材料性能与测试课件-第九章材料的电性能1

1、12 材料电学性能是材料物理性能的重要组成部分。材料电学性能是材料物理性能的重要组成部分。电流是电荷的定向运动，因此有电流必须有电荷输电流是电荷的定向运动，因此有电流必须有电荷输运过程。电荷的载体称为载流子，可以是电子、空运过程。电荷的载体称为载流子，可以是电子、空穴、离子；穴、离子； 由于工程技术领域对材料导电性能的不同要求，由于工程技术领域对材料导电性能的不同要求，相应的研制出不同电学性能的材料，如导体合金、相应的研制出不同电学性能的材料，如导体合金、精密电阻合金、电热合金、触点材料、半导体材料精密电阻合金、电热合金、触点材料、半导体材料等；等；引 言 39.1 材料的导电性能材料的导电性

2、能9.2 材料的超导性能材料的超导性能目 录 9.4 材料的热电性能材料的热电性能9.5 材料压电性能与铁电性能材料压电性能与铁电性能 9.3 介质极化与介质损耗介质极化与介质损耗4一、一、 导电概念导电概念 当在材料的两端施加电压时，材料中有电流流过，电当在材料的两端施加电压时，材料中有电流流过，电流是电荷的定向流动，电荷载体称为载流子，包括电子、流是电荷的定向流动，电荷载体称为载流子，包括电子、空穴、离子；空穴、离子； 欧姆定律欧姆定律二、二、 电阻概念电阻概念 与材料的性质有关，还与材料与材料的性质有关，还与材料 的长度及截面积有关的长度及截面积有关三、三、 电阻率和电导率电阻率和电导率

3、 互为倒数，前者单位欧互为倒数，前者单位欧米米(m),m),电导率单位西电导率单位西/ /米米(S/m)(S/m)只与材料本性有关，而与导体的几何尺寸无关只与材料本性有关，而与导体的几何尺寸无关是评定导电性的是评定导电性的基本参数基本参数。RVI/9.1 材料的导电性能SLR9.1.1 材料的导电性能指标材料的导电性能指标5四、四、 相对电导率相对电导率 把国际标准软纯铜把国际标准软纯铜( (在在2020的电阻率的电阻率=0.01724=0.01724m m，电导率，电导率=58=5810106 6 S/m)S/m)的电导率作为的电导率作为100100，其它导电材料与该数之比的百分数；例如，其

4、它导电材料与该数之比的百分数；例如，FeFe的的IACSIACS为为1717，AlAl为为6565，AgAg为为115115；五、导电性能分类五、导电性能分类 按照导电性能高低把固态材料分为导体按照导电性能高低把固态材料分为导体(0.010.01m)m)、半导体、半导体(0.01(0.01m m10101010m)m)、绝缘体、绝缘体(10101010m)m)；6一、一、 金属及半导体的导电机理金属及半导体的导电机理导电理论的发展经历了三个重要阶段：导电理论的发展经历了三个重要阶段：经典电子经典电子理论理论量子电子理论量子电子理论能带理论能带理论1、经典电子理论、经典电子理论 离子构成了晶格点

5、阵离子构成了晶格点阵, 价电子是价电子是自由电子自由电子, 遵循经典力学气体分子遵循经典力学气体分子的运动规律；自由电子定向运动中，的运动规律；自由电子定向运动中，不断与正离子发生碰撞，产生电阻；不断与正离子发生碰撞，产生电阻；金属的导电性取决于自由电子的数金属的导电性取决于自由电子的数量、平均自由程和平均运动速度；量、平均自由程和平均运动速度；9.1.2 材料的导电机理材料的导电机理vmlne22n电子密度；e电子电量；l平均自由程；v电子运动平均速度；m电子质量71)1)不能解释一价金属导电性比二、三价金属好；不能解释一价金属导电性比二、三价金属好；2)2)实践证明，高温实践证明，高温T

6、T，低温低温T T 5 5。 3)3)自由电子的比热，实验值比理论值小很多。自由电子的比热，实验值比理论值小很多。4)4)经典理论不能解释超导现象经典理论不能解释超导现象 存在的缺陷存在的缺陷 ，可见理论与实际不符可见理论与实际不符 经典电子论在一定程度上解释了金属导电的本质经典电子论在一定程度上解释了金属导电的本质用经典力学处理微观质点的运动，不能正确反映微用经典力学处理微观质点的运动，不能正确反映微观质点的运动规律观质点的运动规律82、量子自由电子理论、量子自由电子理论 根本区别是自由电子的运动必须服从量子力学根本区别是自由电子的运动必须服从量子力学的规律。电子是费米子，导电的只是费米能级

