第三章-材料的電學(xué)性能-材料物理性能課件

在許多情況下，材料的導(dǎo)電性能比材料的力學(xué)性能還要重要。導(dǎo)電材料、電阻材料、電熱材料、半導(dǎo)體材料、超導(dǎo)材料和絕緣材料都是以材料的導(dǎo)電性能為基礎(chǔ)。第三章材料的電學(xué)性能長(zhǎng)距離傳輸電力的金屬導(dǎo)線應(yīng)該具有很高的導(dǎo)電性，以減少由于電線發(fā)熱造成的電力損失。陶瓷和高分子的絕緣材料必須具有不導(dǎo)電性以防止產(chǎn)生短路或電弧。作為太陽(yáng)能電池的半導(dǎo)體對(duì)其導(dǎo)電性能的要求更高，以追求盡可能高的太陽(yáng)能利用效率。

電學(xué)性能包括：導(dǎo)電性能、超導(dǎo)電性、介電性、鐵電性、熱電性、接觸電性、磁電性、光電性。

本章主要討論材料產(chǎn)生電學(xué)性能的機(jī)理，影響材料電學(xué)性能的因素，測(cè)量材料各類電學(xué)性能參數(shù)的方法以及不同電學(xué)性能材料的應(yīng)用等。

3.1金屬的導(dǎo)電性

電阻率

電導(dǎo)率電阻率和電導(dǎo)率都與材料的尺寸無(wú)關(guān)，而只決定于它們的性質(zhì)，因此是物質(zhì)的本征參數(shù)，可用來(lái)作為表征材料導(dǎo)電性的尺度。一、電阻和導(dǎo)電的基本概念4

根據(jù)材料導(dǎo)電性能好壞，可把材料分為：導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體:ρ＜10-5Ω?m:10-3Ω?m＜

ρ＜109Ω?m:ρ＞109Ω?m不同材料的導(dǎo)電能力相差很大，這是由它們的結(jié)構(gòu)與導(dǎo)電本質(zhì)所決定的。造成材料導(dǎo)電性差異的主要原因:能帶結(jié)構(gòu)及其被電子填充的性質(zhì)有關(guān)。二、金屬的導(dǎo)電機(jī)制

1900年特魯?shù)拢≒.Drude）首先提出用金屬中自由電子的運(yùn)動(dòng)來(lái)解釋金屬導(dǎo)電性問(wèn)題，以后洛倫茲進(jìn)一步發(fā)展了特魯?shù)碌母拍?，建立了金屬的?jīng)典電子理論。1.經(jīng)典電子理論金屬中的正離子按一定的方式排列為晶格；從原子中分離出來(lái)的外層電子成為自由電子；自由電子的性質(zhì)與理想氣體中的分子相似，形成自由電子氣；在電場(chǎng)作用下，大量自由電子的定向漂移形成電流。在自由電子定向運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，不斷與正離子碰撞，形成電阻。++++++++++++++++++++++++++++++金屬中的離子與自由電子示意圖大量自由電子的統(tǒng)計(jì)平均，就是以平均定向漂移速度逆著電場(chǎng)線漂移。當(dāng)金屬中有電場(chǎng)時(shí)，每個(gè)自由電子都因受到電場(chǎng)力的作用而加速，即在無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)上疊加一個(gè)定向運(yùn)動(dòng)。自由電子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中頻繁地與晶格碰撞，碰后電子向各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的幾率相等。因此可認(rèn)為每個(gè)電子在相鄰兩次碰撞間做初速為零勻加速直線運(yùn)動(dòng)。從金屬的電子理論導(dǎo)出歐姆定律的微分形式設(shè)導(dǎo)體內(nèi)的恒定場(chǎng)強(qiáng)為，則電子的加速度為電子兩次碰撞的時(shí)間間隔為t

，上次碰撞后的初速度為，則統(tǒng)計(jì)平均后，初速度的平均值為零，則平均時(shí)間間隔等于平均自由程除以平均速率則平均漂移速度電流密度為其中，電導(dǎo)率為：

從金屬的經(jīng)典電子理論導(dǎo)出了歐姆定律的微分形式，而且得到了電導(dǎo)率的表達(dá)式。

從電導(dǎo)率表達(dá)式知：電導(dǎo)率與自由電子的數(shù)量成正比，與電子的平均自由程成正比。金屬的經(jīng)典電子理論的缺陷

按照氣體動(dòng)力學(xué)，電阻率應(yīng)與熱力學(xué)溫度的平方根成正比，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果電阻率與熱力學(xué)溫度成正比。

金屬的經(jīng)典電子理論的主要缺陷是把適用于宏觀物體的牛頓定律應(yīng)用到微觀的電子運(yùn)動(dòng)中，并且承認(rèn)能量的連續(xù)性。

根據(jù)此理論，自由電子數(shù)量越多導(dǎo)電性應(yīng)當(dāng)越好，事實(shí)卻是二、三價(jià)金屬的價(jià)電子雖比一價(jià)金屬的多，但導(dǎo)電性反而比一價(jià)金屬的差。

