材料物理性能 教学课件 作者 陈騑騢 1_ 第一章

第一章　电学性能第一节　材料的导电性第二节　半导体的电学性能第三节　绝缘体的电学性能第四节　超导电性第五节　影响金属导电性的因素第六节　导电性的测量第七节　电阻分析的应用第一节　材料的导电性一、电阻率和电导率二、金属导电理论三、无机非金属导电机理一、电阻率和电导率通过导体的电流I与两端的电压U的关系可用欧姆定律示，即U=RI式中，R表示导体的电阻，其值不仅与导体材料本身的性质有关，而且还与其长度L及截面积S有关，即R=ρLS式中，ρ称为电阻率或比电阻二、金属导电理论(一)经典自由电子理论(二)量子自由电子理沦(三)能带理论(一)经典自由电子理论经典电子理论认为，在金属晶体中，正离子构成了晶体点阵，并形成一个均匀的电场，价电子是完全自由的，称为自由电子，它们弥散分布于整个点阵之中，就像气体分子充满整个容器一样，因此又称为“电子气”。它们的运动遵循理想气体的运动规律，自由电子之间及它们与正离子之间的相互作用类似于机械碰撞。在没有外加电场时，金属中的自由电子沿各个方向运动的几率相同，因此不产生电流。当对金属施加外电场时，自由电子沿电场方向作定向加速运动，从而形成了电流。在自由电子定向运动过程中，要不断与正离子发生碰撞，使电子受阻，这就是产生电阻的原因。(二)量子自由电子理沦量子自由电子理论同样认为金属中正离子形成的电场是均匀的，价电子与离子间没有相互作用，可以在整个金属中自由运动。但这一理论认为，金属中每个原子的内层电子基本保持着单个原子时的能量状态，而所有价电子却按量子化规律具有不同的能量状态，即具有不同的能级。(二)量子自由电子理沦图1-1　自由电子的E-K曲线(二)量子自由电子理沦图1-2　电场对E-K曲线的影响(三)能带理论图1-3　周期场中电子运动的E-K曲线及能带(三)能带理论图1-4　能带填充情况示意图a)、b)、c)金属　d)绝缘体　e)半导体三、无机非金属导电机理(一)离子晶体的导电机理(二)玻璃的导电机理(一)离子晶体的导电机理离子晶体都是电解质导体，这些晶体中能产生离子迁移。例如在卤化银中，一些银离子脱离正常结点位置，留下空位，进入间隙位置。在外加电场的影响下，间隙银离子通过空位扩散而产生电流。在一些离子晶体中空位本身可以存在，而不需要等量的间隙原子与之配合，在这种情况下可以认为空位中这些消失了的原子或离子，已经移到晶体表面的正常结点位置。当一个与失去的离子有同极性的离子从一个相邻的位置移入这个空位时，空位则从它的初始位置移出，由此产生电流传导。(二)玻璃的导电机理 玻璃在通常情况下是绝缘体，但在高温下，玻璃的电阻率却可能大大降低，因此在高温下有些玻璃将成为导体。 玻璃的导电是由于某些离子的可动性导致的，故玻璃是一种电解质的导体。例如，在钠玻璃中，钠离子在二氧化硅网络中从一个间隙跳到另一个间隙，形成电流。这与离子晶体中的间隙离子导电类似。第二节　半导体的电学性能一、本征半导体的电学性能二、杂质半导体的电学性能三、温度对半导体电阻的影响一、本征半导体的电学性能(一)本征载流子的浓度(二)本征半导体的迁移率和电阻率(一)本征载流子的浓度图1-5　本征激发过程(二)本征半导体的迁移率和电阻率1)本征激发成对地产生自由电子和空穴，所以自由电子浓度与空穴浓度相等，都是等于本征载流子的浓度ni。2)禁带宽度Eg越大，载流子浓度ni越小。3)温度升高时载流子浓度ni增大。