材料物理性能电学性能公开课一等奖优质课大赛微课获奖课件.pptx
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1、第二章第二章 材料电学性能材料电学性能导电性导电性晶体能带晶体能带金属和合金导电性金属和合金导电性导电性测量和应用导电性测量和应用半导体电学性能半导体电学性能绝缘体电学性能绝缘体电学性能超导电性超导电性热电性热电性压电性压电性磁电性磁电性第1页第1页导电性导电性电阻与材料性能和尺寸关系电阻与材料性能和尺寸关系电阻率电阻率电导率电导率电阻温度系数电阻温度系数导体(纯金属导体(纯金属10-810-7m,合金合金10-710-5m)半导体(半导体(10-3109m)绝缘体(绝缘体(109m)第2页第2页第3页第3页元素周期表元素周期表第4页第4页第5页第5页第6页第6页第7页第7页A族,碱金属,外壳
2、层价电子数为族,碱金属,外壳层价电子数为1,其价电子在外,其价电子在外加电场作用下由价带跃迁到导带,形成电流。因此只加电场作用下由价带跃迁到导带,形成电流。因此只有那些电子未填满能带材料才有导电性。有那些电子未填满能带材料才有导电性。第8页第8页AA族,外壳层价电子数为族,外壳层价电子数为1 1第9页第9页贵金属,贵金属,d壳层填满、与原子核有强交互作用,使壳层填满、与原子核有强交互作用,使s壳层壳层电子与核作用大大削弱,其价电子在外加电场作用下进电子与核作用大大削弱,其价电子在外加电场作用下进入导带,导电性极好。入导带,导电性极好。第10页第10页d壳层填满,与原子和有强交互作用,使壳层填满
3、,与原子和有强交互作用,使s壳层电子壳层电子与核作用大大削弱,其价电子在外加电场作用下进与核作用大大削弱,其价电子在外加电场作用下进入导带,导电性极好。入导带,导电性极好。第11页第11页A族,外壳层价电子数为族,外壳层价电子数为2。Mg3p能带与能带与3s能带重叠,能带重叠,3s上电子可跃迁到上电子可跃迁到3p能带上,也有较好导电性。能带上,也有较好导电性。第12页第12页A族,外壳层价电子数为族,外壳层价电子数为2A族,外壳层价电子数为族,外壳层价电子数为3第13页第13页d壳层电子逐步填满过渡金属。壳层电子逐步填满过渡金属。Fe原子形成晶体时原子形成晶体时4s能带能带与与3d能带重叠。由
4、于价电子核内层电子有强交互作用,铁导能带重叠。由于价电子核内层电子有强交互作用,铁导电性稍差。电性稍差。第14页第14页d壳层电子逐步填满过渡金属壳层电子逐步填满过渡金属第15页第15页金属导电理论金属导电理论典型电子理论典型电子理论金属晶体为正离子电子金属晶体为正离子电子气气外加电场时,自由电子定外加电场时,自由电子定向迁移,形成电流。自由向迁移,形成电流。自由电子与正离子机械碰撞产电子与正离子机械碰撞产生电阻生电阻Eev第16页第16页 电子在自由程终点取得定向迁移速度电子在自由程终点取得定向迁移速度平均速度平均速度电流密度电流密度电阻率表示式电阻率表示式散射系数散射系数a加速度加速度t两
5、次碰撞时间间隔两次碰撞时间间隔E电场强度电场强度m电子质量电子质量n单位体积自由电子数单位体积自由电子数在量子理论中为在量子理论中为n*,代表,代表单位体积内实际参与导电单位体积内实际参与导电电子数电子数e电子电荷电子电荷v电子速度电子速度L电子平均自由程电子平均自由程第17页第17页影响导电性原因影响导电性原因温度升高,离子热振动加剧,原子温度升高,离子热振动加剧,原子无序度加大,使电子散射几率加大,无序度加大,使电子散射几率加大,电阻率加大电阻率加大冷加工使晶格畸变,使电子散射几冷加工使晶格畸变,使电子散射几率加大,原子间距有所改变,电阻率加大,原子间距有所改变,电阻率加大率加大压力通常使
6、电阻率减少压力通常使电阻率减少热处理通过晶格畸变、点缺点、热处理通过晶格畸变、点缺点、晶粒尺寸改变影响电阻率晶粒尺寸改变影响电阻率D第18页第18页合金导电性合金导电性连续固溶体,最大电阻连续固溶体,最大电阻率通常在率通常在50原子浓度原子浓度处。主要是异类原子引处。主要是异类原子引起溶剂晶格畸变。起溶剂晶格畸变。溶质为过渡元素时,电溶质为过渡元素时,电阻率增大更为明显。由阻率增大更为明显。由于溶剂部分价电子会进于溶剂部分价电子会进入过渡元素未填满入过渡元素未填满d或或f电子层,减少了有效电电子层,减少了有效电子数。用做电热合金和子数。用做电热合金和电阻合金。电阻合金。第19页第19页马基申定
7、律马基申定律低浓度下固溶体电阻低浓度下固溶体电阻 溶剂电阻(晶格热振溶剂电阻(晶格热振动,电子散射),与温度动,电子散射),与温度相关,绝对零度时为零。相关,绝对零度时为零。残余电阻(合金原子,残余电阻(合金原子,空位、间隙原子及位错等)空位、间隙原子及位错等),与温度无关。,与温度无关。第20页第20页低浓度下溶质原子引起残余电阻与温度无关,固溶体电阻低浓度下溶质原子引起残余电阻与温度无关,固溶体电阻温度系数低于纯金属,而固溶体电阻率随温度改变斜率与温度系数低于纯金属,而固溶体电阻率随温度改变斜率与纯金属相同。纯金属相同。高浓度下,高浓度下,和和 均随温度改变。均随温度改变。含有过渡金属元素
