《材料科学与工程基础》教案.doc

四 川 大 学 教 案【理、工科】周 次第 12 周， 第 12 次课备 注章 节名 称第四章 材料的性能； 第三节 材料的电学性能Chapter 12Fig12.1图4-61授 课方 式理论课（）；实践课（ ）；实习（ ）教 学时 数3教学目的及要求1、 了解不同材料电学性能的差异及其与组成和结构的关系2、 掌握电导率和电阻率的定义、电导机制、电导率的基本参数及影响因素3、 了解材料的电子能带结构与电导性、光导性和半导电性4、 掌握超导电性的定义、了解超导体的2种特性和3个性能指标5、 掌握介电常数的定义、介质极化的三种机制6、 了解交变电场中的介电损耗的成因及影响因素、以及击穿强度1. 了解材料电性能与温度的关系教 学 内 容 提 要时 间分 配学时14-3 材料的电学性能交变电场介电性质 电力弱电场 导电性质 机械、交通强电场 击穿现象 电子、微电子材料表面静电现象 日常生活信息时代4-3-1 电导率和电阻率电导率与电阻率等都是表征材料导电性能的参数。1 电阻率： 体积电阻率rV 只与材料有关 表面电阻率rS 不反映材料的性质，决定于样品的表面状态。单位：（m）或Cm5分5分2 电导率 概念 电导率表征材料导电性的大小。 单位：（Cm）-1 数值欧姆定律电阻率的倒数。根据电导率对材料的分类 不同材料的电导率举例金属 自由电子 电导率高 导电性好硅 半导体离子固体 室温绝缘体 T高 电导率大 （无机非金属）高分子 杂质致有导电性3 决定电导率的基本参数 载流子 电子、空穴、正离子、负离子 载流子迁移率：=J/E=nqvE =nq材料导电的微观本质；物理意义：载流子在电场作用下的定向迁移速度。如何理解材料的电导现象，必须明确几个问体：参与迁移的是哪种载流子有关载流子类别的问题载流子的数量有多大有关载流子浓度、载流子产 生过程的问题载流子迁移速度的大小有关载流子输运过程的问题4 影响电导率的因素：影响离子电导率的因素A 温度 离子电导随温度的升高按指数规律增加。B 晶体结构 晶体熔点高结合力大活化能高电导率低离子电荷和离子半径对离子电导率的影响。(图) C 晶格缺陷 固体电解质 概念 离子晶体成为固体电解质的两个条件： 电子载流子浓度小； 晶格缺陷浓度大并参与电导（关键因素）。 影响电子电导的因素A 温度 温度变化不大时，电子电导率与温度关系符合指数式B 杂质及缺陷的影响电导率的计算例题。5分15分15分电导率是重点，计算和影响因素是难点表4-19表4-20图4-62图4-63图4-64图4-65教材例题4-9讲解学时24-3-2材料的结构与导电性4.3.2.1 材料的电子结构与导电性固体理论基础：* 无外场作用时，绝缘体、半导体或导体都无电流； * 在外场作用下，不满带导电而满带不导电。 区别导体和绝缘体的原则（1）导体的能带碱金属：每个原子都有一个S电子，不满带，钠（1S22S22P63S1）碱土金属：3S能带（满）与较高能带有交叠 交叠程度大良导体，镁（1S22S22P63S2） 3S与3P重迭 交叠程度小不良导体贵金属； 有一个S价态电子，且d壳层填满；面心立方结构。铜（1S22S22P63S23P63d104S1） 过渡金属：具有未满的d壳层，能夺取较高的S能带中的电子使能量降低，导电性能下降。铁（1S22S22P63S23P63d74S2）重迭影响金属导电性的因素：电阻率温度: thermal vibration杂质: solid solution塑性形变: dislocation（2）绝缘体的能带 惰性气体各能级均满，晶体能带也为电子填满； 离子晶体正负离子各外层轨道被电子充满，晶体中相应能带填满； 绝缘体能带结构特征：禁带宽度较大。