第四章材料的电学性能二优秀PPT.ppt

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1、第四章材料的电学性能二2022/12/61第一页，本课件共有59页一、温度的影响金属：温度T。原因:T对有效电子数和电子平均速度几乎没有影响；但T 离子振动加剧，热振动幅度，原子无序度，周期势场涨落 电子运动自由程l，散射几率P。在熔点以下，金属的电阻率 随温度变化的一般规律如右 图所示。TD时,T;T170)CuS (91)AgAl11O17-氧化铝Bi2O3.25%Y2O31(150)3.8(200)0.2(400)0.1(500)0.35(300)0.25(1000)0.16(700)0.050.050.250.180.010.650.602022/12/637第三十七页，本课件共有59

2、页晶体结构的特征决定其导电的离子类型和电导率的大小。一般来说，结构上亚晶格是无序的并且具有空位。例如，在化合物Na3Zr2PSi2O12中，三维无序并具有离子迁移。对于-氧化铝(Na2O.11Al2O3)，Na+传导是由二维缺陷进行的，而LiAlSiO4的迁移路径是一维的。总之，它们的结构都具有以下四个特征。1)晶体结构的主体是由一类占有特定位置的离子构成。2）具有大量的空位，这些空位数量远高于可移动的离子数。因此，在无序的晶格里总是存在可供迁移离子占据的空位。3）亚晶格点阵之间具有近乎相等的能量和相对低的激活能。4）在点阵间总是存在通路，以至于沿着有利的路径可以平移。2022/12/638第

3、三十八页，本课件共有59页2、快离子导体的应用1）电池材料-氧化铝，应用于电池电解质（如Na-S电池）。亚铁磁性材料KF11O7为离子和电子的混合导电，因为含有Fe2+和Fe3+混合离子，用于做电池的电极。2）立方氧化锆氧探头氧化锆具有三种晶体结构：通过加入低价离子代替部分锆可以把立方晶体结构稳定到室温。立方ZrO2具有萤石的结构，O2-离子排成简单立方，在点阵的1/2处占据着Zr4+间隙原子，如图所示。低价阳离子置换Zr4+导致O2-离子空位的形成。空位稳定了结构，同样导致在氧的亚晶格中高的迁移率。2022/12/639第三十九页，本课件共有59页2022/12/640第四十页，本课件共有5

4、9页立方稳定氧化锆的重要应用是用于测量气体中或熔融金属中的氧含量，其结构如图所示。电动势为2022/12/641第四十一页，本课件共有59页2022/12/642第四十二页，本课件共有59页五、半导体陶瓷材料前面介绍了陶瓷材料的漏导机理及有关的影响因素，以便采取措施降低漏导，提高电阻率，以满足绝缘元件的要求。然而陶瓷材料的电导绝非是绝对的坏事，陶瓷材料也不仅是绝缘材料，半导体和导电陶瓷材料，由于有金属材料不可比拟的优越性，如化学稳定性好、抗热震性好、耐高温、耐高压、抗腐蚀等，正引起人们的日益重视。因此，陶瓷材料亦可分为：绝缘体、半导体、导体和超导体。2022/12/643第四十三页，本课件共有

5、59页1、氧化锡陶瓷经高温烧结的SnO2，由于高温失氧，造成阴离子缺位，引起晶格畸变，并生成非化学计量比化合物SnO2-x，使材料内部出现自由电子，形成N型半导体，室温下的体积电阻率为：v=104105.m。为了提高导电性，必须造成更大量的缺陷，缺陷浓度越大，越接近导体。工艺上采用各种“掺杂”氧化物提高其导电性，其中以Sb2O3,MnO2,CuO等最好。如:96%SnO2+2%CuO+2%Sb2O3配成的坯料，以9.8*107N.m-2压力压制，在1723K烧结。试件293K时的电阻率v=10-3.m，比纯SnO2低78个数量级，电导活化能由1eV降低到0.10.2eV。2022/12/644

6、第四十四页，本课件共有59页右图是SnO2的电阻率温度曲线。温度上升，电阻率急剧下降，在高温下，二氧化锡陶瓷是很好的导电材料，另外，它能抗热震、热膨胀小、导电率高，因此常被用作输送电流的电加热元件。尤其是它耐玻璃液侵蚀的优点，使它可以用来做玻璃电熔的电极材料。为了进一步提高低温导电性，采用惰性气氛或真空对氧化锡陶瓷进行热处理，可使其常温电阻率进一步降低67个数量级。2022/12/645第四十五页，本课件共有59页2、烧结氧化锆发热体 烧结ZrO2具有很高的熔点及很好的化学稳定性，是一种高级耐火材料。而用CaO,MgO,Y2O3等稳定的二氧化锆在高温时（1273K以上）是一种相当好的导体。其电

7、阻率与稳定剂种类及数量有关，如用0.5%CaO 稳定的ZrO2发热体，一直可升温至2073K以上。烧结氧化锆的导电机理是由于CaO，MgO，Y2O3等稳定剂的加入，与ZrO2生成假立方晶型的固溶体，由于不等价的阳离子置换，造成阳离子过剩，而过剩的阳离子，如Ca+体积太大，不能填入间隙位置，只能占据正常阳离子节点位置，因而出现阴离子缺位，晶格发生畸变，造成缺陷，使电导活化能大大降低，电阻率下降。温度升高，电导率呈指数上升，造成良好的高温导电性。2022/12/646第四十六页，本课件共有59页低温下稳定氧化锆的电阻率还很大，故作为发热元件，必须先进行预热（往往用碳硅棒），当预热至1273K以上，

