第一章电性能.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一章 电性能,1.1,金属的导电性,一、表征参数,电阻,R,（,）、电阻率,（,m,）、导电率,（,S/m,）电阻温度系数：,相对电导率,(IACS):,Intenational,Annealing Copper Standard),把国际标准退火铜在,20,时的电导率（电阻率为,0.017241,mm,2,/m),作为,100%,，其他材料与此导电率的比值（百分数）,导体：,：,10,-8,10,-4,m,半导体：,：,10,-4,10,+7,m,绝缘体：,：,10,+8,10,+18,m,1,二、金属导电理论,1,、经典电子理论,假设：金属晶体中原子失去价电子成为正离子，正离子构成晶体点阵，,价电子成为公有化电子，电子间无相互作用,。自由电子与正离子间的作用仅类似于,机械碰撞,；无外场作用时，自由电子沿各向运动的机率相同，不产生电流；施加外电场后电子获得加速度，发生定向迁移，从而产生电流。,设单位体积金属中的自由电子数为,n,，则电流密度,导电率,=J/E,单位体积中自由电子数越多，电子运动自由程越大，金属导电性越好,。,缺陷：忽略了电子间的排斥作用和正离子点阵周期场的作用。,2,2,、量子理论,假设：,在金属中点阵所产生的势场各处均匀，即离子与价电子没有相互作用，且价电子为整个金属所共有,，但明确指出：,金属中每个原子的内层电子基本保持着单个原子时的能量状态，所有价电子按量子化规律具有不同能量状态，即具有不同能级（,对称、连续能级,）,E=h,2,K,2,/(8,2,m,),K=n,/,(n,为自由电子可取的能级）,相关结论：,不是所有的自由电子，,只有处于较高能态的自由电子,才参与导电，,电子波在传播的过程当中被离子点阵散射,，然后,互相干涉,而形成电阻，并,不是电子与离子间简单的机械碰撞,，缺陷和杂质产生的点阵静畸变和热振动引起的点振动畸变，对电子波造成的散射是产生电阻的根本原因,。,=2m/(n,ef,e,2,t),n,ef,：单位体积内有效导电电子数,t,：两次散射的平均时间,3,3.,能带理论,主要观点：金属正离子形成的电场是,周期性变化,的电场，因而对电子的运动产生了影响（,电子在接近正离子时其势能降低、离开时势能要升高，因此电子的运动并不完全自由,），其结果是,形成能带,，即,自由电子的准连续能级，被一系列不允许电子占有的能隙所隔开。能带的结构与价电子数、禁带的宽窄及允带的空能级有关（,P19,，图,1.10,）,。,空能级：允带中电子未排满的能级，其中的电子运动自由，在外电场作用下参与导电（导带）,禁带：,k=+n,/a,是电子不能占有的能级,4,导体特点,：禁带极窄或空能级重叠，电子在不同能级间的跃迁非常容易,绝缘体特点,：价电子填满了自己的能带（价带），其相邻的是一个很宽的禁带，即使施加强的外电场，电子跃过宽的禁带到达上面的空带也很困难。,半导体特点,：介于前两者之间，外加电场较小时，电子跃迁困难，类似于绝缘体，当外加电场较大（,超过临界值时,），电子可实现跃迁，类似于导体,5,1.2,电阻的影响因素,由于,晶体点阵的不完整性是引起电子散射的根本原因，因此温度、形变与合金化均会影响金属的导电性能,。,一、,外界条件：温度、应力（环境因素）,1,、温度,（,1,）,一般规律,：,金属电阻率随温度的升高而增大,，温度对有效电子数（,n,ef,),和电子平均速度几乎没有影响，因为在熔点以下其费米能和费米分布受温度的影响很小，但,温度升高，会使离子振动加剧，热振动幅度加大，原子无序度增加，周期性势场的涨落加大，从而,使电子运动的自由程减小，散射几率增大而导致电阻率增大,。