7、的规律。电子是费米子，导电的只是费米能级附近的电子，原子的内层电子保持着单个原子附近的电子，原子的内层电子保持着单个原子时的能量状态，价电子按量子化具有不同的能时的能量状态，价电子按量子化具有不同的能级电子具有波粒二象性运动为着的电子作为级电子具有波粒二象性运动为着的电子作为物质波，有关系式：物质波，有关系式： 一价金属中自由电子的动能一价金属中自由电子的动能 E K为波数频率，表征自由电子可能具有的为波数频率，表征自由电子可能具有的能量状态参数能量状态参数 从粒子的观点看，曲线表示自由电子的能从粒子的观点看，曲线表示自由电子的能量与速度量与速度(或动量或动量)之间的关系；从波动的观点之间的关

8、系；从波动的观点看，曲线表示电子的能量和波数之间的关系；看，曲线表示电子的能量和波数之间的关系；电子的波数越大，则能量越高；电子的波数越大，则能量越高； 没有加外加电场时自由电子沿正、反方向运没有加外加电场时自由电子沿正、反方向运动着电子数量相同，没有电流产生；动着电子数量相同，没有电流产生；2222821222KmhmvEhphmvKphmvh图图9-1 自由电子的自由电子的EK曲线曲线9v在0K以上只有少数能量接近费米能的自由电子才可能跃迁到较高的能级中去。在室温下大约只有1%的自由电子才能实现这个跃迁。这就成功地解释了自由电子对比热容的贡献为何只是经典电子理论计算出来的百分之一。v不是所

9、有的自由电子都能参与导电，在外电场的作用下，只有能量接近费密能的少部分电子，方有可能被激发到空能级上去而参与导电。这种真正参加导电的自由电子数被称为有效电子数。10 在外加电场的作用下，使正在外加电场的作用下，使正反向运动的电子数不等，使金属反向运动的电子数不等，使金属导电，只有处于较高能态的自由导电，只有处于较高能态的自由电子参与导电；电子参与导电； 缺陷和杂质产生的静态点阵缺陷和杂质产生的静态点阵畸变和热振动引起的动态点阵畸畸变和热振动引起的动态点阵畸变，对电磁波造成散射，形成电变，对电磁波造成散射，形成电阻；阻；2*2*2222envmlenvmvmlenefFFefFFFefnef单位

10、体积内实际参加传导的电子数；单位体积内实际参加传导的电子数；e电子电量；电子电量；l平均自由程；平均自由程；v电子运动平均速度；电子运动平均速度；m*电子有效质量电子有效质量散射系数散射系数缺陷：假设离子势场均匀，不符合实际图图9-2 电场对电场对EK曲曲线的影响线的影响11 3 3、能带理论、能带理论F 量子自由电子模型与实际情量子自由电子模型与实际情况有差别，例如：况有差别，例如：MgMg是二价金是二价金属，导电性比一价铜差；另外，属，导电性比一价铜差；另外，量子力学认为电子有隧道效应，量子力学认为电子有隧道效应，一切价电子都可以位移，为什一切价电子都可以位移，为什么固体的导电性差别巨大？

11、能么固体的导电性差别巨大？能带理论解决；带理论解决； 价电子是公有化、能量量子价电子是公有化、能量量子化，和量子自由电子理论一致；化，和量子自由电子理论一致； 金属中由离子所造成的势场不是均匀的，这个势能不是常数，金属中由离子所造成的势场不是均匀的，这个势能不是常数，是位置的函数，采用单电子近似求解薛定锷方程，得出电子在晶是位置的函数，采用单电子近似求解薛定锷方程，得出电子在晶体中的能量状态，将在能级的准连续谱上出现能隙，分为体中的能量状态，将在能级的准连续谱上出现能隙，分为禁带和禁带和允带允带；价电子在金属中的运动要受到周期场的作用；价电子在金属中的运动要受到周期场的作用;能带发生分裂，能带

12、发生分裂，即有某些能态是电子不能取值的即有某些能态是电子不能取值的;图图9-3 周期场中电子运动的对周期场中电子运动的对EK曲线及能带曲线及能带12 能带结构能带结构: :允带和禁带交替，允带中每个能级只能允许允带和禁带交替，允带中每个能级只能允许有两个自旋相反的电子存在；满带电子不导电；有两个自旋相反的电子存在；满带电子不导电； 空能级空能级：允带中未被填满电子的能级，空能级电子是自：允带中未被填满电子的能级，空能级电子是自由的，参与导电，称为由的，参与导电，称为导带导带； 周期势场的变化幅度越大，禁带越宽周期势场的变化幅度越大，禁带越宽 导体、绝缘体、半导体能带结构特点导体、绝缘体、半导体

