第三章 电性材料

1、是利用物质的导电或电阻特性制造的具有不同功能的金属材料。 按其功能特性可分为:（精密电阻合金、应变电阻合金精密电阻合金、应变电阻合金、热热敏电阻合金）敏电阻合金）（电热合金电热合金、热电偶合金）热电偶合金）（电触头材料、导电合金）（电触头材料、导电合金）等。物质按导电能力分为导体、半导体和绝缘体：导体： 电导率106108-1m-1半导体： 电导率10-9105-1m-1绝缘体： 电导率10-2010-1m-1 仅用导电能力划分并不科学，应该用导电过程及其特点来划分。 根据能带理论，晶体中的电子由于晶体周期场的作用而分成能带。金属、半导体、绝缘体的能带结构不同，因此其导电过程及特点不同（图1）

2、。 绝缘体的满带和空带之间存在较宽的禁带，因此很难导电。 而半导体的满带和空带之间的禁带宽度较窄，满带中的电子由于热激发，使电子有足够能量脱离键合时，再加电场就有可能导电。 充满电子的满带中电子是不能传导电流的。而金属在低电子能级中电子是填满的，高能级未被填满。未填满的能级中的电子是自由电子，即使不加电场也作无规则的热运动，其平均速度v由下式求出： 其中，Ef费米能； m*电子的有效质量。 不加电场时，各方向平均速度的矢量和为零，不产生电流。加电场E时，自由电子则沿电场的反方向运动形成电流。 21*2fm vE 由于金属存在着大量自由电子，所以是良导体。金属的电导率如下式： 式中，n单位体积的

3、自由电子数； e电子电荷； 电子的平均自由程； 电子的有效质量； 自由电子的平均速度。212*nem v*mv 而电阻率则是电导率的倒数 ，常用来表征金属导电能力的参量（很少用 ）。 （m） R-材料电阻；S-横截面积(m2)；L-长度(m)。，与形状大小无关。因此影响材料特性的因素都会影响电阻率的大小。材料中晶格离子振动、合金元素原子、杂质原子、空位、位错、晶界等缺陷，组织结构变化都导致电阻率提高。 1SRL 影响材料电阻率的主要因素:合金元素合金元素、杂质、组织结构、温度。 1.2.2.1. 合金元素合金元素：合金的电阻率一般比组成它的金属的电阻率高。这是因为当加入合金元素时，导致晶格畸变

4、，增加了电子运动的阻力。合金元素的浓度、合金元素与基体金属原子价差别、原子半径差都影响电阻的程度。 1.2.2.2. 杂质杂质：杂质的影响与合金元素道理相同。影响程度取决于杂质种类、含量及分布状态。 1.2.2.3. 组织结构组织结构：固溶体、形变和热处理、有序无 序转变及K状态的形成或消失。1) 合金固溶体电阻率合金固溶体电阻率 形成固溶体电阻率呈抛物线增加；两相混合物时，电阻呈线性 合金固溶体的电阻，由于溶剂的点阵畸变，增加了电子散射而使电阻升高。然而,点阵畸变并不是固溶体电阻增长的唯一原因。固溶体的电学性质还决定于组元的化学相互作用。 在连续固溶体中，合金按其成分距纯组元越远，电阻越大。

5、当合金元素为50at%时，合金具有最大电阻值，有时要比纯金属电阻高数倍。 特别值得注意的是。这是由于此类合金的电阻由两部分组成：第一部分是溶剂的电阻，它随着温度升高而增加；第二部分是由决定于溶剂晶格变形的外来原子(溶质)的电阻。它与温度无关，其合金电阻率可由下式表示。 =0+aP 式中0-溶剂的电阻率；P-溶质的原子浓度；a-与温度无关的常数。 当温度不变时，合金的电阻温度系数仅为 可见， 与合金的电阻率有关与合金的电阻率有关(溶质的浓度越高，合金的电阻率也溶质的浓度越高，合金的电阻率也越高越高)，并随合金组元含量增高，并随合金组元含量增高 降低。降低。用固溶体合金作精密电阻固溶体合金作精密电

6、阻合金，就是利用固溶体型合金的这一特点合金，就是利用固溶体型合金的这一特点。1dtd形变: 塑性形变使晶体点阵产生应力、畸变，电阻率增加。加工程度越大电阻率越高。热处理: 当一定温度下退火时，应力畸变消失，缺陷减少，电阻率下降。在回复阶段即可降到冷加工前的状态。当达再结晶温度时由于新晶粒产生及晶粒间的点阵畸变，电阻率有会增高。 右图中Au-Cu合金的电阻率依不同热处理而不同。 黑线是淬火后的电阻率变化曲线，这时是无序固溶体； 加热后缓慢冷却的退火时出现Cu3Au、CuAu的有序点阵，电阻率有不同的变化-在Cu3Au、CuAu处出现电阻率的极小值。其原因是晶体的规则性增加，电子碰撞的几率减小的缘

7、故。 在NiCr、NiCu、MnCu等某些合金中都是单相固溶体结构，但有时出现反常： i）淬火+低温回火后室温电阻提高； ii）冷加工降低电阻率； iii）电阻温度曲线呈S形的电阻反常变化。反常的原因：这是形成了“K状态状态”(不均匀不均匀固溶体状态固溶体状态)造成的。 总之，组织结构的变化影响电阻率，说明电阻率是对组织结构敏感的物理量电阻率是对组织结构敏感的物理量。 “K状态”(不均匀固溶体状态)是合金经不同温度回火后形成的一种低温稳定状态。 “K”状态形成时，在固溶体点阵中发生原子的聚集。这些聚集本身的成分与固溶体不同。因此，在形成这些聚集时，固溶体的电阻增加。 当回火温度提高时，这些聚集

