导电材料ppt课件

导电材料 一 导电材料简介 导电材料是指那些具有导电特性的物质 包括电阻材料 电热与电光材料 导电与超导材料 半导体材料介电材料 离子导体和导电高分子材料等 本PPT首先介绍固体导电的基本理论 其次介绍一些新型电阻材料 导电与超导材料半导体材料和非金属导电材料的导电机理 性能及应用 经典自由电子论 量子自由电子论 能带理论 二 导电材料的导电机理 1 经典自由电子论 特鲁德 P Drude 洛伦兹 H A Lorentz 的经典电子论认为 金属是由原子构成的点阵 每个原子的价电子是完全自由的 可以在整个金属中自由运动 完全自由的价电子遵守经典力学理论特别是气体分子的运动规律 它们通常沿所有方向运动 但在电场作用下 将逆电场方向运动 使金属产生电流 自由电子论非常成功地导出了欧姆定律 并推导出金属的电导率 和电阻率 的关系为自由电子论能够成功解释欧姆定律 证明在一定温度下各种金属的热导率与电导率的比值为一常数 然而 经典电子论并不能解释 些低价金属的导电性比高价金属的导电性好的现象 2 量子自由电子论 量子自由电子理论用量子力学观点研究在金属的大量原子集合体中的价电子分布问题 量子自由电子理论的基本观点是 金属离子所形成的势场各处都是均匀的 价电子是共有化的 它们不束缚于某个原子上 可以在整个金属内自由地运动 电子之间没有相互作用 电子运动服从量子力学原理 微观粒子的某些物理量不能连续变化 而只能取某些最小的单位跳跃 而不是连续的 这个最小单位跳跃称为该物理量的一个量子 电子运动的能量变化是不连续的 是以量子为单位进行变化的 这就是量子自由电子理论的 一个基本观点 3 能带理论 求解晶体中电子的容许能态的能带模型称为能带理论 EnergyBandTheory 能带理论是讨论晶体 包括金属 绝缘体和半导体的晶体 中电子的状态及其运动的一种重要的近似理论 两个能带之间间隔的能量范围称为禁带或能隙 根据禁带宽度的大小 确定出材料的导电性能的差别而定义出导体 半导体和绝缘体 但能带理论还是没有解释晶体产生电阻且电阻率是温度的函数的内在原因 三 导电材料的分类 通常 人们只是简单地根据固体在室温下所具有的不同电阻率或电导率 把导电功能材料分为导体 半导体和绝缘体 其中 导体的电导率 106 108s m 具有良好的导电性能 绝缘体的电导率 10 20 10S m 导电性能极差 而导电性介于上述两者之间的半导体 则其电导率 10 9 10S m 如果按材料的综合性质 功能与作用则可把导电材料细分为金属导电材料 电阻材料半导体材料 超导材料 非金属导电材料 高分子导电材料介电与绝缘材料等 四 金属导电材料 所谓金属导电材料 是指用以传送电流而无或只有很小电能损失的材料 包括电力工业用的电线 电缆等强电用的导电引线材料和电子工业中传送弱电流的导体布线材料 导电涂料 导电黏结剂及透明导电材料 1 金属导体 金属导电引线材料具有高的导电性 足够的机械强度 不易氧化 不易腐蚀易加工和可焊接等特性 它们以铜 铝及其合金为主 重视材料的阻抗损失 铜导电材料当铜料纯度为99 97 99 98 含少量金属杂质和氧 电导率为98 99 铜中含有杂质将降低电导率 为此 人们研制出性能稳定 抗腐蚀 延展性好 抗疲劳的高导无氧铜0FHCC 它可拉成很细的丝 适用于海底同轴电缆的外部软线 太阳能电池 高温抗氧化电极等 导电布材料电子工业用的导电布线材料具有膜电阻小 导电性好 附着力强 可焊性和抗焊熔性好等优点 它们都是Au Ag Cu Al等电导率高的材料 有时也使用金属粉和石墨粉与非金属材料混合的复合导电材料 其电阻率通常比强电用材料的电阻率高得多 并有厚膜和薄膜之分 薄膜导体布线材料具有导电性好 附着力强 化学稳定性高 可焊性和耐焊性均好 成本低等特点 薄膜导体布线材料大体上可分为单元膜和复合膜两大类 