第2章-材料电性能...ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,2,章,材料的电性能,（,Electrical Properties of Materials,）,第一部分,主要内容,电导的物理现象,电子类载流子导电,离子类载流子导电,半导体的电学性能,材料的超导性,电导功能材料,电性能测量及其应用,欧姆定律,I=V/R,电阻,R=,L/S R：,与材料性质和尺寸有关,电阻率,=,R S/L,：,与材料性质有关、与尺寸无关,电导率,=1/,：,S/m（,西门子每米）、,S/cm,2-1 概述,电导的宏观参数,Area,Length,i,一、电阻率（电导率）,对一截均匀导电体，存在如下关系：,工程上,：,相对电导率表征导体材料导电性能，即,IACS%=/,Cu,%,国际标准软纯铜（20,时 =0.01724,mm,2,/m),电导率作,为100%，其它导体材料电导率与之相比的百分数,相对电导率,例：,Fe IACS%,17%；,Al IACS%,65%,根据材料导电性好坏，也即按,值大小对材料分类,导体材料,10,9,m,金刚石,导体,材料,，导电性也有较大差异,二、载流子,电流是电荷在空间的定向运动。,任何一种物质，存在带电荷的自由粒子，在电场下产生导电电流。,电荷的载体,：,载流子,载流子,：,电子、空穴、正离子、负离子,迁移数,：,表征材料导电载流子种类对导电贡献的参数，也称,输运数（,transference number)，,即,t,x,=,x,/,T,式中：,x,某种,载流子输运电荷形成的,电导率；,T,各种,载流子输运电荷形成的总,电导率,t,i,+,表示,正离子的迁移数,t,i,-,表示,负离子的迁移数,t,e,-,表示,电子的迁移数,t,h,+,表示,空穴的迁移数,当,t,i,0.99 ,离子（电）导体,t,i,（2/3）,D,，,T,T,电子-声子散射是电阻产生主要机制,T,D,，,T,5,电子-声子散射是电阻产生主要机制,T,2K,，,T,2,电子-电子散射是电阻产生主要机制,D,德拜温度或特征温度,注：,金属熔化时电阻增加,1.5-2,倍,，熔化时金属原子规则排列遭到破坏，增强对电子散射。,反常：锑随温度增加，电阻增加，融化时下降，共价结合,金属键合,具有铁磁性的金属发生磁性转变时，电阻率出现反常。,2.电阻率与压力的关系,流体静压压缩,：对多数金属，在压力下,降低,=,0,（1+,p,）,0,-,真空下电阻率；,-,压力系数（,10,-5,-10,-6,）；,p-,压力,原子间距缩小，内部缺陷形态、电子结构、费米能和能带结构变化。,按压力对金属导电性的影响特性，把金属分为：,正常金属,：,压力增大，,下降；,例：,Fe、Co、Ni、Pd、Ir、Pt、Cu、Ag、Zr、Hf,等,反常金属,：,压力增大，,增大例：碱金属、碱土金属、稀土金属等。,3.冷加工对金属电阻的影响,纯金属冷加工变形：,Fe、Cu、Ag、Al,增加 2%-6%,W,增加 30%-50%,Mo,增加 15%-20%,Sn,增加 90%,单相固溶体,冷加工变形,：,增加 10%-20%,有序固溶体,冷加工变形,：,增加 100%甚至更高,原因,：,冷加工使晶体点阵发生畸变和缺陷，增加电子散射几率，也引起金属晶体原子间结合键变化，导致原子间距改变。,相反情况：,Ni-Cr、Ni-Cu-Zn、Fe-Cr-Al,等合金中形成,K,状态，,冷加工变形使,降低。,4.晶体缺陷对电阻的影响,空位、间隙原子及它们组合、位错等晶体缺陷使金属电阻率增加。,根据,马西森定律，极低温度下，纯金属电阻率主要由内部缺陷决,定，即剩余电阻率,决定。