導(dǎo)電材料課件

導(dǎo)電材料1導(dǎo)電材料1一、導(dǎo)電材料簡介

導(dǎo)電材料是指那些具有導(dǎo)電特性的物質(zhì),包括電阻材料、電熱與電光材料、導(dǎo)電與超導(dǎo)材料、半導(dǎo)體材料介電材料、離子導(dǎo)體和導(dǎo)電高分子材料等。

本PPT首先介紹固體導(dǎo)電的基本理論，其次介紹一些新型電阻材料、導(dǎo)電與超導(dǎo)材料半導(dǎo)體材料和非金屬導(dǎo)電材料的導(dǎo)電機(jī)理、性能及應(yīng)用。2一、導(dǎo)電材料簡介導(dǎo)電材料是指那些具有導(dǎo)電特性的物經(jīng)典自由電子論量子自由電子論能帶理論二、導(dǎo)電材料的導(dǎo)電機(jī)理3經(jīng)典自由電子論量子自由電子論能帶理論二、導(dǎo)電材料的導(dǎo)電機(jī)理3（1）經(jīng)典自由電子論特魯?shù)?P.Drude)-洛倫茲(H.A.Lorentz)的經(jīng)典電子論認(rèn)為:

金屬是由原子構(gòu)成的點陣,每個原子的價電子是完全自由的,可以在整個金屬中自由運動;完全自由的價電子遵守經(jīng)典力學(xué)理論特別是氣體分子的運動規(guī)律;它們通常沿所有方向運動，但在電場作用下,將逆電場方向運動,使金屬產(chǎn)生電流.自由電子論非常成功地導(dǎo)出了歐姆定律,并推導(dǎo)出金屬的電導(dǎo)率ρ和電阻率σ的關(guān)系為自由電子論能夠成功解釋歐姆定律，證明在一定溫度下各種金屬的熱導(dǎo)率與電導(dǎo)率的比值為一常數(shù)。然而,經(jīng)典電子論并不能解釋--些低價金屬的導(dǎo)電性比高價金屬的導(dǎo)電性好的現(xiàn)象。4（1）經(jīng)典自由電子論特魯?shù)?P.Drude)-洛倫茲(H.（2）量子自由電子論量子自由電子理論用量子力學(xué)觀點研究在金屬的大量原子集合體中的價電子分布問題。量子自由電子理論的基本觀點是:金屬離子所形成的勢場各處都是均勻的;價電子是共有化的,它們不束縛于某個原子上，可以在整個金屬內(nèi)自由地運動,電子之間沒有相互作用;電子運動服從量子力學(xué)原理。微觀粒子的某些物理量不能連續(xù)變化，而只能取某些最小的單位跳躍,而不是連續(xù)的,這個最小單位跳躍稱為該物理量的一個量子。電子運動的能量變化是不連續(xù)的，是以量子為單位進(jìn)行變化的,這就是量子自由電子理論的-一個基本觀點。5（2）量子自由電子論量子自由電子理論用量子力學(xué)觀點研究在金屬（3）能帶理論求解晶體中電子的容許能態(tài)的能帶模型稱為能帶理論(EnergyBandTheory),能帶理論是討論晶體(包括金屬、絕緣體和半導(dǎo)體的晶體)中電子的狀態(tài)及其運動的一種重要的近似理論。兩個能帶之間間隔的能量范圍稱為禁帶或能隙。根據(jù)禁帶寬度的大小，確定出材料的導(dǎo)電性能的差別而定義出導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體。但能帶理論還是沒有解釋晶體產(chǎn)生電阻且電阻率是溫度的函數(shù)的內(nèi)在原因。6（3）能帶理論求解晶體中電子的容許能態(tài)的能帶模型稱為能帶理論三、導(dǎo)電材料的分類通常,人們只是簡單地根據(jù)固體在室溫下所具有的不同電阻率或電導(dǎo)率,把導(dǎo)電功能材料分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體。其中，導(dǎo)體的電導(dǎo)率σ=106~108