這一理論不能解釋超導(dǎo)現(xiàn)象的產(chǎn)生。2、量子自由電子理論物理學(xué)家普朗克發(fā)現(xiàn)，能量的傳遞不是連續(xù)的，而是以一個(gè)一個(gè)的能量單位傳遞的。這種最小能量單位被稱作能量子（簡(jiǎn)稱量子）。

在現(xiàn)代量子理論中，任何物質(zhì)都有波動(dòng)性和粒子性。而且位置和速度都不可能同時(shí)被準(zhǔn)確的測(cè)量，只能用概率來(lái)描述。量子論認(rèn)為：正離子形成的電場(chǎng)是均勻的；價(jià)電子具有不同的能級(jí)。

“量子理論”之父

1918年獲諾貝爾獎(jiǎng)。運(yùn)動(dòng)著的電子作為物質(zhì)波，其頻率和波長(zhǎng)與電子的運(yùn)動(dòng)速度或動(dòng)量之間有如下關(guān)系：一價(jià)金屬中自由電子的動(dòng)能：E=mv2/2為常數(shù)稱為波數(shù)頻率表征金屬中自由電子可能具有的能量狀態(tài)的參數(shù)不加電場(chǎng)時(shí)E-K關(guān)系曲線曲線對(duì)稱分布：沿正、反方向運(yùn)動(dòng)的電子數(shù)量相同，沒(méi)有電流產(chǎn)生。從粒子的觀點(diǎn)看，曲線表示自由電子的能量與速度（動(dòng)量）之間的關(guān)系。從波動(dòng)的觀點(diǎn)看，曲線表示電子的能量和波數(shù)之間的關(guān)系。價(jià)電子具有不同的能量狀態(tài)14電場(chǎng)對(duì)E-K關(guān)系曲線的影響外電場(chǎng)使向著其正向運(yùn)動(dòng)的電子能量降低，反向運(yùn)動(dòng)的電子能量升高。由于能量變化，使部分能量較高的電子轉(zhuǎn)向電場(chǎng)正向運(yùn)動(dòng)的能級(jí)，從而使正反向運(yùn)動(dòng)的電子數(shù)不等，使金屬導(dǎo)電。也就是說(shuō)，不是所有的電子都參與導(dǎo)電，而是只有處于較高能級(jí)的電子參與導(dǎo)電。15量子自由電子理論電阻的產(chǎn)生實(shí)際金屬內(nèi)部還存在著缺陷和雜質(zhì)，產(chǎn)生的靜態(tài)點(diǎn)陣畸變和熱振動(dòng)引起的動(dòng)態(tài)點(diǎn)陣畸變，對(duì)電子波造成散射而形成電阻。而對(duì)于一個(gè)純的理想的完整晶體，0K時(shí)，電子波的傳播不受阻礙，形成無(wú)阻傳播，電阻為零，導(dǎo)致所謂的超導(dǎo)現(xiàn)象。離子在晶格點(diǎn)附近不斷的熱振動(dòng)，偏離了晶格格點(diǎn)，這種偏離引起晶格對(duì)電子的散射，稱為晶格散射。16量子自由電子理論導(dǎo)出的電導(dǎo)率根據(jù)能量按自由度均分原理，晶格振動(dòng)時(shí)的平均勢(shì)能與絕對(duì)溫度成正比，即有：容易想象溫度越高，x2越大振幅愈大，振動(dòng)愈激烈，因而對(duì)周期場(chǎng)擾動(dòng)愈甚，電子愈容易被散射，故有：散射幾率p與x2成正比，可得出：R∝ρ∝p∝x2∝T。即電阻R與絕對(duì)溫度T成正比。這樣就解決了經(jīng)典電子理論長(zhǎng)期得不到定量解釋的困難。量子理論的局限性：此理論雖然較好地解釋了金屬導(dǎo)電的本質(zhì)，但它假定金屬中的離子所產(chǎn)生的勢(shì)場(chǎng)是均勻的，與實(shí)際情況有一定的差距。183、能帶理論△單個(gè)原子的能級(jí)是分立的，當(dāng)固體中N個(gè)原子緊密排列時(shí)，外層電子就不再僅受原來(lái)所屬原子的作用，還要受到其他原子的作用,這使原來(lái)同一大小的能級(jí)彼此數(shù)值上就有小的差異。原子結(jié)合成晶體時(shí)，原子最外層的價(jià)電子受束縛最弱，它同時(shí)受到原來(lái)所屬原子和其他原子的共同作用，已很難區(qū)分究竟屬于哪個(gè)原子，實(shí)際上是被晶體中所有原子所共有，稱為共有化。原子間距減小時(shí)，孤立原子的每個(gè)能級(jí)將演化成由密集能級(jí)組成的準(zhǔn)連續(xù)能帶。同自由電子理論一樣，也認(rèn)為金屬中的價(jià)電子是公有化和能量是量子化的，所不同的是，它認(rèn)為金屬中由離子所造成的勢(shì)場(chǎng)不是均勻的，而是呈周期性變化的，能帶理論就是研究金屬中的價(jià)電子在周期勢(shì)場(chǎng)作用下的能量分布問(wèn)題的。