4)载流子浓度ni与原子密度相比是极小的，所以本征半导体的导电能力很微弱。二、杂质半导体的电学性能(一)n型半导体(二)p型半导体(一)n型半导体图1-6　n型半导体的结构(一)n型半导体图1-7　n型半导体的能带图(二)p型半导体1)掺杂浓度与原子密度相比虽很微小，但是却能使载流子浓度极大地提高，因而导电能力也显著地增强。2)掺杂只是使一种载流子的浓度增加，因此杂质半导体主要靠多子导电。(二)p型半导体图1-8　p型半导体的结构(二)p型半导体图1-9　p型半导体的能带图三、温度对半导体电阻的影响图1-10　n型半导体电阻率随温度的变化规律第三节　绝缘体的电学性能一、电介质的介电常数二、电介质的耐电强度(介电强度)三、电介质的极化四、电介质的介电损耗五、电介质的电导一、电介质的介电常数图1-11　静电场中介质的极化二、电介质的耐电强度(介电强度)表1-1　一些材料的介电性能三、电介质的极化(一)电介质的分类(二)介质极化的基本形式(一)电介质的分类(1)中性电介质　它由结构对称的中性分子组成，如图1-12a所示，其分子内部的正负电荷中心互相重合，因而电偶极矩p=0。(2)偶极电介质　它是由结构不对称的偶极分子组成，其分子内部的正负电荷中心不重合，而显示出分子电偶极矩p=qd，如图1-12b所示。(3)离子型电介质　它是由正负离子组成。(1)中性电介质　它由结构对称的中性分子组成，如图1-12a所示，其分子内部的正负电荷中心互相重合，因而电偶极矩p=0。(2)偶极电介质　它是由结构不对称的偶极分子组成，其分子内部的正负电荷中心不重合，而显示出分子电偶极矩p=qd，如图1-12b所示。(3)离子型电介质　它是由正负离子组成。图1-12　中性分子与偶极分子电荷分布图(二)介质极化的基本形式(1)电子式极化　在电场作用下，构成介质原子的电子云中心与原子核发生相对位移，形成感应电偶极矩而使介质极化的现象称为电子式极化，又称电子位移极化。(2)离子式极化　在离子晶体中，除离子中的电子要产生位移极化外，处于点阵结点上的正负离子也要在电场作用下发生相对位移而引起极化，这就是离子式极化，又称离子位移极化。(3)偶极子极化　偶极分子在无外电场时就有一定的电偶极矩p，但因热运动缘故，它在各方向运动概率相同，故无外电场时它的宏观电偶极矩为零。(4)空间电荷极化　在一部分电介质中存在着可移动的离子，在外电场作用下，正离子将向负电极侧移动并积累，而负离子将向正电极侧移动并积累，这种正、负离子分离所形成的极化称为空间电荷极化。(1)电子式极化　在电场作用下，构成介质原子的电子云中心与原子核发生相对位移，形成感应电偶极矩而使介质极化的现象称为电子式极化，又称电子位移极化。(2)离子式极化　在离子晶体中，除离子中的电子要产生位移极化外，处于点阵结点上的正负离子也要在电场作用下发生相对位移而引起极化，这就是离子式极化，又称离子位移极化。(3)偶极子极化　偶极分子在无外电场时就有一定的电偶极矩p，但因热运动缘故，它在各方向运动概率相同，故无外电场时它的宏观电偶极矩为零。(4)空间电荷极化　在一部分电介质中存在着可移动的离子，在外电场作用下，正离子将向负电极侧移动并积累，而负离子将向正电极侧移动并积累，这种正、负离子分离所形成的极化称为空间电荷极化。