電概導(dǎo)電材料

4.1導(dǎo)電材料概述及分類一、定義電阻率在10-7~10-4Ω·m的材料二、種類金屬，酸、堿、鹽的溶液、熔體，石墨，某些有機(jī)物(聚乙炔、聚苯胺等)，超導(dǎo)體三、應(yīng)用高電導(dǎo)率——用于傳輸電流（電纜線芯、電機(jī)繞組）高電阻率——將電能轉(zhuǎn)換成其它能量2023/9/21典型材料的電導(dǎo)率導(dǎo)電類型材料類型導(dǎo)電率/

-1·m-1離子導(dǎo)電離子晶體10-16~10-2快離子導(dǎo)體10-1~103強(qiáng)（液）電解質(zhì)10-1~103電子導(dǎo)電金屬103~107半導(dǎo)體10-3~104絕緣體＜10-104.1導(dǎo)電材料基本性質(zhì)導(dǎo)電材料按導(dǎo)電機(jī)理可分為電子導(dǎo)電材料和離子導(dǎo)電材料兩大類。電子導(dǎo)電材料包括導(dǎo)體、超導(dǎo)體和半導(dǎo)體。導(dǎo)體的電導(dǎo)率≥105S/m，超導(dǎo)體的電導(dǎo)率為無限大（在溫度小于臨界溫度時），半導(dǎo)體的電導(dǎo)率為10-7~104S/m；當(dāng)材料的電導(dǎo)率小于10-7S/m時，就認(rèn)為該材料基本上不能導(dǎo)電，而稱為絕緣體。

導(dǎo)電氟橡膠導(dǎo)電氟膠座導(dǎo)電尼龍導(dǎo)電ABS導(dǎo)電膠帶4.2.1導(dǎo)電特性

金屬如何具有導(dǎo)電性？金屬中的金屬鍵（金屬陽離子和自由電子）金屬鍵的鍵能低，原子核對電子束縛小電場作用下自由電子的定向遷移，并由于電子碰撞晶格而發(fā)熱溫度升高，電子熱運動加劇，難以定向，電阻率升高溫度降低？？？2023/9/26經(jīng)典電子理論

電子在金屬內(nèi)的運動用波動力學(xué)解釋——電子沿金屬的晶格傳播，晶格骨架是障礙電子波傳遞能量，晶格振動使金屬發(fā)熱溫度升高：晶格振動加劇，破壞晶格的規(guī)整性電子波的傳播阻礙加大，電阻率升高，合金電阻率高溫度降低：晶格振動減弱，對電子波的阻礙減小T→0時，出現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象T=0時，合金和有缺陷的金屬仍有電阻2023/9/27量子力學(xué)觀點

影響金屬導(dǎo)電性的因素溫度

其中，ρ0，αρ受t0影響合金元素溶質(zhì)原子，溶劑原子，導(dǎo)致晶格畸變，引起電子散射，電阻率增加2023/9/28導(dǎo)體電阻率公式電阻率公式可寫為：ρi取決于晶格缺陷的多少，缺陷越多，ρi越大，一般與溫度無關(guān)；ρT取決于晶格的熱振動。電阻率隨著溫度升高而升高，這是導(dǎo)體的一個特征。102023/9/2雜質(zhì)——引起電子散射冷變形——彈性變形，塑性變形熱處理——退火，減少晶格缺陷表面狀態(tài)——污染、氧化、水分、腐蝕等4.2.2導(dǎo)熱性