离子固体的电导性离子性晶格缺陷的浓度温度晶体结构 聚合物的电导性 添加型结构型30分图4-66Figure 12.3Figure 12.4能带是重点和难点图4-67Figure 12.5Figure 12.6图4-68, 69, 70Figure 12.7Figure 12.8Figure 12.6Table 12.3图4-71表4-21导电聚合物诺贝尔化学奖获得者（2000年）1974年，白川英树等人用Ziegler-Natta催化剂制备聚乙炔薄膜，掺杂后电导率可达105 Scm-1。（Teflon为10-16 Scm-1，Cu为108Scm-1 ）掺杂：在聚合物上去掉或增加电子。氧化掺杂（也称P型掺杂）：卤素还原掺杂（也称n型掺杂）：碱金属载流子在共轭聚合物材料中的跃迁包含：沿单一共轭体系：阻力小或无。共轭体系之间：阻力大。聚乙炔，其掺杂的电导率大幅度提高，掺杂到6.67%时，能隙将消失。导电聚合物的应用金属导电性，重量轻、易加工、材料来源广用作电极、电磁波屏蔽、抗静电材料等半导体器件和发光器件方面得应用（3）半导体的能带 本征半导体禁带宽度较小，约1ev一般条件下具有一定导电能力。导电性 a. 激发到导带中的电子有关 b. 与满带的空穴有关空穴电子对 杂质半导体禁带宽度很小a. 电子型导电n型半导体；b. 空穴型导电p型半导体。在绝对零度下，半导体的能带结构与绝缘体相似。1 本征半导体：空穴迁移率Vn总是比电子迁移率Ve低。半导体温度，满带激发至导带的电子数目导带或满带中载流子数导电性半导体随温度变化十分灵敏热敏电阻2 适当种类的少量杂质可控制半导体的导电类型单纯的电子导电或空穴导电局域能级。3 施主杂质电子导电的n型半导体；受主杂质空穴导电的p型半导体。了解科学研究的最新进展图4-72， 73,74要点图4-59,Fig12.15,16，17Fig12.12, Tab12.2Example12.1图4-75，76,77,78,79例题4-10难点：相关计算4.3.2.2材料的电子结构与光导性光导电效应由光照使满带中的电子激发到导带实质分子受激及其退化过程平衡的结果。分子受激过程与能量交换光电流激活能 EEJEIhv有机固体分子受激态可能的形式包括： ，*状态 n，*状态 CT状态电荷转移受激态两种构型： 单重态电子在受激态分子轨道上的自旋方向与基态电子所取的自旋方向反平行 三重态电子在受激态分子轨道上的自旋方向与基态电子所取的自旋方向平行（能量最低，寿命最长）（2）光生载流子机理 机理A：直接带带转变（本征光生载流子过程），通常在真空紫外区发生 机理B：基态电子受激单重态激子离解成独立电子、空穴而达导电状态 机理C：经光辐照，从陷阱态激发被俘载流子到达导带（俘获电荷的光学退陷阶机理 机理D：光诱导电子从金属电极的费米级注射进入聚合物导带（光注射电子）从聚合物基态注射电极费米级（光注射空穴）（3）光诱导效应判据每吸收一个光量子形成的自由电子空穴对数目。 分子晶体中载流子发生过程与受激态退活化过程同时存在并互相竞争偏离极限值115分图4-80Fig12.12图4-81学时34-3-3 材料的超导电性1 基本概念：超导电性在一定低温下材料突然失去电阻的现象。 （小于10-25cm）超导体是等电位的，没有电场。液氦，超导现象发现诺贝尔物理奖获得者（1913年）Heike Kamerlingh Onnes 在陶瓷（金属氧化物）中发现超导现象，超导研究取得重大突破诺贝尔物理奖获得者（1987年），J. Georg Bednorz K. Alexander Muller 超导电性的金属和合金 Tc 30 K超导化合物超导电性的金属氧化物 1960s2 超导体的两种特性： 完全导电性 完全抗磁性磁场强度始终为零（迈斯纳效应）3 超导体的三个性能指标 超导转变温度Tc：愈高愈好超导电本质被声子所诱导的电子间引力相互作用。 