電子在周期勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，隨著位置的變化，它的能量也呈周期變化，即接近正離子時(shí)勢(shì)能降低，離開(kāi)時(shí)勢(shì)能增高。這樣價(jià)電子在金屬中的運(yùn)動(dòng)就不能看成是完全自由的。20由右圖可以看到：當(dāng)-K1<K<K1時(shí)，曲線按拋物線規(guī)律連續(xù)變化；當(dāng)K=K1時(shí)，只要波數(shù)稍微增大，能量便從A跳到B，存在能隙；同樣，當(dāng)K=K2時(shí)，也存在能隙。周期場(chǎng)中電子運(yùn)動(dòng)的E-K曲線及能帶由于周期場(chǎng)的影響，從而形成電子能夠占據(jù)的能量區(qū)域稱為允帶；不允許電子占據(jù)的能量區(qū)域稱為禁帶。允帶與禁帶相互交替，形成了材料的能帶結(jié)構(gòu)。禁帶寬窄取決于周期勢(shì)場(chǎng)的變化幅度，變化越大，則禁帶越寬。能帶結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電機(jī)理：由于周期場(chǎng)的影響，使得價(jià)電子在金屬中以不同能量狀態(tài)分布的能帶發(fā)生分裂，也就是說(shuō)，有些能態(tài)是電子不能取值的。能帶理論的術(shù)語(yǔ)滿帶：允帶中所有的能級(jí)均被電子占據(jù)。

允帶:允許電子能量存在的能量范圍。

禁帶：禁止電子能量存在的能量范圍，即滿帶頂和導(dǎo)帶底之間的能量間隔叫做禁帶。

導(dǎo)帶：由未充滿電子的能級(jí)所形成的高能量能帶,即具有空能級(jí)的允帶。

導(dǎo)帶中的電子是自由的，在外電場(chǎng)作用下參與導(dǎo)電。導(dǎo)體、半導(dǎo)體與絕緣體的區(qū)別價(jià)帶導(dǎo)帶金屬導(dǎo)體的能帶分布特點(diǎn):無(wú)禁帶第一種：價(jià)帶和導(dǎo)帶重疊。第二種：價(jià)帶未被價(jià)電子填滿，價(jià)帶本身就是導(dǎo)帶。價(jià)帶（導(dǎo)帶）

這兩種情況下的價(jià)電子就是自由電子，所以金屬即使在溫度較低的情況下仍有大量的自由電子，具有很強(qiáng)的導(dǎo)電能力。導(dǎo)體和非導(dǎo)體的區(qū)別在絕對(duì)零度時(shí)，滿價(jià)帶和空導(dǎo)帶，基本無(wú)導(dǎo)電能力。非導(dǎo)體的能帶分布特點(diǎn):有禁帶半導(dǎo)體和絕緣體的區(qū)別禁帶寬度的大小。半導(dǎo)體：禁帶寬度小。絕緣體：禁帶寬度大。價(jià)帶導(dǎo)帶價(jià)帶導(dǎo)帶禁帶ΔE禁帶ΔE金剛石ΔE=6eV硅ΔE=1.1eV絕緣體半導(dǎo)體半導(dǎo)體和絕緣體的能帶分布情況:半導(dǎo)體:

禁帶寬度小。在室溫下，一部分價(jià)電子能獲得大于禁帶寬度的能量ΔE，躍遷到導(dǎo)帶中去，成為自由電子，同時(shí)在價(jià)帶中形成空穴，這樣就使半導(dǎo)體具有一些導(dǎo)電能力。絕緣體:

禁帶寬度大。在室溫下，幾乎沒(méi)有價(jià)電子能躍遷到導(dǎo)帶中去，故基本無(wú)自由電子和空穴，所以絕緣體幾乎沒(méi)有導(dǎo)電能力。三、影響金屬導(dǎo)電性的因素晶體點(diǎn)陣的不完整性是引起電子散射的原因，而電阻來(lái)源于晶體對(duì)自由運(yùn)動(dòng)電子的散射，因此電阻具有組織結(jié)構(gòu)敏感性，溫度、形變（應(yīng)力）、合金化、雜質(zhì)均能影響金屬導(dǎo)電性。1、溫度的影響金屬：溫度T↑→ρ↑。原因:T↑對(duì)有效電子數(shù)和電子平均速度幾乎沒(méi)有影響；但T↑→離子振動(dòng)加劇，熱振動(dòng)幅度↑，原子無(wú)序度↑，周期勢(shì)場(chǎng)漲落↑→電子運(yùn)動(dòng)自由程l↓，散射幾率P↑。28在熔點(diǎn)以下，金屬的電阻率隨溫度變化的一般規(guī)律如

