课件：第八章材料的电学性能.ppt

材料的电学性能,主要讲解内容,1.1 电导的物理现象 1.2 离子电导 1.3 电子电导 1.4 金属与合金宏观电学性能参量的测量方法及其在金属与合金研究中的应用。,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,欧姆定律,8.1.1 概述 1、导电性表征,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。 称为电阻率或比电阻，单位为.m 只与材料特性有关，而与导体的几何尺寸无关,在这样一个形状规则的均匀材料，电流是均匀的，电流密度J在各处是一样的，总电流强度,5,同样 电场强度也是均匀的,电阻率倒数为电导率，即 ，上式可写为,导体中某点的电流密度正比于该点的电场，比例系数为电导率。 的量纲为 或,工业上常用相对电导率（IACS%）来表征材料的导电能力。 把国际标准软纯铜（20时电导率为0.01724mm2/m） 的电导率作为100%，其他材料的电导率与之相比的百分数 即为该材料的相对电导率。 如铁的IACS%为17%，铝的IACS%为65%,电阻率 表征材料的导电能力 电导率,便于工程测量,便于研究使用,根据电导率和电阻率分类：,表 材料的分类及其电导率,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。,载流子,金属：自由电子电子电导,无机材料：离子离子电导,2）载流子迁移率,设有一单位面积的导体 单位体积内载流子数目为n 每个载流子携带电荷量为q 沿长度方向施加强度为E的电场 载流子发生迁移的平均速度为v,单位时间内通过截面的电荷为,载流子迁移率 单位电场下 载流子漂移速度,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=0，而为无穷大。 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。,材料的总电阻包括基本电阻(由温度引起的电阻)和溶质（杂质）浓度引起的电阻之和。 即=（T）+ （T）与温度有关的金属基本电阻，即纯金属的电阻 取决于化学缺陷和物理缺陷而与温度无关的参与电阻。 化学缺陷：杂质原子、合金元素 物理缺陷：空位、间隙原子、位错等,对于理想晶体=（T）,马基申定律,）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 取决于残。高温下电阻 率基本上取决于(T)。 通常，金属熔化后电阻 增加1.52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。,但锑反常。随温度升高，电阻增加；但熔化后电阻反而减小共价键合转变为金属键合。,拉力作用下，原子之间间距增大，点阵畸变增大，导致电阻增大。金属的电阻率和拉力关系可表示为： （） ：未加载荷时的电阻率； ：压力系数（） ：拉应力 流体静压下，压应力使原子间距减小，畸变减小，与拉力效果相反，金属的电阻率可表示为： （P） ：真空下的电阻率； ：压力系数（） P：压力,）电阻率与受力的关系,冷加工引起金属电阻率增加： 由于冷加工引起金属晶格畸变和晶体缺陷增多，特别是空位浓度的增加，增加电子反射几率；同时也会引起金属晶体原子间键合的改变，导致原子间距的改变。 举例： 纯金属（Al，Cu，Fe，Ag）增加26； 钨增加3050；钼增加1520,18,）冷加工对电阻率的影响,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。,2019/8/20,20,可编辑,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。,1）固溶体的电阻,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,固溶体 有序化,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,1）本征半导体,26,本征半导体指纯净的无结构缺陷的半导体单晶 在0K时，半导体的空带中无电子，即无电子的运动 在温度升高或受光照射时，半导体受热激发，其中一部分获得足够大能量的价电子就可以挣脱束缚，离开原子而成为自由电子，跃迁到空带。这时空带中有了一部分导电的电子，称为导带，满带中由于部分价电子的迁出出现了空位置，称为价带 当一个价电子离开原子后，在共价键上留下一个空位，在共有化运动中，相邻的价电子很容易填补到这个空位，从而又出现新的空位，其效果等价于空位移动 在外加电场作用下，自由电子和空穴都能导电，它们统称为载流子,本征激发过程,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。,杂质半导体分为n型半导体和p型半导体. n型半导体，载流子主要为导带中的电子。 p型半导体,载流子为空穴。 特性（了解）,2）杂质半导体,29,1.2电阻的测量,测量电阻可根据被测电阻值的大小和精确度的要求，采用不同测量仪器和方法： &测量大电阻(电阻值105)和中阻值(电阻值为l-105)，准确度要求不高时，常用兆欧表、万能表等仪器测量。 &测量准确度要求较高的小电阻(电阻值1)或用电阻法研究和分析金属与合金的组织结构变化肘，就必须采用精密的电桥法或电位差计法进行测量。,30,5,电阻法在合金研究中的应用,电阻率是组织敏感参量，因此在金属与合金研究中，常用电阻率变化来研究金属与合金的组织结构变化。,测量固溶体溶解度曲线 研究合金的时效 研究淬火钢的回火 研究过冷奥氏体分解 研究合金的有序-无序转变(或超点阵) 研究非晶态合金的晶化,31,5,测量固溶体溶解度曲线,固溶体的-Mg2Sn 曲线,不同淬火温度下固溶体和的Mg2Sn混合物的-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。,32,5,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。,33,5,4.5Cu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，则是由于时效时从固溶体中析出CuAl2相的结果。 随时效温度升高和时间延长，新相析出量增加，合金电阻率大幅度减小。,34,5,研究过冷奥氏体分解,175-375下的电阻等温曲线,将含碳量为0.89%的碳钢加热到900，经适当保温后，放入油或盐浴中淬火，然后在恒温条件下测量电阻率的变化，从而研究过冷奥氏体的等温分解。,在恒定温度下，随着时间的延长，奥氏体的电阻变化增大，说明奥氏体分解成珠光体和二次渗碳体量增多。随温度升高，分解加 速，因而电阻的变化速率加快。,35,5,研究合金的有序-无序转变(或超点阵),Cu3Au合金电阻率与温度T的关系曲线,合金在加热过程中发生有序无序转变时，电阻率会发生明显变化。如果将高温下有序的Cu3Au合金加热，当温度高于转变点(390)温度时，Cu3Au合金就要从有序状态转变成无序状态，从而引起电阻率增大。,36,5,非晶态合金是原于无序排列的亚稳态合