临界磁场Bc：破坏超导态的最小磁场。 随温度降低，Bc将增加； 临界电流密度Jc：保持超导状态的最大输入电流。新型氧化物超导材料；超导聚合物。4-3-4 材料的介电性 4.3.4.1电容及介电常数（1）介质极化 在交变电场中，介质发生极化。 介质极化速率： 在交变电场下极化相应的速率 低频交变电场介电常数最大 高频交变电场介电常数变小 能否跟上电场频率的变化？滞后产生内耗15分25分图4-82新进展Fig18.22, Tab18.7图4-83表4-23图4-85要点和难点（2） 介电常数 表征电介质在电场作用下极化程度的宏观物理量。 e = 介质中电容/真空电容 相对电容量，无量纲常数一些材料的e 数值： 石英3.8；绝缘陶瓷6.0；PE2.3；PVC3.8高分子材料的e 由主链结构中的键的性能和排列所决定的。原因：材料极化 极化原因 电子极化 电子云偏离中心 离子极化 取向极化4.3.4.2介电损耗 是指在电介质在交变电场作用下，将一部分电能转变成热能而损耗的现象原因： （1）微量杂质引起的漏电导电流 （2）电介质发生极化取向时，极化取向与外加电场有相位差而产生的极化电流损耗。 （主要）介电常数e可用复数表示：e = e - i e式中e为与电容电流相关的介电常数，实数部分； e与电阻电流相关的分量，虚数部分，介电损耗因子。滞后相位角 d 损耗角损耗角 d 的正切： tgd =e/e 介电损耗tgd 大，介电损耗大。tgd 非极性高聚物 10-4 极性高聚物 10-1 510-3注意测定条件（频率）：一般为50Hz。影响tgd 的因素(1) 分子结构 极性 大 tgd 大 基团数目 多 tgd 大 (2) 小分子及杂质 (3) 多相体系 界面极化 tgd大 (4) 交变电场频率(5) 温度图4-84Fig18.22, Tab18.7图4-86表4-24要点和难点图4-87介电性的应用 tgd 大，损耗大，材料发热。 电容介质 e 大，tgd 小航空航天材料 e 小，tgd 大，静电小 高频焊接：薄膜封口，tgd 大 高频电缆用PE，而不用PVC 非极性 极性4.3.4.4击穿强度电场中材料破坏。高分子材料，绝缘材料 重要指标。电压升高，超过临界值，电阻率急剧下降，电流升高，材料由绝缘体 导体局部导电而使高聚物化学结构破坏，丧失绝缘性电击穿。导致击穿的电压 击穿电压击穿强度E E=V/h V击穿电压；h 材料厚度。E 的单位：MV/m 或V/cm。介电击穿分类：特征击穿、热击穿、电机械击穿、放电击穿 聚合物击穿原因： 在强电场作用下，电子撞击聚合物结构中共价键的电子使之电离，电离连锁进行，导致电子（或载流子）数量增多，电流急剧上升，高原物化学结构迅速被破坏而击穿。影响因素 湿度 温度4-3-5 静电现象两种物理状态不同的固体互相接触和摩擦时会有电荷的再分配而使一个物体带正电，另一个物体带负电，这种现象静电现象。电阻高的物体可能积累大量静电荷。1 接触起电（1） 两种金属之间的接触接触带电量（2） 金属与聚合物接触电子转移发生在金属费米能级与聚合物能隙中的陷阱之间。5分表4-25, 26, 27静电现象略讲电荷密度：A（MP）摩擦起电轻微摩擦起电特征与接触起电相同；剧烈摩擦材料发热、软化，有时接触面间有质量交换。（1） 摩擦起电顺序：（2） 摩擦起电的电位或带电量随摩擦系数和接触面积的增大而增加。（3） 静电是电荷不断产生，又不断泄漏两过程的动态平衡。（4） 静电的消除：可通过体积传导、表面传导等途径进行。“分子复合材料”的运用 抗静电剂捉高聚合物表面导电性。 表面活性功能增加聚合物的吸湿性而提高表面导电性教学重点与难点重点不同材料电