13、能带结构特点图图9-4 能带填充情况示意图能带填充情况示意图13 导体导体 允带内的能级未被填满，允带之间没有禁带或允带允带内的能级未被填满，允带之间没有禁带或允带相互重叠相互重叠 在外电场的作用下电子很容易从一个能级在外电场的作用下电子很容易从一个能级转到另一个能级上去而产生电流转到另一个能级上去而产生电流 绝缘体绝缘体 一个满带上面相邻的是一个较宽的禁带，由于满一个满带上面相邻的是一个较宽的禁带，由于满带中的电子没有活动的余地，即使禁带上面的能带完带中的电子没有活动的余地，即使禁带上面的能带完全是空的，在外电场的作用下电子也很难跳过禁带，全是空的，在外电场的作用下电子也很难跳过禁带，即不能

14、产生电流。即不能产生电流。 半导体半导体 半导体的能带结构与绝缘体相同，不同的是它的禁半导体的能带结构与绝缘体相同，不同的是它的禁带比较窄带比较窄 半导体的能带在外界作用下，价带中的电半导体的能带在外界作用下，价带中的电子就有能量可能跃迁到导带中去子就有能量可能跃迁到导带中去14 具有部分充填能带结构的晶体大都是导体；具有部分充填能带结构的晶体大都是导体；IA族碱族碱金属金属Li、Na、K、Rb、Se，IB族的族的Cu、Ag、Au，外层，外层s电子传导电子，每个原子只能给出一个价电子，价带只电子传导电子，每个原子只能给出一个价电子，价带只能填充半满。能填充半满。 二价元素，如二价元素，如A族碱

15、土族碱土Be、Mg、Ca、Sr、Ba，B族族Zn、Cd、Hg，每个原子给出两个价电子，能带填，每个原子给出两个价电子，能带填满，应该是绝缘体，但是在三维晶体下，能带之间发生满，应该是绝缘体，但是在三维晶体下，能带之间发生重叠，费米能级以上不存在禁带，因此也是金属；重叠，费米能级以上不存在禁带，因此也是金属； 三价元素三价元素Al、Ga、In、Tl每个单胞含一个原子，给每个单胞含一个原子，给出三个价电子，填满一个带和一个半满带，也是金属；出三个价电子，填满一个带和一个半满带，也是金属；As、Sb、Bi每个原子外围有每个原子外围有5个电子，原胞是个电子，原胞是2个原子，个原子，5个带填个带填10个

16、电子全满，带中电子少，半金属，传导电子个电子全满，带中电子少，半金属，传导电子浓度只有浓度只有1024/m3，比金属少，比金属少4个数量级。个数量级。15 四价元素比较特殊，导带是空的，价带完全填满，四价元素比较特殊，导带是空的，价带完全填满，中间有能隙中间有能隙Eg较小，较小，Ge、Si分别为分别为0.67eV和和1.14eV。室。室温下，价带电子受热激发进入导带，成为传导电子，温温下，价带电子受热激发进入导带，成为传导电子，温度增加，导电性增加，因此低温下是绝缘体，室温下半度增加，导电性增加，因此低温下是绝缘体，室温下半导体。导体。 离子晶体一般为绝缘体。例如离子晶体一般为绝缘体。例如Na

17、Cl晶体中晶体中Na的的3s电子移到电子移到Cl中，中，3s轨道空，轨道空，Cl的的3p轨道满带，中间有轨道满带，中间有10eV的能隙，若激发不能使电子进入导带；的能隙，若激发不能使电子进入导带；(一般情况下一般情况下绝缘体绝缘体Eg3 eV)16金属非金属使用时间和人类文明同步，半导体应用金属非金属使用时间和人类文明同步，半导体应用是是2020世纪世纪5050年代开始，信息时代年代开始，信息时代 本征半导体本征半导体：纯的半导体：纯的半导体 杂质半导体杂质半导体：引入杂质后的半导体，：引入杂质后的半导体，n n、p p型型 本征半导体的电子本征半导体的电子空穴对是由热激活产生的空穴对是由热激

18、活产生的 杂质对半导体的导电性能影响很大杂质对半导体的导电性能影响很大 本征半导体和杂质半导体的电导率与温度的关系本征半导体和杂质半导体的电导率与温度的关系为为半导体)2/exp(0kTEg0 0系数；系数；Eg禁带宽度；禁带宽度；k波尔兹曼常数；波尔兹曼常数；T绝对温度；绝对温度；17晶体晶体Eg(eV)晶体晶体Eg(eV)C(金刚石)5.2-5.6CdS2.42PN4.8GaP2.25Ga2O34.6Cu2O2.1CoO4CdO2.1TiO23.1-3.8Te1.45Fe2O33.1GaSe1.4BaTiO32.5-3.2Si1.1SiO22.8-3PbSe0.27-0.5ZnSe2.6P