金屬中有原子傳熱、電子也參與熱量傳遞，所以一般導(dǎo)電率高的金屬導(dǎo)熱率也高。影響金屬導(dǎo)電性的因素，都對導(dǎo)熱性有影響。接觸電位差和熱電勢產(chǎn)生原因：不同金屬的自由電子濃度不同，接觸時電子向低濃度區(qū)擴(kuò)散，則因得到和失去電子而形成電位差。0.1~幾伏，因所處的溫度而不同。2023/9/211熱電勢5.抗拉強(qiáng)度和伸長率退火——抗拉強(qiáng)度低，伸長率高未退火——抗拉強(qiáng)度高，伸長率低2023/9/2124.3常用的導(dǎo)電材料4.3.1銅及銅合金1.銅的優(yōu)點導(dǎo)電性好：Ag>Cu>Au>Al>Mg導(dǎo)熱性好：Au>Ag>Cu化學(xué)穩(wěn)定性高，抗腐蝕：潮濕的空氣中其表面可生成[Cu2(OH)2CO3]，耐海水腐蝕2023/9/213142023/9/2

無磁性，反磁物質(zhì)：電磁屏蔽機(jī)械性能較好：純銅抗拉強(qiáng)度是245~315MPa塑性好：延展性好，易加工，易焊接來源可靠，冶煉技術(shù)發(fā)達(dá)：天然單質(zhì)銅、銅礦石（黃銅礦、輝銅礦、斑銅礦、赤銅礦和孔雀石）2.銅的性質(zhì)和影響因素電阻率：0.017241Ωmm2/m密度：8.9g/cm3

電導(dǎo)率的相對值：IEC規(guī)定在20度時比重為8.89，長1米，截面積為1mm2，電阻為0.017241Ω（1/58S），電阻溫度系數(shù)為0.00393的退火軟銅，電導(dǎo)率為100%IACS。電線電纜的導(dǎo)體選用銅含量高于99.90%的純銅，國際上廣泛采用電導(dǎo)率為102%IACS的無氧銅。2023/9/215162023/9/2

雜質(zhì)對銅的影響電導(dǎo)率：P、As、Al、Fe等機(jī)械性能：能溶解于銅，提高強(qiáng)度——Ag、Cd、Zn、Ni

不溶解于銅，使銅變脆——Bi、Pb、O退火

一般在400℃以上，與銅的成分有關(guān)（580±20℃）。有助于設(shè)計導(dǎo)體的主要物理性能如下表所示物理性能銅密度8,9電阻率（mWcm）1,7241導(dǎo)電率（%IACS）100電阻溫度系數(shù)（K-1）0,0039導(dǎo)熱系數(shù)（W/m.K）400線性膨脹系數(shù)（K-1）17x10-6拉應(yīng)力（退火）（MPa）220/290拉應(yīng)力（硬）（MPa）350/450彈性模量（MPa）120000硬度（退火）50硬度（硬）1103.銅合金以純銅為基體加入一種或幾種其他元素所構(gòu)成的合金。銀銅合金——有良好的導(dǎo)電性、流動性和浸潤性、較好的機(jī)械性能、耐磨性和抗熔焊性鎘銅合金——1%的鎘，冷拉后具有較高的抗拉強(qiáng)度，制造大跨度架空導(dǎo)線、高強(qiáng)度絕緣導(dǎo)線、滑接導(dǎo)線鋅銅合金——黃銅，提高強(qiáng)度稀土銅合金——加入釔，使晶粒細(xì)化、改善工藝性能，提高導(dǎo)電性和機(jī)械強(qiáng)度，可與銀銅合金媲美2023/9/2184.銅和銅合金的應(yīng)用※電力輸送

電線電纜、匯流排、變壓器、開關(guān)、接插元件和聯(lián)接器中傳導(dǎo)電流。與鋁相比，具有導(dǎo)電性和尺寸上的優(yōu)點。2023/9/219202023/9/2※電機(jī)制造

廣泛使用高導(dǎo)電和高強(qiáng)度的銅合金。主要用銅部位是定子、轉(zhuǎn)子和軸頭等。在大型電機(jī)中，繞組要用水或氫氣冷卻，稱為雙水內(nèi)冷或氫氣冷卻電機(jī)，這就需要大長度的中空導(dǎo)線。電機(jī)內(nèi)部的能量消耗，主要來源于繞組的電阻損耗；因此，增大銅線截面是發(fā)展高效電機(jī)的一個關(guān)鍵措施。