8、时(如加入含有过渡金属元素时(如加入Mn),也许出现),也许出现 锰铜精密电阻合金,含有低电阻温度系数。锰铜精密电阻合金,含有低电阻温度系数。第21页第21页有序固溶体导电性有序固溶体导电性固溶体有序化使点阵规律固溶体有序化使点阵规律性加强,减小电子散射,性加强,减小电子散射,使导电性加强。使导电性加强。冷加工破坏固溶体有序度,冷加工破坏固溶体有序度,增长电阻率。增长电阻率。电阻测量法是研究有序固电阻测量法是研究有序固溶体有效办法。溶体有效办法。第22页第22页不均匀固溶体(不均匀固溶体(K状态)电阻状态)电阻固溶体中存在溶剂原子偏聚区成份波动或原子排列短程固溶体中存在溶剂原子偏聚区成份波动或
9、原子排列短程有序,故能强烈地散射电子,使电阻率增长。有序,故能强烈地散射电子,使电阻率增长。回火能促使偏聚区形成。回火能促使偏聚区形成。加热到高温或进行强烈冷加工,使偏聚区消失,可减少电加热到高温或进行强烈冷加工,使偏聚区消失,可减少电阻率。阻率。铝铜合金。加热到单相区固溶;淬火形成过饱和单相固溶铝铜合金。加热到单相区固溶;淬火形成过饱和单相固溶体;加温时效,析出体;加温时效,析出GP区、区、,等。等。可用电阻分析法研究铝合金时效过程。可用电阻分析法研究铝合金时效过程。第23页第23页第24页第24页铝合金在铝合金在180时效时效5 5秒钟,铜原子偏聚秒钟,铜原子偏聚第25页第25页金属化合物
10、导电性金属化合物导电性金属化合物(如金属化合物(如FeAl3,NiAl3)导电性通常比其组)导电性通常比其组元导电性低得多,主要是金属键部分地为共价键元导电性低得多,主要是金属键部分地为共价键或离子键所代替。或离子键所代替。电子化合物(如电子化合物(如Cu3Zn8)主要是金属键结合,导)主要是金属键结合,导电性介于固溶体和金属化合物之间。电性介于固溶体和金属化合物之间。间隙相间隙相(如如TiC)含有金属键和特性,导电性较好。含有金属键和特性,导电性较好。第26页第26页第27页第27页多相合金导电性多相合金导电性当合金为退火态、无织构,且构成相电导率相近时(电导当合金为退火态、无织构,且构成相
11、电导率相近时(电导率之比约率之比约0.751.75),双相合金导电性符合各项合金相),双相合金导电性符合各项合金相加规律。加规律。p、q为体积百分数。为体积百分数。c1、c2为质量百分数。为质量百分数。第28页第28页两相片状组织两相片状组织导电方向导电方向导电方向导电方向 第29页第29页导电性测量导电性测量电桥法(单电桥,双电桥克服附加电阻)电桥法(单电桥,双电桥克服附加电阻)直流电位差计测量法(消除连线电阻和接触电阻)直流电位差计测量法(消除连线电阻和接触电阻)半导体电阻测量(四探针法)半导体电阻测量(四探针法)绝缘体电阻测量(电容和冲击检流计测量法)绝缘体电阻测量(电容和冲击检流计测量
12、法)第30页第30页1、工作电流原则化(、工作电流原则化(K到到N)2、求待测电动势(、求待测电动势(K到到X)3、求待测电阻、求待测电阻RxRx=R标标Ux/U标标特点:消除连线电阻和接触特点:消除连线电阻和接触电阻电阻 第31页第31页电阻分析应用电阻分析应用合金时效合金时效合金有序无序转变合金有序无序转变固溶体溶解度固溶体溶解度淬火钢回火淬火钢回火第32页第32页Al-Cu合金时效环节:合金时效环节:1、加热到、加热到单相区固溶单相区固溶2、淬水,得到过饱和、淬水,得到过饱和固溶固溶体体3、在室温或加热时效:、在室温或加热时效:a.析出析出GP区(与基体共格)区(与基体共格)b.析出析出
13、(与基体共格)(与基体共格)c.析出析出(与基体半共格)(与基体半共格)d.析出析出CuAl2(与基体非共格),(与基体非共格),并汇集长大。基体并汇集长大。基体Cu含量减少,电含量减少,电阻下降。阻下降。第33页第33页铝合金在铝合金在180时效时效5 5秒钟,铜原子偏聚秒钟,铜原子偏聚第34页第34页25时效产生时效产生GPGP区在区在215215保温保温时又溶回到基体中,形成均匀时又溶回到基体中,形成均匀固溶体,电阻下降。固溶体,电阻下降。第35页第35页合金有序无序转变合金有序无序转变(有序结构电阻率低)(有序结构电阻率低)第36页第36页测量方法:1、将不同成份试样加热到略低于共晶(
14、共析)转变温度t0,保温足够时间,然后淬火得到过饱和固溶体。2、把淬火试样加热到低于t0各个温度保温,使组织达到平衡。3、然后再淬火到室温测量电阻率,作出-B曲线。4、找出转折点对应浓度,即为各温度下B在A中溶解度。第37页第37页淬火钢回火淬火钢回火1 1、110110马氏体分解,正方度马氏体分解,正方度下降,电阻率减少。含下降,电阻率减少。含C C量越量越高,马氏体脱溶分解(电阻率高,马氏体脱溶分解(电阻率下降)越急剧。下降)越急剧。2 2、230230残余奥氏体分解,基残余奥氏体分解,基体体C C含量减少,电阻率下降。含量减少,电阻率下降。第38页第38页材料疲劳过程材料疲劳过程缺点密度
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