19、bTe0.25-0.3Al2O32.5PbS0.35本征半导体室温下的Eg18本征激发 绝对零度时，价电绝对零度时，价电子无法挣脱共价键束子无法挣脱共价键束缚，不导电；缚，不导电； 温度上升、光照时，温度上升、光照时，热激发，产生电子热激发，产生电子空穴对，在电场作用空穴对，在电场作用下，形成电流。本征下，形成电流。本征半导体的导电能力只半导体的导电能力只取决于电子空穴对取决于电子空穴对数量多少，和价电子数量多少，和价电子数目多少无关。数目多少无关。19掺杂半导体和PN结 掺入微量的五价元掺入微量的五价元素素P P、AsAs、锑，多余一、锑，多余一个价电子处于共价键个价电子处于共价键之外成为自

20、由电子，之外成为自由电子，杂质原子为正离子，杂质原子为正离子，N N型；型； 掺入微量的三价元掺入微量的三价元素素AlAl、B B、InIn，少个价，少个价电子产生空穴，杂质电子产生空穴，杂质原子为负离子，导电原子为负离子，导电依靠空穴，依靠空穴，P P型；型；正向导通，反向击穿，正向导通，反向击穿，Si管导通管导通0.6-0.8V,Ge管管0.1-0.3V20三极管(结晶体管)和场效应管21 1、离子晶体导电、离子晶体导电 离子导电离子电荷载流子在电场的作用下定向流离子导电离子电荷载流子在电场的作用下定向流动；可以分为两类：一是源于晶体点阵中基本离子的运动；可以分为两类：一是源于晶体点阵中基

21、本离子的运动，称为离子本征电导，热激活引起；二是源于晶体点动，称为离子本征电导，热激活引起；二是源于晶体点阵中杂质离子的运动，称为杂质电导；阵中杂质离子的运动，称为杂质电导； 离子电导率和温度关系：离子电导率和温度关系： 存在的多种载流子时，材料存在的多种载流子时，材料 的总电导率是各种电导率的的总电导率是各种电导率的 总和总和 二、无机非金属的导电机理二、无机非金属的导电机理iikTBATBAhbenazAkTEAi)exp(ln2)exp(22222 2、玻璃导电、玻璃导电 常温下玻璃绝缘体，高温下电阻大大降低，有些成常温下玻璃绝缘体，高温下电阻大大降低，有些成为导体。硅化物玻璃，可移动的

22、载流子是为导体。硅化物玻璃，可移动的载流子是SiO2基体中的基体中的一价阳离子，如一价阳离子，如Na离子。调整成分可以控制玻璃的电离子。调整成分可以控制玻璃的电阻率。阻率。 目前许多的半导体玻璃、导电玻璃，如非晶硅、目前许多的半导体玻璃、导电玻璃，如非晶硅、ITOITO等，复合材料，其导电机理是电子导电，和硅化物玻璃等，复合材料，其导电机理是电子导电，和硅化物玻璃的导电机理不同。的导电机理不同。239.1.3 常用的电导功能材料常用的电导功能材料一、导电材料一、导电材料 传送电流而很小电能损失的材料，电力工业用的电线、传送电流而很小电能损失的材料，电力工业用的电线、电缆为代表，包括强电弱电，如

23、导电涂料、胶粘带、透电缆为代表，包括强电弱电，如导电涂料、胶粘带、透明导电材料等；明导电材料等；1、Cu及及Cu合金：电解铜，含量在合金：电解铜，含量在99.97-99.98%,可分为可分为半硬铜半硬铜(电导率电导率98%-99%), 硬铜硬铜(96-98%);杂质降低电导杂质降低电导率，特别是氧，无氧铜性能稳定抗腐蚀延展性好，拉成率，特别是氧，无氧铜性能稳定抗腐蚀延展性好，拉成细丝，适于海底电缆软线；细丝，适于海底电缆软线；2、Al及及Al合金：含量在合金：含量在99.6-99.8%, 相对电导率相对电导率61，仅次于仅次于Ag、Cu、Au，密度只有，密度只有Cu的的1/3，160V以上高以

24、上高压线用钢丝增强压线用钢丝增强Al电缆、合金增强电缆、合金增强Al线；使用温度低于线；使用温度低于90；耐热；耐热Al合金可在合金可在150下工作，用作大容量高压下工作，用作大容量高压输电线；超耐热输电线；超耐热Al合金可在合金可在200下工作，变电站下工作，变电站24二、电阻材料二、电阻材料 电路设计需要，提供一定的电阻；如电热元件，传感电路设计需要，提供一定的电阻；如电热元件，传感器，有金属、碳素、半导体，形状各异，要求是电阻温器，有金属、碳素、半导体，形状各异，要求是电阻温度系数小，阻值稳定，电阻率适当，加工连接容易度系数小，阻值稳定，电阻率适当，加工连接容易1、精密电阻合金：锰铜合金

