单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,材料的导电性,材料的导电性,目 录,1、材料的能带结构,2、金属中的电阻,3、影响导电性的因素,目 录1、材料的能带结构,1、材料的能带结构,能带理论可以看成是多原子分子轨道理论的极限情况，由分子轨道的基本原理可以推知，随着参与组合的原子轨道数目的增多，能级间隔减小，能级过渡到能带。,1、材料的能带结构能带理论可以看成是多原子分子轨道理论的极限,材料物理：第二章-材料的导电性课件,材料物理：第二章-材料的导电性课件,对轨道数量进行统计，得到轨道密度图（态密度图）,对轨道数量进行统计，得到轨道密度图（态密度图）,硅,铝,用能带结构来理解材料的塑性变形能力,硅铝用能带结构来理解材料的塑性变形能力,材料的所有性能（力学、电学、光学）都取决于原子和电子的空间排布：,如果外界条件打破了原子排列的平衡状态，就会有位错，晶界，裂纹,如果外界条件打破了电子排列的平衡状态，就会导电、发光、化学键断裂等现象,。,要除开核物理性能，因为核物理性能，和中子、质子的排列相关,材料的所有性能（力学、电学、光学）都取决于原子和电子的空间,1、材料的能带结构,导电类型,材料类型,电导率,/Scm,-1,离子导电,离子晶体,10,-18,10,-4,固体电解质,10,-3,10,1,强电解质,10,-3,10,1,电子导电,金属,10,1,10,5,半导体,10,-5,10,2,绝缘体,10,-12,1、材料的能带结构导电类型材料类型电导率/Scm-1离子,1、材料的能带结构,电子电导和离子电导,1、材料的能带结构电子电导和离子电导,1、材料的能带结构,电介质溶液中离子电导,离子电导的特征是存在电解效应。运动的离子在电极附近发生电子得失而形成新的物质，称为电解。用此可检验材料中是否存在离子电导，并且可以判定载流子是正离子还是负离子。,1、材料的能带结构电介质溶液中离子电导离子电导的特征是存在电,1、材料的能带结构,固体电解质中的离子电导,离子扩散机制,1、材料的能带结构固体电解质中的离子电导离子扩散机制,1、材料的能带结构,对轨道数量进行统计，得到轨道密度图（态密度图）,1、材料的能带结构对轨道数量进行统计，得到轨道密度图（态密度,3,/a,2,/a,/a,0,/a,2,/a,3,/a,1、材料的能带结构,3/a2/a/a0/a2/a3/a1、材料,1、材料的能带结构,金属Na的能带结构,3s,2p,2s,1s,当外电场,加上之后，由于K和K态电子具有大小相同但方向相反的速度，彼此完全抵消。即,满带,中的电子对导电没有贡献。,1、材料的能带结构金属Na的能带结构3s2p2s1s当外电场,1、材料的能带结构,金属Na的能带结构,3s,2p,2s,1s,半满带,中的电子对导电没有贡献。,1、材料的能带结构金属Na的能带结构3s2p2s1s半满带中,1、材料的能带结构,1、材料的能带结构,1、材料的能带结构,1、材料的能带结构,2、金属中的电阻,实际晶体总会有杂质，存在缺陷。传导电子在输运过程中的散射：,电子电子(电子散射),电子声子(声子散射),电子与,杂质,原子,电子与晶体点阵静态,缺陷,的相互作用,基本电阻,0 K,下为零,理想金属的电阻只与,电子散射,和,声子散射,两种机制有关。,残余电阻,2、金属中的电阻实际晶体总会有杂质，存在缺陷。传导电子在输运,2、金属中的电阻,声子的本质是晶格振动。,2、金属中的电阻声子的本质是晶格振动。,电子-声子,与,T,成正比,电子-缺陷,与,T,无关,电子-声子与T 成正比,3、影响导电性的因素,温度的影响,受力情况的影响,冷加工的影响（晶体缺陷的影响）,热处理的影响（晶体缺陷的影响）,合金元素,晶粒尺寸,3、影响导电性的因素温度的影响,1）温度的影响,温度越高，晶格振动越剧烈，对电子的散射加强。,1）温度的影响温度越高，晶格振动越剧烈，对电子的散射加强。,温度以及固溶原子对导电性的影响,1）温度的影响,温度以及固溶原子对导电性的影响1）温度的影响,1）温度的影响,1）温度的影响,石墨导电,金刚石不导电,0,0,石墨导电金刚石不导电00,温 度,温 度,2）受力情况,2）受力情况,2）受力情况,2）受力情况,正常金属元素,反常金属元素,电阻率随压力升高而下降，如,Fe、Co、Ni、Rh、Pd、Cu、,Ag,等。,电阻率随压力升高到一定值后下降，即电阻率有极大值，,如碱金属、碱土金属、稀土金属和第,族的半金属等。,与压力作用下的相变有关,2）受力情况,正常金属元素 反常金属元素电阻率随压力升高而下降，如Fe、,应力敏感材料的应用,2）受力情况,应力敏感材料的应用2）受力情况,2）受力情况,2）受力情况,3）冷加工,冷加工使金属的电阻率增大。这是由于冷塑性变形使晶体点阵畸变和晶体缺陷增加，特别是空位浓度的增加，造成点阵电场的不均匀而加剧对电磁波散射的结果。此外，冷塑性变形使原子间距有所改变，也会对电阻率产生一定影响。,3）冷加工 冷加工使金属的电阻率增大。这是由于冷塑性变,4）热处理,4）热处理,5）合金元素,5）合金元素,5）合金元素,1）,无序固溶体的电阻,5）合金元素1）无序固溶体的电阻,固溶体有序化,的影响,固溶体有序化后，电阻率降低。,固溶体有序化后晶体,离子势场在有序化时更为对称,，这就使电子散射几率大大降低。,Cu,3,Au,合金,l,一无序,(,淬火态,),；,2,一有序,(,退火态,),固溶体有序化的影响固溶体有序化后，电阻率降低。固溶体有序,对于某些特定的体系，高温时，原子振动强烈，足以克服各组元之间的交互作用，而形成无序固溶体。在缓慢降温过程中，可以转变为有序固溶体。,5）合金元素,对于某些特定的体系，高温时，原子振动强烈，足以克服各组元之间,a,淬火态,b,退火态,Cu-Au,合金的电阻,并不是任意浓度的体系都能顺利,地有序化，因为有序化结构有一,定成分比例。所以只有特定组分,的体系，淬火带来的影响才会特,别的明显。,5）合金元素,a淬火态Cu-Au合金的电阻并不是任意浓度的体系都能顺利,利用合金元素与导电性的关系可以测定相图,5）合金元素,利用合金元素与导电性的关系可以测定相图5）合金元素,电线电缆主要特性,1、电性能,导电性能,：大多数产品要求有良好的导电性能，个别产品要求有一定的电阻范围。,2、力学性能,指抗拉强度、伸长率、弯曲性、弹性、柔软性、耐振动性、耐磨性以及耐冲击性等。例如：露天矿开采设备用移动橡套软电缆具有优良的抗拉强度、伸长率、抗撕强度和耐磨性能等。,5）合金元素,电线电缆主要特性 1、电性能5）合金元素,3、热性能,4、耐腐蚀和耐气候性能,5、阻燃性能,3、热性能,6）晶粒度,6）晶粒度,晶粒尺寸减小到一定程度后，能级发生改变。导电性能下降。而升温可以激发电子的跃迁，反而增加了导电性能。,晶粒尺寸减小到一定程度后，能级发生改变。导电性能下降。而升温,