,晶体缺陷类型对电阻率影响程度,：通常,点缺陷,：用 1%原子空位浓度或 1%原子间隙原子引起电阻率,变化表征,线缺陷,：单位体积中位错线单位长度引起的电阻率变化来表征,；,面缺陷,：单位体积中晶界单位面积引起的电阻率变化来表征,5.热处理对金属电阻的影响,金属经冷加工变形后，再进行退火，可使电阻降低。,6.几何尺寸效应对电阻的影响,当导电电子自由程与试样尺寸是同一数量级，导电性与试样尺寸有关。,研究和测试金属,薄摸和细丝材料,（厚度 1-10,nm）,的电阻非常重要。,三、合金的导电性,1.固溶体的电阻,结论,：,固溶体电阻总是大于各组元纯金属电阻，且原子半径差越大，固溶体电阻越大。,原因,：,纯组元间原子半径差引起点阵畸变，增加电子散射，但不是惟一因素。,固溶体加热时电阻通常要增大，但电阻温度系数比纯金属低。,2.有序固溶体（超结构）的电阻,有序化,：电阻率受两种相反作用影响,合金组元化学作用加强，电子结合比无序,状态更强，导电电子数减少，电阻率增加；,晶体离子势场更为对称，电子散射概率降低，剩余电阻率减小,3.,不均匀固溶体（,K,状态）的电阻,X,射线和电镜分析：,合金元素中含过渡族金属，如,Ni-Cr、,Ni-Cu-Zn、Fe-Cr-Al,等合金,单相,回火过程中,：电阻增加,反常,冷加工时,：电阻率明显降低,这种组织状态,K,状态,X,射线分析：固溶体中原子间距大小波动显著，是组元原子在晶体中不均匀分布结果,K,状态,(,也称不均匀固溶体）,4.金属化合物的导电性（自学,),2-3 离子类载流子导电,离子导电是带电荷的离子载流子在电场作用下定向运动。,离子导电主要发生在离子固体中。,一、离子电导理论,离子导电分为两类：,1 离子导电源于晶体点阵基本离子运动,固有离子电导或,本征电导,离子自身随热振动离开晶格形成热缺陷（肖、弗缺陷）。这种热缺陷无论是离子或者空位都是带电的，电场作用下成为导电载流子，参与导电。,2 离子导电源于杂质离子运动,杂质电导,杂质离子与晶格联系弱，在较低温度下，杂质电导显著。,晶体中缺陷既提供较正常跃迁更为容易的高能态离子，又提供更多可为迁移离子占据的空位。,某些离子晶体能够导电主要是由于离子扩散运动引起。离子扩散主要有空位扩散、间隙扩散等。,无外电场时，缺陷作无规则运动，不产生宏观电流；,有外电场存在，外电场对它们所带的电荷作用，,离子取代空位沿电场方向运动概率大增，产生沿电场方向宏观离子电流。,3.,离子电导率一般表达式,若本征电导主要由,schottky,缺陷引起，本征电导率为,=A exp（-W/kT）,式中,W,：本征电导活化能，包括缺陷形成能和迁移能,一般表达式,：,=A,1,exp（-B,1,/T）,（,1,）,式中A,1,（,n,1,）：系数,B,1,=W/k,若存在杂质离子，使晶格中可能存在间隙质点或空位，,同理得杂质电导率,一般表达式：,=A,2,exp（-B,2,/T）,（,2,）,式中,A,2,（,n,2,）：系数,B,2,=W/k,W,：杂质电导活化能，只包括缺陷迁移能,比较（,1,）和（,2,）式,一般,n,2,n,1,，但,B,2,exp（-B,1,/T）,因而杂质电导率比本征电导率大得多，离子晶体电导主要为杂质电导，高温时才显示本征电导,若仅有一种载流子，电导率用单项式表示为,=,0,exp（-B/T）,（,3）,（,3,）式两边取对数得,：,ln=A B/T,对某一种离子，当活化能为定值时，电导率对数,(ln),与温度倒数,(1/T),之间,线性关系,活化能值,可由直线斜率得到，即,W=,B,k,二、离子电导与扩散,离子导电是离子在电场作用下的扩散现象。