8、将被溶解、消散，不均匀固溶体便渐渐地成为普通无序、统计性的均匀固溶体，合金的电阻也随之下降。 由于回火温度不同，这个状态形成的程度也不同。而且，回火时间足够长时，有一个平衡值。回火温度增高，则形成“K状态”的速度增大，达到平衡的时间缩短 电阻随温度而变化。一般温度升高电阻率增大，有两种类型： 电阻随温度变化特性接近一条直线（线性关系）； 电阻随温度变化特性接近抛物线。 电阻随温度变化特性接近一条直线（线性关系）电阻随温度变化特性接近一条直线（线性关系）式中：Rt-t时电阻值；R0-t0时电阻值；t-实验温度；t0-参考温度(一般为20)； -t0到t区间电阻温度系数（1/）。001()tRRt

9、t 电阻随温度变化特性接近抛物线电阻随温度变化特性接近抛物线 式中，-一次电阻温度系数(1/)；为R-T曲线上20时的斜率。 -二次电阻温度系数（1/2）。 20001tRRtttttm叫做峰值温度。也就是在合金的使用温度范围内，电阻值为最大时的温度。计算峰值温度tm的公式如下：202mt 电阻率的测量按中华人民共和国国家标准GB6146-85精密电阻合金电阻率测试方法进行。标准规定，试样长度应不小于300mm。线径大于0.3mm的丝材，直径变化不得大于1%；厚度大于0.5mm的带材，厚度和宽度变化不得大于3%。试样长度用游标卡尺测量，测量误差为0.1%；截面积用千分尺、微米千分尺、测微仪或用

10、感量为0.1mg的天平测量，测量误差为0.5%。电阻用0.05级以上的直流电桥或电位差计测量。当试样电阻值大于100时采用两端法单桥测量；若试样电阻值等于或小于100时，采用四端法双桥测量。测量误差为0.2%。 SRL 电阻温度系数电阻温度系数是表征金属及合金的电阻率随温度变化的的特征参量。通常，金属的电阻率随温度升高而增大。 大多数金属与合金（如康铜、镍铬改良型合金等）的电阻随温度变化近似直线关系，可用平均电阻温度系数表示 000,0()tttttRRRtt式中，Rtt时的电阻值（）； Rtoto时的电阻值（） t试验温试（）； to参考温度（）， to=20； to,tto到t区间的平均电

11、阻 温度系数（1/） 有些合金(如锰铜合金)的电阻与温度的关系接近于抛物 线。 （一次电阻温度系数；二次电阻温度系数 ） 电阻温度系数的测量按中华人民共和国国家标准GB6148-85精密电阻合金电阻温度系数测试方法进行。标准规定，有绝缘层的线材依线径大小绕成直径为2050mm的线圈；裸线可绕在直径为20mm以上的有三层黄蜡绸的瓷管上。试验装置由恒温槽、温度计及电阻测量仪器组成。电阻测量装置应能保证测量精度为110-5以上。装置灵敏度不低于210-6。装置可选用单、双臂电桥，比较仪电桥或电位差计及相应的标准电阻或标准电池、光电放大检流计、直流电源等组成。试样与测量仪器之间的连接导线电阻应尽量小。

12、单桥法，导线电阻应小于试样电阻的0.02%；双桥法，连接被测电阻与标准电阻之间的导线电阻应不大于0.01。 电阻随温度变化近似直线关系的合金，其平均电阻温度系数to,t按式 计算。 电阻随温度变化近似呈抛物线关系的合金，通过一定温度下电阻值的测量，求、值。按电阻合金技术条件要求选择测温点，或选用包括20在内的三个适当温度点，测量Rt值分别代入式 中，解方程组求出和值。 000,0()tttttRRRtt20001tRRtttt式中，R1、R2、R3t1、t2、t3温度的电阻值（t1t2t3）。 213232322112203221314040RRttttRRttttRtttttt 322121

13、3220322131RRttRRttRtttttt在两种不同金属组成的回路中，因测量接点与基准接点之间的温度差而产生热电动势。在仪器仪表中，精密电阻合金制成的元件与铜导线形成闭合回路而产生的热电动势会影响测量精度。因此，合金的对铜热电动势是重要的电学性能之一。在实际中，测量：即由合金与即由合金与标准铜丝组成的回路中，假设热电动势与温度成线性关系标准铜丝组成的回路中，假设热电动势与温度成线性关系时，两接点间温差在时，两接点间温差在100 范围内时，温范围内时，温差为差为1时时所产所产生的热电动势生的热电动势。 其关系式为：式中，Q-热电动势率（ V/）； Et热电动势（ V）； t0基准接点温度

14、（），一般t0=0； t测量接点温度（）。0tEQtt 对铜热电势率的测量按中华人民共和国国家标准GB6147-85精密电阻合金热电动势率测试方法进行。标准规定，试样为线材时，其直径在4mm以下；试样为带（片）材时，将试样剪切成窄条，其宽度应小于5mm，试样长度一般取1.2m。测试装置主要由测试仪器、恒温槽、冰点槽和标准铜线等组成，示意图如图。测试仪器采用不低于0.05级低电势直流电位差计。温度测量可用二等水银温度计，最小分度值为0.1。 1.1 定义定义 精密电阻合金精密电阻合金是指电阻温度系数和对铜热电动势小、电阻值经年变化小的合金，是利用电阻恒定不变特性的电阻材料。 精密电阻合金广泛应用

