第二章材料的电学性能金属及合金的导电性及电阻的测量2

第二章材料的电学性能金属及合金的导电性及电阻的测量第1页，共28页。优选第二章材料的电学性能金属及合金的导电性及电阻的测量第2页，共28页。则电阻率为：电阻的本质

电子波在晶体点阵中传播时，受到散射，从而产生阻碍作用，降低了导电性。

电子波在绝对零度下，通过一个理想点阵时，将不会受到散射，无阻碍传播，电阻率为0。第3页，共28页。电阻产生的机制（3）晶体点阵的完整性被破坏（存在杂质原子、晶体缺陷等），对电子波产生散射。（1）晶体点阵离子的热振动（声子），对电子波产生散射。（2）晶体点阵电子的热振动，对电子波产生散射。原因（1）、（2）产生，0K时为0。电阻基本电阻：残余电阻：原因（3）产生，0K时的电阻。第4页，共28页。马基申定律金属固溶体电阻率：基本电阻率ρ(T)：由热运动引起，与温度有关。残余电阻率ρC：决定于化学缺陷和物理缺陷，与温度无关。第5页，共28页。影响金属导电性的原因1.温度对金属电阻的影响（1）一般规律其大小决定于晶体缺陷的类型和数量。0K时：极低温时：电子散射占主要地位，声子散射很弱，基本电阻与温度的平方成正比。(T≤2K)第6页，共28页。

随着温度的升高，声子散射散射作用逐渐增强，并占据主导地位。

根据德拜理论，原子热振动存在两个规律性区域，区分区域的温度被称为德拜温度θD。时：时：第7页，共28页。第8页，共28页。电阻率随温度的变化规律：对于非过渡族金属：θD≤500K，当T>2/3θD

时，可略去高次项，具有线性关系。（室温以上）电阻温度系数室温以上第9页，共28页。

纯金属的电阻温度系数大多近似为，过渡族金属特别是磁性金属较大，如铁的值为（2）过渡族金属和多晶型转变

在过渡族金属中电阻与温度的关系复杂，Mott认为这是由于过渡族金属中存在着不同的载体。

传导电子有可能从s-壳层向d-壳层过渡，对电阻带来明显影响。另外，在

时，s态电子在d态电子上的散射将变得很可观。

因此，金属室温以上的线性关系被破坏。过渡族金属第10页，共28页。金属多晶型转变

多晶型金属的不同结构具有不同的物理性质，电阻温度系数也不同，电阻率随温度变化将发生突变。（3）铁磁金属的电阻-温度关系反常

铁磁材料随温度的变化，在一定温度下发生铁磁-顺磁的磁相转变，从而导致电阻-温度关系反常。第11页，共28页。第12页，共28页。2.受力情况对金属电阻的影响（1）拉力的影响（2）压力的影响

在弹性限度内，单向拉伸或扭转应力能提高金属的电阻率。ρ0

为无负荷电阻率，αγ

应力系数，σ为拉应力。

对于大多数金属，压力能降低金属的电阻率。第13页，共28页。ρ0

为真空下电阻率，φ

压力系数，为负值，p为拉应力。

在高压下，原子间距缩小，内部缺陷的形态、电子结构、费米面、能带结构及电子散射机制等都发生了变化，从而影响材料的导电性，甚至可能导致物质的金属化。发生从绝缘体→半导体→金属→超导体的某些转变。但一些碱金属、碱土金属和第ν族的半金属元素出现反常。第14页，共28页。第15页，共28页。3.冷加工对金属电阻的影响

冷加工的形变使金属的电阻率提高。4.晶格缺陷对金属电阻的影响

晶格缺陷使金属的电阻率提高。5.热处理对金属电阻的影响

冷加工后，再退火，可使电阻降低。当退火温度接近于再结晶温度时，可降低到冷加工前的水平。

但当退火温度高于再结晶温度时，电阻反而增大。新晶粒的晶界阻碍了电子的运动。

淬火能够固定金属在高温时的空位浓度，而产生残余电阻。淬火温度越高，残余电阻越大。第16页，共28页。6.几何尺寸效应对金属电阻的影响

当试样的尺寸与导电电子的平均自由程在同一数量级时，电子在表面发生散射，产生附加电阻。第17页，共28页。7.电阻率的各向异性

一般立方晶系的单晶体电阻表现为各向同性，但对称性较差的六方、四方、斜方等晶系单晶体的导电性表现为各向异性。

多晶体各向同性。第18页，共28页。2.5合金的导电性固溶体的导电性1.固溶体的电阻与组元浓度的关系

在形成固溶体时，与纯组元相比，合金的导电性能降低（电阻增大）。即使是在低导电性的金属溶剂中加入高导电性的金属溶质也是如此。原因主要原因：原子半径差引起的晶格点阵畸变，增加了对电子的散射，使得电阻增大。半径差越大，越明显。（与合金热阻的规律相同）第19页，共28页。另外还有：（1）杂质对理想晶体的局部破坏。（2）合金化对能带结构起了作用，改变了电子能态的密度和有效电子数。（3）合金化影响了弹性常数，点阵振动的声子谱改变。

在连续固溶体中，合金成分距组元越远，电阻率越高。在二元合金中，最大电阻率一般出现在50%浓度处，而且比组元电阻高几倍。第20页，共28页。2.固溶体电阻与温度的关系

固溶体中加热时，电阻率通常增大，但其电阻温度系数与纯金属相比降低，电阻率随成分而变。低浓度时电阻率为：ρT

为溶剂组元的电阻率，ρ，为残余电阻率。C为杂质原子含量，ξ

为溶入1%杂质原子时引起的附加电阻率。第21页，共28页。

附加电阻率ξ

的大小取决于溶剂和溶质金属的价数，原子价差别越大，ξ

越大。a、b为常数，ZZ、

ZJ分别为溶质和溶剂的原子价数。3.有序固溶体（超结构）的电阻

合金有序化时，电阻降低。第22页，共28页。主要原因：晶体的离子势场在有序化后对称性增强，对电子的散射几率大大降低，使得有序合金的残余电阻减小。第23页，共28页。4.不均匀固溶体（K状态）的电阻

大多固溶体在冷加工和退火时具有与纯金属同样的规律。即冷加工使得电阻增大、退火使得电阻减小。

但有一些含有过渡族金属元素的合金Ni-Cr，Ni-Cu等，具有在经过冷加工电阻减小、退火后电阻增大的反常状态，这种反常状态称为K状态。

由于组元原子在晶体中不均匀分布的结果。冷加工在一定程度上促使固溶体不均匀组织的破坏，电阻减小。而之后的退火又使其组织恢复到原来状态。第24页，共28页。金属化合物的导电性

两种金属的原子形成化合物时，由于原子键合的方式发生本质变化，使得化合物的电阻较固溶体大大增大，接近于半导体的导电性。原因

部分结合方式由金属键变为共价键或离子键。第25页，共28页。2.6导电性的测量

利用欧姆定律和一些测试方法，对材料的电阻进行精确测量。导体电阻的测量1.单电桥（惠斯通电桥）法2.双电桥（开尔文电桥）法3.直流电位差计测