212023/9/2※通訊電纜

把電能轉(zhuǎn)化為光能，以及輸入用戶的線路仍需使用大量的銅。隨著人們對通訊的依賴越來越大，對光纖電纜和銅電線的需求都會不斷增加?！≌姎饩€路

※電真空器件

高頻和超高頻發(fā)射管、波導(dǎo)管、磁控管等，需要高純度無氧銅和彌散強(qiáng)化無氧銅。※印刷電路以銅箔為表面，粘貼在作為支撐的塑料板上，用照相的辦法把電路布線圖印制在銅版上，通過浸蝕把多余的部分去掉留下相互連接的電路。然后，把分立元件的接頭或其它部分的終端焊接在電路上。2023/9/222232023/9/2※集成電路微電子技術(shù)的核心是集成電路。以半導(dǎo)體晶體材料為基片（芯片），將組成電路的元器件和互連線集成在基片內(nèi)部、表面或基片之上。用銅的新型微芯片，可以獲得30%的效能增益，電路的線尺寸可以減小到0.12微米，可使在單個芯片上集成的晶體管數(shù)目達(dá)到200萬個。半導(dǎo)體集成電路的發(fā)展，為銅的應(yīng)用開拓了新領(lǐng)域。4.3.2鋁和鋁合金地殼中含量最豐富的金屬元素（8.15%）,價格便宜。用途：純鋁大量用于電纜——架空輸電線用鋼芯鋁絞線、

母線、鋁護(hù)套、電容器中的鋁箔電極等特點：電導(dǎo)率高，0.029Ωmm2/m，

比重小，重量輕：2.7g/cm3導(dǎo)電能力約為銅的2/3，密度為銅的1/3，等質(zhì)量和等長度的鋁線和銅線相比，鋁的導(dǎo)電能力約為銅的二倍，且價低。

耐熱性好

耐腐蝕性好，Al2O3膜保護(hù)

抗拉強(qiáng)度低，70~95MPa

不易焊接2023/9/224對于設(shè)計導(dǎo)體有用的物理性能如下表所示物理性能鋁密度2,7電阻率(mWcm)2,826導(dǎo)電率(%IACS)61電阻溫度系數(shù)(K-1)0,004導(dǎo)熱系數(shù)(W/m.K)220線性膨脹系數(shù)(K-1)23x10-6拉應(yīng)力（退火）(MPa)60/80拉應(yīng)力（硬）(MPa)150/200彈性模量(MPa)66000硬度（退火）20硬度（硬）40

鋁合金鋁鎂合金：（中強(qiáng)度）主要元素是鋁，再摻入少量的鎂或是其它的金屬材料來加強(qiáng)其硬度。質(zhì)堅量輕、散熱性較好、抗壓性較強(qiáng)，其硬度是傳統(tǒng)塑料的數(shù)倍，但重量僅為后者的三分之一。鋁鎂硅合金：（高強(qiáng)度）用作架空線。

氧化鋁化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，絕緣性能優(yōu)良

機(jī)械強(qiáng)度高，耐高溫2023/9/2264.3.3.特殊導(dǎo)電材料一、觸頭材料（接觸材料）電接觸材料是電流傳輸與轉(zhuǎn)換過程中重要材料之一。電力、電器設(shè)備中通、斷控制及負(fù)載電流電器（如開關(guān)、繼電器、起動器及儀器儀表等）的關(guān)鍵材料。2023/9/227282023/9/2

