第二节 金属导电材料 第三节 电阻材料

1、1 第二节第二节 金属导电材料金属导电材料 导电材料导电材料：是指用以是指用以传送电流传送电流而无或只有而无或只有很小电能损失很小电能损失的材料的材料, , 它它 包括包括: : 电力工业电力工业 强电强电用导电引线材料（用于电线、电缆）用导电引线材料（用于电线、电缆） 电子工业电子工业 传送传送弱电流弱电流的导体布线材料的导体布线材料、导电涂料和粘结剂、透、导电涂料和粘结剂、透 明导电材料明导电材料 金属导电材料金属导电材料: : 导电引线材料导电引线材料、导体、导体布线材料布线材料 一一. .导电引线材料导电引线材料 1) 1) 性能要求：性能要求： 高导电性高导电性 机械强度足够机械强度

2、足够 不易氧化不易氧化、不易腐蚀不易腐蚀 易加工易加工、可焊性好、可焊性好 2 2） 主要材料主要材料: Cu 、Al Al 及其合金及其合金 导电引线材料的基本性质以电导率来表征导电引线材料的基本性质以电导率来表征. . 国际标准软铜国际标准软铜, ,mmmm2 2 、1 m 1 m 长长, , 在在2020下下, , 电阻电阻:1/58:1/58 , , 电阻率电阻率: : 1.7241.724 cm(1.724x10cm(1.724x10-8 -8 m), m), 将其电导率定为将其电导率定为100%.100%.其它材料的电导其它材料的电导 率则以该材料的电导率与标准软铜电导率相比的百分

3、数来表示率则以该材料的电导率与标准软铜电导率相比的百分数来表示 CuCu 铜是电工技术中最常用的导电材料铜是电工技术中最常用的导电材料. 铜作为导电材料大都为电解铜铜作为导电材料大都为电解铜, , 其含其含 Cu:99.97-99.98%(Cu:99.97-99.98%(质量分数质量分数, ,下同下同),), 含有少量金属杂质和氧含有少量金属杂质和氧. . 半硬铜半硬铜 电导率电导率: 98-99% : 98-99% 硬铜硬铜 电导率电导率: 96-98% : 96-98% 铜含杂质铜含杂质, , 尤其氧尤其氧, , 电导率电导率 AlAl 铝铝( (纯度纯度:99.6-99.8%) :99.

4、6-99.8%) 电导率电导率:61%, :61%, 相对密度为铜的相对密度为铜的1/31/3 钢丝增强铝电缆钢丝增强铝电缆、合金增强铝线、全铝合金导线、合金增强铝线、全铝合金导线: 160kV : 160kV 以上高压配电以上高压配电 线线 硬铝硬铝: : 送送、 配电线配电线, , 只在只在9090以下连续使用以下连续使用 含锆耐热铝合金含锆耐热铝合金: : 大容量高压输电线大容量高压输电线, 150, 150下连续工作下连续工作 超耐热铝合金超耐热铝合金: : 变电所用母线变电所用母线, 200, 200下连续工作下连续工作 3 部分常见导电引线材料及其部分常见导电引线材料及其2020下

5、的性能下的性能 4 二二. .导体布线材料导体布线材料 厚膜导体布线材料厚膜导体布线材料 膜厚膜厚: 10-20 m a) a) 性能要求：性能要求： 膜电阻小膜电阻小( (导电性好导电性好) ) 附着力强附着力强 可焊性好、抗焊熔性好可焊性好、抗焊熔性好 b) b) 材料材料: : 贵金属系贵金属系: Au: Au、AgAg、PtPt、PdPd 贱金属系贱金属系: Cu: Cu、NiNi、AlAl、CrCr 制备工艺制备工艺: : 采用导体浆料丝网印刷采用导体浆料丝网印刷, ,然后烧结形成厚膜导体然后烧结形成厚膜导体. .优点：成优点：成 本低本低 2) 2) 薄膜导体布线材料薄膜导体布线材