8、开始导电发热。3、其他半导体陶瓷的电导特性一些半导体陶瓷材料的电阻对热、光、声、磁、湿、电压或某种气体的变化特别敏感，产生一系列的敏感效应。（1）热敏陶瓷掺杂的BaTiO3(稀土金属氧化物掺杂)，在居里点附近，发生相变时，电阻率剧增103106量级。用途：热敏温度计，电路温度补偿器，无触点开关等。2022/12/647第四十七页，本课件共有59页（2）压敏陶瓷（对电压敏感）电阻率电压呈函数关系，如半导体氧化锌陶瓷。用途：电压吸收，高压稳定，避雷器等。（3）光敏陶瓷光子能量大于半导体禁带宽度，形成光电导，利用光敏电阻可实现照明自动化。如Ge,Si,InSb,CdS,PbS,CdSe等。（4）气敏

9、陶瓷SnO2，ZnO等。对还原性气体特别敏感，可作为指示灯或电子报警。汽油站、气站、煤矿瓦斯监控等。2022/12/648第四十八页，本课件共有59页 4-5 超导体一、发展简况P7374二、超导态特性和超导体的三个性能指标1、超导体的三个特性：(1)它的完全导电性，无电阻（10-25.cm）；(2)它的完全抗磁性；(3)它的通量量子化。2、超导体的三个性能指标(1)超导体的临界转变温度TC；(2)临界磁场强度BC；(3)临界电流密度JC。2022/12/649第四十九页，本课件共有59页三、超导体的分类超导体分为两类。元素超导体除V、Nb、Ta外都属于I类超导体，他们的磁化行为如图1所示。V

10、、Nb、Ta以及合金和化合物超导体都是II类超导体，他们的磁化行为如图2所示。（P6768）2022/12/650第五十页，本课件共有59页四、应用 超导体的应用十分广泛，随着研究的不断深入，将得到更加广泛的应用。现有以及即将应用的领域有：1、医用核磁共振（NMR）成像系统；2、实验物理用粒子加速器；3、发动机；4、磁悬浮列车；5、核聚变装置（约束聚合反应）；6、电能储存系统；7、电源变压器；8、超导量子干涉仪；9、电子计算机；10、电能输送。2022/12/651第五十一页，本课件共有59页4-7 电导功能材料广义电导功能材料包括：导电材料、电阻材料、电触点材料、电阻元件、电阻器、半导体、超

11、导体等，本节只简单介绍前三种材料。一、导电材料(1)铜和铜系导电材料（无氧铜OF-HC）P70 图2.56杂质对铜电导率的影响。(2)铝和铝系导电材料(3)其他导电材料2022/12/652第五十二页，本课件共有59页二、电阻材料基本要求：电阻温度系数小、阻值稳定、电阻率适当、加工连接容易。1、精密电阻合金Mn-Cu合金、Cu-Ni合金2、电热合金Ni-Cr、Fe-Cr-Al、Fe-Cr-Al-Mo(-W)(-Nb)3、高温加热元件和电极（陶瓷电热元件）SiC、MoSi2、LaCrO3、SnO2-x、ZrO2P71 表2.12 给出了常用精密电阻合金成分及其性能 P72 表2.13 给出了电热

12、合金成分及性能 2022/12/653第五十三页，本课件共有59页三、电触点材料1、接触电阻及其产生原因接触电阻：电流流过两导体接触部分的电阻；(1)会聚电阻（convergence resistance）(2)过渡电阻（transition resistance）2、触点材料（P7475）Pt、Pt-Ir、Ir-Os、W、Ag、Pt-Cu-Ag、Cu、Cu-Be、Cu-Ni2022/12/654第五十四页，本课件共有59页4-8 电性能的测量髙阻计、万用表、电桥、双电桥、四探针、电子电位差计等。一、单、双电桥法测量电阻（自学）二、电子电位差计法测量小电阻电位差计是测量直流电动势的精密仪表，也

13、可以用来测量电阻值。电位差计的工作原理是电位补偿原理，因而能完全消除附加电阻对测量电阻值的影响。电位差计的工作原理如图所示：2022/12/655第五十五页，本课件共有59页EN：标准电池，UN=1.01981.076V。EX：被测电势；G：检流计；RN：标准电阻；R1、RX可变电阻。首先：K拨向标准一侧，调节R1使G为0，此时：IRN=EN；第二步，K拨向测量一侧，调节RX使G为0，此时：IRX=EX；由于上述两次I相同，故有式中：EN、RN为已知，RX可从仪表刻度上读出，EX即可求得（一般可以直接从仪表刻度盘上读出EX）。精密的低电势电位差计可测出10-810-7V的微小电势。2022/1

14、2/656第五十六页，本课件共有59页将RX和RN串联，用电位差计分别测出RX和RN两端电压降：UX、UN，则有RX=（UX/UN）RN。由于测量回路中无电流，故测量导线的电阻对其影响可完全消除，特别适合于高、低温电阻测量。测量时，应使I尽量大，但热电势效应无法消除。2022/12/657第五十七页，本课件共有59页三、直流四探针法测量电阻主要用于半导体材料等低电阻率材料的电阻测试。工作原理如图所示：2022/12/658第五十八页，本课件共有59页4-9 电性能研究的应用P78-81，自学1、固溶体的溶解度曲线；2、研究合金的时效；3、研究马氏体转变；4、研究马氏体的回火；5、研究有序化转变；6、研究疲劳与裂纹扩展；7、其他相变与组织转变过程。2022/12/659第五十九页，本课件共有59页