25、、精密电阻合金：锰铜合金(电阻温度系数电阻温度系数20-10010-6/)，铜镍合金含量，铜镍合金含量(电阻温度系数电阻温度系数2010-6/)，均匀退，均匀退火保证电学性能温度；火保证电学性能温度；2、电热合金：工作温度可达、电热合金：工作温度可达900-1350，镍铬合金、，镍铬合金、FeNiCr合金，合金，FeCrAlCo等；等；3、高温加热元件和电极：主要在、高温加热元件和电极：主要在1500上使用，金属上使用，金属Pt可以在空气中使用至可以在空气中使用至1500，石墨、，石墨、Mo、W只能在还原只能在还原气氛下使用，陶瓷电热元件气氛下使用，陶瓷电热元件(SiC、MoSi2、LaCrO

26、3)可在可在空气中使用；空气中使用；25三、电触点材料三、电触点材料 电流通过两导体接触部分的电阻称为电流通过两导体接触部分的电阻称为接触电阻接触电阻，包括会，包括会聚电阻聚电阻(接触面变小产生的接触面变小产生的)、过渡电阻、过渡电阻(表面膜电阻表面膜电阻)； 触点材料主要是铂系材料，接触电阻稳定。触点材料主要是铂系材料，接触电阻稳定。Pt熔点熔点1764，高温时产生熔化粘结，加入，高温时产生熔化粘结，加入30-70的的Ir，形成，形成Pt-Ir合金，熔点高，抗氧化性好；合金，熔点高，抗氧化性好；OsIr合金；合金； W熔点熔点3382，硬度高，但在空气中极易氧化，加工困，硬度高，但在空气中极

27、易氧化，加工困难。难。W-Ag合金用作大电流的继电器开关触点；合金用作大电流的继电器开关触点；W-Cu合金合金用于油浸的断路开关；用于油浸的断路开关； Ag熔点熔点960，99.8以上纯度的以上纯度的Ag，接触电阻非常小，接触电阻非常小，用于小继电器触点；用于小继电器触点；6Pt-69Cu-25Ag合金可代替合金可代替Pt用用于通讯电路中的触点材料；于通讯电路中的触点材料； Cu价格便宜，广泛应用于继电器的触点，但表面易氧化，价格便宜，广泛应用于继电器的触点，但表面易氧化，使用过程中接触电阻增加，加入使用过程中接触电阻增加，加入Ag改善；改善；Cu-Be合金用于合金用于频繁开关，如电气机车的开

28、关触点；频繁开关，如电气机车的开关触点；26金属电阻率随温度升高而增大金属电阻率随温度升高而增大 1）电子运动自由程减小，散射几率增加导致电阻率增大；）电子运动自由程减小，散射几率增加导致电阻率增大； 2）在德拜温度以上，电子是完全自由的）在德拜温度以上，电子是完全自由的 完整的晶体中电子的散射取决于温度造成的点阵畸变，完整的晶体中电子的散射取决于温度造成的点阵畸变，金属的电阻取决于离子的热振动金属的电阻取决于离子的热振动；3）纯金属的电阻率与温度关系）纯金属的电阻率与温度关系 4）当温度较低）当温度较低(低于德拜温度低于德拜温度)时时 应考虑振动原子与导电电子之间的相互作用，低温时，积应考虑

29、振动原子与导电电子之间的相互作用，低温时，积分值趋于常数，电阻率分值趋于常数，电阻率 T59.1.4 材料导电性影响因素材料导电性影响因素)1 (0TT一、温度一、温度27温度增加，电阻率增大；温度增加，电阻率增大；电阻温度系数，一般是电阻温度系数，一般是0.4%;0.4%;但不同温度范围内曲线不同；但不同温度范围内曲线不同；电子声子散射，极低温度下成电子声子散射，极低温度下成2 2次方关系时，电子电子散射次方关系时，电子电子散射为主；为主；图图9-5 金属电阻温度曲线金属电阻温度曲线图图9-6 锑、钾、钠熔化时电阻锑、钾、钠熔化时电阻率变化曲线率变化曲线5）大多数金属在熔化成液态时，）大多数

30、金属在熔化成液态时，其电阻率会突然增大约其电阻率会突然增大约1-2倍，倍，原子长程排列被破坏原子长程排列被破坏 )1 (0TT28冷塑性变形使金属的电阻率增大冷塑性变形使金属的电阻率增大 一般一般2-6，W增加增加30-50， Mo增加增加15-20；1）晶体点阵畸变和晶体缺陷增加，空位浓度的）晶体点阵畸变和晶体缺陷增加，空位浓度的增加，降低点阵电场均匀性，加大电子散射；增加，降低点阵电场均匀性，加大电子散射；2）原子间距改变）原子间距改变3）再结晶退火降低缺陷，可使电阻率恢复到冷）再结晶退火降低缺陷，可使电阻率恢复到冷变形前的水平；淬火升高电阻率；变形前的水平；淬火升高电阻率；4）应力的影响

