材料物理性能功能材料[1]

1、主讲：胡木林2008年03月材料物理性能q 电性材料q 磁性材料q 超导材料q 膨胀材料和弹性材料材料物理性能功能材料 电性材料包括导电材料，电阻材料(精密电阻材料，电阻敏感材料)，电热材料，热电材料等。材料物理性能功能材料 导电材料 导电材料是利用金属及合金优良的导电性能来传输电流，输送电能。导电材料广泛应用于电力工业技术领域，有时它也可包括仪器仪表用导电引线和布线材料，以及电接点材料。 导电材料在性能上的要求为高的电导率，高的力学性能，良好的抗腐蚀性能、良好的工艺性能(热冷加工，焊接)并且价格便宜。纯金属中导电性能好的有银、铜、金、铝。材料物理性能功能材料铜及其合金 铜是电工技术中最常用的

2、导电材料，钢中杂质使电导率下降，冷加上也会使电导率下降氧对铜的电导率影响显著。在保护气氛下可以重熔出无氧铜，其优点是塑性高，电导率高。在力学性能要求高的情况下可使用铜合金，如铍青铜可用作导电弹簧、电刷、插头等。铝及其合金 铝的电阻为铜的1.55倍，但质量只是铜的30，铝在地壳内的资源极其丰富，价格也较便宜，故以铝代饲有很大意义。杂质使铝的电导率下降，冷加工对电阻率影响不大。铝的缺点是强度太低，不易焊接。若需要提高强度，可使用铝合金，例如A1Si Mg三元铝合金既有高强度，而电导率也不太低。材料物理性能功能材料金及其合金 在集成电路中常用金膜或金的台金膜，金有很好的导电性，极强的抗蚀能力，但价格

3、较贵。金系合金也可作电接点材料。银及其合金 银具有金属中的最高电导率，加工性极好，银合金常作接点材料。材料物理性能功能材料 电阻材料 电阻材料包括精密电阻材料和电阻敏感材料。精密电阻材料一般具有较恒定的高电阻率，电阻率随温度的变化小，即电阻温度系数小，并且电阻随时间的变化小。因此常用作标准电阻器，在仪器仪表及控制系统中有广泛的应用。至于电阻敏感材料是指制作通过电阻的变化来获取系统中所需信息的元器件的材料，如应变电阻，热敏电阻，光敏电阻，气敏电阻等材料。材料物理性能功能材料CuMn系合金 CuMn二元合金的固溶休，在电阻温度曲线上具有负电阻温度系数，以此为基体制成了各种CuMn系电阻合金。其锰铜

4、合金是最广泛使用的一种典型电阻合企。其标准成分为：cu86、Mn12和Ni2。加入Ni可降低合金对铜的热电势，改善电阻温度系数并提高耐蚀性能。为了使合金性能更佳还可加入少量Fe和Si。 CuMn系加入少量Ge可使合金电阻增加，加工性能更好。NiCr系合金 NiCr系改良型电阻合金是在NiCr电热合金的基础上开发的一种高电阻，具有更宽的使用温度电阻温度系数更小，耐热性良好，耐腐蚀性更佳的易于拉丝的电阻材料。但锡焊较困难。其成分为Cr20，Al3，Mnl，Fe 2.5，其余为Ni。材料物理性能功能材料贵金属精密电阻合金 贵金属合金由于耐腐蚀，抗氧化，接触电阻小，电阻温度系数很小( )，年稳定性好，

5、因而受到各国的重视。这类合金主要有Pt基、Au基、Pd基和Ag基电阻材料。CuNi系合金 Ni和Cu在周期表中位置很近原子半径相差很小，均有f.c.c结构，故可形成连续固溶体。其中康铜的成分为cu60，Ni40，康铜的电阻温度线性比锰钢好，可以在较宽的温度范围内使用，其最高使用温度可达400 c，而且耐腐蚀性，耐热性均比锰铜好，但合金对铜的热电势大，为了进一步提高康铜性能，可以加入一些合金元素如Mn、si相Be以提高耐热性能，并可控制电阻温度系数。60.1 10/oC材料物理性能功能材料 FeCrA1系合金 FeCrA1系精密电阻是在电热合金的基础上进行成分的调整后获得的，它可以通过改变A1和

