電性功能材料課件

1、 第二章第二章 電性功能材料電性功能材料新型功能材料新型功能材料 New Functional Materials內(nèi)內(nèi) 容容 簡(jiǎn)簡(jiǎn) 介介 導(dǎo)電與超導(dǎo)材料導(dǎo)電與超導(dǎo)材料 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料 電熱與電光材料電熱與電光材料 離子導(dǎo)體和導(dǎo)電高分子材料離子導(dǎo)體和導(dǎo)電高分子材料 電阻材料電阻材料 介電材料介電材料電性功能材料是指那些具有導(dǎo)電特性的物質(zhì)電性功能材料是指那些具有導(dǎo)電特性的物質(zhì)歐姆定律歐姆定律 iE或或Ei1/(為電阻率為電阻率)物質(zhì)的導(dǎo)電性用物質(zhì)的導(dǎo)電性用電導(dǎo)率電導(dǎo)率來(lái)表征來(lái)表征電導(dǎo)率的大小決定了固態(tài)物質(zhì)的導(dǎo)電性能電導(dǎo)率的大小決定了固態(tài)物質(zhì)的導(dǎo)電性能i i為金屬中的電流密為金屬中的電流密度，

2、度，為金屬的電導(dǎo)為金屬的電導(dǎo)率，率，E E為施加在金屬為施加在金屬上的電場(chǎng)強(qiáng)度。上的電場(chǎng)強(qiáng)度。固體的導(dǎo)電性固體的導(dǎo)電性LRS =根據(jù)固體在室溫根據(jù)固體在室溫下的電導(dǎo)率下的電導(dǎo)率 導(dǎo)電功能材料的分類導(dǎo)電功能材料的分類導(dǎo)體導(dǎo)體( (10106 610108 8S/m)S/m)半導(dǎo)體半導(dǎo)體( (1010-9-910105 5S/m)S/m)絕緣體絕緣體( (1010-20-2010S/m)10S/m)S?10-710-610-510-410-310-210-1100101102103104105106電導(dǎo)率 S/m絕緣體絕緣體半導(dǎo)體半導(dǎo)體導(dǎo)體導(dǎo)體超導(dǎo)體：超導(dǎo)體：金屬導(dǎo)電材料、高分子導(dǎo)電材料金屬導(dǎo)電材

3、料、高分子導(dǎo)電材料半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料電阻材料、介電與絕緣體材料電阻材料、介電與絕緣體材料非金屬導(dǎo)電材料、超導(dǎo)材料非金屬導(dǎo)電材料、超導(dǎo)材料 導(dǎo)電功能材料的分類導(dǎo)電功能材料的分類根據(jù)材料的根據(jù)材料的綜合性質(zhì)、綜合性質(zhì)、功能與作用功能與作用第一節(jié)第一節(jié) 導(dǎo)電功能材料導(dǎo)電功能材料 金屬導(dǎo)電材料金屬導(dǎo)電材料 非金屬導(dǎo)電材料非金屬導(dǎo)電材料 超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料第二節(jié)第二節(jié) 電阻材料電阻材料第三節(jié)第三節(jié) 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料本本 章章 內(nèi)內(nèi) 容容 第一節(jié)、導(dǎo)電功能材料第一節(jié)、導(dǎo)電功能材料按按導(dǎo)電機(jī)理導(dǎo)電機(jī)理導(dǎo)電功能材料可分導(dǎo)電功能材料可分為：為：電子導(dǎo)電材料和離子導(dǎo)電電子導(dǎo)電材料和離子導(dǎo)電材料材料兩大類。兩大

4、類。電子導(dǎo)電材料電子導(dǎo)電材料包括導(dǎo)體、超導(dǎo)包括導(dǎo)體、超導(dǎo)體和半導(dǎo)體。體和半導(dǎo)體。 第一節(jié)、導(dǎo)電功能材料第一節(jié)、導(dǎo)電功能材料金屬導(dǎo)電材料金屬導(dǎo)電材料非金屬導(dǎo)電材料非金屬導(dǎo)電材料超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料金屬材料的導(dǎo)電性能的解釋分別金屬材料的導(dǎo)電性能的解釋分別采用以下三個(gè)理論：采用以下三個(gè)理論：一一. .自由電子理論自由電子理論二二. .能帶理論能帶理論三三. .近代電導(dǎo)理論近代電導(dǎo)理論固體的導(dǎo)電性質(zhì)固體的導(dǎo)電性質(zhì)導(dǎo)電材料，是指用以傳送電流而導(dǎo)電材料，是指用以傳送電流而無(wú)或只有很小電能損失的材料。無(wú)或只有很小電能損失的材料。金屬導(dǎo)電材料金屬導(dǎo)電材料布線材料布線材料導(dǎo)電引線材料導(dǎo)電引線材料金屬導(dǎo)電材料金屬導(dǎo)電

5、材料 高的導(dǎo)電性高的導(dǎo)電性足夠的機(jī)械強(qiáng)度足夠的機(jī)械強(qiáng)度不易氧化不易氧化可焊接可焊接易加工易加工不易腐蝕不易腐蝕 電導(dǎo)率電導(dǎo)率以以銅、鋁及其合金銅、鋁及其合金為主，重視材料的阻抗損失為主，重視材料的阻抗損失分類分類 導(dǎo)電引線材料導(dǎo)電引線材料金屬導(dǎo)電材料金屬導(dǎo)電材料 導(dǎo)導(dǎo)電電引引線線材材料料 常用電解銅的純度為常用電解銅的純度為(99.9799.98)wt，含少量，含少量金屬雜質(zhì)和氧。金屬雜質(zhì)和氧。 電導(dǎo)率為電導(dǎo)率為(9899)稱為稱為半硬銅半硬銅，而電導(dǎo)率為，而電導(dǎo)率為(9698)%稱為稱為硬銅硬銅。 銅中的雜質(zhì)將降低電導(dǎo)率，特別是氧，會(huì)使產(chǎn)銅中的雜質(zhì)將降低電導(dǎo)率，特別是氧，會(huì)使產(chǎn)品性能大大下降

6、。品性能大大下降。（1）銅）銅 無(wú)氧銅無(wú)氧銅(OFHCC)具有具有性能穩(wěn)定性能穩(wěn)定、抗腐蝕抗腐蝕、延展性好延展性好、抗疲勞抗疲勞、高導(dǎo)電率高導(dǎo)電率的特性。的特性。 一般拉成細(xì)絲，用于一般拉成細(xì)絲，用于海底同軸電纜的外部軟線海底同軸電纜的外部軟線、太陽(yáng)能電池太陽(yáng)能電池、高溫抗氧化電極高溫抗氧化電極等。等。金屬導(dǎo)電材料金屬導(dǎo)電材料導(dǎo)電引線材料導(dǎo)電引線材料（2）鋁）鋁 鋁的純度為鋁的純度為(99.699.8)wt%，電導(dǎo)率為，電導(dǎo)率為61(僅次僅次于于Ag、Cu、Au)，相對(duì)密度只有銅的，相對(duì)密度只有銅的1/3。因此它可。因此它可以代替銅導(dǎo)線制成高壓配電線。以代替銅導(dǎo)線制成高壓配電線。 如如160K

7、V以上用的鋼絲增強(qiáng)鋁電纜以上用的鋼絲增強(qiáng)鋁電纜ACSR、合金增、合金增強(qiáng)導(dǎo)線強(qiáng)導(dǎo)線ACAR、全鋁合金導(dǎo)線、全鋁合金導(dǎo)線AAAC等。等。 國(guó)際上通用的硬鋁線國(guó)際上通用的硬鋁線HAl則主要用于則主要用于送、配電線送、配電線，它只能在它只能在90以下連續(xù)使用。大容量高壓輸電導(dǎo)線以下連續(xù)使用。大容量高壓輸電導(dǎo)線要在要在150下連續(xù)工作，需用下連續(xù)工作，需用含含Zr等耐熱鋁合金等耐熱鋁合金TAl；而變電所用的母線則要在而變電所用的母線則要在200下連續(xù)工作，必須下連續(xù)工作，必須使用使用超耐熱鋁合金超耐熱鋁合金STAl。金屬導(dǎo)電材料金屬導(dǎo)電材料導(dǎo)電引線材料導(dǎo)電引線材料問(wèn)題問(wèn)題：說(shuō)明電導(dǎo)率：說(shuō)明電導(dǎo)率單位的