在開關(guān)電器中，電接觸材料性能決定了開斷能力和接觸可靠性。

接觸電阻——相互接觸的導(dǎo)體接觸面電阻遠(yuǎn)高于其它部位電阻。集中電阻

電流通過實際接觸面時，由于電流線收縮（或稱集中）顯示出來的電阻。將其稱為集中電阻或收縮電阻。

ρA、ρB，導(dǎo)體電阻；n，接觸點數(shù)；f，臨界彈性值；F，接觸力。2023/9/229302023/9/2界面電阻

由于接觸表面膜層及其他污染物所構(gòu)成的電阻。從接觸表面狀態(tài)分析，表面污染膜可分為較堅實的薄膜層和較松散的雜質(zhì)污染層。

接點材料：要求接觸電阻小，耐高溫，W和W合金

滑動觸頭材料：硬度大，摩擦系數(shù)小，碳系材料（Cu、Ag、Zn、Sn、Pb與石墨粘合成型）常用觸頭材料分類表類別材料品種強(qiáng)電用復(fù)合觸頭材料銀-氧化鎘，銀-鎢，銅-鎢，銀-鐵，銀-鎳，銅-石墨，銀-碳化鎢真空開關(guān)觸頭材料銅鉍鈰，銅鉍銀，銅碲硒，鎢-銅鉍鋯，銅鐵鎳鈷鉍弱電用鉑族合金鉑銥，鈀銀，鈀銅，鈀銥金基合金金鎳，金銀，金鋯銀及其合金銀，銀銅鎢及其合金鎢，鎢鉬4.4超導(dǎo)材料4.4.1超導(dǎo)現(xiàn)象

1911年，荷蘭Leiden大學(xué)H.K.Onnes首先在實驗室發(fā)現(xiàn)汞（Hg）在溫度降到4.2K（液氦溫度）時，電阻率很快降到零。2023/9/232

1957年美國MIT，Collins等曾用下述實驗測定超導(dǎo)體在超導(dǎo)態(tài)下的電阻值試驗溫度Tc＝7.23K可以推算出線圈此時的電阻率ρ<10-21Ω·m與銅的電阻率10-7Ω·m相比，超導(dǎo)態(tài)下的電阻率實際上等于零。2023/9/2334.4.2.超導(dǎo)的概念與定義2023/9/234某些物質(zhì)在一定溫度條件下電阻降為零的性質(zhì)稱為超導(dǎo)電性。低于某一溫度出現(xiàn)超導(dǎo)電性的物質(zhì)稱為超導(dǎo)體。從電阻不為零的正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)的溫度稱為超導(dǎo)臨界溫度Tc。超導(dǎo)體的電阻率小于目前所能檢測的最小電阻率10-26Ω·cm，可以認(rèn)為電阻為零。

特性一：完全導(dǎo)電性，超導(dǎo)體進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)時，其電阻率實際上等于零。例如：室溫下將超導(dǎo)體放入磁場中，冷卻到低溫進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)，去掉外加磁場后，線圈產(chǎn)生感生電流，由于沒有電阻，此電流將永不衰減。即超導(dǎo)體的“持久電流”。

特性二：完全抗磁性，不論開始時有無外磁場，只有T＜Tc，超導(dǎo)體變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)后，體內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度恒為零，即超導(dǎo)體能把磁力線全部排斥到體外，這種現(xiàn)象稱為邁斯納效應(yīng)。特性三：即使在低于臨界溫度以下，若進(jìn)入超導(dǎo)體內(nèi)的電流強(qiáng)度以及周圍磁場的強(qiáng)度超過某一臨界值時，超導(dǎo)狀態(tài)被破壞，而成為普通的常導(dǎo)狀態(tài)，電流和磁場的這種臨界值分別稱為臨界電流Ic和臨界磁場Hc臨界。

臨界溫度（Tc）、臨界磁場（Hc）、臨界電流Ic是約束超導(dǎo)現(xiàn)象的三大臨界條件。當(dāng)溫度超過臨界溫度時，超導(dǎo)態(tài)就消失；同時，當(dāng)超過臨界電流或者臨界磁場時，超導(dǎo)態(tài)也會消失，三者具有明顯的相關(guān)性。只有當(dāng)上述三個條件均滿足超導(dǎo)材料本身的臨界值時，才能發(fā)生超導(dǎo)現(xiàn)象。小結(jié)：

