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1、电学性能电学性能包括：导电性、超导性、介电性、包括：导电性、超导性、介电性、磁电性、热电性、压电性和光电性等。磁电性、热电性、压电性和光电性等。材料的导电性能是材料的重要物理性能之一。材料的导电性能是材料的重要物理性能之一。工程技术领域工程技术领域对材料电性能的要求，制备出具有对材料电性能的要求，制备出具有特殊电学性能的合金材料。如：导体合金，精密特殊电学性能的合金材料。如：导体合金，精密电阻合金，电热合金，超导材料等。具体的如：电阻合金，电热合金，超导材料等。具体的如：电线，电炉，热电偶等。电线，电炉，热电偶等。第十章第十章材料的电学性能材料的电学性能2一、导电材料一、导电材料白川英树白川英
2、树黑格黑格麦克迪尔米德麦克迪尔米德导电高分子材料导电高分子材料1977年，年，Heeger、MacDiarmid和白和白川英树发现当聚乙炔薄膜用川英树发现当聚乙炔薄膜用Cl2、Br2或或I2蒸气氧化后，其电导率可提高几个数蒸气氧化后，其电导率可提高几个数量级。通过改变催化剂的制备方法和取量级。通过改变催化剂的制备方法和取向，电导率可达向，电导率可达105Scm1。（。（Cu为为108Scm1 ）。）。2000年诺贝尔化学奖。年诺贝尔化学奖。3二、绝缘材料二、绝缘材料导热绝缘材料导热绝缘材料陶瓷系列插座陶瓷系列插座电工绝缘胶带电工绝缘胶带4三、半导体材料三、半导体材料CPU CPU (Centr
3、al Processing Unit)(Central Processing Unit) 第十章第十章 材料的电学性能材料的电学性能 本章主要本章主要讨论材料的导电、介电机讨论材料的导电、介电机理，影响材料导电、介电性能的因素，理，影响材料导电、介电性能的因素，以及导电、介电性能参数的测量和应用。以及导电、介电性能参数的测量和应用。还对材料的热电性能、半导体的导电敏还对材料的热电性能、半导体的导电敏感性、材料的绝缘性能等作简要介绍。感性、材料的绝缘性能等作简要介绍。第一节第一节 导电性能导电性能第一节第一节 导电性能导电性能一、电阻与导电的基本概念一、电阻与导电的基本概念欧姆定律：当在材料的两
4、端施欧姆定律：当在材料的两端施加电压时，材料中有电流流过加电压时，材料中有电流流过电阻与材料的性质有关，还电阻与材料的性质有关，还与材料的长度及截面积有关与材料的长度及截面积有关电阻率只与材料本性有关，而电阻率只与材料本性有关，而与导体的几何尺寸是无关，作与导体的几何尺寸是无关，作为评定导电性的基本参数为评定导电性的基本参数第一节第一节 导电性能导电性能一、电阻与导电的基本概念电导率：电导率：导体材料：导体材料：10-2.m,纯金属为纯金属为10-810-7.m合金为：合金为：10-710-5.m半导体材料：半导体材料：=10-2-109.m绝缘体材料：绝缘体材料：1010.m 各种材料在室温
5、的电导率各种材料在室温的电导率金属和合金金属和合金(-1.m-1)非金属非金属（-1.m-1）银银铜铜，工业纯，工业纯金金铝铝, 工业纯工业纯 Al-1.2%,Mn 合金合金钠钠钨，钨， 工业纯工业纯黄黄 铜铜 （ 70%Cu-30%Zn镍镍,工业纯工业纯纯铁纯铁,工业纯工业纯钛钛,工业纯工业纯不锈钢，不锈钢，301型型镍镍铬铬合合金金 (80%Ni-20%Cr）6.3*1075.85*1074.25*1073.45*1072.96*1072.1*1071.77*1071.66*1071.46*1071.03*1070.24*1070.14*1070.093*107石墨石墨SiC锗，纯锗，纯硅