8、意義？單位的意義？主要采用主要采用Au、Ag、Cu、Al等電導(dǎo)率高的材料，有時(shí)等電導(dǎo)率高的材料，有時(shí)也使用也使用金屬粉和石墨粉與非金屬材料混合金屬粉和石墨粉與非金屬材料混合的的復(fù)合導(dǎo)復(fù)合導(dǎo)電材料電材料，其電阻率通常比強(qiáng)電用材料的電阻率高的，其電阻率通常比強(qiáng)電用材料的電阻率高的多，并有多，并有厚膜和薄膜厚膜和薄膜之分。之分。導(dǎo)體布線材料導(dǎo)體布線材料金屬導(dǎo)電材料金屬導(dǎo)電材料導(dǎo)電布線材料導(dǎo)電布線材料電子工業(yè)用的導(dǎo)體布線材料應(yīng)具有膜電阻小、電子工業(yè)用的導(dǎo)體布線材料應(yīng)具有膜電阻小、附著力強(qiáng)、可焊性和抗焊熔性好等優(yōu)點(diǎn)附著力強(qiáng)、可焊性和抗焊熔性好等優(yōu)點(diǎn)厚膜布線導(dǎo)體厚膜布線導(dǎo)體新型新型的的CuCu等賤等賤金屬

9、金屬厚膜厚膜導(dǎo)體導(dǎo)體材料價(jià)格低廉材料價(jià)格低廉膜電阻小膜電阻小可焊性和抗焊熔性好可焊性和抗焊熔性好無(wú)離子遷移無(wú)離子遷移優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)缺點(diǎn)工藝要求較高工藝要求較高老化性能尚不如貴金屬厚膜導(dǎo)體好老化性能尚不如貴金屬厚膜導(dǎo)體好金屬導(dǎo)電材料金屬導(dǎo)電材料導(dǎo)電布線材料導(dǎo)電布線材料賤金屬系：賤金屬系：Cu、Ni、Al、Cr等等貴金屬系：貴金屬系：Au、Ag、Pt、Pd等等特點(diǎn)特點(diǎn)貴貴金金屬屬厚厚膜膜導(dǎo)導(dǎo)體體制作方法制作方法導(dǎo)體漿料絲網(wǎng)印刷后燒結(jié)而成導(dǎo)體漿料絲網(wǎng)印刷后燒結(jié)而成膜層致密膜層致密附著力強(qiáng)附著力強(qiáng)可用非活性焊接劑焊接可用非活性焊接劑焊接抗焊熔性均好抗焊熔性均好絲網(wǎng)印刷性能好絲網(wǎng)印刷性能好與多種電阻及介質(zhì)

10、材料兼容與多種電阻及介質(zhì)材料兼容金屬導(dǎo)電材料金屬導(dǎo)電材料導(dǎo)電布線材料導(dǎo)電布線材料要求要求金屬導(dǎo)電材料金屬導(dǎo)電材料導(dǎo)電布線材料導(dǎo)電布線材料薄膜布線導(dǎo)體薄膜布線導(dǎo)體分為單元膜和復(fù)合膜兩大類分為單元膜和復(fù)合膜兩大類具有導(dǎo)電性好、附著力強(qiáng)、具有導(dǎo)電性好、附著力強(qiáng)、化學(xué)穩(wěn)定性高、可焊性和耐化學(xué)穩(wěn)定性高、可焊性和耐焊性均好、成本低等特點(diǎn)。焊性均好、成本低等特點(diǎn)。單元膜單元膜指用單種金屬形成的單層薄膜導(dǎo)體，如指用單種金屬形成的單層薄膜導(dǎo)體，如Al膜膜良好的導(dǎo)電性，易于成膜，良好的附著性、可焊性、成本低良好的導(dǎo)電性，易于成膜，良好的附著性、可焊性、成本低優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)薄膜表面的氧化層給錫焊造成困難，與金屬形成的脆性

11、金屬化合物薄膜表面的氧化層給錫焊造成困難，與金屬形成的脆性金屬化合物造成焊點(diǎn)脫開，抗電遷移能力弱。造成焊點(diǎn)脫開，抗電遷移能力弱。缺點(diǎn)缺點(diǎn)底層是使頂層導(dǎo)體膜牢固地附著在基片上底層是使頂層導(dǎo)體膜牢固地附著在基片上頂層起導(dǎo)電和焊接作用頂層起導(dǎo)電和焊接作用高溫薄膜導(dǎo)體高溫薄膜導(dǎo)體賤金屬薄膜導(dǎo)體賤金屬薄膜導(dǎo)體金屬導(dǎo)電材料金屬導(dǎo)電材料導(dǎo)電布線材料導(dǎo)電布線材料復(fù)合膜復(fù)合膜用不同金屬膜所構(gòu)成的多層薄膜導(dǎo)體，如用不同金屬膜所構(gòu)成的多層薄膜導(dǎo)體，如CrAu膜、膜、TiPdAu膜等膜等復(fù)合薄膜導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)一般包括復(fù)合薄膜導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)一般包括底層和頂層底層和頂層兩部分兩部分應(yīng)用最廣應(yīng)用最廣!薄膜導(dǎo)體材料薄膜導(dǎo)體材料的發(fā)展

12、方向的發(fā)展方向非金屬導(dǎo)電材料非金屬導(dǎo)電材料 非金屬導(dǎo)電材料非金屬導(dǎo)電材料介電材料介電材料快離子導(dǎo)電陶瓷快離子導(dǎo)電陶瓷高分子導(dǎo)電材料高分子導(dǎo)電材料非金屬導(dǎo)電材料非金屬導(dǎo)電材料快離子導(dǎo)體陶瓷材料快離子導(dǎo)體陶瓷材料快離子導(dǎo)體陶瓷材料快離子導(dǎo)體陶瓷材料電導(dǎo)率可以和液體電解質(zhì)或熔鹽相比擬的固態(tài)離電導(dǎo)率可以和液體電解質(zhì)或熔鹽相比擬的固態(tài)離子導(dǎo)體陶瓷，又稱電解質(zhì)陶瓷。子導(dǎo)體陶瓷，又稱電解質(zhì)陶瓷。 快離子導(dǎo)體的離子電導(dǎo)率可達(dá)快離子導(dǎo)體的離子電導(dǎo)率可達(dá)10-110-2 S/cm，活，活化能低至化能低至0.10.2eV。在已發(fā)現(xiàn)的快離子導(dǎo)體中，。在已發(fā)現(xiàn)的快離子導(dǎo)體中，絕大多數(shù)是快離子導(dǎo)體陶瓷。絕大多數(shù)是快離子導(dǎo)

13、體陶瓷?？祀x子導(dǎo)體快離子導(dǎo)體(離子導(dǎo)電陶瓷離子導(dǎo)電陶瓷)在一定的溫度條件下具在一定的溫度條件下具有和強(qiáng)電解質(zhì)液體相似的離子電導(dǎo)特性。許多陶瓷有和強(qiáng)電解質(zhì)液體相似的離子電導(dǎo)特性。許多陶瓷都是離子晶體，離子晶體電導(dǎo)主要為離子電導(dǎo)。都是離子晶體，離子晶體電導(dǎo)主要為離子電導(dǎo)。常見的快離子導(dǎo)體陶瓷材料常見的快離子導(dǎo)體陶瓷材料非金屬導(dǎo)電材料非金屬導(dǎo)電材料快離子導(dǎo)體陶瓷材料快離子導(dǎo)體陶瓷材料銀、銅的鹵族和硫族化合物：金屬原銀、銅的鹵族和硫族化合物：金屬原子在化合物中鍵合位置相對(duì)隨意；子在化合物中鍵合位置相對(duì)隨意；具有具有氧化鋁結(jié)構(gòu)的高遷移率單價(jià)氧化鋁結(jié)構(gòu)的高遷移率單價(jià)陽(yáng)離子氧化物；陽(yáng)離子氧化物；具有氟化鈣具