15、于精密仪器仪表、调节器、传感器中的电阻元件，如电桥、电位器、绕线电阻器、分流电阻器、滑线电阻器、标准电阻器、电动机速度控制、电路温度控制及电压调节等。按合金类型可分为CuMn系、CuNi系、NiCr系，FeCrAl系、贵金属等系列精密电阻合金。按电阻率大小可分为 低电阻合金(0.2m) 中电阻合金( =0.21.0m) 高电阻合金( 1.0 m)。1)电阻温度系数小，且电阻-温度曲线的线性好，即要小。2)电阻值稳定，经年变化小。3)对铜热电势率要小。 4)电阻率高，且电阻的均匀性好。 5)良好的加工性能和机械性能。 6)耐蚀性、耐热性、抗氧化性、耐磨性和包漆性能好。 7)焊接性能好。 应该说，

16、能完全满足上述性能要求的材料很少，应按照不同用途选择材料。但上述1、2、3三项则是精密电阻合金的最重要的基本特性。 CuMn系合金是使用最多的精密电阻合金。它的电阻温度系数小、对铜热电势率小，而成为最主要的精密电阻合金。 Mn含量低于20%的CuMn二元合金组织为固溶体。Mn的加入可提高电阻率，降低电阻温度系数，但使对铜热电势率增加。适当调整Mn含量可使电阻温度系数为零，甚至为负值。但CuMn二元合金的电阻率较低，值较大，使用温度范围较窄，耐蚀性和抗氧化性稍差。为此，在CuMn合金中添加Ni、Al、Sn、Si、Ge、Ga等合金元素，以改善合金性能。 锰铜合金的成分与性能见表1和表2。相应于国外

17、的合金牌号为Manganin（德）、Manganin（美）、M a n g a n i n （ 英 ） 、 （ 日 ） 、（苏）。各国锰铜合金的主要成分大致相同，性能亦大同小异，只是有的国家的锰铜分类较细以满足不同的需要。表1 锰铜合金的成分（GB6145-85）合 金 名 称牌号化 学 成 分 SCPFeSiMnNiCu通用型锰铜6J120.020.050.0050.50.1111323余F1型分流锰铜6J80.020.050.0050.512810余F2型分流锰铜6J130.020.050.0050.50.1111325余表 2 锰铜合金的品种及性能（GB614585）合 金 分 类电阻率

18、 (m）电阻温度系数对铜热电动势ECu( V/) （0100）工作温度（）一次温度系数 (10-6 -1)二次温度系数 (10-6 -2)通用型锰铜6J120级0.440.50220.7015451级352级5103级1020F1型分流锰铜6J80.300.405100.25021080F2型分流锰铜6J130.400.480400.7021080 右图示出了锰铜合金的电阻温度曲线。曲线为抛物线形，电阻温度系数在室温附近很小。这说明在使用温度范围内电阻值很稳定；但温度偏差较大时，由于曲线呈抛物线，电阻则发生较大的变化。 锰铜成品要经退火处理才能得到长期稳定的电阻和小的电阻温度系数。退火应在真空

19、或保护气氛中进行。退火温度根据保护气氛、形变程度和丝材直径而定。 新康铜合金（6J11）的主要成分为11.512.5%Mn、2.54.5%Al、1.01.6%Fe。相应于国外的合金牌号是Novokonstant。合金经400退火520h后，形成均匀的固溶体。其性能为：电阻率为0.49 m，一次电阻温度系数为-1.610-6-1，二次电阻温度系数为-0.3510-6-2，平均对铜热电动势 ，最高工作温度达500。 由于添加了Al，使温度系数、降低，电阻率和耐蚀性增加，提高了最高工作温度，但对铜热电动势的降低比镍的作用小。此外，该合金的长期稳定性良好，但不如锰铜。2/CuEVC 在锰铜中添加Ge，

20、就成为锗锰铜合金,并使电阻率、电阻温度系数、对铜热电动势等电学性能大为改进。表3和表4列出了锗锰铜合金的成分及性能。其中4YC6合金相应于国外的Zeranin合金。锗锰铜合金按其电阻温度系数大小分为三个等级。 合金名称牌号化 学 成 分 GeMnCu其它锗锰铜4YC65.56.557余1低锗锰铜4YC70.52.0810余390400尼凯林306730.4011020020300德银5462 172024270.3433036014.4200 这类合金还有尼凯林、德银等，其成分和性能见上表。 为进一步改善康铜的性能，可加入Mn、Si、Be等元素以提高耐热性、降低电阻温度系数。通过增加Mn含量和

21、调整Ni、Cu的配比，可得到低电阻温度系数和耐蚀性好的Monel401合金，最高使用温度可达500。 在Ni-Cu合金中添加定量的Co可使合金的电阻温度系数等于零。 这种合金的主要成分为：Cu55%、Ni43%、Co2%，温度在20-100时=0。含Mn1.35%、0.35-0.4%Fe、40%Ni和余量为Cu的特殊康铜，具有稳定的电阻温度系数。其两组电阻温度系数分别为(-15-5)10-6-1、(-57)10-6-1。 由于这些合金的对合金的对Cu热电势很大热电势很大，而不能作为标准电阻器和直流测量仪器的分流器使用，但在交流下使用的精密电阻器、滑线电阻器、起动、调节变阻器以及电阻应变计等方面

22、都获得了广泛地应用。 NiCr改良型电阻合金是在镍铬电热合金的基础上，添加适量Al、Mn、Fe或Cu而成的高电阻精密电阻合金。 它的电阻率高电阻率高（可达1.3m），电阻温度系数特别是二次电阻温度系数低二次电阻温度系数低，对铜热电动势对铜热电动势低低，抗氧化，耐腐蚀，冷加工性较好能加工成微细丝。 缺点缺点是焊接性能较差，需用银焊，而且要防止假焊或因焊点受力引起断线。 NiCr改良型精密电阻合金的成分和性能见表6和表7。其中6J22合金相应于国外的Karma合金，6J23合金相应于国外的Evanohm合金，6J24合金相近于瑞典的Nikrothal Lx合金。 表表6 NiCr改良型精密电阻合金

