功能材料基础与应用 课件（化工） 3.1 传统导电材料与器件.ppt

第3章 电性材料与器件 电学性质是材料的一个基本性质，在材料各个领域的应用中显得非常重要，很多材料都具有固有的导体、半导体和绝缘体特性，利用这些优异电学特性可以改变人类生活和生产方式，因此电性材料往往是国民经济的基础。通常按电导率大小可将电性材料划分为导体材料、半导体材料、绝缘材料和超导体材料，也是材料固有电性能的表现。 3.1 传统导电材料与器件 3.1.1 传统导电材料简介 1800年，伏特发明一种伏打电堆电发生装置，能够持续产生直流电，人类进入了“电气时代”。金属是最早应用的导电材料。1810年戴维利用木炭制成通电后能产生电弧的炭质电极，开辟了使用炭素材料作为高温导电材料的广阔前景。后来发现电子和空穴参与导电的半导体、库柏电子对参与导电的超导体、掺杂导电高分子、碳纳米管和石墨烯等特殊导电材料。常见传统导电材料一般可分为金属导电材料、无机非金属导电材料、有机高分子导电材料和复合导电材料等。 3.1.2 传统导电材料性能表征 （1）传统导电材料的电气性能 ① 电阻率或电导率 物质导电性能用电阻率ρ或电导率σ来表征。传统导电材料的电导率一般在106～108（S· m-1）。通常用来表征金属或合金的导电性，定义标准退火纯铜在20℃的电导率为100%IACS，其他材料与之比值来衡量该材料的导电性。 ② 电阻温度系数 电阻随温度变化的比例系数称为电阻温度系数。 ③ 热阻系数 导电材料都具有导热性能，导热能力差，热阻系数大。 RT为热阻，κT为热阻系数。 ④ 接触电位差 两种不同导电材料接触，电子从电子密度大和逸出功小的导电材料向另一导电材料运动，将使导电材料一端带负电，另一端带正电，致使两种导电材料接触处产生电位差。不同温度下两种导电材料接触有不同的接触电位差。 （2） 传统导电材料的力学性能 ① 抗拉强度 ② 屈服强度 M所受外力矩，W材料截面系数 ③ 抗弯强度 ④ 延伸率 ⑤ 硬度 ⑥ 蠕变强度 3.1.3铜及铜合金 铜是人类应用最早的一种金属材料，是世界上第二大有色金属，具有高导电性、高导热性、高抗腐蚀性、可镀性、易加工性及良好的力学性能。 （1）纯铜 3个纯铜牌号： 一号铜（T1，Cu+Ag≥99.95%） 二号铜（T2，Cu+Ag≥99.90%） 三号铜（T3，Cu+Ag≥99.70%） 3个无氧铜牌号：零号无氧铜（TU0，Cu+Ag≥99.99%） 一号无氧铜（TU1，Cu+Ag≥99.97%） 二号无氧铜（TU2，Cu+Ag≥99.95%） 2个磷脱氧铜牌号： 一号脱氧铜（TP1，Cu+Ag≥99.90%，磷含量0.004-0.012）二号脱氧铜（TP2，Cu+Ag≥99.90%，磷含量0.015-0.04） 1个银铜牌号：0.1银铜（TAg0.1，Cu99.5%） 铜的纯度可高达99.99%-99.9999%，又称4N，5N，6N铜。 影响铜性能的因素很多，主要有杂质、冷变形和温度。纯铜最大缺点是硬度低，耐磨性差。铜与硫生成的硫化铜，导电性能不好。 铜精矿 燃料 焙烧 熔炼 冰 铜 吹 炼 粗 铜 火法精炼 精铜锭 阳极板 炉渣 电解精炼 电解铜 阳极泥（回收贵金 属、稀散金属等） SO2烟气 （制硫酸、回收稀散金属） 炉渣 炉渣 熔剂 火法炼铜工艺流程 氧化铜矿 浸出 浸出液 萃取 有机相 反萃取 水相 电解 电解铜 电解后液 有机相 水相 浸出渣 萃取剂 硫酸 氧化铜矿酸浸工艺流程 （2）铜合金 铜合金习惯按色泽分为三类：黄铜、白铜和青铜。 黄铜是指铜与锌为基础的合金，锌含量有20％、30％和40％等几种类型。锌含量增加，强度也随之提高。铜锌合金的优点是：易切削加工，耐蚀性强。细分为简单黄铜和复杂黄铜。 根据相图简单黄铜按组织结构可分为α、α+β、β三种黄铜。复杂黄铜是指在普通黄铜基础上添加其他合金元素以提高性能。 铜-镍相图 铜-锌相图 白铜是指铜镍合金，一般镍含量有10％、22％、30％三种。在固态下无限互溶，形成连续固溶体。具有优良的耐腐蚀和工艺性能，电气性能好，色泽美丽。随着镍含量增加强度升高塑性降低，导电