第八章-材料的电学性能.ppt

8.1 导电性能 当材料两端施加电压V时，材料中有电流I通过，这种性能称为导电性。 如果测出材料两端的电压差为U，又测得材料中通过的电流为I，则材料的电阻大小 对不同的材料R不仅取决于材料本身的性质，还与材料的尺寸有关。 ρ称为电阻率或比电阻，单位为Ω.m ρ只与材料特性有关，而与导体的几何尺寸无关 电阻率倒数为电导率，即 ，上式可写为 电阻率 表征材料的导电能力 电导率 根据电导率和电阻率分类： 2.决定电导率的因素 1）载流子 电流是带电荷的粒子的定向流动。 2）载流子迁移率 3.材料的结构与导电性 导体和非导体的区别： 金属导体有两种情况： 1、价带和导带重叠，无禁带（a） 2、价带未被价电子填满，本身即为导带（b） 价电子即为自由电子，金属导体在温度较低的 情况下仍有大量自由电 子，导电能力强大。 而非导体（包括 绝缘体和半导体），在 导带和价带之间存在禁 带，如图（c） 半导体和绝缘体的区别 对于绝缘体，禁带的宽度较大，满带中的电子没有活动的余地，即使在禁带上的能带完全是空带，电子也没法跳过禁带产生电流。 对于半导体，禁带宽度 较窄，在电子受热振动等 因素的影响下就可以激发 跳过禁带进入空带，在空 带中产生电流。 4、金属的导电性能 金属中有载流子存在，能带结构也适宜自由电子运动产生电荷。是否金属中电阻会趋近于0？ 量子力学证明，电子波在绝对零度下通过理想晶体点阵时，将不会收到任何散射无阻碍的传播，此时ρ=0，而σ为无穷大。 由于温度引起的离子运动（热运动）振幅的变化，同时晶体中异类原子、位错、点缺陷等都会使理想晶体点阵的周期性遭到破坏。 在晶体点阵遭到破坏的地方，电子波受到散射（不相干散射），即产生电阻，降低导电性。 １）电阻率与温度的关系 一般情况下，金属的温度愈高，电阻也愈大。 在低温下，电阻率主要 取决于ρ残。高温下电阻 率基本上取决于ρ(T)。 通常，金属熔化后电阻 增加1.5－2倍，因为 熔化时金属原子规则排列 遭到破坏，从而增强了对 电子的散射，电阻增加。 4）热处理对电阻率的影响 金属冷加工后，若进行再结晶退火，则可使电阻降低，尤其当退火温度接近再结晶温度时（再结晶退火），电阻可以恢复到冷加工前的水平。 但当退火温度高过再结晶温度时，电阻反而增大，这是再结晶后新晶粒阻碍了电子运动造成的。 淬火能固定金属在高温时空位的浓度，从而产生残余电阻。淬火温度越高，空位浓度越高，则残余电阻率越大。 5、合金的导电性 形成固溶体后，合金的导电性能降低了。即使是在低导电性的金属溶剂中加入高导电性能的金属溶质也是如此。 随着固溶原子的增多，导电性能逐渐降低！ 最大电阻率出现在50%原子浓度处。 主要是因为： 溶质原子与溶剂原子之间的原子半径差引起点阵畸变，增加了电子的散射。——原子半径差越大，固溶体电阻率越大。 组元间化学相互作用使有效电子数减少，使电阻率增高。 2）有序固溶体的电阻 3）金属化合物、多相合金的电阻 当两种金属原子形成化合物时，合金性能尤其是导电性变化最为激烈，电阻率要高很多。 原因：原子键合的改变。两种金属组成化合物以后至少一部分金属键变成共价键或离子键，导电电子数大大减少。 多相合金的导电性取决于组成相的导电性和相对量，还与组成相的形貌有关。 当合金是等轴晶粒组成的两相机械混合物并且导电率相近时，电导率与两组元体积分数呈线性关系： 5、 半导体的电学性能 元素周期表中的IVA族的C、Si、Ge、Sn、Pb 原子间的结合是共价键 本征半导体的电学特性： 成对产生自由电子和空穴 禁带宽度越大，载流子浓度越小 温度升高，载流子浓度减小 载流子浓度与原子密度相比极小，所以本证半导体导电能力弱。 5 测量固溶体溶解度曲线 固溶体的σ-Mg2Sn 曲线 不同淬火温度下固溶体和的Mg2Sn混合物的σ-Mg2Sn 曲线 对于每种固定成分的合金，淬火温度越高，电导率越低。这是由于加热时化合物Mg2Sn在Cu中溶解度升高的结果。 * 5 研究合金的时效 由固溶体的电阻变化特性可知，随温度升高，固溶体中第二相的溶解度增加。如果进行高温淬火，便形成过饱和固溶体，电阻率增加。当对过饱和固溶体进行时效处理时，就伴随有脱溶过程，从过饱和固溶体中析出新相，电阻率发生变化。这样，可根据电阻率变化来研究合金的时效过程。 * 5 4.5％Cu的铝合金时效时电阻的变化 在20℃时效时，随时效时间的延长，电阻率增加；而在225℃高温时效时电阻率则减小。 低温时效电阻率的增加是由于时效初期溶质原子cu在A1晶体中发生聚集，形成不均匀因溶体，即形成GP区的结果。 高温时效电阻率减小，则是由