材料的電學性能

1、中國礦業(yè)大學 材料科學與工程學院第二章 材料的電學性能本章內容金屬的導電性合金的導電性與測量半導體的導電性材料的介電性材料的超導電性第二節(jié) 合金的導電性與測量 合金基礎知識 固溶體的導電性 金屬化合物的導電性 多相合金的導電性 金屬與合金導電性的測量1. 什么是合金？兩種或兩種以上兩種或兩種以上的金屬（或金屬與非金屬）熔合熔合（物理變化）而成具有金屬特性金屬特性的物質叫做合金合金。 合金的特點： 熔點低于任一組分的金屬； 硬度大，耐磨損； 導電性低于任一組分的金屬； 具有較強的抗腐蝕性。 由于合金的許多優(yōu)于純金屬的性能，因而在實際應用由于合金的許多優(yōu)于純金屬的性能，因而在實際應用中多使用合金。

2、中多使用合金。合金的分類固溶體金屬間化合物（中間相）多相合金（共熔混合物）無序固溶體有序固溶體不均勻固溶體（K狀態(tài)）置換型間隙型固溶體的最大特點是保持溶劑的晶體結構。固溶體的最大特點是保持溶劑的晶體結構。固溶體：溶質原子在溶劑中任意分布：溶質原子在溶劑中任意分布, ,無規(guī)律性。無規(guī)律性。 ：溶質原子按一定比例有規(guī)律分布在溶劑：溶質原子按一定比例有規(guī)律分布在溶劑晶格的點陣或間隙里。晶格的點陣或間隙里。無序固溶體無序固溶體有序固溶體短程有序固溶體短程 有序固溶體長程有序固溶體長程 有序固溶體偏聚有序固溶體偏聚 中間相（金屬間化合物）中間相是合金組元間發(fā)生相互作用而形成的一種新相,它可以是化合物,也

3、可以是以化合物為基的固溶體(二次固溶體),一般可以用化學分子式來表示,但不一定符合化合價規(guī)律。 中間相中原子的結合方式為金屬鍵與其它結合鍵相混合的方式。它們都具有金屬特性。 中間相如：鋼中Fe3C、鋁銅合金中CuAl、黃銅中CuZn、半導體中GaAs、形狀記憶合金中NiTi和CuZn、核反應堆材料中Zr3Al、儲氫能源材料中LaNi5等。 中間相分類：正常價化合物、電子化合物、原子尺寸有關的化合物(間隙相、間隙化合物、TCP相)。常見合金鐵基合金（如Fe-C合金，即鋼、鑄鐵等）銅基合金（如黃銅、青銅等、白銅等）鈦合金（如鈦鋁合金等）鎂合金（變形鎂合金、鑄造鎂合金）鋁合金（防銹鋁、硬鋁、超硬鋁、

4、鍛鋁等）鋅合金常見的合金加工工藝時效冷加工變形退火回火正火淬火將淬火鋼加熱到低于臨界點的某一溫度保溫一定時間，使淬火組織轉變?yōu)榉€(wěn)定的回火組織，然后以適當的方式冷卻到室溫。將組織偏離平衡狀態(tài)的鋼加熱到適當的溫度，經保溫后隨爐緩慢冷卻下來，以獲得接近平衡狀態(tài)組織。將鋼加熱到一定溫度下，保溫一段時間，使之完全奧氏體化，使珠光體含量增多并細化，從而提高鋼的強度、硬度和韌性。將鋼加熱到臨界溫度以上，保溫后以大于臨界冷卻速度的速度冷卻，使奧氏體轉變?yōu)轳R氏體的熱處理工藝。在室溫或加熱到一定溫度下保溫一段時間以使過飽和固溶體分解的一種熱處理方式。合金的應用領域新型合金儲氫合金形狀記憶合金非晶合金第二節(jié) 合金的

5、導電性 合金基礎知識 固溶體的導電性 金屬化合物的導電性 多相合金的導電性 金屬與合金導電性的測量2. 固溶體的導電性1）無序固溶體的電阻形成固溶體時，導電性能降低。即使是在低導電性的金屬中溶入高導電性的金屬溶質也是如此，但電阻隨成分連續(xù)變化而無突變。對于連續(xù)固溶體，當組元A溶入組元B時，電阻由B組元的電阻值逐漸增大至極大值后再逐漸減小到A組元的電阻。Ag-Cu合金電阻率與成分的關系最大電阻率通常在50 %濃度處原因：u 晶體點陣畸變；u 雜質對理想晶體的局部破壞；u 合金化對能帶結構的影響；u 合金化對彈性常數的影響。CuPd、AgPd和AuPd合金電組率與成分的關系鐵磁性和強順磁性金屬組成