6、Cr的组成使电阻温度系数从正到负值之间变化，因此可制作出电阻温度系数较小的精密电阻合金。但加工性能稍差，焊接性能不好。 以上是一些精密电阻材料，至于电阻敏感材料则种类繁多，例如应变电阻材料要求有大的应变灵敏系数，常用Cu基、Ni基，Fe基及贵金属的合金。热敏电阻材料要求电阻温度系数要大，电阻与温度呈线性，稳定性好等，常用Co基Ni基和Fe基合金。而光敏电阻材料常用半导体材料，气敏电阻材料则用有机材料。材料物理性能功能材料 电热材料 电流通过导体将放出焦耳热，利用电流热效应的材料就是电热材料，因此广泛用作电热器。对电热材料的性能要求是：有高的电阻率和低的电阻温度系数，在高温时具有良好的抗氧化性，

7、并有长期的稳定性，有足够的高温强度，易于拉丝。目前常用的为NiCr系和FeCrAl系合金。材料物理性能功能材料NiCr系合金 NiCr系合金的成分见表1，这类合金随Cr量的不同，氧化性能也不同，在15Cr以上，性能良好。60.1 10/oC表1 Ni-Cr系电热合金的成分及特点材料物理性能功能材料FeCrA1系合金 FeCrA1合金的成分见表2，这类合金的耐热性随着A1和Cr含量的增加而提高，但同时增高合金的硬度和脆性，使工艺性能恶化，在高温使用易产生脆性。 60.1 10/oC表2 FeCrAl系合金的成分及特点材料物理性能功能材料 热电材料 热电材料是指利用其热电性的材料对金属热电材料主要

8、是利用塞贝克效应制作热电偶，因而是重要的测温材料之一。而对半导体热电材料则可利用塞贝克效应。珀耳帖效应及汤姆逊效应制作热能转变为电能的转换器以及反之用电能来作加热器和制冷器。材料物理性能功能材料 对金属热电偶材料的性能要求为且有高的热电势及高的热电势温度系数，保证高的灵敏度。同时要求热电势随温度的变化是单值的，最好呈线性关系。具有良好的高温抗氧化性和抗环境介质的腐蚀性，在使用过程中稳定性好，重复性好，并容易加工，价格低廉。完全达到这些要求比较困难，各种热电偶材料也各有其优缺点，一般根据使用温度范围来选择使用热电偶材料。为了确定两种材料组成热电偶后的热电势，技术上选用铂作为标准热电极材料，这是因

9、为铂的熔点高，抗氧化性强及较好的重复性。材料物理性能功能材料 较常用的非贵金属热电偶材料有镍铬一镍铝，镍铬一镍硅，铁一康铜，铜一康铜等。贵金属热电偶材料最常使用的有铂一铂铑及铱一铱铑等。低于室温的低温热电偶材料常用铜一康铜，铁一镍铅，铁一康铜金铁一镍铬等。表3列出了常用国际标准化热电极材料的成分和使用温度范围，其中使用了国际标准化热电偶正、负热电极材料的代号。一般用两个字母表示，第一个字母表示型号。第二个字母中的P代表正电极材料，N代表负电极材料。材料物理性能功能材料 具备强磁性的材料称为磁性材料。磁性材料具有能量转换、存储或改变能量状态的功能，是重要的功能材料。按矫顽力的大小可将磁性材料分为

10、硬磁、半硬磁、软磁材料三种。磁性材料广泛地应用于计算机、通讯、自动化、音像、电机、仪器仪表、航空航天、农业、生物与医疗等技术领域。它的应用已涉及到工、农、医、现代科技、国防和人类生活的各个领域。据统计1994年全球磁性材料产量约650一750万吨。产值100亿美元以上。全球每人每年消耗磁性材料价值2美元全球磁性材料需求量每年以l0一25速度增长。新型磁性材料、新技术和新工艺不断涌现，是最活跃的材料领域之一。材料物理性能功能材料 金属软磁材料材料物理性能功能材料 现有软磁材料若按磁特性可分为高磁感材料、高导磁材料、高矩形比材料、恒导磁材料、温度补偿材料等；若按材料的成分，可分为电工纯铁、FeSi