右圖所示。

T>ΘD時(shí),ρ∝T;T<ΘD時(shí),ρ∝T6;T→0時(shí),ρ→ρ＇。（理論上T→0,ρ∝T2→0）低溫下“電子－電子”散射對(duì)電阻的貢獻(xiàn)可能是顯著的，但除低溫以外幾乎所有溫度下大多數(shù)金屬的電阻都取決于“電子－聲子”散射。點(diǎn)陣的熱振動(dòng)在不同溫區(qū)存在差異。在各自的溫區(qū)有各自的電阻變化規(guī)律（在T>θD和T<θD是不同的）。形成ρ＇的原因：點(diǎn)陣畸變?cè)斐傻臍埩綦娮枰鸬模娮杪师眩橐怀?shù)。

有些金屬，如Pb,Sn,Hg等在溫度接近絕對(duì)零度以上的某一臨界溫度Tc，ρ→0，這種現(xiàn)象稱為超導(dǎo)現(xiàn)象。金屬熔化時(shí)，由于原子排列規(guī)則性遭到破壞,一般電阻升高1.5-2倍。根據(jù)金屬電阻率-溫度曲線可知，在0℃以上至熔化溫度之前，在t℃下，電阻率-溫度關(guān)系可表示為：電阻溫度系數(shù)(℃-1)

302、冷加工和靜壓力的影響冷加工→晶體點(diǎn)陣畸變，晶體缺陷↑→電場(chǎng)不均勻性↑→對(duì)電子的散射↑→ρ↑。通過(guò)回復(fù)、再結(jié)晶可使材料的電阻率恢復(fù)到冷加工前的狀態(tài)。同樣，淬火后（高溫加熱，快速冷卻，點(diǎn)缺陷來(lái)不及擴(kuò)散消失），材料的點(diǎn)缺陷濃度上升，導(dǎo)致電阻率上升。31在流體靜壓力（可達(dá)1200MPa,12000大氣壓）作用下，大多數(shù)金屬的電阻率下降：原因：由于高壓作用，導(dǎo)致原子間距發(fā)生變化（變?。菇饘賰?nèi)部的電子結(jié)構(gòu)、費(fèi)米能和能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而影響導(dǎo)電性。很高的壓力甚至可以使某些半導(dǎo)體、絕緣體變?yōu)閷?dǎo)體。如S,P,Si,Ge,Se,金剛石等。32一些半導(dǎo)體和絕緣體轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)體的壓力極限元素P極限/GPaρ/μΩ.cmS40Se12.5Si16Ge12I22500H200P2060±20AgO2070±20金剛石603、合金化對(duì)金屬導(dǎo)電性的影響純金屬的導(dǎo)電性與其在周期表中的位置有關(guān)，這是由于不同的能帶結(jié)構(gòu)決定的，而合金的導(dǎo)電性則表現(xiàn)更為復(fù)雜。原因是：加入合金元素，導(dǎo)致點(diǎn)陣畸變；組元間相互作用引起有效電子數(shù)的變化；能帶結(jié)構(gòu)的變化；組織結(jié)構(gòu)的變化。一般固溶體的導(dǎo)電性一般規(guī)律：形成固溶體時(shí)，電阻率升高，導(dǎo)電率下降（即使溶質(zhì)的電阻率低于溶劑的電阻率也是一樣）。在二元合金中，對(duì)于由非過(guò)渡族元素所形成的連續(xù)固溶體，其電阻最大值通常出現(xiàn)在50%原子濃度處。對(duì)于鐵磁性及強(qiáng)順磁性金屬的固溶體，電阻率最大值可能偏離50%處，對(duì)于一個(gè)組元為過(guò)渡族元素的合金，則電阻率最大值偏向過(guò)渡族元素一側(cè)。35對(duì)于低濃度固溶體，其電阻率服從馬基申（Matthissen）經(jīng)驗(yàn)定則（或稱為馬基申定律），即馬基申定律只考慮了點(diǎn)陣畸變的影響，因而只適合于低濃度固溶體，對(duì)于高濃度固溶體，則不適合。4、固溶體的有序化固溶體發(fā)生有序化，其電阻率將明顯下降。原因：(1)點(diǎn)陣規(guī)律性加強(qiáng)，減少對(duì)電子的散射，導(dǎo)致電阻率下降；(2)有序化呈現(xiàn)出一定程度的共價(jià)結(jié)合，使原子間結(jié)合加強(qiáng)，有效電子數(shù)下降，導(dǎo)致電阻率上升。二者相比(1)的作用大于(2),因而有序化導(dǎo)致電阻率下降。從理論上講，完全有序化，合金的電阻率將處于組元電阻率的連線上（即圖中虛線所示），但實(shí)際上，合金很難實(shí)現(xiàn)100%有序化，另外共價(jià)鍵的形成，因而呈現(xiàn)出曲折的形狀。2023/6/6385、不均勻固溶體（K狀態(tài)）的電阻反常正常固溶體K狀態(tài)1高溫淬火后，在加熱過(guò)程中溫度越高電阻越低，超過(guò)一定溫度后，電阻--溫度曲線呈線性變化。高溫淬火后，在加熱過(guò)程中某一溫度區(qū)間具有反常高的電阻變化，超過(guò)一定溫度后，才使電阻--溫度曲線呈線性變化。2高溫淬火樣品的電阻率高于退火樣品。淬火樣品，回火處理電阻率降低。高溫淬火樣品的電阻率低于退火樣品。淬火樣品，回火處理電阻率升高。3退火固溶體經(jīng)冷加工后，電阻率升高。而回火或退火處理將導(dǎo)致電阻率下降。退火固溶體經(jīng)冷加工后，電阻率反而下降。而回火或退火處理將導(dǎo)致電阻率升高。具有上述電阻反?，F(xiàn)象的合金狀態(tài)稱為K狀態(tài)。如Ni-Cr,Ni-Cu-Zn,Fe-Cr-Al,Fe-Ni-Mo,Ag-Mn,Fe-Al等。反常的原因：由于溶質(zhì)和溶劑原子的不均勻分布所造成，即在固溶體中存在原子的偏聚區(qū)，其成分與固溶體的平均成分不同；或者是固溶體中存在著短程有序區(qū)域。上述原子富集區(qū)的尺寸約為幾個(gè)納米，它與電子波的波長(zhǎng)（2nm）相當(dāng)，故能強(qiáng)烈地散射電子，從而導(dǎo)致電阻率升高。凡是能破壞K狀態(tài)的手段，如加熱、加工等均可使電阻率下降。反之，若導(dǎo)致形成K狀態(tài)，則電阻率上升。6、中間相的導(dǎo)電性中間相（金屬化合物）的導(dǎo)電性通常要比其組元的導(dǎo)電性低得多，這是由于金屬鍵部分地為共價(jià)鍵或離子鍵所代替，減少了有效電子數(shù)。由于中間相所處的成分范圍較窄，因此組元成分的極小的偏離便會(huì)引起電阻率的明顯下降。41若形成具有離子性質(zhì)的化合物,可能呈現(xiàn)出半導(dǎo)體特性。電子化合物主要是金屬鍵結(jié)合，其導(dǎo)電性介于固溶體和中間相之間。如Cu-Zn合金：β、γ和ε相均比α固溶體具有較高的電阻率，γ相(Cu3Zn8、Cu9Al4等)的電阻率更大。間隙相通常具有明顯的金屬導(dǎo)電性，如TiC和ZrC是良好的導(dǎo)體，這是由于間隙相具有金屬鍵合特性，而且非金屬（C、H、N）也給出部分價(jià)電子參與傳導(dǎo)電子，導(dǎo)致有效電子數(shù)增加，電阻率下降。中間相電導(dǎo)率σ/S.m-1歐姆的倒數(shù)：西門子電離勢(shì)/eV性質(zhì)Mg2Pb5*1040.23金屬Sb2Zn101.11半導(dǎo)體Mg2Sn100.31半導(dǎo)體7、多相合金的導(dǎo)電性由于導(dǎo)電性是對(duì)組織極為敏感的性能，故多相合金的導(dǎo)電性不僅取決于組成相的導(dǎo)電性及相對(duì)量，而且還取決于組成相的形狀、大小、分布等。兩相片狀組織導(dǎo)電方向?qū)щ姺较?.2導(dǎo)電性的測(cè)量