6、的固溶體，不僅電阻的極大值出現(xiàn)在較高濃度處，而且電阻也異常的高。原因：價電子轉移使有效導原因：價電子轉移使有效導電的電子數減小。電的電子數減小。與溫度和組元濃度的關系n低濃度的固溶體中，固溶體電阻率隨溫度變化的斜率與溶質原子的含量無關。固溶體的電阻率溫度系數總是小于純金屬的電阻率溫度系數。n高濃度固溶體和一些低濃度固溶體的電阻率隨溫度的變化，既取決于溫度對溶劑金屬電阻的影響，又取決于溫度對溶質元素所提供的附加電阻的影響。T低濃度固溶體的電阻率：應用：工業(yè)上，電阻合金應用：工業(yè)上，電阻合金2）有序固溶體的電阻 合金有序化后電阻降低 完全有序合金在0 K和純金屬一樣電阻為零， 只有當原子的有序排列

7、遭破壞時才有電阻。固溶體有序化固溶體有序化電子結合比無序態(tài)時強，導電電子數減少晶體的離子勢場更為對稱，電子的散射降低合金電阻降低合金電阻降低T / / cm1無序（淬火態(tài)）2有序（退火態(tài)）Cu3Au合金有序化對電阻率的影響a淬火態(tài)b退火態(tài)Cu-Au合金的電阻原因：合金有序化后，晶體的離子勢場更為對稱，電子散射概率降低。3）不均勻固溶體（K 狀態(tài)）在含有過渡族元素時所形成的不均勻固溶體其電阻會出現(xiàn)反常的變化，表現(xiàn)在三個方面：第一，固溶體經高溫淬火后在加熱過程中的某一溫度區(qū)間具有反常高的電阻率變化，超過一定溫度后才使T呈線性變化。第二，經高溫淬火的電阻率比退火態(tài)的電阻率低，淬火態(tài)經一定溫度回火后，

8、其電阻率增高。第三，退火態(tài)固溶體經冷加工后其電阻率反而下降而在回火(或再結晶退火)后又反常地增加。溶質和溶劑原子在微觀區(qū)域分布不均勻的固溶體。不均勻固溶體的電阻率與溫度的關系示意圖K狀態(tài)最早在Ni80Cr20合金中發(fā)現(xiàn)。固溶體中存在原子的偏聚區(qū)域固溶體中存在著短程有序區(qū)域 無論哪種情況形成的K狀態(tài)，其原子富集區(qū)的尺寸約為幾個納米，它與電子波的波長(2 nm)相當，故能強烈地散射電子而使不均勻固溶體具有高的電阻值。 對某些成分中含有過渡族金屬的合金，盡管金相分析和射線分析的結果認為其組織仍是單相的，但在回火中發(fā)現(xiàn)合金電阻有反常升高，而在冷加工時發(fā)現(xiàn)合金的電阻明顯降低，這種合金組織出現(xiàn)的反常狀態(tài)稱

9、為K狀態(tài)。 淬火態(tài)在隨后的加熱過程中由于原子活動能力加強會促使K狀態(tài)的形成，此時電阻率出現(xiàn)反常升高，但超過一定溫度后，K狀態(tài)成為不穩(wěn)定，將變?yōu)榫鶆蚬倘荏w，導致電阻率下降并按正常規(guī)律變化。 冷塑性變形可以破壞K狀態(tài)使其電阻降低，變形后的加熱使K狀態(tài)恢復，又使電阻升高。Ni0.80Cr0.20合金預先淬火或冷加工后在回火過程中電阻的變化1預先經800淬火2預先冷加工在在400的回火時間的回火時間/ %(a) 400回火(b) 隨后冷加工時電阻率的變化第二節(jié) 合金的導電性 合金基礎知識 固溶體的導電性 金屬化合物的導電性 多相合金的導電性 金屬與合金導電性的測量3. 金屬間化合物的導電性n 金屬化合

10、物的電阻率要比各組元的電阻率高， 若兩組元給出價電子的能力相同，則所形成的 化合物的電阻就低；相反，若兩組元的電離勢 相差較大，則化合物的電阻就大。n 中間相金屬化合物根據是否存在奇異點分為道爾 頓體和別爾多利體兩種。金屬鍵 PK 離子鍵或共價鍵電阻隨成分的變化特征NiSb相FeSb相奇異點的存在與否表示金屬相能否形成有序結構。Mg-Ag系相圖和出現(xiàn)道爾頓體的成分性能圖MgAg相的均質區(qū)中電導率的極大值與化學計算成分相對應。Fe2Ti成分的Laves相電阻率與濃度的關系反常行為4.2 K低溫下接近Fe2Ti化學比的殘余電阻出現(xiàn)極小值。1室溫（4.2 K淬冷后）2室溫（淬冷前）34.2 K超導效

11、應第二節(jié) 合金的導電性 合金基礎知識 固溶體的導電性 金屬化合物的導電性 多相合金的導電性 金屬與合金導電性的測量4. 多相合金的導電性合金的導電性是由組成相的導電性來決定的；當一種相（如夾雜物）的晶粒大小與電子波長同一數量級時，電子在夾雜物上要發(fā)生附加散射導致電阻升高；合金電導率與組元的體積濃度呈線性關系。qp21p、q組元的體積濃度（p + q = 1）n 對處于多相區(qū)每一合金的 電導率可由極限濃度固溶 體的 和 值的連線 找出來。有限溶解度的合金的電導率變化AT / Bn 對于任意合金電阻率總是 處于組元電阻率之間；電導功能材料導電材料電阻材料電接觸材料用來傳導輸送電流的材料，如電線電纜