14、有氟化鈣(CaF2)結(jié)構(gòu)的高濃度缺陷結(jié)構(gòu)的高濃度缺陷的氧化物。的氧化物。一些快離子導(dǎo)體導(dǎo)電率和激活能一些快離子導(dǎo)體導(dǎo)電率和激活能 材料材料 電導(dǎo)率電導(dǎo)率（-1cm-1） 激活能激活能Hd(ev)熵熵變變注釋注釋 陽(yáng)離子導(dǎo)電陽(yáng)離子導(dǎo)電-AgI(146555)1(150)0.05 0.15Bcc碘構(gòu)架三維導(dǎo)電碘構(gòu)架三維導(dǎo)電CuS(91)0.2(400)0.25 5.75Cu缺陷缺陷氧化鋁氧化鋁0.35(300)0.01 0.23有效公式有效公式11Al2O3(1+x)M2ONa3Zr2Si2PO120.2(25)0.27 6.21交叉隧道的三維結(jié)構(gòu)交叉隧道的三維結(jié)構(gòu)K2MgxTi6-xO160.0

15、2(25)0.22 5.06隧道結(jié)構(gòu)隧道結(jié)構(gòu) 陰離子導(dǎo)電陰離子導(dǎo)電ZrO210%Sc2O30.25(1000)0.65 14.959的螢石面心立方結(jié)構(gòu)的螢石面心立方結(jié)構(gòu)Bi2O325%Y2O30.16(700)0.60 13.80純的氧化鋯是從純的氧化鋯是從ZrSiO4鋯礦中以化學(xué)方法提取的鋯礦中以化學(xué)方法提取的具有三種晶體結(jié)構(gòu)：?jiǎn)涡?、四方和立方結(jié)構(gòu)具有三種晶體結(jié)構(gòu)：?jiǎn)涡?、四方和立方結(jié)構(gòu) 非金屬導(dǎo)電材料非金屬導(dǎo)電材料快離子導(dǎo)體陶瓷材料快離子導(dǎo)體陶瓷材料 常見快離子導(dǎo)體材料常見快離子導(dǎo)體材料1 1立方穩(wěn)定的氧化鋯立方穩(wěn)定的氧化鋯(CSZ)通過(guò)加入低價(jià)離子代替部分鋯可以把立方晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定到室溫通過(guò)

16、加入低價(jià)離子代替部分鋯可以把立方晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定到室溫單斜晶體結(jié)構(gòu)：?jiǎn)涡本w結(jié)構(gòu)： 1170以下穩(wěn)定的；以下穩(wěn)定的；四方晶體結(jié)構(gòu)：四方晶體結(jié)構(gòu)： 1170 -2370穩(wěn)定；穩(wěn)定；立方晶體結(jié)構(gòu)：立方晶體結(jié)構(gòu)：2370到熔點(diǎn)到熔點(diǎn)2680是穩(wěn)定的。是穩(wěn)定的。低價(jià)位元素取代高價(jià)位元素低價(jià)位元素取代高價(jià)位元素: ZrO2 (Y2 O3) 非金屬導(dǎo)電材料非金屬導(dǎo)電材料快離子導(dǎo)體陶瓷材料快離子導(dǎo)體陶瓷材料 立方立方ZrO2具有螢石的結(jié)構(gòu)，具有螢石的結(jié)構(gòu)，O2-離子排成簡(jiǎn)單立方。在點(diǎn)離子排成簡(jiǎn)單立方。在點(diǎn)陣的陣的12處占據(jù)著處占據(jù)著Zr4+間隙原間隙原子。低價(jià)陽(yáng)離子置換子。低價(jià)陽(yáng)離子置換Zr4+導(dǎo)致導(dǎo)致O2-離

17、子空位的形成。空位穩(wěn)離子空位的形成?？瘴环€(wěn)定了結(jié)構(gòu)，同樣導(dǎo)致在氧的定了結(jié)構(gòu)，同樣導(dǎo)致在氧的亞晶格中高的遷移率。亞晶格中高的遷移率。非金屬導(dǎo)電材料非金屬導(dǎo)電材料快離子導(dǎo)體陶瓷材料快離子導(dǎo)體陶瓷材料 穩(wěn)定氧化鋯立方結(jié)構(gòu)的元素穩(wěn)定氧化鋯立方結(jié)構(gòu)的元素:La、Sc、Ir、Mg、Ca、Mn和和In。其主要條。其主要條件是離子半徑接近件是離子半徑接近Zr4+的離子半徑的離子半徑(r84pm)。是一類非化學(xué)計(jì)量、通式為是一類非化學(xué)計(jì)量、通式為 (M+ = Na+ 、K+、Li+、Rb+、Ag+、Cu+、Ga+、Tl+、H3O+、NH4+、H+ 等；等；A3+ = A13+、Ga3+、Fe3+) 的的，其中，

18、其中x可以是可以是5-11之間的各種數(shù)值，當(dāng)之間的各種數(shù)值，當(dāng)x不同時(shí)，可有不同結(jié)構(gòu)。不同時(shí)，可有不同結(jié)構(gòu)。非金屬導(dǎo)電材料非金屬導(dǎo)電材料快離子導(dǎo)體陶瓷材料快離子導(dǎo)體陶瓷材料 常見快離子導(dǎo)體材料常見快離子導(dǎo)體材料2 2 -氧化鋁氧化鋁研究最多的兩種結(jié)構(gòu)是研究最多的兩種結(jié)構(gòu)是： -A12O3 () 和和 -A12O3 ()。由于由于M+ 在在中擴(kuò)散，產(chǎn)生中擴(kuò)散，產(chǎn)生，使，使 成為快成為快離子導(dǎo)體中一組重要的材料。離子導(dǎo)體中一組重要的材料。 非金屬導(dǎo)電材料非金屬導(dǎo)電材料快離子導(dǎo)體陶瓷材料快離子導(dǎo)體陶瓷材料 常見快離子導(dǎo)體材料常見快離子導(dǎo)體材料2 2 -氧化鋁氧化鋁二、導(dǎo)電高分子材料二、導(dǎo)電高分子材料

19、 繼繼19771977年發(fā)現(xiàn)了摻雜型聚乙炔具有類似金屬的電導(dǎo)率之后，開始了對(duì)導(dǎo)電高年發(fā)現(xiàn)了摻雜型聚乙炔具有類似金屬的電導(dǎo)率之后，開始了對(duì)導(dǎo)電高分子材料的研究。分子材料的研究。 與金屬相比，導(dǎo)電高分子材料具有重與金屬相比，導(dǎo)電高分子材料具有重量輕、易形成、電阻率可調(diào)節(jié)、可通過(guò)分子量輕、易形成、電阻率可調(diào)節(jié)、可通過(guò)分子設(shè)計(jì)合成出具有不同特性的導(dǎo)電性等特點(diǎn)。設(shè)計(jì)合成出具有不同特性的導(dǎo)電性等特點(diǎn)。非金屬導(dǎo)電材料非金屬導(dǎo)電材料導(dǎo)電高分子材料導(dǎo)電高分子材料通過(guò)電子或離子導(dǎo)電使高分子本身結(jié)構(gòu)顯示導(dǎo)電性，它通過(guò)電子或離子導(dǎo)電使高分子本身結(jié)構(gòu)顯示導(dǎo)電性，它包括高分子經(jīng)摻雜后具有導(dǎo)電功能的聚合物，如聚乙炔。包括高

20、分子經(jīng)摻雜后具有導(dǎo)電功能的聚合物，如聚乙炔。含具有吊掛結(jié)構(gòu)或整體結(jié)構(gòu)的聚合物離子導(dǎo)電體；線型含具有吊掛結(jié)構(gòu)或整體結(jié)構(gòu)的聚合物離子導(dǎo)電體；線型共扼聚乙炔等共扼聚合物、聚酞菁類金屬螯合型聚合物共扼聚乙炔等共扼聚合物、聚酞菁類金屬螯合型聚合物和高分子電荷轉(zhuǎn)移絡(luò)合物等電子導(dǎo)電體。和高分子電荷轉(zhuǎn)移絡(luò)合物等電子導(dǎo)電體。結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料多為半導(dǎo)體材料，由于結(jié)構(gòu)特殊，結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料多為半導(dǎo)體材料，由于結(jié)構(gòu)特殊，制備與提純困難而極少獲得實(shí)際應(yīng)用。制備與提純困難而極少獲得實(shí)際應(yīng)用。非金屬導(dǎo)電材料非金屬導(dǎo)電材料導(dǎo)電高分子材料導(dǎo)電高分子材料根根據(jù)據(jù)導(dǎo)導(dǎo)電電原原理理 導(dǎo)電導(dǎo)電高分子高分子功能材料的分類功能材料