,6,分段函数：,当,D,T2K,T,5,当,T2K,T,2,，,原因：低温下电子的散射主要是电子与电子间相互作用，而不是离子与电子间的交互作用,当,T,0,0,，超导（,PbSnHg,),原因：电子与声子间相互作用，产生的电子对不被晶体散射,（,2,）,过渡族金属与多晶型转变,S,层电子排满、,d,层电子未满，传导电子可能由,S,层电子向,d,层电子过渡，其电阻率可以认为是由一系列具有不同温度关系的成分叠加而成（,T,n,n,为,25.3,）,7,（,3,）,铁磁金属与磁性转变,在,居里点附近时，铁磁金属的电阻率随温度的变化偏离线性关系,：,反常降低量,=,M,s,2,原因：铁磁性金属内,d,层与外层,s,壳层,电子,云,交互作用引起,8,（,4,）,熔化,大多数金属熔化成液态时，电阻率会突然增大约,12,倍,，这是,由于原子长程有序排列遭到破坏，从而加强了对电子的散射所引起,，但,Bi,、,Sb,、,Ga,等在熔化时电阻率反而下降,，这是由于该类元素在固态时为层状结构，具有小的配位数，主要为共价键型晶体结构，在熔化时,共价键被破坏，转以金属键为主，故电阻率下降（可见书,p39:,图,2.4,）,9,2,、应力,在,弹性范围内的单向拉应力，使原子间距离增大，点阵动畸变增大，由此导致金属电阻率增大,T,应力系数，,T,0,，,为拉应力,在压应力作用下，使原子间距变小，点阵动畸变减小，传导电子和声子之间相互作用的变化，电子结构以及电子间相互作用发生改变，金属的费米面和能带结构发生变化，由此导致金属电阻率下降,T,应力系数，,0,，,p,为压应力,10,正常金属：随压应力增大，金属的电阻率,单调,下降，例如：,Fe,、,Ni,、,Co,、,Pd,、,Pt,、,Cu,、,Ag,、,Au,、,Zr,、,Hf,（,电阻率压力系数,0,，（,甚至可改变符号,），例如：,碱金属、碱土金属和稀土金属,，,Ca,、,Sr,、,Sb,、,Bi,极高的的压应力甚至可导致物质的金属化,使许多物质由半导体和绝缘体变为导体，甚至超导体,11,二、,组织结构的影响,：组织结构与塑性变形、热处理工艺有关,1,、,塑性形变,形变使金属电阻率增大，这是由于晶,体点阵畸变和晶体缺陷的增加,，造成,点阵电场的不均匀性增强而加剧对电子波散射,的结果；此外,冷塑性变形使原子间距有所改变,，也对电阻率有一定影响。（大多数金属电阻率增大,26%,）,基本与温度无关，只受加工程度的影响,对单晶铜,A=0.01,c,m,，,p=2,，对多晶铜,A=0.1,c,m,，,p=1.41.5,12,2,、,热处理的影响（,P42,，图,2.8,）,回复,可以显著降低缺陷浓度，电阻率有明显恢复；,再结晶,：可以消除形变时造成的点阵畸变和晶体缺陷，因而,再结晶退火可使电阻率恢复到冷变形前的水平,，再结晶后晶粒越小（,大,），电阻率越大（,小,）,3,、,晶粒大小,晶粒越小，晶界（面缺陷）增多，电阻率增大；,4,、,电阻率的尺寸效应,当导电电子的自由程同试样尺寸处于同一数量级时，强烈散射电子波，电阻率急剧增大,5,、,电阻率的各向异性,在对称性较差的六方晶系、四方晶系、斜方晶系和菱面体中，沿各晶向电阻率不同,13,三、,合金元素及相结构的影响,1,、,固溶体,一般规律：,形成固溶体合金时，导电率降低、电阻率升高,，主要原因是,异类原子的溶入引起溶剂点阵的畸变，增加了电子的散射,，因而加大了电阻，同时,由于组元间化学交互作用的加强使有效电子数减少和能带结构发生变化,，从而使电阻率增加。,A,：由,非过渡族元素,组成的连续二元固溶体（液、固态下无限互溶），其电阻率随溶质含量的增加而增大，最大值大致出现在,50%,原子浓度,处,B,：当固溶体中的一个组元是过渡族元素时，其电阻率增大得更为显著，其,电阻率的最高值出现在过渡族元素为基的一侧,，这是由于过渡族元素存在着未填满的,d,或,f,电子层，形成固溶体时会使一部分电子进入这些电子层中，,使,S,能带电子数降低，减少了有效电子,，从而使电阻率增大。