四、电介质的介电损耗图1-13　有损耗电介质的等效电路和向量图a)并联等效电路　b)串联等效电路五、电介质的电导图1-14　体电阻和表面电阻测量线路图第四节　超导电性一、超导体特性和超导体的三个性能指标二、两类超导体三、超导现象的物理本质一、超导体特性和超导体的三个性能指标图1-15　超导体的迈斯纳(Meissner)效应a)正常态　b)超导态二、两类超导体图1-16　超导体磁化曲线a)第一类超导体　b)第二类超导体三、超导现象的物理本质超导的微观物理本质由巴丁(Bardeen)、库柏(Cooper)和施瑞弗(Sehriffer)三人在1957年揭示，简称为BCS理论。这个理论认为，超导现象产生的原因是由于超导体中的电子在超导态时电子之间存在着特殊的吸引力，而不是正常态时电子之间的静电斥力。这种特殊吸引力使电子双双结成电子对，它是超导态电子与晶格点阵间相互作用产生的结果。这种电子对，又称为库柏电子对。这些成对的电子在材料中规则地运动时，如果碰到物理缺陷、化学缺陷或热缺陷，而这种缺陷所给予电子的能量变化又不足以使“电子对”破坏，则此“电子对”将不损耗能量，即在缺陷处电子不发生散射而无阻碍地通过，这时电子运动的非对称分布状态将继续下去。这一理论揭示了超导体中可以产生永久电流的原因。第五节　影响金属导电性的因素一、温度的影响二、应力的影响三、冷加工变形的影响四、合金元素及相结构的影响一、温度的影响图1-17　普通非过渡族金属电阻温度曲线一、温度的影响图1-18　温度对铁磁性金属比电阻和电阻温度系数的影响a)一般情况　b)金属镍二、应力的影响表1-2　某些半导体和绝缘体转变为金属态的临界压力三、冷加工变形的影响室温下测得经相当大的冷加工变形后的纯金属(如铁、铜、银、铝等)的电阻率比未经变形的只增加2％～6％。金属钨、钼例外，当冷变形量很大时，钨的电阻可增加30％～50％，钼可增加15％～20％。一般单相固溶体经冷塑性变形后，电阻可增加10％～20％。而有序固溶体电阻增加100％，甚至更高。也有相反的情况，如镍-铬，镍-铜-锌，铁-铬-铝等由于形成K状态，冷加工变形将使合金电阻率降低。关于这方面的内容后面将有专论。四、合金元素及相结构的影响(一)固溶体的电阻(二)有序固溶体的电阻(三)不均匀固溶体(K状态)的电阻(四)化合物、中间相、多相合金的电阻(一)固溶体的电阻图1-19　Ag-Au合金电阻率(一)固溶体的电阻01-20(二)有序固溶体的电阻01-21(二)有序固溶体的电阻图1-22　Cu-Au合金电阻率曲线(三)不均匀固溶体(K状态)的电阻01-23(三)不均匀固溶体(K状态)的电阻图1-24　80Ni20Cr合金电阻率ρ(四)化合物、中间相、多相合金的电阻(1)化合物和中间相的电阻　当两种金属原子形成化合物时，其电阻率要比纯组元的电阻率高很多，这是因为组成化合物后原子间的金属键部分地转化为共价键或离子键，使导电电子数减少所致，因此电阻率增高。(2)多相合金的电阻　多相合金的导电性不仅与组成相的导电性及相对量有关，还与合金的组织形态有关。(1)化合物和中间相的电阻　当两种金属原子形成化合物时，其电阻率要比纯组元的电阻率高很多，这是因为组成化合物后原子间的金属键部分地转化为共价键或离子键，使导电电子数减少所致，因此电阻率增高。(2)多相合金的电阻　多相合金的导电性不仅与组成相的导电性及相对量有关，还与合金的组织形态有关。(2)多相合金的电阻　多相合金的导电性不仅与组成相的导电性及相对量有关，还与合金的组织形态有关。