导电复合膜复合膜是目前国内应用最广的薄膜导体 它是用不同金属膜所构成的多层薄膜导体 如Cr Au膜 Ti Pd Au膜 Ti Cu Ni Au膜等 复合薄膜导体的结构 般包括底层和顶层两部分 底层又称为黏附层 主要作用是使顶层导体膜牢固地附着在基片上 它是易氧化的金属 以便与基片中的氧形成结合牢固的共价键 顶层则由导电性好 可焊性好和化学稳定性高的金属薄膜构成 主要起导电和焊接作用 一 快离子导电陶瓷材料 银 铜的卤族和硫族化合物 金属原子在化合物中键合位置相对随意 具有 Al2O3结构的高迁移率单价阳离子氧化物 具有氟化钙 CaF2 结构的高浓度缺陷的氧化物 如CaO ZrO2 Y203 ZrO2 它们拥有的可迁移离子有H H30 NH4 Li Na K Rb Cu Ag Ga T等阳离子和02 F 等阴离子 五 导电陶瓷材料 氟化钙结构 二 电热陶瓷 电热合金如果用在1500C以上的工业炉中即使不熔化也会被严重氧化 此时需使用Pt Mo W等贵金属或石墨 陶瓷等电热元件 Mo W 石墨 陶瓷等电热元件的温度使用则可在1500C以上 常见的陶瓷类电热材料有碳化硅 二硅化钼 铬酸镧和锡氧化物等 碳化硅 二硅化钼 三 半导体陶瓷 热敏电阻类半导体陶瓷材料有电阻随温度升高而增大的正电阻温度系数PTCR型和电阻随温度升高而减小的负电阻温度系数NTCR型两种 它们属于铁电陶瓷 如果热敏电阻所处环境改变 将导致其热耗散速度改变 此时 若保持对元件的电压恒定 那么电流便成为测量消耗热能速度的量度 这就是许多热敏电阻传感器的原理 六 导电碳素材料 碳是由单一元素组成 却可形成外观多变 性能各异 应用广泛的物质 它之所以能够如此 与其原子键键合方式 分子结构类型及其集合形态的多样性密切相关 根据原子结构理论 碳原子的外层电子可通过3种 即sp3 sp2 SP杂化方式形成 键和 键 当碳原子外层电子以sp3杂化时 就构成了具有立体结构的金刚石 当以sp2杂化时 就构成了平面结构的石墨烯 金刚石 七 导电高分子材料 导电高分子材料是在20世纪70年代中后期快速发展的新型功能材料 世界上第一个导电有机聚合物是由美国化学家MacDiarmid物理学家Heeger和日本化学家Shirakawa于1977年发现的 掺杂碘的聚乙炔具有金属的特性 并因此获得2000年诺贝尔化学奖 与金属相比 导电高分子材料具有质量轻 易成形 电阻率可调节 可通过分子设计合成出具有不同特性的导电性等特点 高分子导电材料分为结构型和复合型两大类 石墨烯稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性 石墨烯的电子在轨道上移动时 不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射 由于原子间作用力十分强 在常温下 即使周围碳原子发生挤撞 石墨烯中的电子受到的干扰也非常小 石墨烯的制备方法主要有 机械剥离法 碳化硅表面外延生长 金属表面生长 化学气相沉积法 氧化减薄石墨片法 乙氧钠裂解 切割碳纳米管法等 1 复合型导电高分子材料 复合型早申高分子材料是在通用树脂中加人导电性填料 添加剂 采用一定的成型方法而制得 通用树脂有聚乙烯与聚丙烯等聚烯烃 聚氯乙烯 ABS 聚酰胺 聚苯胺等 电塑料以聚烯烃或其共聚物为基础 加人导电填料抗氧剂及润滑剂等经混炼加工而成 导电塑料包括用于电线泡沫塑料塑料成型制品 干电池电极 集成电路板 印制电路板及电子元件的包装材料等聚烯烃导电塑料 以及用于防静电和消除静电 以炭黑与碳纤维为填料的导电尼龙 2 结构型导电高分子材料 结构型导电高分子材料中 至今只有聚氮化硫 SN x 它是纯粹的结构型导电高分子材料 其他许多种导电高分子几乎都采用氧化还原 离子化或电化学方法进行掺杂后才具有较高的导电性 目