21、的分類結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu)型復(fù)合型復(fù)合型通過(guò)一般高分子與各種導(dǎo)電填料分散復(fù)合、層積復(fù)合，使其表通過(guò)一般高分子與各種導(dǎo)電填料分散復(fù)合、層積復(fù)合，使其表面形成導(dǎo)電膜等方法制成，它是靠填充在其中的導(dǎo)電粒子或纖面形成導(dǎo)電膜等方法制成，它是靠填充在其中的導(dǎo)電粒子或纖維的相互作用緊密接觸形成導(dǎo)電通路而導(dǎo)電的。維的相互作用緊密接觸形成導(dǎo)電通路而導(dǎo)電的。根據(jù)應(yīng)用又可分為根據(jù)應(yīng)用又可分為導(dǎo)電塑料、導(dǎo)電纖維、導(dǎo)電橡膠、導(dǎo)電粘合導(dǎo)電塑料、導(dǎo)電纖維、導(dǎo)電橡膠、導(dǎo)電粘合劑和導(dǎo)電涂料劑和導(dǎo)電涂料等，它們?cè)诜漓o電、消除靜電、電磁屏蔽、微波等，它們?cè)诜漓o電、消除靜電、電磁屏蔽、微波吸收、電器元器件中的電極、按鍵開關(guān)、電子照相、記錄材料

22、、吸收、電器元器件中的電極、按鍵開關(guān)、電子照相、記錄材料、面狀發(fā)熱體、凈化室墻壁材料、管道等工業(yè)和民用的各個(gè)方面面狀發(fā)熱體、凈化室墻壁材料、管道等工業(yè)和民用的各個(gè)方面已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。 1.1.結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料 結(jié)構(gòu)型高分子導(dǎo)電材料結(jié)構(gòu)型高分子導(dǎo)電材料中，至今只有聚氮化硫中，至今只有聚氮化硫(SNf(SNfn n) )可算是純粹的結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料，其他可算是純粹的結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料，其他的許多幾乎是用氧化還原、離子化或電化學(xué)方法進(jìn)的許多幾乎是用氧化還原、離子化或電化學(xué)方法進(jìn)行摻雜后才具有較高的導(dǎo)電性。行摻雜后才具有較高的導(dǎo)電性。 目前研究

23、較多的是聚乙炔、聚苯胺、聚苯硫醚、目前研究較多的是聚乙炔、聚苯胺、聚苯硫醚、聚噻吩、聚吡咯等。聚噻吩、聚吡咯等。 但是摻雜使得材料的穩(wěn)定性變差，成膜性降但是摻雜使得材料的穩(wěn)定性變差，成膜性降低，所以通過(guò)分子設(shè)計(jì)形成穩(wěn)定性好、易于成低，所以通過(guò)分子設(shè)計(jì)形成穩(wěn)定性好、易于成形加工的材料。主要有形加工的材料。主要有蓄電池和微波吸收材料蓄電池和微波吸收材料。非金屬導(dǎo)電材料非金屬導(dǎo)電材料導(dǎo)電高分子材料導(dǎo)電高分子材料uConducting polymer 2000 Nobel Prize in Chemistry pz orbitals perpendicular to the polymer backb

24、one Hybridization between pz orbitals Formations of delocalized p p orbital Electron conduction Semiconducting & Metallic (doping)nPAPPV 聚乙烯基吡咯聚乙烯基吡咯Burroughes et al.Nature 347, 539 (1990)Cambridge groupTang et al.APL 51, 923 (1987)Kodak group(1)蓄電池蓄電池 最有發(fā)展前途的是摻雜聚乙炔和摻雜聚苯硫醚。最有發(fā)展前途的是摻雜聚乙炔和摻雜聚苯硫醚。摻

25、雜聚乙炔蓄電池的摻雜聚乙炔蓄電池的優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)是重量輕、體積小、容是重量輕、體積小、容量大、能量密度高、不需維修、加工簡(jiǎn)便等，而量大、能量密度高、不需維修、加工簡(jiǎn)便等，而其其缺點(diǎn)缺點(diǎn)是電極材料和電解液不穩(wěn)定等。是電極材料和電解液不穩(wěn)定等。(2)吸波材料吸波材料 作為吸波材料，可以對(duì)導(dǎo)電聚合物的厚度、密作為吸波材料，可以對(duì)導(dǎo)電聚合物的厚度、密度和導(dǎo)電性進(jìn)行調(diào)整，從而可調(diào)整材料的微波反度和導(dǎo)電性進(jìn)行調(diào)整，從而可調(diào)整材料的微波反射系數(shù)和吸收系數(shù)，吸收系數(shù)可達(dá)射系數(shù)和吸收系數(shù)，吸收系數(shù)可達(dá)105cm-1。導(dǎo)電。導(dǎo)電聚合物薄膜重量輕，柔性好，可作為包括飛機(jī)在聚合物薄膜重量輕，柔性好，可作為包括飛機(jī)在內(nèi)的任何

26、設(shè)備的蒙皮。內(nèi)的任何設(shè)備的蒙皮。非金屬導(dǎo)電材料非金屬導(dǎo)電材料導(dǎo)電高分子材料導(dǎo)電高分子材料2.2.復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料 復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料是在通用樹脂中加入導(dǎo)復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料是在通用樹脂中加入導(dǎo)電性填料、添加劑，采用一定的成形方法而制得的。電性填料、添加劑，采用一定的成形方法而制得的。 通用樹脂主要是聚烯烴，如聚丙稀、聚氯乙烯、通用樹脂主要是聚烯烴，如聚丙稀、聚氯乙烯、ABSABS以及聚酯類、聚酰胺等。以及聚酯類、聚酰胺等。非金屬導(dǎo)電材料非金屬導(dǎo)電材料導(dǎo)電高分子材料導(dǎo)電高分子材料添加劑有抗氧劑、固化劑、溶劑、潤(rùn)滑劑等。添加劑有抗氧劑、固化劑、溶劑、潤(rùn)滑劑等。 導(dǎo)電填料有

27、金、銀、銅、鋁等金屬粉，鋁纖維、導(dǎo)電填料有金、銀、銅、鋁等金屬粉，鋁纖維、黃銅纖維等金屬纖維、金屬氧化物等。黃銅纖維等金屬纖維、金屬氧化物等。 影響復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料導(dǎo)電性能的主要因素：影響復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料導(dǎo)電性能的主要因素：填料種類、金屬形狀、樹脂種類、填料分散狀態(tài)以及填料種類、金屬形狀、樹脂種類、填料分散狀態(tài)以及導(dǎo)電填料的用量。導(dǎo)電填料的用量。 一般為了使電阻率小且穩(wěn)定，選用硬度大、熱一般為了使電阻率小且穩(wěn)定，選用硬度大、熱變形溫度高的樹脂，并且在一定的溫度范圍內(nèi)提高變形溫度高的樹脂，并且在一定的溫度范圍內(nèi)提高固化溫度，延長(zhǎng)固化時(shí)間。固化溫度，延長(zhǎng)固化時(shí)間。 復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料有導(dǎo)

28、電膠粘劑、導(dǎo)電塑復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料有導(dǎo)電膠粘劑、導(dǎo)電塑料、導(dǎo)電薄膜、導(dǎo)電涂料等。料、導(dǎo)電薄膜、導(dǎo)電涂料等。非金屬導(dǎo)電材料非金屬導(dǎo)電材料導(dǎo)電高分子材料導(dǎo)電高分子材料非金屬導(dǎo)電材料非金屬導(dǎo)電材料導(dǎo)電高分子材料導(dǎo)電高分子材料導(dǎo)電薄膜導(dǎo)電薄膜一般是在普通塑料薄膜上形成導(dǎo)電層的復(fù)合材料，具有透明一般是在普通塑料薄膜上形成導(dǎo)電層的復(fù)合材料，具有透明性和可撓性、重量輕、易加工等優(yōu)點(diǎn)，可作為電氣零件、電子照相、性和可撓性、重量輕、易加工等優(yōu)點(diǎn)，可作為電氣零件、電子照相、電磁屏蔽等。電磁屏蔽等。導(dǎo)電塑料導(dǎo)電塑料包括以聚烯烴或其共聚物為基礎(chǔ)，加入導(dǎo)電填料與抗氧劑及包括以聚烯烴或其共聚物為基礎(chǔ)，加入導(dǎo)電填料與抗氧