6、硅，纯，纯苯酚甲醛（电木）苯酚甲醛（电木）窗玻璃窗玻璃 氧化铝（氧化铝（Al2O3）云母云母甲基丙烯酸甲酯甲基丙烯酸甲酯氧化铍（氧化铍（BeO）聚乙烯聚乙烯聚苯乙烯聚苯乙烯金刚石金刚石石英玻璃石英玻璃聚四氟乙烯聚四氟乙烯105 (平均平均)10 2.24.3*10-410-7-10-1110-1010-10-10-1210-11-10-1510-1210-12-10-1510-1410-1410-1410-1610-16 对材料导电性物理本质的认识是对材料导电性物理本质的认识是从从金属金属开始的，首先提出了开始的，首先提出了经典自由经典自由电子导电理论电子导电理论，后来随着量子力学的，后来随着
7、量子力学的发展，又提出了发展，又提出了量子自由电子理论量子自由电子理论和和能带理论能带理论。第一节第一节 导电性能导电性能二、导电机理二、导电机理经典电子理论经典电子理论认为，在金属晶体中，离认为，在金属晶体中，离子构成了晶格点阵，并形成一个均匀的子构成了晶格点阵，并形成一个均匀的电场，价电子是完全自由的，它们的运电场，价电子是完全自由的，它们的运动遵循经典力学气体分子的运动规律，动遵循经典力学气体分子的运动规律，在没有外加电场作用时，金属中的自由在没有外加电场作用时，金属中的自由电子沿各个方向运动的几率相同，因此电子沿各个方向运动的几率相同，因此不产生电流。不产生电流。第一节第一节 导电性能
8、导电性能二、导电机理1、金属及半导体的导电机理、金属及半导体的导电机理洛洛仑仑兹兹当对金属施加外电场时，自由电子沿电场当对金属施加外电场时，自由电子沿电场方向作加速运动，从而形成了电流。在自方向作加速运动，从而形成了电流。在自由电子定向运动过程中，要不断与正离子由电子定向运动过程中，要不断与正离子发生碰撞，使电子受阻，这就是产生电阻发生碰撞，使电子受阻，这就是产生电阻的原因。的原因。第一节第一节 导电性能导电性能二、导电机理1、金属及半导体的导电机理、金属及半导体的导电机理 从上式可以看到，金属的导电性取决于自由从上式可以看到，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。自电子
9、的数量、平均自由程和平均运动速度。自由电子数量越多导电性应当越好。由电子数量越多导电性应当越好。但事实却是但事实却是二、三价金属的价电子虽然比一价金属的多，二、三价金属的价电子虽然比一价金属的多，但导电性反而比一价金属还差。但导电性反而比一价金属还差。此外，这一理此外，这一理论也不能解释超导现象的产生。论也不能解释超导现象的产生。第一节第一节 导电性能导电性能二、导电机理1、金属及半导体的导电机理、金属及半导体的导电机理量子自由电子理论量子自由电子理论同样认为金属中正离子形成的同样认为金属中正离子形成的电场是均匀的，价电子与离子间没有相互作用，电场是均匀的，价电子与离子间没有相互作用，且为整个
10、金属所有，可以在整个金属中自由运动。且为整个金属所有，可以在整个金属中自由运动。但这一理论认为，金属中每个原子的内层电子基但这一理论认为，金属中每个原子的内层电子基本保持着单个原子时的能量状态，而本保持着单个原子时的能量状态，而所有价电子所有价电子却按量子化规律具有不同的能量状态，即具有不却按量子化规律具有不同的能量状态，即具有不同的能级。同的能级。第一节第一节 导电性能导电性能二、导电机理1、金属及半导体的导电机理、金属及半导体的导电机理“量子理论量子理论”之父之父- -普朗克普朗克19181918年获诺贝尔奖。年获诺贝尔奖。 这一理论认为，电子具有波粒二象性。运这一理论认为，电子具有波粒二
11、象性。运动着的电子作为物质波，其频率和波长与动着的电子作为物质波，其频率和波长与电子的运动速度或动量之间有如下关系电子的运动速度或动量之间有如下关系: :第一节第一节 导电性能导电性能二、导电机理1、金属及半导体的导电机理、金属及半导体的导电机理波数波数k=第一节第一节 导电性能导电性能二、导电机理1、金属及半导体的导电机理、金属及半导体的导电机理一价金属中自由电子的动能一价金属中自由电子的动能E E， K K为波数频率，表征自由电子可为波数频率，表征自由电子可能具有的能量状态参数能具有的能量状态参数从粒子的观点看，曲线表示自由电子从粒子的观点看，曲线表示自由电子的能量与速度的能量与速度( (