31、）应力的影响 拉升压降拉升压降二、冷加工和缺陷二、冷加工和缺陷29 1）固溶体导电性）固溶体导电性 纯金属导电性和其元素周期表位置有关，不纯金属导电性和其元素周期表位置有关，不同的能带结构；合金复杂同的能带结构；合金复杂 固溶时电阻率增高固溶时电阻率增高 原因：溶剂点阵的畸原因：溶剂点阵的畸变，增加电子散射，有效电子数减少变，增加电子散射，有效电子数减少 低浓度固溶体符合马西森定律低浓度固溶体符合马西森定律 一是溶剂的电阻，二是溶质引起的附加电阻一是溶剂的电阻，二是溶质引起的附加电阻三、合金化三、合金化302)金属化合物的导电性金属化合物的导电性金属化合物的导电能力都比较差金属化合物的导电能力

32、都比较差原因：金属键变为离子键、共价键，导电电子数原因：金属键变为离子键、共价键，导电电子数减少减少 3)多相合金的电阻率多相合金的电阻率 组成相的导电性及相对量、合金的组织形态组成相的导电性及相对量、合金的组织形态319.1.5 材料导电性测量材料导电性测量一、电阻测量方法一、电阻测量方法1) 双电桥法双电桥法 双电桥法是测量小电阻的常用方法，有较高的精度双电桥法是测量小电阻的常用方法，有较高的精度2) 电位差计法电位差计法 测量小电阻有很高的精度测量小电阻有很高的精度3) 安培一伏特计法安培一伏特计法 毫伏计的阻值越高，试样的阻值越小，误差越小毫伏计的阻值越高，试样的阻值越小，误差越小4)

33、 直流四探针法直流四探针法 中、高电导率的材料中、高电导率的材料3233R 1908年年Leiden大学的大学的KamerlinghOnnes获得了液获得了液氦，得到氦，得到1K低温。低温。1911年发现在年发现在4.2K附件，水银的附件，水银的电阻突然消失无法检测，这种在一定温度下材料失电阻突然消失无法检测，这种在一定温度下材料失去电阻的现象。小于目前能检测到的最小电阻率去电阻的现象。小于目前能检测到的最小电阻率10-25cm Tc：临界转变温度：临界转变温度 可广泛应用在可广泛应用在NMR、粒子加速器、粒子加速器、 推进发动机、发电机、磁悬浮列车、推进发动机、发电机、磁悬浮列车、 核聚变、

34、电能储存系统、变压器等核聚变、电能储存系统、变压器等9.2 材料的超导性能9.2.1 超导的概念超导的概念349.2.2 超导的特点超导的特点图图9-5 超导态对磁通的排斥超导态对磁通的排斥超导体的两个基本特征超导体的两个基本特征1 1、完全导电性完全导电性 永久电流永久电流 NbZrNbZr合金超导合金超导线制成的螺线管，估计超导电线制成的螺线管，估计超导电流衰减时间大于流衰减时间大于1010万年；超导万年；超导体室温放入磁场中，冷却到低体室温放入磁场中，冷却到低温进入超导态，移开原磁场，温进入超导态，移开原磁场，感生电流没有电阻长久存在；感生电流没有电阻长久存在； 2 2、完全抗磁性完全抗

35、磁性 迈斯纳效应迈斯纳效应 磁感应强度为磁感应强度为0 0，屏蔽磁场和排除磁通，磁，屏蔽磁场和排除磁通，磁场穿透深度只有几十场穿透深度只有几十nmnm。359.2.3 超导的性能指标超导的性能指标超导体的三个性能指标超导体的三个性能指标1 1、临界转变温度临界转变温度TcTc 越高越好，有利于应用；目前金属间氧化物转变越高越好，有利于应用；目前金属间氧化物转变温度最高的温度最高的140K140K左右，金属间化合物最高的左右，金属间化合物最高的NbNb3 3GeGe为为23.3K23.3K；2 2、临界磁场临界磁场HcHc Tc Tc以下将磁场作用于超导体，当磁场强度大于以下将磁场作用于超导体，

36、当磁场强度大于HcHc时，磁力线穿入超导体，即磁场破坏了超导态；时，磁力线穿入超导体，即磁场破坏了超导态；3 3、临界电流密度临界电流密度 材料保持超导态的最大临界电流密度材料保持超导态的最大临界电流密度36 一些金属低温超导的临界温度和临界磁场一些金属低温超导的临界温度和临界磁场材料临界温度Tc(K)临界磁场Hc(奥斯特)发现年代钨(W)0.01299铝(Al)1.174293铟(In)3.416412汞(Hg)4.158031911铅(Pb)7.219501913铌(Nb)9.261930钒三硅(V3Si)17.024,5001953铌三锡(Nb3Sn)18.11954铌铝锗(Nb3Al0