23、的成分改良型精密电阻合金的成分合金牌号化 学 成 分 CrAlFeCuMnSiNiCPS6J2219.021.52.73.22.03.00.51.50.20余0.04 0.01 0.016J2319.021.52.73.22.03.00.51.50.20余0.04 0.01 0.016J2419.021.52.03.20.51.03.00.91.5余0.04 0.01 0.01表表7 NiCr改良型精密电阻合金的性能改良型精密电阻合金的性能合金牌号电阻率电阻率 ( m）一次温度系数 (10-6 -1)二次温度系数二次温度系数 (10-6 -2)对铜热电动势对铜热电动势ECu(V/) 工作温度（

24、）6J221.333.50.060.280.28551256J232.70.050.250.256J242.50.200.20 NiCr改良型合金的电阻温度曲线在较宽的温度范围内比较平直，说明使用温度范围较宽。 NiCr改良型合金与锰铜、康铜的电阻温度曲线比较 按标准规定，NiCr改良型精密电阻合金可根据平均电阻温度系数的大小分为三个等级。表8 NiCr改良型电阻合金性能级别分类合金牌号级别平均电阻温度系数 (10-6 -1)6J22、6J23、6J2405+5110+10220+20 对该类要合金进行热处理，其目的是消除加工硬化并改善电学性能。回火温度对合金电学性能的影响见下图。图5 回火温

25、度对6J22合金性能的影响 图6 回火温度对6J23合金性能的影响 应变电阻合金是利用电阻-应变效应进行测量和控制的材料。 所谓电阻电阻应变效应是材料应变导致电应变效应是材料应变导致电阻的相对变化。阻的相对变化。 应变电阻利用电阻电阻应变效应应变效应制成传感器、电阻应变计可测量压力、载荷、加速度、位移和扭距等。 1）高、稳定的电阻率，0.5m； 2）在工作温度范围内，低且稳定的电阻温度系数，电阻和温度成线性关系； 3）应变灵敏系数（ ，单位应变的电阻相对变化）大，且在较大应变范围为常数，K不随温度变化。 4）线膨胀系数等于或高于（接近）被测零件的线膨胀系数。 5）机械性能方面要求：疲劳强度高、

26、弹性极限大、蠕变小，抗氧化。 6）工艺上要求冷加工性能好，塑性易绕制，和焊接性。 llRRK/ 应变电阻合金有Cu基（Cu-Ni应变康铜、Cu-Mn锰白铜等）、Ni基（Ni-Cr、Ni-Mo）、Fe基（Fe-Cr-Al）贵金属（PtW、PtWRe）等。 按使用温度可分为六类。Cu-Mn合金合金在压力作用下，在很宽温度范围内电阻变化非常小，电阻-压力效应是常值或正值。这种材料可作压力传感器。Cu-Ni系合金系合金的康铜是制作常温和中温(250以下)及各类自补偿电阻应变片的最常用材料。这类合金容易加工成细丝，电阻值适中，稳定性好，弹性系数小，电阻温度系数低，焊接方便，价格低。缺点是ECu大，耐蚀性

27、差，在大气中容易氧化。这种合金对冷加工和热处理很敏感。Ni-Cr改良型合金改良型合金可用作电阻应变片敏感栅材料，特点是电阻率高，TCR（电阻温度系数）低，电阻-温度曲线的线性度好。可制作各种常温、中温、高温及低温自补偿电阻应变片。使用最多的是卡玛合金(Ni-Cr-Al-Fe合金)和伊文合金(Ni-Cr-Al-Cu合金)。Ni-Mo合金合金的电阻率高，可制作高温电阻应变片。但由于合金中加人大量Mo，加工性能差，通常需要热加工。Fe-Cr-Al合金合金具有电阻率高，K(应变灵敏度系数)大，经控制合金成分及掺杂可获得较小的TCR，抗氧化性能好。随Al含量增加和Fe含量减少，有增大，K减小的倾向。Pt

28、基合金基合金是理想高温(600-800)应变电阻材料。它具有适中的值，K大，耐酸、耐碱，抗腐蚀，特别是高温 (700-800)抗氧化性好，但TCR大是这类合金的主要缺点。热处理温度、时间、气氛和试样的原始状态对Pt基合金的电学性能有明显影响。 近年来国内外又研制出Fe-Cr-Co-Ni系合金和含有适量Pt、Fe、Al等Au-Pd-Cr合金，用于要求K值大和稳定性高的测力传感器和应变传感器中，其最高工作温度可达800。 非晶态应变电阻合金也是近年来开发的一种合金。其电阻率通常比晶态合金高几倍；在相当宽的温度范围内，非常小，约较晶态合金小一数量级；应变敏感系数大（K2）。 与精密电阻的性能相反，利

29、用电阻随温度升高而增利用电阻随温度升高而增大的性能的合金是大的性能的合金是。： 1) 电阻温度系数大且为正； 2) 电阻率较小，电阻值与温度呈线性； 3）电阻值的时间稳定性好； 4）有一定的抗氧化性和耐蚀性； 5）加工性好，资源丰富，价格便宜。主要有Co基、Ni基、Fe基等合金，如Ni50Co10Fe、Cr20V10Fe、Co85CrAlFe等。 广泛用于航空、航天的温度加热器、家用电器的元件，如熨斗、烙铁、电褥子等。由于电阻温度系数很大，可达到控温、安全和节能的目的。由于线性好，可制成电阻温度计测温。该合金有限流作用，可制成限流调节器。 主要介绍两类热敏电阻合金：限流合金限流合金和感温感温合