,14,15,“稀薄固溶体”与,Matthiesens,Rule,:,当溶质浓度较小时，固溶体电阻率的变化规律符合马基申定律：,即：,s1,：溶剂金属电阻率，随温度的变化而变,s2,：溶质元素造成的附加电阻,率,，与温度无关，与溶质含量,r,c,相关，,为每,1%,溶质引起的附加电阻率,16,2,、,有序固溶体的导电性,固溶体发生有序化时，其电阻率将明显降低，影响具有双重性：,A:,有序化使点阵规律性加强，减少了电子的散射而引起电阻率的降低（占主导因素）,B:,有序化呈现出一定程度的共价结合使原子间结合加强，减少了有效电子数而引起电阻率升高,图中,a,为无序态，,b,为有序态，,c,为仅由温度决定的电阻率，即不考虑合金组元的交互作用和畸变的影响，仅由元素的相对量所决定,17,3,、,不均匀固溶体的导电性（反常）,不均匀固溶体：,溶质和溶剂原子在,微观区域,分布不均匀,；当含有过渡族元素时，其电阻率会出现反常变化：,A,：固溶体经高温淬火后在加热过程中的,某一区间具有反常高,的电阻率变化，超过一定温度后才呈线性变化,B,：经,高温淬火后的电阻率比退火后的电阻率低,，淬火态经一定温度回火后，其电阻率增加,C,：,退火态固溶体经冷加工后电阻率反而下降,，回火后电阻率又反常增加,具有这种电阻率反常现象的合金状态称为,K,状态，最早发现于,Ni,80,Cr,20,中,原因,：由溶质、,溶剂原子不均匀分布造成，固溶体中存在原子的,偏聚区域,，其成分与固溶体平均成分不同，或者是固溶体中存在着短程有序区域，其,原子富集区的尺寸为几个纳米,，与电子波波长相当，对电子造成强烈散射,，因而具有极高的电阻率。,18,4,、,金属间化合物、中间相的电阻率,金属间化合物或中间相导电能力较差，比各组元小得多，原因在于组成化合物后原子间的,金属键部分地改换为共价键或离子键,，使,传导电子减少,，,甚至因为形成了化合物而变成了半导体，失去导体性质,5,、,多相合金的电阻率（,p50,）,多相合金的电阻率,不仅取决于组成相的相对含量，还取决于组成相的形状、大小和分布,，例如：片状珠光体电阻率,粒状珠光体电阻率，如果,两相形状、大小、导电率相近,，则满足,线性组合规律,，即：,=,1,r,1,+,2,r,2,+,19,20,6,、,碳钢的电阻率,c,0.02%,，多余的碳以,Fe,3,C,存在，因此碳对电阻率的影响减弱,c,0.9%,20,=,（,10.5+3,c,+2,c,2,）,cm,退火态组织：,-Fe+,Fe,3,C,淬火态组织：过饱和态固溶体,碳含量增加，电阻率系数增大，对同一含碳量的钢，淬火态的电阻率系数比退火态高；回火时，由固溶体转变为两相混合物，使电阻率降低。,21,1.3,电阻的测量,在单电桥线路中电阻,R,1,、,R,2,和,R,4,已知，则调节这些已知电阻达到某一数值时，可以使顶点,b,和,d,的电位相等，这时检流表中电流,I,g,0,缺陷：误差较大,22,待测电阻,Rx,的测量归结为调节可变电阻,R1,、,R2,、,R3,、及,R4,，使电桥达到平衡，即此时检流计,G,指示为零,(B,与,D,点电位相等,),，则：,如果使,R1,、,R3,与,R2,、,R4,实现同步调节（,R1=R3,、,R2=R4),，则：,23,为了测量待测试样的电阻,Rx,，选择一个标准电阻,R,N,与,Rx,组成一个串联回路，测量时首先调整好回路中的工作电流，然后接通开关,s,，用电位差计分别测出,Rx,和,R,N,所引起的电压降,Ux,和,U,N,，由于通过,Rx,和,R,N,的电流相同则：,24,1.4,电阻分析的应用,一、,研究,Fe-Ni-C,合金马氏体的时效过程,25,II,区：刚刚淬火的正方马氏体消失，低正方度马氏体出现，时效过程与碳的扩散和马氏体中碳量减少有关。,电阻率增大,表明：,出现了碳原子集团，它们对电子造成了散射,。原子集团的周围畸变很大，随着原子集团的粗化，电子散射增强，与此同时，集团之间的平均间距增大，畸变区减少。,当平均间距增大到一定尺寸时，电子散射最为强烈，故电阻率达到最高值（,K,状态,）,。,III,区：原子集团继续长大，导致电阻率下降。