29、劑及潤(rùn)滑劑等后經(jīng)混煉加工而成，和用于電線、泡沫塑料等的聚烯烴導(dǎo)電潤(rùn)滑劑等后經(jīng)混煉加工而成，和用于電線、泡沫塑料等的聚烯烴導(dǎo)電塑料以及導(dǎo)電尼龍等。塑料以及導(dǎo)電尼龍等。導(dǎo)電膠粘劑導(dǎo)電膠粘劑是兼有導(dǎo)電性和粘結(jié)性雙重性能的膠粘劑，它具有一定的是兼有導(dǎo)電性和粘結(jié)性雙重性能的膠粘劑，它具有一定的導(dǎo)電性和良好的粘結(jié)性能，主要有環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂導(dǎo)電膠和某些導(dǎo)電性和良好的粘結(jié)性能，主要有環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂導(dǎo)電膠和某些粘結(jié)性能較好的熱塑性樹脂導(dǎo)電膠等。粘結(jié)性能較好的熱塑性樹脂導(dǎo)電膠等。介電性質(zhì)介電性質(zhì) 電容器的極板間充滿電介質(zhì)時(shí)的電容與極板間為電容器的極板間充滿電介質(zhì)時(shí)的電容與極板間為真空時(shí)的電容之比值稱為（相

30、對(duì)）介電常數(shù)。真空時(shí)的電容之比值稱為（相對(duì)）介電常數(shù)。 非金屬導(dǎo)電材料非金屬導(dǎo)電材料介電材料介電材料電介質(zhì)經(jīng)常是絕緣體電介質(zhì)經(jīng)常是絕緣體：如陶瓷，云母，玻璃，塑料和各種金屬氧化物等。如陶瓷，云母，玻璃，塑料和各種金屬氧化物等。電介質(zhì)有使空間比起實(shí)際尺寸變得更大或更小的電介質(zhì)有使空間比起實(shí)際尺寸變得更大或更小的屬性。例如，當(dāng)一個(gè)電介質(zhì)材料放在兩個(gè)電荷之屬性。例如，當(dāng)一個(gè)電介質(zhì)材料放在兩個(gè)電荷之間，它會(huì)減少作用在它們之間的力，就像它們被間，它會(huì)減少作用在它們之間的力，就像它們被移遠(yuǎn)了一樣。當(dāng)電磁波穿過(guò)電介質(zhì)，波的速度被移遠(yuǎn)了一樣。當(dāng)電磁波穿過(guò)電介質(zhì)，波的速度被減小，使得它的行為象它有更短的波長(zhǎng)一樣

31、。減小，使得它的行為象它有更短的波長(zhǎng)一樣。介電陶瓷介電陶瓷 衡量介電材料的最主要的參數(shù)是介電常衡量介電材料的最主要的參數(shù)是介電常數(shù)數(shù)和損耗角和損耗角。非金屬導(dǎo)電材料非金屬導(dǎo)電材料介電陶瓷介電陶瓷介電陶瓷是最主要的介電材料，它在電容器、介電陶瓷是最主要的介電材料，它在電容器、紅外探測(cè)器、空氣和水的聲音探測(cè)器等方面紅外探測(cè)器、空氣和水的聲音探測(cè)器等方面有廣泛的應(yīng)用。有廣泛的應(yīng)用。介電材料的一個(gè)非常有用的性質(zhì)就是它所含介電材料的一個(gè)非常有用的性質(zhì)就是它所含有的電子、離子或是分子會(huì)因外加電場(chǎng)的介有的電子、離子或是分子會(huì)因外加電場(chǎng)的介入而極化，從而改變器件的電特性。入而極化，從而改變器件的電特性。(a)

32、(a)第一類介電陶第一類介電陶瓷材料為具有低介瓷材料為具有低介電常數(shù)和中等介電電常數(shù)和中等介電常數(shù)的陶瓷材料，常數(shù)的陶瓷材料，其損耗因子小于其損耗因子小于0.0030.003，中等介電，中等介電常數(shù)的變化范圍為常數(shù)的變化范圍為1515500500，其穩(wěn)態(tài)，其穩(wěn)態(tài)介電常數(shù)的溫度系介電常數(shù)的溫度系數(shù)是數(shù)是+100+100- -2000MK2000MK-1-1。(b)(b)第二類介電陶瓷材第二類介電陶瓷材料是以鐵電材料為主的料是以鐵電材料為主的高介電常數(shù)的陶瓷材料，高介電常數(shù)的陶瓷材料，介電常數(shù)的變化范圍為介電常數(shù)的變化范圍為200020002000020000，而且性，而且性能隨溫度、頻率、場(chǎng)強(qiáng)能

33、隨溫度、頻率、場(chǎng)強(qiáng)的變化程度比第一類介的變化程度比第一類介電陶瓷大。其損耗因子電陶瓷大。其損耗因子一般低于一般低于0.030.03。這類材。這類材料的主要優(yōu)點(diǎn)是具有高料的主要優(yōu)點(diǎn)是具有高的體積因子。的體積因子。(c)(c)第三類介電陶第三類介電陶瓷材料的特點(diǎn)為組瓷材料的特點(diǎn)為組織中含有導(dǎo)電相?？椫泻袑?dǎo)電相。這種性質(zhì)可以降低這種性質(zhì)可以降低電容器中介電材料電容器中介電材料的厚度至少一個(gè)數(shù)的厚度至少一個(gè)數(shù)量級(jí)。它的其他特量級(jí)。它的其他特性與第二類相同。性與第二類相同。非金屬導(dǎo)電材料非金屬導(dǎo)電材料介電陶瓷介電陶瓷介電陶瓷材料有許多優(yōu)越性能，其相對(duì)介電常數(shù)變化范圍很大，介電陶瓷材料有許多優(yōu)越性能，其

34、相對(duì)介電常數(shù)變化范圍很大，可以從滑石的可以從滑石的6到復(fù)合鐵電材料的到復(fù)合鐵電材料的20000。按照介電材料的介電。按照介電材料的介電常數(shù)變化范圍，可以分為以下三類：常數(shù)變化范圍，可以分為以下三類：(3)(3)介電陶瓷材料的實(shí)際應(yīng)用介電陶瓷材料的實(shí)際應(yīng)用主要應(yīng)用在制造陶瓷電容器和微波介質(zhì)元件方面主要應(yīng)用在制造陶瓷電容器和微波介質(zhì)元件方面(a)(a)溫度補(bǔ)償電容器介電陶瓷溫度補(bǔ)償電容器介電陶瓷: :主要用于高頻振蕩主要用于高頻振蕩電路中作為補(bǔ)償電容介質(zhì)。電路中作為補(bǔ)償電容介質(zhì)。(b)(b)微波介質(zhì)陶瓷微波介質(zhì)陶瓷: :主要用于制作微波電路元件，主要用于制作微波電路元件，如如MgOMgOSiOSi

35、O2 2系陶瓷、系陶瓷、 MgOMgOCaOCaOTiOTiO2 2系陶瓷等。系陶瓷等。(c)(c)高介高壓電容器陶瓷：主要有鈦酸鍶、鈦酸鋇高介高壓電容器陶瓷：主要有鈦酸鍶、鈦酸鋇和鈮酸鉛鎂陶瓷。應(yīng)用在電視機(jī)、雷達(dá)高壓電路、和鈮酸鉛鎂陶瓷。應(yīng)用在電視機(jī)、雷達(dá)高壓電路、斷路器等方面。斷路器等方面。非金屬導(dǎo)電材料非金屬導(dǎo)電材料介電陶瓷介電陶瓷超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)1911年，荷蘭物理學(xué)家年，荷蘭物理學(xué)家為檢驗(yàn)為檢驗(yàn)金屬金屬電阻與溫度之間的關(guān)系的理論公式電阻與溫度之間的關(guān)系的理論公式的正確性，的正確性，就用就用作試驗(yàn)。作試驗(yàn)。將水銀冷卻到將水銀冷卻到-40時(shí)，亮晶晶的液體水時(shí)，亮晶晶的