s/m,具有良好的導(dǎo)電性能;絕緣體的電導(dǎo)率σ=10-20~10S/m,導(dǎo)電性能極差;而導(dǎo)電性介于上述兩者之間的半導(dǎo)體，則其電導(dǎo)率σ=10-9~10S/m。如果按材料的綜合性質(zhì)、功能與作用則可把導(dǎo)電材料細(xì)分為金屬導(dǎo)電材料、電阻材料半導(dǎo)體材料、超導(dǎo)材料、非金屬導(dǎo)電材料、高分子導(dǎo)電材料介電與絕緣材料等。7三、導(dǎo)電材料的分類通常,人們只是簡單地根據(jù)固體在室溫下所具有四、金屬導(dǎo)電材料所謂金屬導(dǎo)電材料,是指用以傳送電流而無或只有很小電能損失的材料，包括電力工業(yè)用的電線、電纜等強(qiáng)電用的導(dǎo)電引線材料和電子工業(yè)中傳送弱電流的導(dǎo)體布線材料、導(dǎo)電涂料、導(dǎo)電黏結(jié)劑及透明導(dǎo)電材料。8四、金屬導(dǎo)電材料所謂金屬導(dǎo)電材料,是指用以傳送電流而無或只有（1）金屬導(dǎo)體金屬導(dǎo)電引線材料具有高的導(dǎo)電性、足夠的機(jī)械強(qiáng)度、不易氧化、不易腐蝕易加工和可焊接等特性,它們以銅、鋁及其合金為主,重視材料的阻抗損失。銅導(dǎo)電材料當(dāng)銅料純度為99.97%~99.98%,含少量金屬雜質(zhì)和氧,電導(dǎo)率為98%~99%。銅中含有雜質(zhì)將降低電導(dǎo)率,為此,人們研制出性能穩(wěn)定、抗腐蝕、延展性好、抗疲勞的高導(dǎo)無氧銅0FHCC，它可拉成很細(xì)的絲,適用于海底同軸電纜的外部軟線、太陽能電池、高溫抗氧化電極等。9（1）金屬導(dǎo)體金屬導(dǎo)電引線材料具有高的導(dǎo)電性、足夠的機(jī)械強(qiáng)度導(dǎo)電布材料

電子工業(yè)用的導(dǎo)電布線材料具有膜電阻小(導(dǎo)電性好)、附著力強(qiáng)、可焊性和抗焊熔性好等優(yōu)點。它們都是Au、Ag、Cu、Al等電導(dǎo)率高的材料,有時也使用金屬粉和石墨粉與非金屬材料混合的復(fù)合導(dǎo)電材料,其電阻率通常比強(qiáng)電用材料的電阻率高得多，并有厚膜和薄膜之分。薄膜導(dǎo)體布線材料具有導(dǎo)電性好、附著力強(qiáng)、化學(xué)穩(wěn)定性高、可焊性和耐焊性均好、成本低等特點。薄膜導(dǎo)體布線材料大體上可分為單元膜和復(fù)合膜兩大類。10導(dǎo)電布材料薄膜導(dǎo)體布線材料具有導(dǎo)電性好、附著力強(qiáng)、化學(xué)穩(wěn)定性導(dǎo)電復(fù)合膜復(fù)合膜是目前國內(nèi)應(yīng)用最廣的薄膜導(dǎo)體，它是用不同金屬膜所構(gòu)成的多層薄膜導(dǎo)體,如Cr-Au膜、Ti-Pd-Au膜、Ti-Cu-Ni-Au膜等。復(fù)合薄膜導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)--般包括底層和頂層兩部分。底層又稱為黏附層,主要作用是使頂層導(dǎo)體膜牢固地附著在基片上,它是易氧化的金屬,以便與基片中的氧形成結(jié)合牢固的共價鍵。頂層則由導(dǎo)電性好、可焊性好和化學(xué)穩(wěn)定性高的金屬薄膜構(gòu)成,主要起導(dǎo)電和焊接作用。11導(dǎo)電復(fù)合膜底層又稱為黏附層,主要作用是使頂層導(dǎo)體膜牢固地附著