,I,区出现电阻率初始下降,：这种变化是由低温马氏体转变时，部分具有很高能量位置的原子运动而引起的，归因于少量残余奥氏体等温转变或马氏体的微量松弛。,26,二、,研究碳钢的回火,淬火组织：亚稳态的淬火,M,（马氏体）,+,残余,A,（奥氏体）,碳钢回火时产生,M,和残余,A,体分解，由于固溶体的电阻率比较高，故分解过程伴随着电阻率的不断降低,A:110,以下曲线没有明显地变化，说明没有产生组织转变；,B,：,110,以上曲线出现拐折，电阻率明显下降，是由于,马氏体开始发生分解,，析出,相引起的；回火温度约在,230,时，曲线又发生了拐折，电阻率剧烈地降低，表明产生了,残余奥氏体分解,。,C:,高于,300,，固,溶体分解已经结束，所以电阻率变化很不明显。,还可看到：,含碳量愈高，电阻率下降的幅度愈大，表明含碳量愈高，残余奥氏体愈多，,淬火马氏体和残余奥氏体中固溶的碳愈多。,27,三、,研究,Al-Cu,合金的时效与回归现象,合金,时效基本过程是固溶体内溶质原子的偏聚，形成过渡相和稳定相,，,过渡相和稳定相的析出程度取决于时效温度与时效时间,，从而导致电阻率变化。,Al-Cu,合金析出过程：,G.P.-,(,与基体共格,)-,(,与基体半共格,),(,与基体非共格、,CuAl,2,),A,：形成,G.P.,区时，,Cu,原子聚集成纳米尺度的微区,，同时,与基体共格,，增强了电子散射，从而使电阻率增加；,B,：过渡相,形成时，与基体的,共格关系部分被破坏,，降低电子散射，从而使电阻率下降；,C,：,为完全脱溶的新相,（,平衡相,）,，与,基体的,共格关系完全被破坏,，故电阻率急剧下降,28,29,30,时效回归,现象：,Al-Cu,合金淬火后在,25,下时效过程中（,对应的为,GP,区，高电阻率的,K,状态,），如进行,215,短期加热,(23min),，可使电阻率降低到近于淬火后所得到的数值。如继续在,25,时效，电阻率将再次升高。,热力学不稳定，微粒的溶解是时效回归现象的基础，也是聚集的第一阶段，如果回火保,温时间相当长，聚集是通过细小微粒,(CuAl,2,),的溶解和从过饱和固溶体中该化合物较大的生长晶体上析出来实现的。,31,四、,测定固溶度曲线,根据电阻率变化规律：纯金属具有较小电阻率，当纯金属中溶入其它元素而形成固溶体时，固溶体的电阻率随溶质元素含量的增加呈曲线变化；当合金两相呈机械混合时，合金电阻率随第二组元的增多呈直线变化,。,32,具体方法：将一系列成分不同的试样加热到略低于共晶转变温度,T,0,以下，保温足够时间，然后淬火；将淬火后的试样再分别加热到低于,T,0,的各个温度，保温足够长时间使组织达到平衡态，然后再淬火下来得到各试样的电阻率，绘制不同温度下的,-,曲线，找出转折点所对应的浓度，即为各温度下的溶解度。,原理：在固溶线以左，溶质全部溶入溶剂形成单相固溶体,，该区内,随,成曲线增大，在固溶,线,以右，继续增大溶质浓度，则形成,+,两相区，两相区内随溶质浓度的增加，,、,向成分不变，只改变相对量，类似于机械混合，故此时,-,为直线关系,33,五、,研究合金的有序,无序转变,有些合金在加热和冷却过程中存在着有序,无序转变，由于,有序相的电阻率比无序相低,，故转变时电阻率有很明显的变化。,曲线,1,：为无序状态合金，加热时因单纯受温度的影响，电阻率增大，当加热到,300,时，电阻率曲线发生了明显的向下拐折，表示由于热激活原子开始向有序化排列，曲线随温度增高继续降低，说明有序进一步得到了发展，但由于这时加热的温度范围较高，只能获得,部分有序状态,，随后便转变为,无序结构。,34,曲线,2,：从,高温的无序状态将合金缓慢地冷却,，从无序转变为有序时，合金的电阻率将发生向下拐折，电阻率曲线随温度下降，有序化在不断发展，由于冷却的速度很小，合金的有序化得以充分进行。,曲线,3,：将,高温无序态合金快冷至某一有序化温度,，使其来不及转变，然后再进行缓慢冷却，则获得部分有序状态，并且还能控制有序区的大小。