36、液體水銀變成了固體；然后，他把水銀拉成細(xì)絲，并銀變成了固體；然后，他把水銀拉成細(xì)絲，并繼續(xù)降低溫度，同時(shí)測(cè)量不同溫度下固體水銀繼續(xù)降低溫度，同時(shí)測(cè)量不同溫度下固體水銀的電阻，當(dāng)溫度降低到的電阻，當(dāng)溫度降低到，水銀的，水銀的。超導(dǎo)現(xiàn)象超導(dǎo)現(xiàn)象 Zero Resistance - No Power Loss Meissner Effect - Act as Magnet Critical Properties - Tc Jc ,Hc Josephson Effects - Electron Tunnelling 超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料具有超導(dǎo)特性的材料稱為超導(dǎo)材料具有超導(dǎo)特性的材料稱為超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料的

37、基本特性超導(dǎo)材料的基本特性1零電阻效應(yīng)零電阻效應(yīng)當(dāng)溫度當(dāng)溫度T T下降至下降至以下時(shí)，超導(dǎo)體的電阻突以下時(shí)，超導(dǎo)體的電阻突然變?yōu)榱?，這就稱為超導(dǎo)體的然變?yōu)榱?，這就稱為超導(dǎo)體的，也稱為，也稱為。汞在液氦溫度附近電阻的變化行為汞在液氦溫度附近電阻的變化行為4.04.14.24.34.40.0000.0250.0500.0750.1000.1250.150 T/K10-1 Hg電阻電阻超導(dǎo)臨界溫度超導(dǎo)臨界溫度Tc雖然與樣雖然與樣品純度無(wú)關(guān)品純度無(wú)關(guān),但是越均勻純但是越均勻純凈的樣品超導(dǎo)轉(zhuǎn)變時(shí)的凈的樣品超導(dǎo)轉(zhuǎn)變時(shí)的越尖銳。越尖銳。 即便是原來(lái)處在磁場(chǎng)中即便是原來(lái)處在磁場(chǎng)中的的樣品，當(dāng)溫度樣品，當(dāng)溫度下

38、降使它變成下降使它變成時(shí)，時(shí)，也會(huì)把原來(lái)在體內(nèi)的磁也會(huì)把原來(lái)在體內(nèi)的磁場(chǎng)完全排出去，即場(chǎng)完全排出去，即。超導(dǎo)材料的基本特性超導(dǎo)材料的基本特性2超導(dǎo)體的完全抗磁性（邁斯納效應(yīng)）超導(dǎo)體的完全抗磁性（邁斯納效應(yīng)）邁斯納效應(yīng)邁斯納效應(yīng)和和零電阻性質(zhì)零電阻性質(zhì)是是超導(dǎo)態(tài)的超導(dǎo)態(tài)的，衡量一種材料是否具有，衡量一種材料是否具有超導(dǎo)電性必須看是否超導(dǎo)電性必須看是否零電阻零電阻和和邁斯納效應(yīng)邁斯納效應(yīng)。指超導(dǎo)體處于外界磁場(chǎng)中，指超導(dǎo)體處于外界磁場(chǎng)中，無(wú)法穿透，超導(dǎo)體內(nèi)無(wú)法穿透，超導(dǎo)體內(nèi)的的為零。為零。磁懸浮現(xiàn)象磁懸浮現(xiàn)象磁懸浮列車磁懸浮列車應(yīng)用應(yīng)用超導(dǎo)電性的超導(dǎo)電性的T-I-H臨界面臨界面3超導(dǎo)體的三個(gè)特征值超

39、導(dǎo)體的三個(gè)特征值TcTc）、）、 ）和和 ）是是“約束約束”超導(dǎo)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象的三大臨界條件。象的三大臨界條件。超導(dǎo)材料的基本特性超導(dǎo)材料的基本特性常導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)、電常導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)、電阻突然變?yōu)榱銜r(shí)的溫度阻突然變?yōu)榱銜r(shí)的溫度超導(dǎo)態(tài)允許超導(dǎo)態(tài)允許的最大電流的最大電流維持超導(dǎo)所維持超導(dǎo)所需的最大磁需的最大磁場(chǎng)強(qiáng)度場(chǎng)強(qiáng)度超導(dǎo)材料只有處在這些臨界值以下超導(dǎo)材料只有處在這些臨界值以下的狀態(tài)時(shí)才顯示超導(dǎo)性，所以的狀態(tài)時(shí)才顯示超導(dǎo)性，所以，實(shí)用性就強(qiáng)，利用價(jià)值就，實(shí)用性就強(qiáng)，利用價(jià)值就越高。越高。低溫超導(dǎo)體：Low Temperature Superconductors (LTC) 如 V V3 3Si

40、(17.0K), NbSi(17.0K), Nb3 3Sn (18.2K), NbSn (18.2K), Nb3 3Ge (22.2K)Ge (22.2K)高溫超導(dǎo)體：High Temperature Superconductors (HTS) 氧化物陶瓷， 如 YBCO, Bi2223中溫超導(dǎo)體：Intermediate Temperature Superconductors 金屬間化合物，MgB2 超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料3超導(dǎo)材料的分類超導(dǎo)材料的分類在元素周期表相應(yīng)位置的元素中，有的可由在元素周期表相應(yīng)位置的元素中，有的可由制成超導(dǎo)材科，但絕大多數(shù)超導(dǎo)材料是由多制成超導(dǎo)材科，但絕大多數(shù)超導(dǎo)材料是

41、由多種元素構(gòu)成的種元素構(gòu)成的、或或。超導(dǎo)材料的超導(dǎo)材料的22 23 Ti V38 39 40 41 42 43 44Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru56 57-71 72 73 74 75 76 77Ba La-Lu系 Hf Ta W Re Os Ir90 91 92Th Pa U13 14 Al Si29 30 31 32Cu Zn Ga Ge48 49 50Cd In Sn80 81 82 83Hg Tl Pb Bi1H 4 Be 8 O16 S金屬、類金屬及非金屬超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料 材料材料臨界溫度臨界溫度 Tc/K 臨界磁場(chǎng)臨界磁場(chǎng)Hc/(A.m-1)材料材料臨界溫度臨界溫度 Tc

42、/K 臨界磁場(chǎng)臨界磁場(chǎng)Hc/(A.m-1)V5.31.0NbN15.713Pb7.20.8V3Ga16.522Nb9.22.0Nb3Sn18.322Nb-Ti9.312Nb3Al18.932Nb-Zr10.89.1Nb3Ga20.334PbMo6S815.660一些超導(dǎo)材料及一些超導(dǎo)材料及c值值超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料提高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度（提高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度（Tc）的歷史進(jìn)程）的歷史進(jìn)程1910193019501970199020406080100120140160Transition temperature (K)HgPbNbNbCNbNV3SiNb3SnNb3GeLiquid Nitrogen (77K

43、)Liquid Methane LNG (112K)HgBa2Ca2Cu3O9(under pressure)HgBa2Ca2Cu3O9TlBaCaCuOB2223 - Bi2Sr2Ca2Cu3OYBCO - YBa2Cu3O7MgB2 Tl, Hg(138K)超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料高溫超導(dǎo)材料的發(fā)展高溫超導(dǎo)材料的發(fā)展 二十世紀(jì)八十年代是超導(dǎo)電性探索與研究的黃金年代。二十世紀(jì)八十年代是超導(dǎo)電性探索與研究的黃金年代。19811981年合年合成了有機(jī)超導(dǎo)體，成了有機(jī)超導(dǎo)體，19861986年繆勒和柏諾茲發(fā)現(xiàn)了一種成分為鋇、鑭、銅、年繆勒和柏諾茲發(fā)現(xiàn)了一種成分為鋇、鑭、銅、氧的陶瓷性金屬氧化物氧的陶瓷性金