,能斯特-爱因斯坦（,Nernst-Einstein）,方程：电导率,与扩散系数间,D,的关系：,=n,i,q,i,2,D,i,/kT （1）,式中：,电导率；,n,i,单位体积离子数目；,q,i,离子所带电荷；,k,玻尔兹曼常数；,T,绝对温度；,D,i,扩散系数。,可见，离子导电受晶格性质影响。,三、影响离子电导率的因素,1.温度,电导率随温度升高按指数规律增加。,由于杂质活化能比晶格点阵离子活化能小，在低温下杂质电导占主要地位，高温下本征电导起主要作用。,两种不同导电机制，使,ln-T,-1,曲线出现转折点。,注：转折点不一定由两种不同离子导电机制变化引起，,也可能是导电载流子种类发生变化。,T,-1,2.晶体结构,熔点高晶体,：结合力大，活化能高，电导率低；,离子电荷高低对活化能有影响,：,一价正离子，电荷少，活化能低，电导率高；,高价正离子，价键强，活化能高，电导率低；,结构紧密离子晶体,：可供离子移动的间隙小，间隙离子迁移困难，即活化能高，电导率低；,3.晶格缺陷,热激励、不等价固溶掺杂、气氛变化等,晶格缺陷,离子性晶格缺陷的生成及浓度是决定离子电导的关键。,四、快离子导体,固体电解质：具有离子导电的固体物质。,快离子导体（,FIC=fast ionic conductor）：,具有与熔融强电解质或强电解质水溶液相比拟的离子电导率的固体电解质,。,迁移离子,阳离子或阳离子集团：,H,+,、H,3,O,+,、NH,4,+,、Li,+,、Na,+,、K,+,、Rb,+,、Cu,+,、Ag,+,、Ga,+,等，,迁移离子,阴离子：,O,2-,、F,-,等。,五、快离子导体晶体结构及离子导电机理,离子迁移变成快离子导体一般具有下列条件：,1固体结构中存在,大量晶格缺陷,2迁移离子附近应存在可能被占据的,空位,，,空位数目应较迁移离子本身数目为多，迁移离子具有在其空位上统计分布的结构。,3固体有,层状或网状结构,应存在提供离子迁移所需通道。在单晶或多晶体中，离子迁移有特殊通道。,通道类型可分为,一维传导；,二维传导；,三维传导,：,离子导电机理,：,根据一种模型假设来讨论,该模型认为,：,快离子导体晶体结构一般由两种晶格组成，,一种由不运动骨架离子构成刚性晶格，为迁移离子运动提供通道；,另一种由迁移离子构成亚晶格。,在迁移离子亚晶格中，缺陷浓度可高达 10,23,/,cm,3,，,迁移离子亚晶格具有液体结构特征。这种无序状态使所有离子都能迁移，增加载流子浓度。,注：上述模型假设不能对已发现快离子导体传导过程进行圆满解释，还需进一步地深入研究。,六、典型离子导电陶瓷,氧离子导体：以氧离子O,2-,）,为主要载流子的快离子导体,分类,：,荧石型氧离子导体、钙钛矿型氧离子导体,1.荧石型氧离子导体,纯,ZrO,2,：,有 3 种同素异形体结构,m-ZrO,2,t-ZrO,2,c-ZrO,2,m,相,t,相,c,相,结构：单斜结构 四方结构 立方结构（具有荧石结构）,密度：5.65,g/cm,3,6.10g/cm,3,6.27g/cm,3,注：单斜结构,a b c，=90,0,，90,0,；,四方结构,a=b c，=90,0,；,C-ZrO,2,中：,阳离子（,Zr,2+,）FCC,阴离子（,O,2-,）,位于,Zr,四面体间隙（8个）中心位置，自身构成简单立方。,c-ZrO,2,t-ZrO,2,，c,轴拉长（,a=b 1500,）炉子,优点,：电行为主要是电阻（焦耳热）,陶瓷电热元件易于加工成管状或棒；,可在空气中使用，成本低于贵重金属。