第二章材料的電學性能ppt課件

1、金屬導電的機制：金屬導電的機制： 在外電場的作用下，自由電子以波動的形式在晶在外電場的作用下，自由電子以波動的形式在晶體點陣中定向傳播。體點陣中定向傳播。 在外電場的作用下，自由電子在導體中定向移動。在外電場的作用下，自由電子在導體中定向移動。經(jīng)典理論經(jīng)典理論量子理論量子理論2.4.1 金屬導電的機制與馬基申定律金屬導電的機制與馬基申定律根據(jù)量子電子論和能帶理論得出電導率計算公式：根據(jù)量子電子論和能帶理論得出電導率計算公式：*n em 22 e 電子的電荷量，電子的電荷量，n* 單位體積內(nèi)的有效電子數(shù)，單位體積內(nèi)的有效電子數(shù)，m*電子的有效質(zhì)量，電子的有效質(zhì)量，電子兩次相鄰散射的時間間隔。電子

2、兩次相鄰散射的時間間隔。L / v 令：令：/ L 1（散射系數(shù)）（散射系數(shù)）其中：其中：*m vm vn eLn e 221212則電阻率為：則電阻率為：電阻的本質(zhì)電阻的本質(zhì) 電子波在晶體點陣中傳播時，受到散射，從而產(chǎn)電子波在晶體點陣中傳播時，受到散射，從而產(chǎn)生阻礙作用，降低了導電性。生阻礙作用，降低了導電性。 電子波在絕對零度下，通過一個理想點陣時，將電子波在絕對零度下，通過一個理想點陣時，將不會受到散射，無阻礙傳播，電阻率為不會受到散射，無阻礙傳播，電阻率為0。電阻產(chǎn)生電阻產(chǎn)生的機制的機制（3晶體點陣的完整性被破壞存在雜質(zhì)原子、晶晶體點陣的完整性被破壞存在雜質(zhì)原子、晶 體缺陷等），對電子

3、波產(chǎn)生散射。體缺陷等），對電子波產(chǎn)生散射。（1晶體點陣離子的熱振動聲子），對電子波產(chǎn)晶體點陣離子的熱振動聲子），對電子波產(chǎn) 生散射。生散射。（2晶體點陣電子的熱振動，對電子波產(chǎn)生散射。晶體點陣電子的熱振動，對電子波產(chǎn)生散射。原因原因1）、（）、（2產(chǎn)生，產(chǎn)生，0K時為時為0。電阻電阻基本電阻：基本電阻：殘余電阻：殘余電阻： 原因原因3產(chǎn)生，產(chǎn)生，0K時的電阻。時的電阻。馬基申定律馬基申定律C(T ) 金屬固溶體金屬固溶體電阻率：電阻率：基本電阻率基本電阻率(T)：由熱運動引起，與溫度有關。：由熱運動引起，與溫度有關。殘余電阻率殘余電阻率C：決定于化學缺陷和物理缺陷，：決定于化學缺陷和物理缺陷，

4、 與溫度無關。與溫度無關。2.4.2 影響金屬導電性的原因影響金屬導電性的原因1. 溫度對金屬電阻的影響溫度對金屬電阻的影響（1一般規(guī)律一般規(guī)律其大小決定于晶體缺陷的類型和數(shù)量。其大小決定于晶體缺陷的類型和數(shù)量。C 00 K 時：時：極低溫時：電子散射占主要地位，聲子散射很弱，基極低溫時：電子散射占主要地位，聲子散射很弱，基 本電阻與溫度的平方成正比。本電阻與溫度的平方成正比。( T 2 K ) ee(T )T 2 隨著溫度的升高，聲子散射散射作用逐漸增強，隨著溫度的升高，聲子散射散射作用逐漸增強，并占據(jù)主導地位。并占據(jù)主導地位。 根據(jù)德拜理論，原子熱振動存在兩個規(guī)律性區(qū)域，根據(jù)德拜理論，原子

5、熱振動存在兩個規(guī)律性區(qū)域，區(qū)分區(qū)域的溫度被稱為德拜溫度區(qū)分區(qū)域的溫度被稱為德拜溫度D。DD(T )T()() 5時：時：DT DT 時：時：DD(T )T()() 電阻率隨溫度的變化規(guī)律：電阻率隨溫度的變化規(guī)律：(T )(TTT) 2301對于非過渡族金屬：對于非過渡族金屬： D 500 K，當，當 T 2/3 D 時，時， 可略去高次項，具有線性關系。可略去高次項，具有線性關系。 （室溫以上）（室溫以上）(T )(T ) 01TT 00電阻溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù)室溫以上室溫以上 純金屬的電阻溫度系數(shù)大多近似為純金屬的電阻溫度系數(shù)大多近似為 ，過渡族金屬特別是磁性金屬較大，如鐵的值為過渡族金屬特