6、料 膜厚膜厚: 1 m 左右左右 a) a) 要求：要求： 导电性好导电性好 附着力强附着力强 化学稳定性高化学稳定性高 可焊性好、耐焊性好可焊性好、耐焊性好 1)1)成本低成本低 5 b) b) 材料材料: : 单元膜单元膜( (单层薄膜导体单层薄膜导体): ): l l膜膜 复合膜复合膜( (多层薄膜导体多层薄膜导体): ): rAurAu、TiPdAuTiPdAu、TiCuNiAu TiCuNiAu 膜等膜等, ,应用最广应用最广 复合膜结构复合膜结构: : 底层底层( (粘附层粘附层):):r r、NiNir r、TiTi等等, , 厚厚20-50nm 20-50nm 顶层顶层( (导

7、电和焊接导电和焊接): Au, ): Au, 厚厚1000nm1000nm 阻挡层阻挡层( (阻止底层与顶层阻止底层与顶层AuAu膜的互扩散膜的互扩散):):厚厚100-300nm,100-300nm,如如PdPd、PtPt、 NiNi 制备制备技术技术: :真空镀膜真空镀膜: 溅射溅射、蒸发方法、蒸发方法 薄膜导体发展方向薄膜导体发展方向: : 高温薄膜导体高温薄膜导体: 400-500: 400-500下稳定工作下稳定工作, TiWAu , TiWAu 薄膜等薄膜等 贱金属薄膜导体贱金属薄膜导体: : NiNi、NiCrNi NiCrNi 或或 NiCrCu NiCrCu 薄膜等薄膜等 6

8、 第三节第三节 电阻材料电阻材料 电阻材料电阻材料: 利用物质固有利用物质固有电阻特性电阻特性来制造不同功能元件的材料来制造不同功能元件的材料. 按用途类按用途类: 精密电阻合金精密电阻合金 电热器用电阻材料电热器用电阻材料 传感器用电阻合金传感器用电阻合金 膜电阻材料膜电阻材料 一一. 精密电阻合金精密电阻合金 用途用途: 调节器调节器、电位器、精密仪器仪表、电位器、精密仪器仪表 主要性能要求主要性能要求: 低电阻温度系数低电阻温度系数(在宽的温度范围：在宽的温度范围：-60-100甚至甚至300), 电阻温度电阻温度 系数随温度变化线性度好系数随温度变化线性度好, 电阻值时间稳定性好电阻值

9、时间稳定性好 高电阻率高电阻率: 0.2 m, 尤其是尤其是通讯仪器通讯仪器 直流下使用时直流下使用时, 对铜热电势对铜热电势CU 要小要小 7 常见精密电阻合金常见精密电阻合金: 锰铜合金锰铜合金 锰铜锰铜: 86Cu-12Mn-2Ni: =0.42-0.48 m 新康铜新康铜: 83Cu-12Mn-3.5Al-1.5Fe, =0.54 m 镍铜合金镍铜合金 康铜康铜: 58.5Cu-40Ni-1.5Mn: 最高温度最高温度400, =0.49 m 德银德银: 58Cu-20Ni-22Zn, =0.34 m 卡玛卡玛: 72Ni-20Cr-3Al-2.5Fe-2Mn-0.5RE: 高电阻率高

10、电阻率 =1.37 m 贵金属合金贵金属合金: Pt-、 Au-、 Pd-、 Ag-基：基：耐腐蚀、抗氧化耐腐蚀、抗氧化 改良铁铬铝等：改良铁铬铝等： 改良铁铬铝：改良铁铬铝：75Fe-20Cr-5Al: =1.35 m.可通过改变可通过改变Al、Cr组组 成，使电阻温度系数从成，使电阻温度系数从正到负变化正到负变化 8 二二. 电热器用电阻材料电热器用电阻材料 用途用途: 民用与工业用电炉民用与工业用电炉、节能电热器具节能电热器具 主要性能要求主要性能要求: 高温下抗氧化高温下抗氧化 高电阻率和低电阻温度系数高电阻率和低电阻温度系数 足够的高温强度足够的高温强度 主要材料主要材料: (一一)