,陶瓷电热材料：,SiC,（,1650,）；,MoSi,2,（,1800,）；,LaCrO,3,三、电触点材料,主要为铂系材料，接触电阻稳定，价格太高，应用受限,Pt,：熔点,1764,Pt Ir,合金,：熔点、硬度提高，抗氧化增加,高级触点材料,Ir Os,合金,：无熔化现象，性能更优,自流回路阳极一侧开关触点材料,W,：熔点,3382,，硬度高，无扩散现象,空气中易氧化，加工困难,W-Ag,合金,：加工容易些,大电流继电开关触点上,W-Cu,合金,：加工容易些,油浸断路开关,Ag,：,熔点低（,960,），易熔化粘结；,Ag,（,99.8%,），小继电器触点材料,6%Pt-69%Cu-25%Ag,合金,：替代,Pt,，作通讯电路中触点材料,2-4 电性能测量及其应用,一、电阻的测量方法,材料导电性能测量实际上是对试样电阻测量。,电阻测量方法有很多，一般根据测量需要和具体测试条件来选择不同测试方法。,通常考虑测量范围或测量精度。,归纳总结：,（一）导体电阻测量,1.,单电桥法 2.双电桥法 3.电位差计法,单电桥法,：测量范围,10-10,6,，引线电阻和接触电阻,无法消除，测低电阻时影响灵敏度；,双电桥法,：测量范围可达,10,-1,-10,-6,，应用广泛,电位差计法：,优点在于导线或引线电阻不影响电位差计电势,Vx,和,Vn,测量。,双电桥法和电位差计法比较：样品电阻随温度发生变化时，,用电位差计法比双电桥法精度高。双电桥法在高温和低温电阻,时，较长引线和接触电阻很难消除。,（二）绝缘体电阻测量,冲击检流计法,（三）半导体电阻测量,1,）直流四探针法,（,4-,Probe,）,室温下测量的简单方法,四根探针直线排列，,以一定荷载压附于试样表面。,若流经,1,，,4,探针间电流为,I,，,探针,2,，,3,间测量电压为,V,，,探针间距离分别为,l,1,，,l,2,，,l,3,，,则其电导率为,则其电导率为,如果,l,1,=,l,2,=,l,3,=,l,，则,=I/2,l,V,注：试样尺寸比探针间距近似无限大情况下成立。,2),直流四端电极法,对于具有中、高电导率材料，为减小测量误差，通常采用直流四端电极法测量电导率。,若,内侧两电极间电压为,V,，,电极间距离为,l,，,试样截面积为,S,则电导率为,L,A,I,V,2,V,1,R,1,二、电阻分析应用,1.测量固溶体溶解度曲线,以,Mg-Mn,合金为例，测定,Mn,在,固溶体中溶解度曲线。,选定一系列不同含,Mn,量,Mg-Mn,合金，分别在不同温度（300-630,o,C,）下淬火，测定电阻值。,630,o,C,淬火合金电阻率最高。,电阻率变化特征：,CDE,段（曲线）+,EF,段（直线）,CDE,段,：,单相固溶体,电阻率变化,EF,段,：,+,Mn,两相机械混合物,电阻率变化,曲线与直线交点,E,：,该温度下固溶体最大溶解度,研究合金时效,随温度升高，固溶体溶解度增加。,高温淬火,过饱和固溶体，电阻升高；,时效处理,从过饱和固溶体中析出新相，电阻率下降,依据电阻率变化特性研究合金时效过程，建立时效动力学曲线。,3.研究淬火钢的回火,4.研究材料的疲劳过程,The end of chapter 4,1,、字体安装与设置,如果您对PPT模板中的字体风格不满意，可进行批量替换，一次性更改各页面字体。,在,“,开始”,选,项卡,中,，点击“,替,换”按,钮右,侧箭,头,，,选,择“,替,换,字,体,”。（如下,图）,在图“替换”下拉列表中选择要更改字体。（如下图）,在“替换为”下拉列表中选择替换字体。,点击“替换”按钮，完成。,56,2,、替换模板中的图片,模板中的图片展示页面，您可以根据需要替换这些图片，下面介绍两种替换方法。,方法一：更改图片,选中模版中的图,片,（,有些图片与其他,对象,进行了组合，,选,择,时,一定要选中图,片 本身，而不是组合）。,单击鼠标右键，选择“更改图片”，选择要替换的图片。（如下图）,注意：,为防止替换图片发生变形，请使用与原图长宽比例相同的图片。,56,赠送精美图标,