6、別是磁性金屬較大，如鐵的值為（2過渡族金屬和多晶型轉(zhuǎn)變過渡族金屬和多晶型轉(zhuǎn)變 在過渡族金屬中電阻與溫度的關系復雜，在過渡族金屬中電阻與溫度的關系復雜，Mott認認為這是由于過渡族金屬中存在著不同的載體。為這是由于過渡族金屬中存在著不同的載體。 傳導電子有可能從傳導電子有可能從 s- 殼層向殼層向 d- 殼層過渡，對電阻殼層過渡，對電阻帶來明顯影響。另外，在帶來明顯影響。另外，在 時，時，s態(tài)電子在態(tài)電子在 d 態(tài)電子上的散射將變得很可觀。態(tài)電子上的散射將變得很可觀。DT 3410 3610 因而，金屬室溫以上的線性關系被破壞。因而，金屬室溫以上的線性關系被破壞。過渡族金屬過渡族金屬金屬多晶型轉(zhuǎn)

7、變金屬多晶型轉(zhuǎn)變 多晶型金屬的不同結(jié)構具有不同的物理性質(zhì)，電多晶型金屬的不同結(jié)構具有不同的物理性質(zhì)，電阻溫度系數(shù)也不同，電阻率隨溫度變化將發(fā)生突變。阻溫度系數(shù)也不同，電阻率隨溫度變化將發(fā)生突變。（3鐵磁金屬的電阻鐵磁金屬的電阻-溫度關系反常溫度關系反常 鐵磁材料隨溫度的變化，在一定溫度下發(fā)生鐵磁鐵磁材料隨溫度的變化，在一定溫度下發(fā)生鐵磁-順磁的磁相轉(zhuǎn)變，從而導致電阻順磁的磁相轉(zhuǎn)變，從而導致電阻-溫度關系反常。溫度關系反常。2. 受力情況對金屬電阻的影響受力情況對金屬電阻的影響（1拉力的影響拉力的影響（2壓力的影響壓力的影響 在彈性限度內(nèi)，單向拉伸或扭轉(zhuǎn)應力能提高金屬在彈性限度內(nèi)，單向拉伸或扭轉(zhuǎn)

8、應力能提高金屬的電阻率。的電阻率。() 010 為無負荷電阻率，為無負荷電阻率， 應力系數(shù)，應力系數(shù)，為拉應力。為拉應力。 對于大多數(shù)金屬，壓力能降低金屬的電阻率。對于大多數(shù)金屬，壓力能降低金屬的電阻率。(p ) 010 為真空下電阻率，為真空下電阻率， 壓力系數(shù)，為負值，壓力系數(shù)，為負值，p為拉應力。為拉應力。 在高壓下，原子間距縮小，內(nèi)部缺陷的形態(tài)、電在高壓下，原子間距縮小，內(nèi)部缺陷的形態(tài)、電子結(jié)構、費米面、能帶結(jié)構及電子散射機制等都發(fā)生子結(jié)構、費米面、能帶結(jié)構及電子散射機制等都發(fā)生了變化，從而影響材料的導電性，甚至可能導致物質(zhì)了變化，從而影響材料的導電性，甚至可能導致物質(zhì)的金屬化。的金屬

9、化。發(fā)生從絕緣體發(fā)生從絕緣體半導體半導體金屬金屬 超導體的某些轉(zhuǎn)變超導體的某些轉(zhuǎn)變 。 但一些堿金屬、堿土金屬和第但一些堿金屬、堿土金屬和第族的半金屬元素族的半金屬元素 出出現(xiàn)反?！，F(xiàn)反常。3. 冷加工對金屬電阻的影響冷加工對金屬電阻的影響 冷加工的形變使金屬的電阻率提高。冷加工的形變使金屬的電阻率提高。4. 晶格缺陷對金屬電阻的影響晶格缺陷對金屬電阻的影響 晶格缺陷使金屬的電阻率提高。晶格缺陷使金屬的電阻率提高。5. 熱處理對金屬電阻的影響熱處理對金屬電阻的影響 冷加工后，再退火，可使電阻降低。當退火溫度冷加工后，再退火，可使電阻降低。當退火溫度接近于再結(jié)晶溫度時，可降低到冷加工前的水平。接