11、合金、NiFe合金、FeA1合金(包括FeSiAl合金和FeCo合金等；也可分为晶态、非晶态及纳米晶软磁材料等。NiFe系软磁合金 Ni含量从35至90的NiFe系合金，通过调整Ni含量或添加第三或第四组元或采用磁场热处理、应力热处理或控制晶粒取向和有序度等手段，可将Ni-Fe系合金做成高导磁合金(国外称Permalloy)、高起始磁导率合金、高磁感高导磁合金、高矩形比合金、恒导磁(或低Br)合金、高硬度高导磁合金(硬坡莫合金)和热滋补偿合金等。它可在弱、低、中等磁场下工作，在软磁材料中它占有独持的位置。自1913年发现NiFe系软磁合金至今近一个世纪以来，已发展了70多种(成分不同)和300

12、多种牌号的商品，至今仍得到广泛的应用。材料物理性能功能材料电工纯铁和低碳电工钢 电工纯铁祁低碳电工钢是普遍应甩的软傲材抖，主要应用于直流电机和电隘铁铁芯、极头、继电器铁芯、永久磁路中导磁体和磁屏蔽、间隙工作电机和小型电机等。我国生产的材料物理性能功能材料FeSi软磁合金(简称硅钢或电工钢)材料物理性能功能材料材料物理性能功能材料FeA1系和FeCo系软磁合金材料物理性能功能材料 金属永磁材料 矫顽力大于400Am以上的磁性材料称为永磁材料。永磁体经充磁至技术饱和并去掉磁场后仍保留较强的磁性，又称为硬磁或恒磁材料。永磁材料的应用主要利用永磁体在气隙产生足够强的磁场，利用磁极与磁极的相互作用，磁场

13、对带电物体或粒子或载电流导体的相互作用来做功，或实现能量、信息的转换。永磁材料已在通讯、自动化、音像、计算机、电机、仪器仪表、石油化工、磁分离、磁生物、磁医疗与健身器械、玩具等技术领域得到广泛的应用。材料物理性能功能材料材料物理性能功能材料 磁致伸缩材料材料物理性能功能材料材料物理性能功能材料材料物理性能功能材料 铁氧体磁性材料材料物理性能功能材料材料物理性能功能材料材料物理性能功能材料铁氧体的晶体结构和内禀磁特性材料物理性能功能材料铁氧体体的晶体结构材料物理性能功能材料铁氧体体的晶体结构和内禀磁特性材料物理性能功能材料材料物理性能功能材料 1911年，昂纳斯在研究金属电阻在液氦温区的变化规律

14、时，首次观察到超导电性。图3描述了水银样品电阻与温度的关系。20世纪30年代，迈斯纳效应的发现使人们认识到超导电性是一种宏观尺度上的量子现象。1957年，巴丁、库帕和施瑞弗基于电子和声子的相互作用建立了成功的微观理论，解释了超导电性的起源、并对凝聚态物理以至整个物理学的发展产生了巨大的影响。50年代末相60年代初，第II类超导体及其约瑟夫森效应的发现，促使超导电性的应用开始逐步地成为一门新技术，即低温超导电技术。从60年代到80年代，超导电仕的应用已具有一定的规模和相应的工业部门。由于传统超导体必须在极低温度下运行，通常用的工作物质是液氯，限制了低温超导电技术的广泛应用。人们一直在探索能在液氮

15、温区甚至能在室温下工作的高温超导体。材料物理性能功能材料材料物理性能功能材料材料物理性能功能材料q 功能陶瓷材料q 功能玻璃材料q 半导体材料 材料物理性能功能材料 绝缘陶瓷 电性材料包括导电材料，电阻材料(精密电阻材料，电阻敏感材料)，电热材料，热电材料等。材料物理性能功能材料 导电材料 导电材料是利用金属及合金优良的导电性能来传输电流，输送电能。导电材料广泛应用于电力工业技术领域，有时它也可包括仪器仪表用导电引线和布线材料，以及电接点材料。 导电材料在性能上的要求为高的电导率，高的力学性能，良好的抗腐蚀性能、良好的工艺性能(热冷加工，焊接)并且价格便宜。纯金属中导电性能好的有银、铜、金、铝。材料物理性能功能材料 导电材料材料物理性能功能材料 导电