30、金合金。 限流线是热敏电阻材料之一，是70年代发展起来的，已经使用在大、中型设备中。限流线是一种新型限流元件，它本身不能断开电路，而是通过它使电路中的自动开关起作用来断开电路，使开关限制短路电流的能力加大，提高了自动开关的分断能力。当限流线通过大电流而发热时，温度升高，电阻急剧增大，电流迅速下降，当电流达到某一定值时，自动开关切断电路，从而限制电流增加，不致使电器中通过过大电流，起到保护设备的作用。 适于制作限流线的纯金属有Fe、Co、Ni等，应用最多的是Fe。纯Fe随温度升高，电阻率增加量最大，而在常温下电阻率较小，电阻与温度呈线性关系，价廉，是一种好的限流材料。几种纯金属的性能如下表所示，

31、电阻率与温度T的关系如下图所示。 纯Fe的缺点是在常温下容易生锈，在高温反复加热和冷却时容易产生氧化皮，并易脱落，因此不能保证性能的长期稳定性。为克服这一缺点，常在纯Fe中添加少量Co、Cu、W、Ni、Mn等元素。 Fe-Co(35-61%)合金具有良好的耐蚀性和耐热性，限流效果为Fe的二倍，是一种非常好的限流电阻合金。缺点是加工性能差。为改善加工性能，在Fe-Co合金中添加Ni而研制成40-60%Co，5-10%Ni，余Fe的合金，其加工性能显著提高。 含Ni40-90%的Fe-Ni合金是具有面心立方结构的单相固溶体，可作限流线。当Ni含量为40%左右时，电阻率最大，故Ni含量为40%左右成

32、分范围是Fe-Ni合金限流线的最佳成分范围。 Fe-Pb复合限流合金是利用金属加热到熔点时，电阻增大1.5-2倍的特性，用低熔点Pb和高熔点Fe复合而成的限流线合金。在高于Pb熔点温度使用时限流效果大，但加工工艺比较复杂。 感温合金感温合金：利用电阻与温度呈一定函数关系的金属导体制成温度传感器，用于温度测量和检测仪表，可与显示或控制及调节仪表等配套，直接测量温度。用作感温元件热敏电阻丝的纯金属有Pt、Cu、Ni、Fe、W和Rh-Fe合金。目前工业中大量使用Pt、Cu、Ni三种纯金属，其电阻-温度曲线如右图所示。我国研制的Fe-Ni58热敏电阻丝，作为感温元件己经使用在大型客机上。众所周知，当电

33、流I通过电阻R时，每秒产生I2R的焦耳热。电热合金电热合金就是利用这种特性的电阻合金。广泛用于各种工业电炉、实验室电炉和家用电器的电加热元件。具有高的电阻率和低电阻温度系数。高电阻率意味着单位体积的电热合金在通过相同的电流时产生较高的热量，当然这不是绝对的，对于加热温度不高、热量分布面大的场合，电阻率不要太高；低电阻温度系数表明随温度变化电阻的变化小，则便于通过调节电流控制加热温度。合金在使用温度范围内无相变，以保证电阻没有突变，电性能长期稳定。具有较高的抗氧化性和对各种气氛的耐蚀性。具有足够的高温强度，保证加热体不易形变和较长的使用寿命 良好的加工性能，易于制成丝材或带材，并能绕制成各种形状

34、的加热元件。电热合金电热合金 电热合金主要包括NiCr系和FeCrAl系两类，适用于在9501400温度范围内工作的电加热元件。 而在更高温度工作的加热体则采用纯金属电热材料。 NiCr系电热合金的高温强度高，高温冷却后无脆性，使用寿命较长，易于加工和焊接，是广泛使用的电热合金。NiCr系电热合金的成分和性能列于表69和表610。其中，Cr15Ni60合金相应于国外的NIKROTHAL60（瑞典）、X15H60-H（苏）、NiCr60 15（德）合金；Cr20Ni80合金相应于国外的NIKROTHAL80（瑞典）、X20H80（苏）、80Ni60Cr（美）合金；Cr30Ni70合金相应于国外的

35、NIKROTHAL70（瑞典）、CNir70 30（德）合金。表表9 NiCr系电热合金的成分（系电热合金的成分（GB123485）合金牌号合金牌号化化 学学 成成 分分 CPSMnSiCrNiAlFeCr15Ni60 0.080.08 0.020.02 0.0150.015 0.600.600.751.6015.018.0 55.061.0 0.500.50余余Cr20Ni80 0.080.08 0.020.02 0.0150.015 0.600.600.751.6020.023.0余余0.500.50 1.01.0Cr30Ni70 0.080.08 0.020.02 0.0150.015

36、0.600.600.751.6028.031.0余余0.500.50 1.01.0 表10 NiCr系电热合金的性能（GB123485）合金牌号合金牌号电阻率电阻率 20 ( m)熔点熔点()最高使用最高使用温度温度()密度密度(g/cm3)平均线膨胀系平均线膨胀系数数(201000) (10-6 -1)比热比热(cal/g)b(MPa) 延伸延伸率率(%)(%)Cr15Ni60 1.111.15 130011508.213.00.110637748 2020Cr20Ni80 1.091.14 140012008.414.00.105637748 2020Cr30Ni70 1.181.20 1

37、38012508.117.10.1109002020 在Ni-Cr系电热合金中，Ni与Cr形成有限固溶体。Cr含量大于30则靠近两相区，硬度增加，加工困难。当20Cr时，加工性能变差。因此，Cr含量以1530为宜。加入Fe使加工性能改善，但耐蚀性降低。而添加少量Si、Al、Ti、Zr或稀土元素可提高合金的工作温度和使用寿命。 Ni-Cr系电热合金的软化退火温度为9501100，快速冷却。 FeCrAl系电热合金的电阻率高，耐热性和高温抗氧化性好，与NiCr系合金相比具有更高的使用温度，价格也较便宜。但这类合金经高温使用时易产生脆性，而且长时间使用时永久伸长率较大。 FeCrAl系电热合金成分和