44、屬氧化物L(fēng)aBaCuOLaBaCuO4 4，其臨界溫度約為，其臨界溫度約為35K35K。由于陶瓷性金。由于陶瓷性金屬氧化物一般來(lái)說(shuō)是絕緣物質(zhì)，因此這個(gè)發(fā)現(xiàn)意義非常重大，他們獲屬氧化物一般來(lái)說(shuō)是絕緣物質(zhì)，因此這個(gè)發(fā)現(xiàn)意義非常重大，他們獲得了得了19871987年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 19871987年在超導(dǎo)材料的探索中又有新的突破，美國(guó)休斯頓大學(xué)物理年在超導(dǎo)材料的探索中又有新的突破，美國(guó)休斯頓大學(xué)物理學(xué)家朱經(jīng)武小組與中國(guó)科學(xué)院物理研究所趙忠賢等人先后宣布制成臨學(xué)家朱經(jīng)武小組與中國(guó)科學(xué)院物理研究所趙忠賢等人先后宣布制成臨界溫度約為界溫度約為90K90K的超導(dǎo)材料的超導(dǎo)材料YBCO

45、YBCO。 19881988年初日本宣布制成臨界溫度達(dá)年初日本宣布制成臨界溫度達(dá)110K110K的的Bi-Sr-Ca-Cu-OBi-Sr-Ca-Cu-O超導(dǎo)體。超導(dǎo)體。至此，人們終于實(shí)現(xiàn)了液氮溫區(qū)超導(dǎo)體的夢(mèng)想，實(shí)現(xiàn)了科學(xué)史上的重至此，人們終于實(shí)現(xiàn)了液氮溫區(qū)超導(dǎo)體的夢(mèng)想，實(shí)現(xiàn)了科學(xué)史上的重大突破。大突破。 20012001年，日本科學(xué)家秋光純發(fā)現(xiàn)了臨界溫度為年，日本科學(xué)家秋光純發(fā)現(xiàn)了臨界溫度為40K40K的超導(dǎo)體：的超導(dǎo)體：MgBMgB2 2。 雖然現(xiàn)有的高溫超導(dǎo)體還必須用液態(tài)氮來(lái)冷卻雖然現(xiàn)有的高溫超導(dǎo)體還必須用液態(tài)氮來(lái)冷卻, 這一發(fā)現(xiàn)仍被認(rèn)作二十世紀(jì)科學(xué)史上這一發(fā)現(xiàn)仍被認(rèn)作二十世紀(jì)科學(xué)史上最偉

46、大的發(fā)現(xiàn)之一最偉大的發(fā)現(xiàn)之一. YBCOBi2223MgB2材材 料料Bi2223Bi2223YBCOYBCOMgBMgB2 2各向異性參數(shù)各向異性參數(shù)50501001005 57 72 23 3超導(dǎo)材料的結(jié)構(gòu)超導(dǎo)材料的結(jié)構(gòu)MgBNagamatsu et al. Nature 410, 63 (2001)MgBMgB2 2超導(dǎo)體是符合電聲子作用超導(dǎo)體是符合電聲子作用 BCSBCS理論的第二理論的第二類超導(dǎo)體類超導(dǎo)體; ;臨界轉(zhuǎn)變溫度臨界轉(zhuǎn)變溫度 T Tc c40 K;40 K;具有雙能隙結(jié)構(gòu)具有雙能隙結(jié)構(gòu); ;早在早在19541954年就已合成年就已合成, ,但是未發(fā)現(xiàn)其超導(dǎo)電性但是未發(fā)現(xiàn)其超

47、導(dǎo)電性. .超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料MgB2MgBMgB2 2超導(dǎo)材料的特點(diǎn)超導(dǎo)材料的特點(diǎn): :有希望部分替代有希望部分替代LTS&HTSLTS&HTSGenerators & MotorsJcE A /cm2B / Tesla1061051041032640FaultCurrent LimitersCablesTrans-formersCurrent leads for magnetsBiSrCaCuOtapes 77KYBa2Cu3O7ribbons 77KSuper-conducting energy storageMgB2 20KDavid Caplin, Commer

48、cial Uses of Magnesium Diboride Superconductor in the Electric Power Industries. Cambridge 12th April 2002超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料MgB212臨界溫度臨界溫度Tc為傳為傳統(tǒng)超導(dǎo)體中最高統(tǒng)超導(dǎo)體中最高Jc、Hc較高較高組成、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)組成、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，密度小，單，密度小，易于加工和制易于加工和制作作3原料容易獲得原料容易獲得且價(jià)格低廉且價(jià)格低廉To be developedBi2223Y123MgB2Nb3Sn高溫氧化物高溫氧化物高溫氧化物高溫氧化物T Tc c 39K 39K T Tc c最低最低超導(dǎo)材

49、料超導(dǎo)材料MgB2Hyper Tech ResearchHyper TechHyper Tech公司公司Ex-situEx-situ法連續(xù)制備線帶材技術(shù)法連續(xù)制備線帶材技術(shù)60 meters, 1.2 mm Mono超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料MgB2tube filling MgB MgB2 2線帶材線帶材PITPIT制備技術(shù)現(xiàn)狀制備技術(shù)現(xiàn)狀+BMga)IN-SITUb)+BMgMgB2EX-SITUwire drawingwire rollingCold Working long lengths of tape超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料MgB2Multifilament Fabrication at HTRMu

50、ltifilament Fabrication at HTRElemental Powders + AdditionsMechanical AlloyingStandard Wire DrawingHeat TreatmentMgB2超導(dǎo)材料的應(yīng)用超導(dǎo)材料的應(yīng)用36 filaments plus Cu, Nb CTFF in Cu - restacked in CuNi18 filaments plus Cu, Nb CTFF in Cu - restacked in CuNi7 filaments, Fe CTFF in Cu- restacked in CuNiStrand Archite

51、ctures54 filaments plus Cu, Nb CTFF in Cu - restacked in CuNi高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用MgB2超導(dǎo)材料的應(yīng)用超導(dǎo)材料的應(yīng)用313233343536373839-6.0 x10-4-4.0 x10-4-2.0 x10-40.0Sintered at 750oC Magnetic susceptibility (a.u.)Temperature(K) 0T 5% CNT(#21) 5T 5% CNT(#22)Superconducting properties of CNT doped wires2345678923456 H

52、a=Processing FieldH =Measuring FieldlgJc (A/cm2)Applied Magnetic Field ( T )(HHa) (H/Ha) 5T CNT doped MgB2 0T CNT doped MgB2上海大學(xué)在上海大學(xué)在MgB2超導(dǎo)材料研究方面的進(jìn)展超導(dǎo)材料研究方面的進(jìn)展應(yīng)用強(qiáng)磁場(chǎng)技術(shù)應(yīng)用強(qiáng)磁場(chǎng)技術(shù)JcJc( (H H) for MgB) for MgB2 2 wires wires 102103104105106H Haa20K5K Jc (A/cm2) 10 T MgB2 10 T Cnt-MgB2 10 T SiC-MgB20 2 4 6

53、8 Field (T)上海大學(xué)在上海大學(xué)在MgB2超導(dǎo)材料研究方面的進(jìn)展超導(dǎo)材料研究方面的進(jìn)展應(yīng)用強(qiáng)磁場(chǎng)技術(shù)應(yīng)用強(qiáng)磁場(chǎng)技術(shù)導(dǎo)帶是導(dǎo)帶是電子電子,摻摻入雜質(zhì)提供導(dǎo)帶入雜質(zhì)提供導(dǎo)帶電子電子電聲子作用使電聲子作用使電子局域配對(duì)電子局域配對(duì)1991 A3C60的超導(dǎo)電性的超導(dǎo)電性超導(dǎo)材料的結(jié)構(gòu)超導(dǎo)材料的結(jié)構(gòu)第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的有機(jī)超第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的有機(jī)超導(dǎo)體是導(dǎo)體是(TMTSF)2PF6，盡管這種有機(jī)鹽的超導(dǎo)盡管這種有機(jī)鹽的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度只有轉(zhuǎn)變溫度只有0.9K，但，但是，它的發(fā)現(xiàn)預(yù)示了一是，它的發(fā)現(xiàn)預(yù)示了一個(gè)新的超導(dǎo)電性研究領(lǐng)個(gè)新的超導(dǎo)電性研究領(lǐng)域的出現(xiàn)。域的出現(xiàn)。超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料其他類型超導(dǎo)體其他類型超導(dǎo)體