超導(dǎo)（電）體具有三個與其超導(dǎo)性能有關(guān)的基本參數(shù)：

臨界溫度——Tc

臨界磁場——Hc

臨界電流——Ic2023/9/236374.4.3超導(dǎo)體的電磁性質(zhì)反磁性——邁斯納（W.Meissner）效應(yīng)

1933年進(jìn)行的一項著名實驗

不論超導(dǎo)體在進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)前內(nèi)部是否有磁場，一旦進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)后，即使有外磁場，超導(dǎo)態(tài)內(nèi)部都不存在磁場，即磁感應(yīng)強(qiáng)度2023/9/22023/9/238超導(dǎo)體的電流分布——集膚性

不加外磁場時，流過超導(dǎo)扁帶內(nèi)的電流密度Js符合公式：4.4.4超導(dǎo)機(jī)理

唯象模型——二流體模型1）超導(dǎo)態(tài)時，自由電子分為：超導(dǎo)電子和常導(dǎo)電子。兩類電子占據(jù)同一體積，在空間中互相滲透又彼此獨立地運動。2）常導(dǎo)電子受晶格的散射，且運動雜亂，對熵有貢獻(xiàn)。3）超導(dǎo)電子處于一種凝聚狀態(tài)，即它們凝聚在某個最低能量狀態(tài)，其特點是電子不受晶格散射，其熵為零。2023/9/239402023/9/2（4）超導(dǎo)態(tài)是有序化狀態(tài)，超導(dǎo)電子的凝聚就是這種有序化的表現(xiàn)。T＝0時，所有自由電子都凝聚在這個態(tài)中成為超導(dǎo)電子；0<T<Tc時，部分傳導(dǎo)電子從凝聚態(tài)中激發(fā)出來，成為常導(dǎo)電子，T越高激發(fā)出的電子也越多；T>Tc時，全部自由電子從凝聚態(tài)中激發(fā)出來，成為常導(dǎo)電子，進(jìn)入無序化的常導(dǎo)態(tài)。4.4.5微觀理論——BCS理論

巴丁—庫伯—斯里費三人提出：超導(dǎo)體中的電子總是每兩個組成一對的，稱為庫伯電子對。

在BCS狀態(tài)下，電子的能量比常導(dǎo)狀態(tài)下的要低。在絕對零度時，每單位體積的能量

δW=?N(0)Δ2(0)，Δ(0)=2?ωDе-1/(N(0)V0)式中，N(0)—費米級的狀態(tài)密度，即單位能量間隔的電子狀態(tài)數(shù)；ωD—描述晶格振動的德拜頻率；V0—電子間的引力強(qiáng)度；Δ—能隙。

2023/9/241要把一個庫伯對拆散成二個常導(dǎo)電子，需從外部加入2Δ的能量。超導(dǎo)態(tài)比常導(dǎo)態(tài)每個電子能量低Δ。電子能譜中存在的能隙是由于庫伯對的吸引力造成的。能隙隨著溫度的上升而減小，這時一些庫伯對拆散成二個常導(dǎo)電子，庫伯對的密度也隨之下降。當(dāng)Δ＝0時，超導(dǎo)態(tài)消失而轉(zhuǎn)變?yōu)槌?dǎo)態(tài)。2023/9/242432023/9/2庫柏電子對形成示意圖金屬超導(dǎo)體目前發(fā)現(xiàn)具有超導(dǎo)電性的金屬元素有30種，其中過渡族元素19種，如Ti、V、Zr、Nb、Mo、W等，非過渡族元素有11種如Pb、Sn、Al、Ga等。4.4.5超導(dǎo)材料的分類

超導(dǎo)金屬中，鉛（Pb）的臨界溫度最高，達(dá)7.196K，（Rh）的臨界溫度最低，為0.000325K。

超