10、近于再結(jié)晶溫度時，可降低到冷加工前的水平。 但當退火溫度高于再結(jié)晶溫度時，電阻反而增大。但當退火溫度高于再結(jié)晶溫度時，電阻反而增大。新晶粒的晶界阻礙了電子的運動。新晶粒的晶界阻礙了電子的運動。 淬火能夠固定金屬在高溫時的空位濃度，而產(chǎn)生殘淬火能夠固定金屬在高溫時的空位濃度，而產(chǎn)生殘余電阻。淬火溫度越高，殘余電阻越大。余電阻。淬火溫度越高，殘余電阻越大。6. 幾何尺寸效應對金屬電阻的影響幾何尺寸效應對金屬電阻的影響 當試樣的尺寸與導電電子的平均自由程在同一數(shù)當試樣的尺寸與導電電子的平均自由程在同一數(shù)量級時，電子在表面發(fā)生散射，產(chǎn)生附加電阻。量級時，電子在表面發(fā)生散射，產(chǎn)生附加電阻。7. 電阻率的

11、各向異性電阻率的各向異性 一般立方晶系的單晶體電阻表現(xiàn)為各向同性，但一般立方晶系的單晶體電阻表現(xiàn)為各向同性，但對稱性較差的六方、四方、斜方等晶系單晶體的導電對稱性較差的六方、四方、斜方等晶系單晶體的導電性表現(xiàn)為各向異性。性表現(xiàn)為各向異性。 多晶體各向同性。多晶體各向同性。2.5.1 固溶體的導電性固溶體的導電性1. 固溶體的電阻與組元濃度的關系固溶體的電阻與組元濃度的關系 在形成固溶體時，與純組元相比，合金的導電在形成固溶體時，與純組元相比，合金的導電性能降低電阻增大）。即使是在低導電性的金屬性能降低電阻增大）。即使是在低導電性的金屬溶劑中加入高導電性的金屬溶質(zhì)也是如此。溶劑中加入高導電性的金

12、屬溶質(zhì)也是如此。原因原因主要原因：原子半徑差引起的晶格點陣畸變，增加了主要原因：原子半徑差引起的晶格點陣畸變，增加了 對電子的散射，使得電阻增大。半徑差越對電子的散射，使得電阻增大。半徑差越 大，越明顯。（與合金熱阻的規(guī)律相同）大，越明顯。（與合金熱阻的規(guī)律相同）另外還有：（另外還有：（1雜質(zhì)對理想晶體的局部破壞。雜質(zhì)對理想晶體的局部破壞。 （2合金化對能帶結(jié)構起了作用，改變了合金化對能帶結(jié)構起了作用，改變了 電子能態(tài)的密度和有效電子數(shù)。電子能態(tài)的密度和有效電子數(shù)。 （3合金化影響了彈性常數(shù)，點陣振動的合金化影響了彈性常數(shù)，點陣振動的 聲子譜改變。聲子譜改變。 在連續(xù)固溶體中，合金在連續(xù)固溶體

13、中，合金成分距組元越遠，電阻率越成分距組元越遠，電阻率越高。在二元合金中，最大電高。在二元合金中，最大電阻率一般出現(xiàn)在阻率一般出現(xiàn)在 50% 濃度濃度處，而且比組元電阻高幾倍。處，而且比組元電阻高幾倍。2. 固溶體電阻與溫度的關系固溶體電阻與溫度的關系 固溶體中加熱時，電阻率通常增大，但其電阻溫固溶體中加熱時，電阻率通常增大，但其電阻溫度系數(shù)與純金屬相比降低，電阻率隨成分而變。度系數(shù)與純金屬相比降低，電阻率隨成分而變。低濃度時電阻率為：低濃度時電阻率為：T T 為溶劑組元的電阻率，為溶劑組元的電阻率， 為殘余電阻率。為殘余電阻率。c C 為雜質(zhì)原子含量，為雜質(zhì)原子含量， 為溶入為溶入1%雜質(zhì)原

14、子時引起的雜質(zhì)原子時引起的附加電阻率。附加電阻率。 附加電阻率附加電阻率 的大小取決于溶劑和溶質(zhì)金屬的價數(shù)，的大小取決于溶劑和溶質(zhì)金屬的價數(shù)，原子價差別越大，原子價差別越大， 越大。越大。ZJab( ZZ) 2 a、b 為常數(shù)，為常數(shù)，ZZ 、 ZJ 分別為溶質(zhì)和溶劑的原子分別為溶質(zhì)和溶劑的原子價數(shù)。價數(shù)。3. 有序固溶體超結(jié)構的電阻有序固溶體超結(jié)構的電阻 合金有序化時，電阻降低。合金有序化時，電阻降低。主要原因：晶體的離子勢場在有序化后對稱性增強，主要原因：晶體的離子勢場在有序化后對稱性增強， 對電子的散射幾率大大降低，使得有序合對電子的散射幾率大大降低，使得有序合 金的殘余電阻減小。金的殘