38、性能见表11和表12。其中，1Cr13Al4合金相应于国外的134（苏）合金； 0Cr25Al5合金相近于国外的CrAl255（德）、235（苏）合金；0Cr27Al7Mo2合金相近于国外的275T（苏）合金。 0Cr13Al6Mo2、0Cr21Al6Nb和0Cr27Al7Mo2合金是我国研制的电热合金，经多年的生产和使用，工艺稳定，性能指标均满足应用要求。表表11 FeCrAl系电热合金的成分（系电热合金的成分（GB123485）合金牌号合金牌号化化 学学 成成 分分 CPSMnSiCrNiAlMoFeNb1Cr13Al40.120.12 0.0250.0250.0250.025 0.700

39、.70 1.001.00 12.015.0 0.600.60 4.06.0余余0Cr13Al6Mo20.060.06 0.0250.0250.0250.025 0.700.70 1.001.00 12.514.0 0.600.60 5.07.0 1.52.5 余余0Cr25Al50.060.06 0.0250.0250.0250.025 0.700.70 0.600.60 23.026.0 0.600.60 4.56.5余余0Cr21Al6Nb0.050.05 0.0250.0250.0250.025 0.700.70 0.600.60 21.023.0 0.600.60 5.07.0余余参考

40、加参考加入量入量0.50.50Cr27Al7Mo20.050.05 0.0250.0250.0250.025 0.200.20 0.400.40 26.527.8 0.600.60 6.07.0 1.82.2 余余表表12 FeCrAl系电热合金的性能（系电热合金的性能（GB123485）合金牌号合金牌号电阻率电阻率 20 ( m)熔点熔点()最高使最高使用温度用温度()密度密度(g/cm3)平均线膨胀系平均线膨胀系数数(201000) (10-6 -1)比热比热(cal/g)b(MPa) 延伸率延伸率(%)(%)1Cr13Al4 1.250.08 14509507.415.40.117588

41、73516160Cr13Al6Mo21.410.07 150012507.215.60.11868683312120Cr25Al5 1.420.07 150012507.116.00.11863778412120Cr21Al6Nb1.450.07 151013507.116.00.11868678412120Cr27Al7Mo21.530.07 152014007.116.00.1186867841010 在Fe中加入Cr和Al都使电阻率提高，电阻温度系数降低，抗氧化性提高。添加少量Co、Ti、Zr、稀土元素等也提高合金的抗氧化性、高温强度和使用寿命。但随Cr、Al含量增加，合金的b增加，下降

42、，冲击韧性降低，加工性能变差。因此要求严格控制工艺和质量。经各工艺环节，不仅要保证成分准确均匀，有害元素及杂质少，还要控制晶粒细小而均匀，组织致密。 FeCrAl系电热合金的软化退火温度为750800，快速冷却。 FeCrAl系合金在焊接时晶粒易长大而产生脆性。因此要用FeCrAl合金焊条快速焊接，最好用氩弧焊。如果焊后不立刻使用，应将焊接部位于800左右退火，以消除焊接应力。一可用作电热体的纯金属有Pt、W、Mo、Ta等。纯金属的电阻率低，电阻温度系数高，有的还需要特殊的保护气氛。但它们的使用温度较高，因此仅在特殊情况下使用。表13列出了纯金属电热材料的性能。表表13 纯金属电热材料的性能纯

43、金属电热材料的性能合金牌号电阻率20 (m)熔点()最高使用温度()密度(g/cm3)平均线膨胀系数(201000) (10-6 -1)比热(cal/gPt0.0941774160016008.9135.6Mo0.0522625180018004.92760W0.0513410240024004.6 (20)142Ta0.1312996220022006.55142Pt的价格昂贵，在真空下易蒸发，但抗氧化性强，可以在氧化气氛中使用。W和Mo作为电热体只能在氢气、氮气或真空中使用。而Ta则要求在真空中使用。 最常见的是SiC发热体（碳硅棒）。它是将SiC粉末加粘结剂成形，在2000高温下烧结而成

44、的。不象金属发热体那样具有韧性和可绕性。但耐热性高，用于1450（常用）、最高1600的电炉。 该材料的最大问题是端部的接触电阻。为此，通常端部的断面积大，两端浸在熔融Si中浸透Si，可减少该部分的电阻率。 更高使用温度的发热体还有MoSi2棒，可将常用温度提高到1600左右。但在高温下刚性差，通常制成U形。 石墨亦可用作发热体。但用于真空、惰性气氛、还原性气氛中。多用棒状或管状。 根据不同电热合金的抗氧化性能和在不同介质气氛中的耐蚀性，在选择电热合金时应考虑使用介质气氛。 FeCrAl电热合金表面的氧化膜在高温氮气中会遭受破坏使抗氧化性降低，因此不适于在氮气中使用。 在含S的氧化气氛中，Ni

45、Cr合金在高温下与硫化物反应而受侵蚀，而FeCrAl合金在该气氛中有较好的稳定性。因此，在含S的氧化气氛中要用FeCrAl电热合金而不能用NiCr合金。 在不同介质气氛中适用的电热合金列于表14。 表表14 电热合金在各种气氛中的耐蚀性及最高使用温度（电热合金在各种气氛中的耐蚀性及最高使用温度（） 气氛气氛合金牌号合金牌号空气空气氢气氢气氮气氮气水蒸气水蒸气H2S、SO2吸热式吸热式气体气体放热式放热式气体气体真空真空(10-3乇乇以下以下)铁铁铬铬铝铝合合金金0Cr13Al6Mo20Cr25Al513001250950不适用不适用10501100115011000Cr27Al7Mo21400