,35,六、研究碳钢过冷奥氏体的等温转变,过冷奥氏体含有较多的碳，因而电阻率较高，其等温产物珠光体、贝氏体、索氏体等具有较小电阻率，因而电阻率发生较大变化，从而可定性确定过冷奥氏体转变的孕育期与结束时间,36,七、,研究材料的疲劳过程,材料的应力疲劳是内部位错的增殖、裂纹的扩展等一系列微观以致宏观缺陷的发展过程,第,1,、,2,阶段电阻率变化不大；第,3,阶段电阻率值有缓慢增加的趋势，这,对应于材料内部缺陷的密度不断的增高,；第,4,阶段的,电阻率变化更加明显，这时试样内部缺陷急剧增加，原有的内部裂纹已发展到表面出现微裂纹，故引起电阻率大幅度提高,。,37,八、,研究马氏体相变,对热弹马氏体相变研究表明：在降温进行正马氏体相变及升温进行反马氏体相变过程,(,奥氏体化,),中，发现电阻有反常变化：形成马氏体时，合金电阻急剧增加；马氏体消失，电阻下降。因此从电阻变化的特点可以确定,热弹马氏体相变的温度范围。,38,1.5,超导体（,P73,）,概念：在一定的低温条件下，金属突然失去电阻的现象，超导电性。发生这种现象的温度称为临界转变温度（,Tc,),10,-25,cm,超导态特性,1,、完全导电性：等电位、无电场,2,、完全抗磁：在外加磁场的作用下，产生一个附加的与外加磁场方向相反、大小相等的磁化场，从而使其磁感应强度为,0,3,、通量量子化：非连续性,39,性能指标：,1,、临界温度,Tc,：希望越高越好，最好能接近室温,2,、临界磁场强度,Bc,：当温度,Tc,时，将磁场作用于超导体，当磁场强度大于,Bc,时，磁力线将穿入超导体，则磁场破坏了超导态，回到正常态,3,、临界电流密度：如果输入电流所产生的磁场与外加磁场之和超过超导体的临界磁场时,Bc,时，则超导态被破坏,40,41,1.7,电介质与极化（,P97),电介质：在电场作用下能被极化的物质（通常是指,电阻率大于,10,10,cm,的一类在电场中以感应而并非传导的方式呈现其电学性能的材料）,极化：电介质在外加电场作用下产生束缚电荷的现象,极化强度,P,电位移,D,：,磁介质：在磁场作用下能被磁化的物质,磁化：磁介质在外加磁场作用下产生附加磁场的现象,磁化强度,M,：,磁感应强度,B,：,42,：电极化率,0,:,真空介电常数,r,：相对介电常数,：介电常数,：磁化率,0,：真空磁导率,r,：相对磁导率,：材料真实磁导率,43,44,晶体的对称性与介电性能,晶体结构：七个晶系：三斜、单斜、正交、正方、立方、六方、菱方,32,个点群：,11,种中心对称、无压电效应、加电场时会发生,形变，应变与电场平方成正比，与电场方向无关,：,电致伸缩（,P121,）,45,21,种非中心对称：其中,20,种在应力作用下产生极化、在电场作用下产生形变，且 ，伸缩方向与电场方向有关，,压电效应（,P117-126,）,正压电,效应：晶体受,机械力,作用时，一定方向的表面,产生束缚电荷,（正负电荷中心不重合），其电荷密度大小与所加应力成线性关系；,逆压电,效应：晶体在,外电场激励,下，某些方向,产生形变,的现象，,形变与电场强度成线性关系,。,46,20,种非中心对称中还有,10,种点群具有单一的极轴（只能在一种方向上产生极化），称为极性晶体，具有自发极化效应，且,极化效应与温度有关，热电效应,。,典型特征：,T,T,c,，晶体为中心对称，无极化现象,Tc,Ps,47,其中,部分热电材料在电场,E,的作用下，,Ps,会反向,（存在自发极化、且自发极化具有两个或多个可能方向）,例：,铁电陶瓷,材料,BaTiO,3,T=120,，立方相转变为正方相,T=5,，正方相转变为正交相,T=-90,，正交相转变为三角相,电畴：,T,T,c,时，晶体内出现极化方向（,P,s,）相同的微区,48,思考题,1,、影响金属电阻的主要因素（外部、内在因素）？,2,、电阻测试与分析在材料研究领域的主要应用领域及原理,3,、晶体对称性与电性能（*）,49,