12、或动量或动量) )之间的关系；之间的关系； 从波动的观点看，曲线表示电子从波动的观点看，曲线表示电子的能量和波数之间的关系；的能量和波数之间的关系； 电子的波数越大，则能量越高电子的波数越大，则能量越高 没有加外加电场时自由电子沿正、反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，没有电流方向运动着电子数量相同，没有电流产生。产生。第一节第一节 导电性能导电性能二、导电机理1、金属及半导体的导电机理、金属及半导体的导电机理 在外加电场的作用下，从而在外加电场的作用下，从而使正反向运动的电子数不等，使使正反向运动的电子数不等，使金属导电，且只有处于较高能态金属导电，且只有处于较高能态的
13、自由电子参与导电。的自由电子参与导电。量子力学证明，对于一个绝对纯的理想的完整量子力学证明，对于一个绝对纯的理想的完整晶体，晶体，0 K时，电子波的传播不受阻碍，形成时，电子波的传播不受阻碍，形成无阻传播，电阻为零，导致所谓的超导现象。无阻传播，电阻为零，导致所谓的超导现象。第一节第一节 导电性能导电性能二、导电机理1、金属及半导体的导电机理、金属及半导体的导电机理实际金属内部存在着缺陷和杂质。缺陷和杂实际金属内部存在着缺陷和杂质。缺陷和杂质产生的静态点阵畸变和热振动引起的动态质产生的静态点阵畸变和热振动引起的动态点阵畸变，对电磁波造成散射，这是金属产点阵畸变，对电磁波造成散射，这是金属产生电
14、阻的原因。由此导出的电导率为：生电阻的原因。由此导出的电导率为：第一节第一节 导电性能导电性能二、导电机理1、金属及半导体的导电机理、金属及半导体的导电机理 nef为单位体积内参与导电的电子数，称为有为单位体积内参与导电的电子数，称为有效自由电子数，不同材料效自由电子数，不同材料nef不同。一价金属的不同。一价金属的nef比二、三价金属多，因此它们的导电性较好。比二、三价金属多，因此它们的导电性较好。量子自由电子理论较好地解释了金属导电的本量子自由电子理论较好地解释了金属导电的本质，但它假定金属中的离子所产生的势场是均质，但它假定金属中的离子所产生的势场是均匀的，显然这与实际情况有一定差异。匀
15、的，显然这与实际情况有一定差异。第一节第一节 导电性能导电性能二、导电机理1、金属及半导体的导电机理、金属及半导体的导电机理能带理论能带理论：晶体中电子能级间的间隙很小，能：晶体中电子能级间的间隙很小，能级的分布可看成是准连续级的分布可看成是准连续的，或称为能带的，或称为能带。能。能带理论也认为金属中的价电子是公有化和能量带理论也认为金属中的价电子是公有化和能量是量子化的，所不同的是，它认为是量子化的，所不同的是，它认为金属中由离金属中由离子所造成的势场不是均匀的，而是呈周期变化子所造成的势场不是均匀的，而是呈周期变化的的。 能带理论就是研究金属中的价电子在周期能带理论就是研究金属中的价电子在
16、周期势场作用下的能量分布问题。势场作用下的能量分布问题。第一节第一节 导电性能导电性能二、导电机理1、金属及半导体的导电机理、金属及半导体的导电机理 价电子在金属中的运动就价电子在金属中的运动就不能看成是完全自由的，而不能看成是完全自由的，而是要受到周期场的作用，由是要受到周期场的作用，由于周期场的影响，使得价电于周期场的影响，使得价电子在金属中以不同能量状态子在金属中以不同能量状态分布的能带发生分裂，即有分布的能带发生分裂，即有某些能态是电子不能取值的，某些能态是电子不能取值的，如图如图所示：所示：第一节第一节 导电性能导电性能二、导电机理1、金属及半导体的导电机理、金属及半导体的导电机理 能隙所对应的能带称为能隙所对应的能带称为禁带禁带，而将电，而将电子可以具有的能级所组成的能带称为子可以具有的能级所组成的能带称为允带允带，允带与禁带相互交替，形成了材料的允带与禁带相互交替，形成了材料的能带能带结构结构。空能级是指允带中未被填满电子的。空能级是指允带中未被填满电子的能级，具有空能级允带中的电子是自由的，能级，具有空能级允带中的电子是自由的，在外电场的作用下参与导电，所以这样的在外电