RXR1R2R4G46測(cè)量原理：設(shè)有一均勻的半導(dǎo)體試樣，其尺寸與探針間距相比可視為無(wú)限大，探針引入點(diǎn)電流源的電流強(qiáng)度為I。因均勻?qū)w內(nèi)恒定電場(chǎng)的等位面為球面，故在半徑為r處等位面的面積為2πr2，則電流密度為j=I/2πr2。電場(chǎng)強(qiáng)度E=j/σ=jρ=Iρ/2πr2,因此，距點(diǎn)電荷r處的電位為V=Iρ/2πr。這就是常用的直流等間距四探針?lè)y(cè)電阻率的公式。若令I(lǐng)=C=2πS，即流過(guò)探針1，4的電流數(shù)值上等于探針系數(shù)，則即從探針2，3上測(cè)得的電壓在數(shù)值上就等于試樣的電阻率。減小測(cè)量區(qū)域以觀察電阻率的不均勻性，四探針不一定都排成一直線，也可排成正方形或矩形，但采用這些排法與直線四探針?lè)úo(wú)原則差別，只需改變公式中的系數(shù)。如正方形四探針?lè)ǎ簡(jiǎn)栴}：正方形四探針?lè)ü饺绾瓮茖?dǎo)出來(lái)的？3.3電阻分析的應(yīng)用電阻法：通過(guò)測(cè)量材料電阻率變化來(lái)研究材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)及缺陷的方法。