（一）快離子導(dǎo)電陶瓷材料①銀、銅的鹵族和硫族化合物,金屬原子在化合物中鍵合位置相對隨意;②具有β-Al2O3結(jié)構(gòu)的高遷移率單價陽離子氧化物;③具有氟化鈣(CaF2)結(jié)構(gòu)的高濃度缺陷的氧化物,如CaO·ZrO2、Y203·ZrO2,它們擁有的可遷移離子有H+、H30+、NH4+、Li+、Na+、K+、Rb+、Cu+、Ag+、Ga+、T等陽離子和02-、F-等陰離子。五、導(dǎo)電陶瓷材料氟化鈣結(jié)構(gòu)12（一）快離子導(dǎo)電陶瓷材料五、導(dǎo)電陶瓷材料氟化鈣結(jié)構(gòu)12(二）電熱陶瓷電熱合金如果用在1500C以上的工業(yè)爐中即使不熔化也會被嚴(yán)重氧化,此時需使用Pt、Mo、W等貴金屬或石墨、陶瓷等電熱元件。Mo、W、石墨、陶瓷等電熱元件的溫度使用則可在1500C以上。常見的陶瓷類電熱材料有碳化硅、二硅化鉬、鉻酸鑭和錫氧化物等。碳化硅二硅化鉬13(二）電熱陶瓷電熱合金如果用在1500C以上的工業(yè)爐中即使不（三）半導(dǎo)體陶瓷熱敏電阻類半導(dǎo)體陶瓷材料有電阻隨溫度升高而增大的正電阻溫度系數(shù)PTCR型和電阻隨溫度升高而減小的負(fù)電阻溫度系數(shù)NTCR型兩種。它們屬于鐵電陶瓷。如果熱敏電阻所處環(huán)境改變,將導(dǎo)致其熱耗散速度改變，此時,若保持對元件的電壓恒定,那么電流便成為測量消耗熱能速度的量度,這就是許多熱敏電阻傳感器的原理。14（三）半導(dǎo)體陶瓷熱敏電阻類半導(dǎo)體陶瓷材料有電阻隨溫度升高而增六、導(dǎo)電碳素材料碳是由單一元素組成,卻可形成外觀多變、性能各異、應(yīng)用廣泛的物質(zhì)。它之所以能夠如此,與其原子鍵鍵合方式、分子結(jié)構(gòu)類型及其集合形態(tài)的多樣性密切相關(guān)。根據(jù)原子結(jié)構(gòu)理論,碳原子的外層電子可通過3種,即sp3、sp2、SP雜化方式形成σ鍵和π鍵。當(dāng)碳原子外層電子以sp3雜化時,就構(gòu)成了具有立體結(jié)構(gòu)的金剛石;當(dāng)以sp2雜化時,就構(gòu)成了平面結(jié)構(gòu)的石墨烯。金剛石15六、導(dǎo)電碳素材料碳是由單一元素組成,卻可形成外觀多變、性能各七、導(dǎo)電高分子材料導(dǎo)電高分子材料是在20世紀(jì)70年代中后期快速發(fā)展的新型功能材料,世界上第一個導(dǎo)電有機(jī)聚合物是由美國化學(xué)家MacDiarmid物理學(xué)家Heeger和日本化學(xué)家Shirakawa于1977年發(fā)現(xiàn)的,摻雜碘的聚乙炔具有金屬的特性,并因此獲得2000年諾貝爾化學(xué)獎。與金屬相比，導(dǎo)電高分子材料具有質(zhì)量輕、易成形、電阻率可調(diào)節(jié)、可通過分子設(shè)計合成出具有不同特性的導(dǎo)電性等特點。高分子導(dǎo)電材料分為結(jié)構(gòu)型和復(fù)合型兩大類。16七、導(dǎo)電高分子材料導(dǎo)電高分子材料是在20世紀(jì)70年代中后期快石墨烯穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)使碳原子具有優(yōu)秀的導(dǎo)電性。石墨烯的電子在軌道上移動時,不會因晶格缺陷或引入外來原子而發(fā)生散射。由于原子間作用力十分強(qiáng)，在常溫下，即使周圍碳原子發(fā)生擠撞,石墨烯中的電子受到的干擾也非常小。

石墨烯的制備方法主要有:機(jī)械剝離法、碳化硅表面外延生長、金屬表面生長、化學(xué)氣相沉積法、氧化減薄石墨片法、乙氧鈉裂解、切割碳納米管法等。

17石墨烯穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)使碳原子具有優(yōu)秀的導(dǎo)電性。石墨烯的電子在（1）復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料復(fù)合型早申高分子材料是在通用樹脂中加人導(dǎo)電性填料、添加劑,采用一定的成型方法而制得。通用樹脂有聚乙烯與聚丙烯等聚烯烴、聚氯乙烯、ABS、聚酰胺、聚苯胺等。電塑料以聚烯烴或其共聚物為基礎(chǔ),加人導(dǎo)電填料抗氧劑及潤滑劑等經(jīng)混煉加工而成。導(dǎo)電塑料包括用于電線泡沫塑料塑料成型制品、干電池電極、集成電路板、印制電路板及電子元件的包裝材料等聚烯烴導(dǎo)電塑料,以及用于防靜電和消除靜電、以炭黑與碳纖維為填料的導(dǎo)電尼龍。18（1）復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料復(fù)合型早申高分子材料是在通用樹脂中（2）結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料中,至今只有聚氮化硫(SN)x,它是純粹的結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料,其他許多種導(dǎo)電高分子