37、.75Ge0.35)21.0420,0001967铌三锗(Nb3Ge)23.21973379.2.4 超导的理论模型超导的理论模型1 1、库柏电子对、库柏电子对(BCS)(BCS) 电子电子声子相互作用所产生电子对声子相互作用所产生电子对 杂质原子和缺陷对电子对不能进行有效的散射杂质原子和缺陷对电子对不能进行有效的散射 并且预言在金属和金属间化合物中的超导体的并且预言在金属和金属间化合物中的超导体的TcTc不超过不超过30 K30 K2 2、高温超导体模型、高温超导体模型液氮温度以上，如液氮温度以上，如Y Y系系123123相相(YBa(YBa2 2CuCu3 3O O7 7) )、BiBi系

38、的系的2212(Bi2212(Bi2 2SrSr2 2CaCuCaCu2 2O,Tc=80K)O,Tc=80K)、2223(Bi2223(Bi2 2SrSr2 2CaCa2 2CuCu3 3O)O)，目前尚无统一的模型解释，目前尚无统一的模型解释其超导机理；其超导机理；38 1986年，日本田中昭二小组得到了LaBaCuO在30K以上的抗磁转变和23K以上的零电阻转变。由此引发了世界性的“高温超导热”。1987年美国朱经武等用稀土元素Y代替Ba，获得YBaCuO陶瓷的起始转化温度为100K，我国中科院赵忠贤小组也同时独立发现了YBaCuO的超导性。 结构基本特征是两个CuO2平面中间有一层Y原

39、子面，上下是BaO原子面，上下底是含CuO链的平面。Y、Ba占据A位置，Cu占据B位置，故也称类钙钛矿结构。 9.2.5 高温超导材料的研究现状高温超导材料的研究现状39 LaOFeAs是一种由绝缘的氧化镧层（LaO）和金属导电的砷铁（FeAs）层交错层叠而成、具有结晶构造的层状化合物。氟离子的置换量超过3后即会显现出超导状态，在11左右得到了32K的最高临界温度。 2008年3月29日，赵忠贤院士领导的小组发现掺氟镨氧铁砷化合物的超导临界温度可达52K，4月初，该小组又发现在压力环境下合成的无氟缺氧钐氧铁砷化合物，其超导临界温度可进一步提升至55K。40 “十五”期间，北京英纳建成年产能力3

40、00公里Bi系高温超导线材生产线。提供了大批量高质量的Bi高温超导线材约60公里，另免费供线15公里41 2004年底，应用超导重点实验室与甘肃长通电缆公司等合作，研制成功75m、10.5kV/1.5kA三相交流高温超导输电电缆，并投入实际运行。 42 在新型铁基材料La(O1-xFx)FeAs方面，应用超导重点实验室采用传统的粉末装管方法，首次成功研制出转变温度达25K的铁基镧氧铁砷 （La(O1-xFx)FeAs）线材。这是世界上第一个将铁基新超导材料加工成超导线材的工作，对于强电应用具有重要意义。在此基础上，应用超导重点实验室与物理所合作又制备出转变温度高达52K 的钐氧铁砷（Sm(O1

41、-xFx)FeAs）线材，其上临界场Hc2（T=0）高达120 T，进一步显示出铁基新超导材料在高场磁体中具有广阔的应用前景。 439.3 介质极化与介电损耗9.3.1 介质极化介质极化一、极化概念一、极化概念 极化极化： 介质在电场作用下产生感应介质在电场作用下产生感应电荷现象电荷现象电介质电介质(dielectric)：电场下能极化的：电场下能极化的材料材料电介质分类电介质分类 1）非极性介质）非极性介质 无外电场作用时正负电荷中心重合无外电场作用时正负电荷中心重合, 外电场越强，粒子的电偶极矩外电场越强，粒子的电偶极矩qu越大越大 2）极性介质）极性介质 分子存在固有电偶极矩分子存在固有

42、电偶极矩 电偶极矩转向外电场方向电偶极矩转向外电场方向 外电场越强，电极化的程度越高外电场越强，电极化的程度越高图图9-6 电介质极化电介质极化示意图示意图图图9-7 电偶极子电偶极子qu443) 介质极化率 单位电场强度下，介质粒子的电偶极矩的大小，表征材料的极化能力(Fm2) 只与材料的性质有关，是微观极化参数4) 介质极化强度P 电介质材料在电场作用下的极化程度，单位体积中的感生电偶极矩对于线性极化 locE0nVPloclocEnnPE00n0单位体积中的偶极子数； 偶极子平均电偶极矩45位移式极化、松弛极化、转向极化 1.1.位移极化位移极化 1）电子位移极化 电子云相对于原子核发生