11、 电热合金电热合金: 500 以下以下:Cu-Ni合金合金:康铜康铜 900-1350 : Ni基合金基合金: Ni80Cr20 Fe基合金基合金: Fe-Cr-Al (二二)电热陶瓷电热陶瓷: 1500: 是是Pt等贵金属在空气中的最高使用温度等贵金属在空气中的最高使用温度 1500以上以上: Mo、W 或石墨或石墨 (还原性气氛还原性气氛) 在在空气中需使用电热陶瓷空气中需使用电热陶瓷: SiC、MoSi2、LaCrO3、 SnO2 9 . 碳化硅碳化硅 (SiC) 在空气中最高使用温度在空气中最高使用温度: 1650 共价键晶体共价键晶体, 纯立方纯立方 -SiC是半导体是半导体, 能隙

12、为能隙为2.2eV 600 以下以下,有较大的负电阻温度系数有较大的负电阻温度系数 1000 以上以上, 10-3m 制备制备: 烧结法烧结法、反应键合法或硅化石墨法、反应键合法或硅化石墨法 SiC 加热元件加热元件 MoSi2 加热元件加热元件 10 . 二硅化钼二硅化钼(MoSi2) 在空气中最高使用温度在空气中最高使用温度: 1800 , 掺入掺入SiC可用至可用至1900 Mo原子与原子与Si原子的结合具有原子的结合具有金属键金属键和和共价键共价键共存共存的特征的特征 室温下室温下: =2.5x10-7m, 在在1800 增至增至4x10-6m 制备制备:工程工程MoSi2元件是元件是

13、20%体积比的铝硅酸盐玻璃体积比的铝硅酸盐玻璃 + MoSi2 粒子粒子 3. 铬酸镧铬酸镧(LaCrO3) 在大气压下使用可达温度在大气压下使用可达温度: 1800 在高温下，为在高温下，为p型半导体型半导体 高导电性高导电性, 在在1400 时时, 电导率为电导率为100/m, 适合磁流体发电机中的电适合磁流体发电机中的电 极极 电极制造电极制造: 陶瓷制品加工法陶瓷制品加工法 11 CaTiO3 钙钛矿结构钙钛矿结构 ABO3 在钙钛矿结构的中在钙钛矿结构的中, Ca2+和和O2-构成面构成面 心立方结构心立方结构, Ca2+在立方体的顶角在立方体的顶角, O2-在立方体的六个面心上在立

14、方体的六个面心上, 较小的较小的 Ti4+填于由填于由6个个O2-所构成的所构成的八面体空八面体空 隙中隙中, 这个位置刚好在由这个位置刚好在由Ca2+构成的构成的 立方体的中心立方体的中心 12 . 二氧化锡二氧化锡 (SnO2) 四方金红石结构四方金红石结构, 单晶称为锡石单晶称为锡石 SnO2为宽禁带能隙为宽禁带能隙(3.7e)半导体半导体 SnO2晶体都缺氧晶体都缺氧, 这种晶体在导带下这种晶体在导带下0.1eV造成施主能级而形成造成施主能级而形成n型半导体型半导体; 掺掺 杂族元素杂族元素Sb, 也也形形成成n型半导体型半导体 制备制备: SnO2 + ZnO和和CuO烧结剂烧结剂

15、+ 掺杂族元素掺杂族元素Sb和和As 用途用途: 制作熔融特种玻璃电极制作熔融特种玻璃电极, 在在1300-1600 使用使用. 室温室温:电导率电导率=0.1S/m 三三. 热敏电阻材料热敏电阻材料 热敏电阻材料分两类热敏电阻材料分两类: 合金合金 半导体陶瓷半导体陶瓷 1. 热敏电阻合金热敏电阻合金 主要特性主要特性: 电阻温度系数很大电阻温度系数很大, 电阻值与温度呈线性电阻值与温度呈线性, 电阻值的电阻值的 温度温度稳定性好稳定性好 13 主要合金主要合金: Ni- 、Fe- 、Co- 基合金基合金 用途用途: 航空航天器中的大气温度加热器航空航天器中的大气温度加热器, 电褥电褥、电熨

