4第四讲 导电功能与复合材料1

上节回顾 一 磁性材料 二 电磁波屏蔽复合材料 电磁屏蔽原理 屏蔽效能 shieldingeffect SE 电磁波屏蔽性能主要取决于材料的导电性 与频率相关 复合材料 导电网络的形成 三 吸波复合材料 吸波基本原理 干涉作用和吸收作用 吸收作用 匹配特性 衰减特性 复介电常数和复磁导率 吸波性能的表征 电磁波反射率 第三章导电功能与复合材料 一 概述 电导率 电阻率 室温下 不同材料的电导率 单位 电流密度 电场强度 二 金属导电的机制 金属的电阻率随温度的降低而降低 最终达到一个有限值 为线性温度系数 Matthiessen公式 rule 晶格原子在平衡位置的热振动 掺杂 缺陷 弛豫时间 Cu和Cu Ni合金的电阻率随温度的关系 纯金属 量子力学角度分析 二维速度空间的电子速度 a 平衡下 b 应用电场后 除去阴影部分的电子 其他电子都有相应的具有大小相等 方向相反的电子和其抵消 只有具有阴影部分中速度的电子没有被抵消 所以只有这部分电子对材料的传导起作用 合金 在溶质浓度较低时 随着溶质浓度的增加 合金电阻率增加 斜率保持不变 原子尺寸的不同引起晶格常数的变化 从而引起电子散射的变化 具有不同化合键的原子引起局部电荷的不同 增加电子散射的几率 与基体原子相比溶质具有不同的电子浓度 改变了体系费米能级的位置以及费米能级附近的电子分布密度 从而改变体系的导电性 不同的溶质原子对基体材料电阻率的改变不同 电阻率随着溶质和溶剂原子价电子差别的平方增加 Linde s定律 rule 溶质浓度较低的银合金的电阻率变化 a 随浓度的变化 b 1 摩尔浓度下电阻率随溶质原子价电子的变化 原因 溶质浓度较高的单相合金 电阻率一般在浓度50 附近会出现最大值 Nordheim公式 rule C是材料常数 两相合金的电阻率 多数情况下可以表示为考虑各相的体积分数后的各相电阻率的和 晶体结构和相的分布必须额外考虑 Kondo效应 effect 如含少量Fe的Cu 在低温下电阻率出现一个极小值 磁矩的散射作用 热阻材料 镍铬铁合金 碳复合材料 有序和无序铜 金合金的电阻率 用途 超导性 超导体是在一临界温度下电阻率极小 比正常材料小至少1016 或者等于零的材料 超导材料 27种单质 大量的合金 含Cu O的陶瓷 硒或硫基的聚合物 临界温度 0 01K 130K 超导态可以认为是固 液 气之外的另一物质状态 一些金属在很大压力下也可以表现出超导性 如Ce 1911年发现水银具有超导性 1986年发现铜氧基陶瓷具有超导性 几年后临界温度高于77K 1 2 3超导体 稀土元素 碱土金属 铜 高温超导体 液氮的沸点 电磁体 输电线等 Nb Ti或Nb3Sn合金细线 微米 埋置在纯铜中 用途 转变尖锐 纯的和结构良好的单质转变在一个温度范围 合金和陶瓷 同位素效应 Isotopeeffect 临界磁场强度 H0 0K下的临界磁场强度 超过临界磁场强度 超导性消失 它和温度相关 温度越低 临界磁场强度越高 临界电流 正常态向超导态转变 两类超导材料 第二类超导体 通过增加磁场消除超导态是个逐渐变化的过程 有时HC2比HC1大100余倍 过渡金属和包括铌 铝 硅 钒 铅 锡 钛的合金尤其是Nb3Sn或Nb Ti 陶瓷 第一类超导体 正常态和超导态之间的转变很尖锐 临界磁场强度Hc相对低 HC2比HC1之间的环涡旋态 vortexstate 磁通钉扎 Fluxoidpinning 受洛仑兹力运动 进而阻碍超导电流 通过晶粒间界 位错等钉扎 陶瓷超导体中没有实现钉扎 因为温度高时的晶格振动使钉扎很难 室温下YBa2Cu3O7 x的单胞 正交的层状结构 具有周期性存在的氧空位 陶瓷超导体还没有被广泛应用 主要由于 内在的脆性 不能承载大电流 环境不稳定性 在一些陶瓷超导体中加入Ag 可以改善环境稳定性 减少材料的孔洞 采用Bi基的材料可以承载大的电流将氧化物粉末放入银管 拉线烧结 改善脆性 热电率 热电现象 Thermoelectricphenomena Seebeckeffect 通常几个 V Cu Cu 45 Ni合金 43 V 180 400 90 Ni 10 Cr和95 Ni 2 Mn 2 Al 1000 一些半导体的热电率比金属高1到2个数量级 如Bi2Te3 Si 30 Ge 测温技术 热电发电 效率5 10 等 1821年Seebeck发现 应用 Peltier效应 原理 PbTe或BiTe和金属接触 n 和p 型半导体与金属接触 1 2和3 4的温度差能达到70 接触电势 两种材料接触 具有较高费米能级的材料中的电子传向另一材料 直到两种材料的费米能级相等 从而使得具有较低费米能级的材料带负电而在两材料间产生接触电势 接触电势与温度相关 高温下更多的电子激发到较高能级 这些富裕电子传递到低温结处 从而形成电流 Seebeck效应的逆效应 二 半导体导电机制 随着原子间距的减小 能级 能级展宽成带 带的交叠 Si沿着X方向的能带结构 0K下不导电温度升高 在价带产生空穴 导带产生电子 即载流子而发生导电