優(yōu)點(diǎn)：用電阻分析法來(lái)研究材料的成分、結(jié)構(gòu)和組織變化的靈敏度很高，它能極敏感地反映出材料內(nèi)部的微弱變化。不足：由于影響電阻的因素較多，測(cè)量結(jié)果不易分析。合金的時(shí)效合金的有序－無(wú)序轉(zhuǎn)變固溶體的溶解度淬火鋼的回火研究合金的時(shí)效

研究合金時(shí)效的基礎(chǔ)：合金的時(shí)效（長(zhǎng)時(shí)間的低溫回火）往往伴隨著脫溶(降溫時(shí)從一個(gè)單相過(guò)飽和固溶體轉(zhuǎn)變?yōu)閮上嗷旌衔锏姆纸膺^(guò)程)過(guò)程，從而使電阻發(fā)生顯著的變化，所以電阻分析法是研究合金時(shí)效的最有效方法之一。時(shí)效處理可分為自然時(shí)效和人工時(shí)效兩種。自然時(shí)效是將鑄件置于露天場(chǎng)地半年以上，便其緩緩地發(fā)生形變，從而使殘余應(yīng)力消除或減少，人工時(shí)效是將鑄件加熱到550～650℃進(jìn)行去應(yīng)力退火，它比自然時(shí)效節(jié)省時(shí)間，殘余應(yīng)力去除較為徹底。1.以Al-Cu合金為例：退火（緩慢冷卻）到室溫組織為α+CuAl2（平衡組織）淬火組織（快速冷卻）到室溫組織為過(guò)飽和α固溶體（非平衡組織）Al-Cu合金時(shí)效步驟：1、加熱到α單相區(qū)固溶2、淬水，得到過(guò)飽和α固溶體3、在室溫或加熱時(shí)效：a.析出GP區(qū)（與基體共格）b.析出θ＇（與基體共格）c.析出θ＇（與基體半共格）d.析出CuAl2（與基體非共格），并聚集長(zhǎng)大?；wCu含量減少，電阻下降。鋁合金在180℃時(shí)效5秒鐘，銅原子的偏聚25℃時(shí)效產(chǎn)生的GP區(qū)在215℃保溫時(shí)又溶回到基體中，形成均勻固溶體，電阻下降。2.合金的有序－無(wú)序轉(zhuǎn)變：合金在加熱過(guò)程中存在著有序－無(wú)序轉(zhuǎn)變時(shí)，它的電阻便會(huì)發(fā)生明顯的變化。合金處于無(wú)序狀態(tài)電阻較高，處于有序狀態(tài)電阻較低。因此可以通過(guò)測(cè)量電阻的變化研究合金有序－無(wú)序狀態(tài)的變化。3.測(cè)量固溶體的溶解度

建立狀態(tài)圖往往需要確定溶解度曲線，而溶解度的確定測(cè)量電阻則是一種很有效的方法。測(cè)量方法：1、將不同成分的試樣加熱到略低于共晶（共析）轉(zhuǎn)變溫度t0，保溫足夠的時(shí)間，然后淬火得到過(guò)飽和固溶體。2、把淬火試樣加熱到低于t0的各個(gè)溫度保溫，使組織達(dá)到平衡。3、然后再淬火到室溫測(cè)量電阻率，作出ρ-B％曲線。4、找出轉(zhuǎn)折點(diǎn)對(duì)應(yīng)的濃度，即為各溫度下B在A中的溶解度。4.淬火鋼的回火:淬火鋼再回火時(shí)，馬氏體和奧氏體分解為多相混合組織。(回火過(guò)程中不同溫度下分解過(guò)程是有區(qū)別的，因此電阻率的變化也是不同的，因此可以通過(guò)電阻率的變化來(lái)判斷回火的不同階段)1、110℃馬氏體分解，正方度下降，電阻率降低。含C量越高，馬氏體脫溶分解（電阻率下降）越急劇。2、230℃殘余奧氏體分解，基體C含量減少，電阻率下降。5.材料的疲勞過(guò)程:通過(guò)對(duì)材料電阻的測(cè)量可以反映出材料的應(yīng)力疲勞，這是因材料的應(yīng)力疲勞是內(nèi)部位錯(cuò)的增殖、裂紋的擴(kuò)展等缺陷的發(fā)展過(guò)程。缺陷密度增高、裂紋的形成，使試樣電阻增加。

測(cè)試過(guò)程：可將開(kāi)好缺口的試樣置于可使試樣通過(guò)穩(wěn)恒電流的實(shí)驗(yàn)機(jī)上，并施以周期性載荷。在試樣的缺口兩邊選好探測(cè)點(diǎn)以進(jìn)行電位的測(cè)量，所測(cè)得的電位變化應(yīng)代表缺口區(qū)域電阻的變化，而此變化將顯示著材料疲勞過(guò)程中的電阻變化曲線。施加應(yīng)力疲勞過(guò)程中電阻的變化有4個(gè)階段：1、2階段電阻變化不大；3階段電阻值緩慢增大；4階段電阻增大明顯。探測(cè)點(diǎn)間電位變化和裂紋長(zhǎng)度存在函數(shù)關(guān)系，因此可利用電阻的變化來(lái)檢測(cè)裂紋的緩慢生長(zhǎng)。3.4半導(dǎo)體的電學(xué)性能半導(dǎo)體特點(diǎn):