图1-25　合金电阻率与状态图关系示意图a)连续固溶体　b)多相合金　c)化合物　d)间隙相第六节　导电性的测量一、双臂电桥法二、直流电位差计测量法三、直流四探针法四、绝缘体电阻的测量一、双臂电桥法图1-26　双臂电桥测量原理图二、直流电位差计测量法图1-27　电位差计法测电阻线路原理图三、直流四探针法图1-28　四探针法测试原理示意图a)仪器与接线　b)点电流源　c)四探针排列四、绝缘体电阻的测量图1-29　绝缘体电阻测量原理图第七节　电阻分析的应用一、测定固溶体的溶解度曲线二、研究合金的时效三、材料疲劳过程的研究四、研究碳钢的回火五、研究Cu3Au合金的有序-无序转变六、马氏体相变的研究一、测定固溶体的溶解度曲线图1-30　不同温度下电阻率随合金成分变化及与状态图的对应关系二、研究合金的时效(一)研究Fe-Ni-C合金马氏体的时效(二)研究Al-Si-Cu-Mg铸造合金的时效(一)研究Fe-Ni-C合金马氏体的时效图1-31　电阻率(-196℃)与时效时间的关系a)Fe-Ni18%-C0.11％，板条状马氏体　b)Fe-Ni21%-C0.4％，片状马氏体(一)研究Fe-Ni-C合金马氏体的时效图1-32　马氏体时效和回火各区电阻率变化曲线(二)研究Al-Si-Cu-Mg铸造合金的时效图1-33　Al-Si-Cu-Mg铸造合金时效过程中电阻的变化三、材料疲劳过程的研究图1-34　镍在低周期应力疲劳时的电阻变化a)试样示意图　b)电阻变化曲线三、材料疲劳过程的研究图1-35　淬火钢回火时电阻的变化四、研究碳钢的回火通常钢的淬火组织是马氏体与残余奥氏体，碳含量越高，残余奥氏体越多。因此，淬火钢回火要发生马氏体的分解和残余奥氏体的转变。由于固溶体的电阻比较高，所以分解过程伴随着电阻不断地下降。但是不同温度回火时，组织变化的性质不同，因此在ρ-T曲线上出现不同的拐折，如图1-35所示。图1-35中曲线表明，不同碳含量的钢电阻变化有以下相同的特点：110℃以下曲线没有明显地变化，说明没有产生组织转变；110℃时曲线出现明显拐折，电阻呈明显下降趋势，这是由于马氏体开始发生分解析出ε相而引起的；回火温度约在230℃时，曲线又发生了拐折，导致电阻剧烈地下降，这表明发生了残余奥氏体转变。如将不同碳含量试样的ρ-T曲线进行对比，还可看到，碳含量越高，则电阻率下降的幅度越大，表明试样中的残余奥氏体数量越多。高于300℃转变已经结束，所以电阻的变化已很不明显。五、研究Cu3Au合金的有序-无序转变图1-36　CAu合金的电阻与加热温度的关系1—室温下无序　2—室温下有序3—室温下部分有序六、马氏体相变的研究金属与合金在常温以上(严格地说在德拜温度以上)，电阻与温度的关系符合线性规律，若发生相变则可能偏离线性规律，故可采用电阻分析来研究马氏体相变。图1-37为合金发生马氏体相变时电阻-温度变化的两种类型曲线。当合金母相从高温冷却时，在没有发生相变之前ρ-T符合线性关系。冷至开始发生马氏体相变的温度Ms时，电阻将偏离线性规律，直到马氏体相变过程结束后继续冷却，才重新出现马氏体所固有的线性规律。因此，马氏体相变及其逆相变的开始和终了温度Ms、Mf、As和Af，分别为曲线与两条直线的切点。由于相结构的原因，马氏体相与母相电阻率的相对大小可以不同，图1-37a表示同一温度下马氏体相的电阻率高于母相电阻率，而图1-37b则表示相反的情况。六、马氏体相变的研究图1-37　马氏体相变和逆相变时的电阻-温度曲线示意图