15、余電阻減小。4. 不均勻固溶體（不均勻固溶體（ K 狀態(tài)的電阻狀態(tài)的電阻 大多固溶體在冷加工和退火時具有與純金屬同樣的大多固溶體在冷加工和退火時具有與純金屬同樣的規(guī)律。即冷加工使得電阻增大、退火使得電阻減小。規(guī)律。即冷加工使得電阻增大、退火使得電阻減小。 但有一些含有過渡族金屬元素的合金但有一些含有過渡族金屬元素的合金Ni-Cr，Ni-Cu等，具有在經(jīng)過冷加工電阻減小、退火后電阻增大的反等，具有在經(jīng)過冷加工電阻減小、退火后電阻增大的反常狀態(tài)，這種反常狀態(tài)稱為常狀態(tài)，這種反常狀態(tài)稱為K 狀態(tài)。狀態(tài)。 由于組元原子在晶體中不均勻分布的結(jié)果。冷加工由于組元原子在晶體中不均勻分布的結(jié)果。冷加工在一定程

16、度上促使固溶體不均勻組織的破壞，電阻減小。在一定程度上促使固溶體不均勻組織的破壞，電阻減小。而之后的退火又使其組織恢復到原來狀態(tài)。而之后的退火又使其組織恢復到原來狀態(tài)。2.5.2 金屬化合物的導電性金屬化合物的導電性 兩種金屬的原子形成化合物兩種金屬的原子形成化合物時，由于原子鍵合的方式發(fā)生時，由于原子鍵合的方式發(fā)生本質(zhì)變化，使得化合物的電阻本質(zhì)變化，使得化合物的電阻較固溶體大大增大，接近于半較固溶體大大增大，接近于半導體的導電性。導體的導電性。原因原因 部分結(jié)合方式由金屬鍵變?yōu)椴糠纸Y(jié)合方式由金屬鍵變?yōu)楣矁r鍵或離子鍵。共價鍵或離子鍵。 利用歐姆定律和一些測試方法，對材料的電阻進行利用歐姆定律和

17、一些測試方法，對材料的電阻進行精確測量。精確測量。2.6.1 導體電阻的測量導體電阻的測量1. 單電橋惠斯通電橋法單電橋惠斯通電橋法2. 雙電橋開爾文電橋法雙電橋開爾文電橋法3. 直流電位差計測量法直流電位差計測量法 材料的電阻對材料的成分、結(jié)構和組織變化很敏感，材料的電阻對材料的成分、結(jié)構和組織變化很敏感，故可利用測量電阻的方法，間接對材料的成分、結(jié)構和故可利用測量電阻的方法，間接對材料的成分、結(jié)構和組織變化進行分析。較多的被用于對合金的研究。組織變化進行分析。較多的被用于對合金的研究。2.7.1 研究合金的時效性研究合金的時效性合金的合金的時效性時效性 均勻固溶的合金隨著時間的變化，其均勻

18、固溶的合金隨著時間的變化，其組織結(jié)構發(fā)生變化。組織結(jié)構發(fā)生變化。伴隨電阻改變。伴隨電阻改變。電阻隨時間的增長而增大。電阻隨時間的增長而增大。1.低溫時效：低溫時效：原因：原因：低溫時，均勻固溶體隨著時間的增加，低溫時，均勻固溶體隨著時間的增加，溶質(zhì)原子在晶格點陣中發(fā)生優(yōu)勢偏聚，溶質(zhì)原子在晶格點陣中發(fā)生優(yōu)勢偏聚，乃至形成小的晶核等結(jié)構缺陷。使得電乃至形成小的晶核等結(jié)構缺陷。使得電阻增大。阻增大。2.高溫時效：高溫時效：電阻隨時間的增長而減小。電阻隨時間的增長而減小。原因：原因：高溫時，均勻固溶體隨著時間的增加，高溫時，均勻固溶體隨著時間的增加，從固溶體中析出一些有序相，降低了溶從固溶體中析出一些有序相，降低了溶質(zhì)濃度。使得電阻降低。質(zhì)濃度。使得電阻降低。l合金時效往往伴隨脫溶過程，從而使電阻發(fā)生顯著的變化。低溫時效電阻升高是由于時效初期形成了極細的彌散分布區(qū)即G.P區(qū)，使導電電子發(fā)生了散射。l高溫時效使電阻降低，是由于從固溶體中析出了CuAl2相降低了溶質(zhì)的含量，使點陣畸變減小，溶質(zhì)點陣的對稱性得到了恢復。2