54、有機(jī)超導(dǎo)體有機(jī)超導(dǎo)體有機(jī)超導(dǎo)體具有低維特性、低電子密度和異有機(jī)超導(dǎo)體具有低維特性、低電子密度和異常的頻率關(guān)系，已引起了眾多科學(xué)家的注意。常的頻率關(guān)系，已引起了眾多科學(xué)家的注意。(TMTSF)2PF6（）大電流應(yīng)用（強(qiáng)電應(yīng)用）：（）大電流應(yīng)用（強(qiáng)電應(yīng)用）： 超導(dǎo)發(fā)電、輸電和儲(chǔ)能等超導(dǎo)發(fā)電、輸電和儲(chǔ)能等（）電子學(xué)應(yīng)用（弱電應(yīng)用）：（）電子學(xué)應(yīng)用（弱電應(yīng)用）：超導(dǎo)計(jì)算機(jī)、超導(dǎo)天線、超導(dǎo)微波器件等超導(dǎo)計(jì)算機(jī)、超導(dǎo)天線、超導(dǎo)微波器件等（）抗磁性應(yīng)用：（）抗磁性應(yīng)用：磁懸浮列車和熱核聚變反應(yīng)堆等磁懸浮列車和熱核聚變反應(yīng)堆等超導(dǎo)材料的應(yīng)用超導(dǎo)材料的應(yīng)用高高溫溫超超導(dǎo)導(dǎo)材材料料的的用用途途最早出售的超導(dǎo)線材是

55、最早出售的超導(dǎo)線材是Nb-Zr系，用于制造超系，用于制造超導(dǎo)磁體。導(dǎo)磁體。Nb-Zr合金具有低磁場(chǎng)高電流的特點(diǎn)。合金具有低磁場(chǎng)高電流的特點(diǎn)。1965年后被加工性能好、臨界磁場(chǎng)高、成本低的年后被加工性能好、臨界磁場(chǎng)高、成本低的Nb-Ti所取代。所取代。目前目前Nb-Ti系合金實(shí)用的線材使用最廣，系合金實(shí)用的線材使用最廣，Nb-Zr-Ti，Nb-Ti-Ta，Nb-Ti-Zr-Ta用于磁流體發(fā)用于磁流體發(fā)電機(jī)大型磁體。電機(jī)大型磁體。 超導(dǎo)材料的應(yīng)用超導(dǎo)材料的應(yīng)用Nb3 Sn 和和 V3 Ga 是最先引起人們的注意的是最先引起人們的注意的化合物超導(dǎo)體，其次是化合物超導(dǎo)體，其次是Nb3 Ga、Nb3 A

56、l、Nb3 (Al Ga)。實(shí)際能夠?qū)嵱玫闹挥袑?shí)際能夠?qū)嵱玫闹挥蠳b3 Sn和和V3 Ga兩種。兩種。其它的化合物因難于加工線材還不能實(shí)用。其它的化合物因難于加工線材還不能實(shí)用。 超導(dǎo)材料的應(yīng)用超導(dǎo)材料的應(yīng)用 商業(yè)化生產(chǎn)商業(yè)化生產(chǎn): : B2223 / Ag B2223 / Ag 帶材帶材 第一代高溫超導(dǎo)材料第一代高溫超導(dǎo)材料 大規(guī)?；芯看笠?guī)?；芯? : YBCO YBCO 涂層導(dǎo)體涂層導(dǎo)體第二代高溫超導(dǎo)材料第二代高溫超導(dǎo)材料 成材研究成材研究: : MgBMgB2 2超導(dǎo)材料的應(yīng)用超導(dǎo)材料的應(yīng)用國(guó)外國(guó)外HTS電纜電纜 已進(jìn)入全規(guī)模樣機(jī)驗(yàn)證階段已進(jìn)入全規(guī)模樣機(jī)驗(yàn)證階段HTS超導(dǎo)材料的應(yīng)用超

57、導(dǎo)材料的應(yīng)用The 3-phase, 75 meter 10.5kV/1.5kA HTS Power CableHTS電纜在我國(guó)的研發(fā)進(jìn)展電纜在我國(guó)的研發(fā)進(jìn)展9.5M RMB 20032005HTS超導(dǎo)材料的應(yīng)用超導(dǎo)材料的應(yīng)用Insulated cable Envelope300 meter HTS超導(dǎo)材料的應(yīng)用超導(dǎo)材料的應(yīng)用HTS電纜在我國(guó)的研發(fā)進(jìn)展電纜在我國(guó)的研發(fā)進(jìn)展Overview of the CableHTS超導(dǎo)材料的應(yīng)用超導(dǎo)材料的應(yīng)用HTS電纜在我國(guó)的研發(fā)進(jìn)展電纜在我國(guó)的研發(fā)進(jìn)展HTS電纜在我國(guó)的研發(fā)進(jìn)展電纜在我國(guó)的研發(fā)進(jìn)展35M RMB ，20032005HTS超導(dǎo)材料的應(yīng)用超導(dǎo)

58、材料的應(yīng)用 第二節(jié)、電阻材料第二節(jié)、電阻材料 廣義上，凡是利用物質(zhì)的固有電阻特性來(lái)制造廣義上，凡是利用物質(zhì)的固有電阻特性來(lái)制造不同功能元件的材料都稱作不同功能元件的材料都稱作電阻材料電阻材料。調(diào)節(jié)器、電位器、精密儀器儀表用的調(diào)節(jié)器、電位器、精密儀器儀表用的精密電精密電 阻合金阻合金；加熱器用的電阻材料加熱器用的電阻材料;傳感器用的電阻合金；傳感器用的電阻合金；電子工業(yè)用的膜電阻材料。電子工業(yè)用的膜電阻材料。 第二節(jié)、電阻材料第二節(jié)、電阻材料 按用途分類按用途分類在盡可能寬的溫度范圍具有低的電阻溫度系數(shù)在盡可能寬的溫度范圍具有低的電阻溫度系數(shù)TCR，且二次電阻溫度系數(shù)且二次電阻溫度系數(shù)值值要小，

59、電阻值的時(shí)間穩(wěn)定性要小，電阻值的時(shí)間穩(wěn)定性好。好。直流下使用時(shí)要求對(duì)銅熱電勢(shì)要小。直流下使用時(shí)要求對(duì)銅熱電勢(shì)要小。良好的加工工藝性能和力學(xué)性能。良好的加工工藝性能和力學(xué)性能。良好的耐磨性、抗氧化性和包漆性能。良好的耐磨性、抗氧化性和包漆性能?？珊感院茫话阋子诳珊感院?，一般易于(軟軟)釬焊。釬焊。對(duì)通信等方面的微型儀器儀表必須要求高的電阻率，對(duì)通信等方面的微型儀器儀表必須要求高的電阻率，即即0.2 0.2 且電阻值的均勻性要好。且電阻值的均勻性要好。m一一. .精密電阻合金精密電阻合金 電阻材料電阻材料改良型鐵鉻鋁電阻合金改良型鐵鉻鋁電阻合金常常見見的的電電阻阻合合金金鎳銅合金鎳銅合金改良型鎳

60、鉻電阻合金改良型鎳鉻電阻合金貴金屬緊密電阻合金貴金屬緊密電阻合金錳銅合金錳銅合金 電阻材料電阻材料合金名稱合金名稱 成分成分 mm2/m 106，1/ 106，1/ ECuV/允許允許工作溫度工作溫度T，錳銅錳銅BMn3-1286Cu-12Mn-2Ni0.420.48,-3+50.61.0060新錳銅新錳銅67Mn-33Cu1.880-1.0康銅康銅BMn40-1.5Cu-40Ni-1.5Mn0.4920，0.14345500新康銅新康銅82.5Cu-12Mn-1.5Fe0.54,-2+3.10.9銀錳銀錳Ag-7Mn-1.5Sn0.4715德銀德銀BZr15-2065Cu-1.5Ni-20Zn0.55-31.441506