16、斗等家用电器、电熨斗等家用电器, 以控温、安全、节能还可制成测温用的电阻温度计以控温、安全、节能还可制成测温用的电阻温度计 图图2-5 典型热敏电阻合金的电典型热敏电阻合金的电 阻温度曲线阻温度曲线: a- Ni50Co10 Fe; b-Cr20V10 Fe 14 . 热敏电阻陶瓷热敏电阻陶瓷 在某一个温度范围内在某一个温度范围内, 电阻率随温度发生大幅度变化电阻率随温度发生大幅度变化的陶瓷称的陶瓷称热敏热敏 (电阻电阻)陶瓷陶瓷. 两种类型两种类型: 正电阻温度系数正电阻温度系数 PTC(Positive Temperature Coefficient) 型型 负电阻温度系数负电阻温度系数

17、NTC(Negative Temperature Coefficient) 型型 PTC型热敏电阻型热敏电阻: 为铁电陶瓷为铁电陶瓷, 有居里温度有居里温度 TC 在在TC 附近附近, 电阻率急剧增加电阻率急剧增加 PTC 热敏电阻材料热敏电阻材料: 钛酸钡钛酸钡 BaTiO3 + 掺杂不同添加物掺杂不同添加物 PTC效应起源于晶界效应起源于晶界,它与单它与单 位体积的晶界数有关位体积的晶界数有关, 并与掺并与掺 杂受主的密度和施主的密度有关杂受主的密度和施主的密度有关. 典型热敏陶瓷的电阻温度典型热敏陶瓷的电阻温度 曲线曲线 15 主要用途主要用途: 过热保护器、消磁器、传感器、暖风器等过热

18、保护器、消磁器、传感器、暖风器等 制备制备: 固相反应法或液相共沉法固相反应法或液相共沉法 固相反应法固相反应法是由精选的是由精选的BaO、TiO2及添加剂原料粉末开始，经过混及添加剂原料粉末开始，经过混 合合 预烧预烧 研磨研磨 成形成形 高温烧结；而高温烧结；而液相共沉法液相共沉法则往往加入助则往往加入助 熔剂进行烧结熔剂进行烧结. 四四. 膜电阻材料膜电阻材料 性能要求性能要求: 小的电阻温度系数小的电阻温度系数, 高电阻值高电阻值: 103-108 电阻率电阻率: 10-6 m 膜电阻分两大类膜电阻分两大类: 厚膜电阻厚膜电阻, 膜厚膜厚:10-15 m 薄膜电阻薄膜电阻, 膜厚膜厚

19、10 nm (一一) 厚膜电阻材料厚膜电阻材料 厚膜电阻浆料厚膜电阻浆料: 0.2-2.0 m 导体粉导体粉+ 0.5-10 m 玻璃粉玻璃粉+ 有机载体有机载体 制备制备:电阻浆料丝网印刷电阻浆料丝网印刷, 然后高温烧结然后高温烧结. 16 主要材料主要材料: 贵金属系氧化物贵金属系氧化物: 氧化钯氧化钯(PdO) 、氧化钌、氧化钌(RuO2)、钌酸铋、钌酸铋(Bi2Ru2O7)、 铱酸铋铱酸铋(Bi2Ir2O7) 高电导率高电导率: =105-106 S/m 贱金属系贱金属系氧化物氧化物: 硅硼酸铅硅硼酸铅 (52PbO-35SiO2-10B2O3-3Al2O3)等等 聚合物电阻浆料聚合物电阻浆料 用途用途: 通用电阻通用电阻、较大功率电阻等、较大功率电阻等, 用于电阻网络、阻容功能模块、混合用于电阻网络、阻容功能模块、