46、1350950不适用不适用1150120012501150Cr20Ni801150115011001200不适用不适用95010501100W不适用不适用2500Mo不适用不适用2000 在生产和科学研究中，温度是一个最基本最重的物理量和工艺参数，常常需要准确测量和适时控制。在实践中使用的测温仪表有许多种。按使用方法可分为两大类：接触式温度计接触式温度计和非接触式温度计非接触式温度计。 接触式温度计接触式温度计通常有两个主要部分：温度传感器温度传感器和温温度显示器度显示器。传感器的核心部分是感温元件，制造感温元件的材料称为测温材料。 测温材料是仪器仪表材料的一大门类。人们利用测温利用测温材料的

47、某种与温度呈单调、稳定而可复现的函数关系材料的某种与温度呈单调、稳定而可复现的函数关系的物理特性来制作感温元件的物理特性来制作感温元件。例如：利用材料的热膨胀特性制成各种双金属温度计、玻璃温度计和(气体)压力式温度计；利用材料的电阻随温度而变化的特性制成了热电阻和热敏电阻温度计；利用材料的热电动势随温度差温度差变化的特性制成热电偶热电偶等等。 最早用来制造温度计的材料特性是热膨胀热膨胀。1592年意大利人伽利略发明第一支膨胀温度计时，就是利用空气的热胀冷缩特性。1632年他又利用水的热膨胀特性制造温度计。1641年酒精温度计和1689年水银玻璃温度计相继发明，一直沿用至今。1747年出现了利用

48、金属竿的热膨胀特性制成的温度计。后来又出现利用双金属复合材料的膨胀特性制成的热双金属温度计。 利用材料的电、磁特性随温度而变化电、磁特性随温度而变化的现象制作温度计是近百年的事。 1821年JSeebeck发现热电效应热电效应，1823年AHBecquerel研究了热电特性，1826年首先提出用Pt-Pd热电偶来测量高温。但是，第一台实用化热电高温计是1886年LeChatelier用PtRh10合金与纯Pt配对制成的。他用此高温计成功地测量水泥制造中的高温。随后，镍铬-镍铝、铁-康铜、铜-康铜等热电偶相继发明，并在工业上得到推广应用，使热电偶成为今天最重要的测温仪表。今天，热电偶材料已成为大

49、规模生产的标准化的测温材料。 与热电偶发展的同时，电阻温度计电阻温度计也得到发展。1821年Sir Humphry Dary观察到金属的电阻随温度而变化的性质。1861年德国的Willian Siemens制成了第一支Cu电阻温度计，10年后他又制成了Pt电阻温度计。但是，由于他的温度计的示值不稳定而未得到推广应用。第一支实用化的精密铂电阻温度计是HLCalleadar制成的。由于避免了应变和沾污，他的铂电阻的性能十分稳定。1927年，第七届国际计量大会采用Pt电阻和PtRh10-Pt热电偶为国际温标ITS-27的标准仪器。在工业上，Pt电温和Cu电阻今天都得到了广泛的应用。 1932年发现半

50、导体材料的电阻随温度而变化半导体材料的电阻随温度而变化的特性后，40年代初期美国Bell实验室以及稍后德国的Siemens公司，开始了氧化物热敏电阻的研究，50年代初期Ge电阻低温温度计及50年代末BaTiO3PTC热敏电阻相继问世。 此外，磁温计和声学温度计开拓于50年代，而光纤温度计则是70年代新近发展起来的。 虽然各种物质随温度变化的种种特性，都有可能用来制作温度计，但要制成一种实用化的工业温度计，不仅要求材料具有优秀的计温特性，还应具有适当的工艺性能和其它性能，因此，理想的测温材料应满足下列要求：v (1) 使用温域宽。v (2) 在使用温域内，计温特性的物理量值，以及其随温度变化的系

51、数要大，以保证温度计有足够的灵敏度。特性曲线的线性好，以利刻度。v (3) 材料的计温特性对温度以外的其它物理量不敏感；化学呈惰性，保证温度计在分度和使用过程中性能稳定。v (4) 高温用的测温材料，熔点要高，抗氧化性和高温强度好。v (5) 不同批材料的计温特性应能精确复现。同炉、同批次材料的性能应当均匀一致，保证制成的感温元件有良好的互换性。v (6) 材料应具有良好的工艺性能，易于拉制成丝、轧成片或箔，适于批量生产。 v (7)资源丰富。价格适中，无公害。 测温材料是制造用于测量温度的感温元件的材料。 将两种不同的金属或合金A、B连接成闭合回路，而两个接点处保持在不同的温度时，回路中产生

52、一个电动势，称为热电动势EAB（见图）。这种效应叫做。 如果将回路断开，在断开处则出现电动势差，即V=Vb-Va，可用电位差计测量。V与两接点的温度差T有关。 V与两接点的温度差T有关。当T很小时，V与T与正比。定义热电动势率（赛贝克系数）SAB为V对T的微分热电动势 SAB的符号和大小取决于两种金属或合金的热电特性和接点的温度。如果两种金属或合金完全均匀一致，SAB就只是温度的函数，而与导体的粗细长短无关。而回路的热电动势EAB可由上式积分得到 所以，EAB也只取决于两个接点的温度。如果将一个接点的温度保持恒定（如0），EAB就只随另一接点的温度而变化。利用这个特性测定温度的元件叫做热电偶。

53、 TTABABdTTSE0)()(0TVLimSTAB 根据工业和科学研究的需要，对热电偶合金有如下要求： 热电偶的热电动势应足够大，并随温度的变化呈线性关热电偶的热电动势应足够大，并随温度的变化呈线性关系系，电阻温度系数低电阻温度系数低，以保证热电偶测温的灵敏度。 在使用过程中热电动势应有良好的稳定性和一致性在使用过程中热电动势应有良好的稳定性和一致性。因此热电偶合金应是化学成分和物理状态均匀的高纯金属或单相固溶体合金。在各种介质气氛中和工作温度范围内，材料不发生明显的氧化、蒸发、相变、再结晶和有序化等现象。以保证热电势在测量过程中稳定。 热电偶的熔点要足够高热电偶的熔点要足够高，以便能在较