43、位移 电子极化率依赖于频率、与温度无关 2）离子位移极化 感生的电偶极矩 交变电场作用下离子位移极化率，与离子结构有关、与温度无关 10-12-10-13s二、极化基本形式二、极化基本形式0弹性偶极子固有频率；振动频率；e电子电量，q离子电量，m电子质量，M离子质量；)1(2202mee)1(2202Mqi462. 松弛极化松弛极化 与粒子的热运动有关，是不可逆过程；1）电子松弛极化 由弱束缚电子引起的电子能态发生变化，伴随有能量的损耗，电子松弛极化建立的时间 10-2-10-9s；2）离子松弛极化 弱联系离子产生的，仅作有限距离的迁移； 3. 转向极化转向极化 主要发生在极性介质中，偶极子在

44、外电场中转向，趋于一致；建立时间较长10-2-10-10s，转向极化率比电子极化率高得多；47三、介电常数三、介电常数1 介电常数的概念 平板电容间有电介质时电容增加倍数；是反映电介质极化行为的一个主要宏观物理量；2 恒定电场介电常数 1）电位移 方向从自由正电荷指向自由负电荷，极板间充以电介质后，电介质的极化作用，电位移加上极化强度P，EPPEDED0000真空介电常数，SI单位制中08.8510-2，高斯制中为1；是电介质宏观极化率，E为宏观平均电场无介质下有电介质下482）介电常数 相对介电常数 极化宏观参数 极化微观参数 EDEEEDrr000000/1)1 ()1 (EEnEnEEP

45、locrlocr000001)1( 和人分别为电介质的介电常数、相对介电常数；上式表明与极化有关的宏观参数(,r, E)和微观参量(, n0, Eloc)之间的关系；493 交变电场介电常数 复数矢量，矢量D和P滞后于矢量 E，介电常数变成复数，若D滞后E一个相位角，损耗角，则 ieEDEDEDeDDeEEsiwtiti)cos(cos*00)(00电解质平板电容的总电流：理想电容器充电电流、电解质极化电流、电解质漏电流，超前电压90-，实部对应电容充放电过程电流iCU，虚部对应能力损耗部分”CU 50材料材料r r材料材料r r石蜡2.0-2.5LiF晶体9.27聚乙烯2.26云母晶体 5.

46、4-6.2聚氯乙烯4.45TiO2晶体86-170天然橡胶2.6-2.9TiO2陶瓷80-110酚醛树脂5.1-8.6CaTiO3陶瓷130-150石英晶体4.27-4.34BaTiO3晶体1600-4500氧化铝陶瓷9.5-11.2BaTiO3陶瓷1700NaCl晶体6.12常用材料的相对介电常数514 影响介电常数的因素1) 极化类型的影响2) 温度的影响 a 介电常数与温度成非线性关系 b 介电常数与温度成线性关系介电常数很大的材料其温度系数TK为负值介电常数较小的材料其TK为正值3)频率的影响 电子极化发生在任何频率；紫外光范围只有电子位移极化，红外光范围，离子(原子)极化；频率降低，

47、各种极化有；521 介质损耗的基本概念介质损耗的基本概念 电介质在电场的作用下电能转变热能，单位时间内因发电介质在电场的作用下电能转变热能，单位时间内因发热损耗能量；热损耗能量； 介质损耗越小越好，不但耗能，而且影响元器件正常工作介质损耗越小越好，不但耗能，而且影响元器件正常工作 1 电导电导(或漏导或漏导)损耗损耗 存在漏电流，弱联系带电粒子存在漏电流，弱联系带电粒子(或空位或空位)引起引起 2 极化损耗极化损耗松弛极化所造成的介质损耗比较大；造成损耗原因：电矩松弛极化所造成的介质损耗比较大；造成损耗原因：电矩滞后于外加电场引起滞后于外加电场引起 9.3.2 介质损耗介质损耗一、介质损耗概念

48、一、介质损耗概念二、介质损耗分类二、介质损耗分类53a 低频率不产生极化损耗b 高频率产生极化损耗3 电离损耗电离损耗 由气体电离所引起 气孔中承受的电场强度比固态绝缘物中所承受平均值要大 ；应尽量减少介质中的气孔4 结构损耗结构损耗 与温度关系不大，随频率升高而增大5 宏观结构不均匀的介质损耗宏观结构不均匀的介质损耗 工程介质材料大多数是不均匀介质 541 1 对漏导（电导）损耗的影响对漏导（电导）损耗的影响介质损耗介质损耗 温度的升高，介质的电导率增大温度的升高，介质的电导率增大与频率无关与频率无关2 2 对极化损耗的影响对极化损耗的影响 快极化无损耗，缓慢极化产生损耗快极化无损耗，缓慢极化产生损耗频率很低时介质损耗为零频率很低时介质损耗为零损耗随着频率的增大而增大损耗随着频率的增大而增大 频率很高时仅由起始电导率决定损耗频率很高时仅由起始电导