電阻率(ρ在10-3～109Ω.m)

禁帶寬度Eg在0.2～3.5eV,

其電學(xué)性能總是介于金屬導(dǎo)體ρ<10-5Ω.m,Eg=0)與絕緣體(ρ>109Ω.m,Eg>3.5eV)之間。具有負(fù)電阻溫度系數(shù)。(金屬的電阻溫度系數(shù)？）半導(dǎo)體中電子的能量狀態(tài)－能帶本征半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體PN結(jié)的特性

由于電子能否由價(jià)帶躍遷到空的導(dǎo)帶中，主要取決于能隙的大小。C、Si、Ge、Sn的能隙分別為5.4eV、1.1eV、0.67eV和0.08eV?？梢运愕檬覝兀?7℃）下上述元素中進(jìn)入導(dǎo)帶的電子幾率分別為1.2x10-47、2.5x10-10、1.5x10-6和0.17。故金剛石為絕緣體，錫可算作導(dǎo)體，而硅、鍺即為半導(dǎo)體。一、半導(dǎo)體中電子的能量狀態(tài)－能帶概念：本征半導(dǎo)體－純凈的無(wú)結(jié)構(gòu)缺陷半導(dǎo)體單晶，如單晶Si。導(dǎo)電機(jī)制：在絕對(duì)零度和無(wú)外界影響的條件下，半導(dǎo)體的空帶中無(wú)運(yùn)動(dòng)的電子。當(dāng)溫度升高或受光照射時(shí)，半導(dǎo)體受到熱激發(fā)，滿帶中的部分價(jià)電子由于從外界獲得了能量，躍遷到空帶中，形成自由電子，同時(shí)在價(jià)帶中形成空穴。兩者成對(duì)出現(xiàn)。無(wú)外電場(chǎng)作用，自由電子和空穴運(yùn)動(dòng)無(wú)規(guī)則，不產(chǎn)生電流。加外電場(chǎng)，電子逆電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)，空穴順電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)，形成電流。故自由電子和空穴統(tǒng)稱為載流子。二、本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體的電學(xué)性能本征載流子（自由電子和空穴）濃度相等：遷移率－單位場(chǎng)強(qiáng)下自由電子和空穴的平均漂移速度電流密度－單位面積的電流電阻率和電導(dǎo)率

本征半導(dǎo)體的電學(xué)特性可歸納如下:

本征激發(fā)成對(duì)地產(chǎn)生自由電子和空穴,所以自由電子濃度和空穴濃度相等,都是等于本征載流子的濃度ni。

ni和Eg有近似反比關(guān)系，硅（1.11eV)比鍺(0.67eV)的Eg大，故硅比鍺的ni小。

ni與溫度成近似正比，故溫度升高時(shí)，ni就增大。

ni與原子密度相比時(shí)極小的，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很微弱。三、N型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)元素雜質(zhì)（P、As、Sb等，形成多余價(jià)電子。該多余價(jià)電子能量狀態(tài)較高，在常溫下能進(jìn)入導(dǎo)帶，使自由電子濃度極大提高。五價(jià)元素稱為施主雜質(zhì)（提供多余電子）

N型半導(dǎo)體（電子型半導(dǎo)體）中，自由電子的濃度大，稱為多數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱多子。電流由自由電子產(chǎn)生。本征激發(fā)產(chǎn)生的空穴被自由電子復(fù)合，故空穴的數(shù)量少，稱為少子。N型半導(dǎo)體電導(dǎo)率隨溫度的變化隨溫度的增加，越來(lái)越多的施主雜質(zhì)電子能進(jìn)入導(dǎo)帶，最后直到所有雜質(zhì)電子全部進(jìn)入導(dǎo)帶。當(dāng)達(dá)到這一溫度時(shí)，稱為施主耗盡。此時(shí)電導(dǎo)率為常數(shù)（因?yàn)闇囟忍?，無(wú)本征電子及空穴的導(dǎo)電）。通常選擇在施主耗盡即平臺(tái)溫度的范圍內(nèi)工作。四、P型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)元素雜質(zhì)（B、Al、Ga、In，形成高濃度空穴。在常溫下價(jià)帶中的價(jià)電子能進(jìn)入三價(jià)元素的空穴，而在價(jià)帶在產(chǎn)生空穴。三價(jià)元素稱為受主雜質(zhì)（能接受價(jià)電子）。

P型半導(dǎo)體（空穴型半導(dǎo)體）中，空穴的濃度大，稱為多數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱多子。電流由空穴產(chǎn)生。本征激發(fā)產(chǎn)生的自由電子被空穴復(fù)合，故自由電子的數(shù)量少，稱為少子。