54、宽的温度范围内工作。 热电偶的热电特性应有良好的重现性热电偶的热电特性应有良好的重现性。 良好的抗氧化性和耐蚀性良好的抗氧化性和耐蚀性。 此外，还要求加工性能好；价格便宜等。 2.4.1. 根据材料的绝对热电势特根据材料的绝对热电势特性选配性选配 因为由导体A、B配成热电偶时，其塞贝克系数SAB与导体A、B的绝对热电势率SA和SB间存在以下的关系: SAB=SA-SB 因此，在配对材料时应当选择具有符号相反的，量值大的SA和SB，保证配成的热电偶灵敏度高。如图所示，在任何温度下，热电偶的SAB可以用图上在温度T对应的SA和SB相减而得到。 通常，金属与合金的绝对热电势S与温度T的关系较为复杂(

55、见图)。 若导体A、B的绝对热电势率随温度变化的曲线的斜率相等，配成的热电偶的E-T热电势特性呈现线性关系。 选配热电极材料除考虑热电性能外，还必须根据使用环境条件考虑有关物理、化学因素。 例如，在高温下使用的热电偶，选配的两种材料的熔点都应当高；在高温氧化性气氛中使用的热电偶，其正、负热电极材料都必须具有相当好的抗氧化性。在高温还原性气氛中使用的热电极，都应具有抗原性。在高真空中使用的高温热电偶，其两个电极的蒸气压都应当低。在核反应堆中测温用的热电偶，其两种热电极材料的中子俘获截面积都要小。低温热电偶材料，希望两种热电极材料的热导率不要太高等。 此外，两种热电极材料的机械强度和塑性最好相近，

56、在制造铝装热电偶复合材料时，有利于拉制。两种材料的机械性能和热膨胀系数相差悬殊时，往往导致高温下焊点处机械损坏；另外，热电极材料间的可焊性也要考虑。 热电偶的种类很多。根据仪表的标准化、系列化的要求，经过长期筛选，目前有1515种种已得到广泛应用成为标准化产品，见表6-15。国际电工委员会（IEC）已对其中8种规定了代号，制订了国际统一的标准分度表（见IEC584-，1977）和允许偏差（见IEC584-，1980）。例如S型热电偶表示铂铑10-铂热电偶，SP代表正极，SN代表负极。在我国有9 9种热电偶种热电偶已制订国标，还有3种正制订国家专业标准（ZBN），详见表6-16。 标准分度表是根

57、据热电偶的热电动势特性曲线（见右图）和多项式： E= 计算出来的。但标准分度表却代表许多成分有差异的热电偶材料的热电动势特性。例如，镍铬镍硅（K型）热电偶和以前的镍铬镍铝（C-A）热电偶都采用K型分度表；不同厂家生产的K型热电偶成分也会有差异。这样，实际热电偶的热电动势特性与标准分度表就存在偏差。因此，对允许偏差也作了严格的规定。 068()niiia t 由于不同热电偶材料的化学性能不同，与其相适应的使用环境气氛和长期、短期使用的最高温度也不相同。 例如K型热电偶适于在氧化性气氛下使用，它的长期和短期使用最高温度分别为1200和1300。但在还原性气氛（CO295%，CO5%）中，镍铬极发生

58、选择性氧化，导致热电动势异常变化。因此不适于在还原性气氛中使用。此外，热电偶的长期使用温度极限还与偶丝直径有关，丝径越粗使用温度越高，详见表17。 标准的铂铑热电偶合金有B型、R型、S型3种。这种热电偶的化学稳定性好，测量精度和重现性高，测温区宽，广泛用于广泛用于1000以上的温度测量以上的温度测量。其中，铂铑10-铂(S型)热电偶是300以上测温最准确的热电偶，可用作标准测温。 铂铑热电偶适于在氧化或中性气氛中在氧化或中性气氛中使用，也可在真空中使用，应避免在还原气氛中使用避免在还原气氛中使用。作为标准热电偶，使用前应充分退火。退火方法是悬挂通电退火。PtRh10合金丝的退火温度为1400，

59、时间为2h；纯铂丝为11003h。 Pt合金合金：SN和RN是高纯铂铂丝。铂丝纯度用电阻比R100/R0表示（其中R100、R0分别是纯铂丝在100和0时的电阻值），要求R100/R01.3910，通常在1.3920-1.3925之间。 PtRh合金合金：BN、SP、RP和BP为含Rh量6%、10%、13%和30%的铂铑合金。随Rh含量增加，合金的熔点、电阻率、对Pt的热电动势和机械强度都提高。但由于Rh的添加没有改变Pt的电子结构，因此合金的热电动势特性与纯铂丝的特性曲线平行（见图）。 镍铬镍硅合金是K型热电偶，也是工业上最常用的热电偶合金之一。这种材料具有较好的抗氧化性、很宽的测温区域很宽

60、的测温区域(500-1300 )(500-1300 )，微分热电动势较恒定，适用于在氧化或惰性气氛中使用适用于在氧化或惰性气氛中使用，但不适于还原性气氛、含硫气氛或真空不适于还原性气氛、含硫气氛或真空。K型热电偶材料对应力较敏感，且在高温发脆。 镍铬硅镍硅（N型）热电偶是为了改进K型热电偶的缺点而创制的。它具有更好的抗氧化性和热电稳定性。 镍铬合金：KP是NiCr10合金，成分为9-10%Cr、0.6%Si、1.2%Co、0.2Mn。该合金的抗氧化性很好抗氧化性很好。若添加少量稀土元素，抗氧化性可进一步提高，且不改变热电动势特性曲线。但KP合金的缺点是在250-550范围内结构不稳定造成热电势