材料等； 1、Cu及Cu合金：电解铜，含

13、量在99.97-99.98%,可分为半硬铜(电导率98%-99%), 硬铜(96-98%);杂质降低电导率，特别是氧，无氧铜性能稳定抗腐蚀延展性好，拉成细丝，适于海底电缆软线； 2、Al及Al合金：含量在99.6-99.8%, 相对电导率61，仅次于Ag、Cu、Au，密度只有Cu的1/3，160V以上高压线用钢丝增强Al电缆、合金增强Al线；使用温度低于90；耐热Al合金可在150下工作，用作大容量高压输电线；超耐热Al合金可在200下工作，变电站,24,二、电阻材料,电路设计需要，提供一定的电阻；如电热元件，传感器，有金属、碳素、半导体，形状各异，要求是电阻温度系数小，阻值稳定，电阻率适当，

14、加工连接容易 1、精密电阻合金：锰铜合金(电阻温度系数20-10010-6/)，铜镍合金含量(电阻温度系数2010-6/)，均匀退火保证电学性能温度； 2、电热合金：工作温度可达900-1350，镍铬合金、FeNiCr合金，FeCrAlCo等； 3、高温加热元件和电极：主要在1500上使用，金属Pt可以在空气中使用至1500，石墨、Mo、W只能在还原气氛下使用，陶瓷电热元件(SiC、MoSi2、LaCrO3)可在空气中使用；,25,三、电触点材料,电流通过两导体接触部分的电阻称为接触电阻，包括会聚电阻(接触面变小产生的)、过渡电阻(表面膜电阻)； 触点材料主要是铂系材料，接触电阻稳定。Pt熔点

15、1764，高温时产生熔化粘结，加入30-70的Ir，形成Pt-Ir合金，熔点高，抗氧化性好；OsIr合金； W熔点3382，硬度高，但在空气中极易氧化，加工困难。W-Ag合金用作大电流的继电器开关触点；W-Cu合金用于油浸的断路开关； Ag熔点960，99.8以上纯度的Ag，接触电阻非常小，用于小继电器触点；6Pt-69Cu-25Ag合金可代替Pt用于通讯电路中的触点材料； Cu价格便宜，广泛应用于继电器的触点，但表面易氧化，使用过程中接触电阻增加，加入Ag改善；Cu-Be合金用于频繁开关，如电气机车的开关触点；,26,金属电阻率随温度升高而增大 1）电子运动自由程减小，散射几率增加导致电阻率

16、增大； 2）在德拜温度以上，电子是完全自由的 完整的晶体中电子的散射取决于温度造成的点阵畸变，金属的电阻取决于离子的热振动； 3）纯金属的电阻率与温度关系 4）当温度较低(低于德拜温度)时 应考虑振动原子与导电电子之间的相互作用，低温时，积分值趋于常数，电阻率 T5,9.1.4 材料导电性影响因素,一、温度,27,温度增加，电阻率增大； 电阻温度系数，一般是0.4%; 但不同温度范围内曲线不同； 电子声子散射，极低温度下成 2次方关系时，电子电子散射为主；,图9-5 金属电阻温度曲线,图9-6 锑、钾、钠熔化时电阻率变化曲线,5）大多数金属在熔化成液态时，其电阻率会突然增大约1-2倍，原子长程排列被破坏,28,冷塑性变形使金属的电阻率增大 一般2-6，W增加30-50， Mo增加15-20； 1）晶体点阵畸变和晶体缺陷增加，空位浓度的增加，降低点阵电场均匀性，加大电