N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體統(tǒng)稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體，與本征半導(dǎo)體相比，具有如下特征：

摻雜濃度與原子密度相比雖很微小，但是卻能使載流子濃度極大地提高，導(dǎo)電能力因而也顯著地增強(qiáng)。摻雜濃度愈大，其導(dǎo)電能力也愈強(qiáng)。

摻雜只是使一種載流子的濃度增加，因此雜質(zhì)半導(dǎo)體主要靠多子導(dǎo)電。當(dāng)摻入五價(jià)元素（施主雜質(zhì)）時(shí)，主要靠自由電子導(dǎo)電；當(dāng)摻入三價(jià)元素（受主雜質(zhì)）時(shí)，主要靠空穴導(dǎo)電。雜質(zhì)半導(dǎo)體的電學(xué)性能五、PN結(jié)的產(chǎn)生及特性

P區(qū)中空穴向N區(qū)擴(kuò)散，在交界面的P區(qū)中只留下三價(jià)摻雜負(fù)離子。N區(qū)中自由電子向P區(qū)擴(kuò)散，在交界面的N區(qū)中只留下五價(jià)摻雜正離子。故在交界面形成空間電荷區(qū)。空間電荷區(qū)形成由N指向P區(qū)的內(nèi)電場(chǎng)和內(nèi)建電位差，阻止空穴和自由電子的擴(kuò)散，最終擴(kuò)散和漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。無(wú)外加電場(chǎng)，PN區(qū)內(nèi)無(wú)電流。PN結(jié)的特性：?jiǎn)蜗驅(qū)щ娦酝饧诱螂妷海琍N區(qū)內(nèi)建電位差減小，空穴和自由電子的擴(kuò)散和漂移的平衡被打破，擴(kuò)散大于漂移，產(chǎn)生P指向N的正向電流。U越大，電流越大。外加反向電壓，PN區(qū)內(nèi)建電位差增大，擴(kuò)散小于漂移，以致于停止。但產(chǎn)生N指向P的反向電流。由于是少子產(chǎn)生，故電流極小。上述機(jī)制形成了PN結(jié)的單向?qū)щ娦?。這是構(gòu)成半導(dǎo)體二極管和三極管的基礎(chǔ)。3.5超導(dǎo)電性一、超導(dǎo)電性的發(fā)現(xiàn)與進(jìn)展低溫下水銀電阻實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的。(荷蘭萊頓大學(xué)的昂尼斯發(fā)現(xiàn)將汞冷卻到-268.98℃，電阻消失，1913年諾貝爾獎(jiǎng)）

超導(dǎo)電性：在一定條件下（溫度、磁場(chǎng)、壓力）材料的電阻突然消失的現(xiàn)象。發(fā)生這一現(xiàn)象的溫度稱為臨界溫度，以Tc表示。材料失去電阻的狀態(tài)稱為超導(dǎo)態(tài)，存在電阻的狀態(tài)稱為正常態(tài)。具有超導(dǎo)態(tài)的材料稱為超導(dǎo)體。近年來(lái)發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)材料并不是傳統(tǒng)上被人們認(rèn)為是良導(dǎo)體的金屬及其合金中，而是在常態(tài)下導(dǎo)電性很差的氧化物體系的陶瓷中。

研究的熱點(diǎn)：常溫超導(dǎo)

二、超導(dǎo)的應(yīng)用

超導(dǎo)熱核反應(yīng)能源、超導(dǎo)磁流體發(fā)電、超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置、無(wú)損耗超導(dǎo)輸電、超導(dǎo)發(fā)電-電動(dòng)機(jī)、強(qiáng)大的電磁鐵及超導(dǎo)磁懸浮列車、磁共振成像儀器等醫(yī)療設(shè)備中均使用了超導(dǎo)材料。 云南昆明－我國(guó)第一組實(shí)用超導(dǎo)電纜。

目前世界上超導(dǎo)磁懸浮列車只有日本擁有（專利），其運(yùn)行時(shí)車體距離軌道高度為8-10cm，但目前還沒(méi)有商業(yè)化運(yùn)行線路。上海的磁懸浮列車是根據(jù)超導(dǎo)原理制造的，其運(yùn)行時(shí)車體距離軌道僅1cm左右高度。

時(shí)速550公里以上日本使用的超導(dǎo)物質(zhì)是將超細(xì)鈮鈦合金多芯線埋入銅母線內(nèi)制成的超導(dǎo)電線，當(dāng)此種超導(dǎo)電線浸入液氦(－269℃)中時(shí)進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)產(chǎn)生強(qiáng)大磁場(chǎng)。超導(dǎo)導(dǎo)線（含2120根微米直徑之鈮鈦合金纖維）超導(dǎo)發(fā)電機(jī)，擁有兩萬(wàn)千瓦的功率核磁共振斷層掃描儀與人體斷層掃描圖