12、等。Cu、Al及其合金，其電導率高、延展性好、阻抗損失小。繞線電阻：要求精度高，溫度系數小，采用錳銅合金等。電熱合金：要求能耐高溫，采用Ni-Cr合金、Fe-Cr-Al合金等。純金屬材料合金材料復合材料用來減小接觸電阻。廣泛應用于大型電力系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)中。第二節(jié) 合金的導電性 合金基礎知識 固溶體的導電性 金屬化合物的導電性 多相合金的導電性 金屬與合金導電性的測量5. 金屬導電性的測量與分析單（雙）電橋法直流電位差計法電阻分析的應用單電橋法單電橋工作原理示意圖單電橋工作原理示意圖R2標準電阻R3、R4已知可調電阻調節(jié)調節(jié)R2、R3，使通過檢流計，使通過檢流計中的電流值為零，則中

13、的電流值為零，則RxR2R3R4未知臂未知臂比較臂比較臂不能用于低電阻的測量。 測出的Rx實際上并非真正的待測電阻，它包括A、B兩點間的導線電阻和接觸電阻。測量電阻范圍：10 106 雙電橋法能夠測量很小的電阻，調節(jié)R1、 R2 、 R3和R4，令檢流計指零、B、D兩點電位相等雙電橋工作原理示意圖雙電橋工作原理示意圖測量臂比例臂使 R1 = KR3 R2 = KR4432324121RRRRRRRRRRRRRNx4321RRRR21RRRRNx只要使?jié)M足則待測電阻雙電橋法能夠清除接觸電阻和連續(xù)引起的附加電阻的影響。測量范圍：10-6 100 測量精度：0.2 %電位差計法電位差計是用補償法測量

14、電位差(電動勢)的精密儀器。直流電位差計工作原理圖直流電位差計工作原理圖電位差計法測電阻的線路圖電位差計法測電阻的線路圖標準電池待測電動勢電勢差電流電阻RSRX用電位差計法測量電阻時，必須在試樣兩端接以電流和電位引線，電流引線觸點在被測區(qū)段之外，只要接觸穩(wěn)定，其接觸電位差和接觸電阻對測量結果就沒有影響。測量精度比雙電橋法高。電阻分析的應用研究合金的時效測定固溶體的溶解度研究合金的有序 - 無序轉變研究材料的疲勞過程合金時效的基本過程是固溶體內溶質原子的偏聚，形成過渡相和析出穩(wěn)定相。脫溶過程，電阻顯著變化，所以電阻分析是研究合金時效最有效的方法之一。研究合金的時效鋁銅合金的時效：鋁銅合金的時效：

15、將合金固溶淬火，于20下進行低溫時效，發(fā)現(xiàn)隨著時效時間的變化電阻升高。但如時效溫度提高到225 ，則電阻降低。低溫時效電阻升高是由于時效初期溶質原子在鋁的晶體中發(fā)生聚集，形成不均勻的固溶體。高溫時效電阻降低，則是由于從固溶體中析出了CuAl2相。所以從電阻的變化可以說明，鋁合金內部存在著不同的組織狀態(tài)變化。測定固溶體的溶解度電阻分析法是測定狀態(tài)圖中固溶體溶解度曲線的有效方法。純金屬具有較小的電阻率。當純金屬中溶入其它元素而形成固溶體時，固溶體的電阻率隨溶質元素量的增加呈曲線變化而增大。當合金呈兩相機械混合物時，合金的電阻率隨第二組元含量的增多呈直線規(guī)律變化。不同溫度下電阻率隨濃度變化及與不同溫

16、度下電阻率隨濃度變化及與狀態(tài)圖的對應關系狀態(tài)圖的對應關系基本方法基本方法將一系列成分不同的試樣加熱到略低于共晶(或共析)轉變溫度t0，保溫足夠時間，然后淬火得到過飽和固溶體，把淬火的一組組試樣再分別加熱到低于t0的各個溫度，保溫足夠時間使組織達到平衡，然后再淬火下來測出各試樣的電阻率，作出B%關系曲線。找出轉折點所對應的濃度，即為各溫度下B在A中的溶解度。將各溫度下溶解度連成曲線，即可得到固溶體的溶解度曲線pq。合金的有序無序轉變 合金在加熱過程中存在有序無序轉變時，電阻便會發(fā)生明顯的變化。 如將室溫下為有序的Cu3Au合金加熱，當溫度超過臨界溫度時就要從有序轉變?yōu)闊o序，從而引起電阻的升高。 如將Cu3Au淬火使其無序狀態(tài)保持到室溫，當再加熱溫度達300時電阻開始下降，它表示由于熱激活使原子產生了有序化過程。但由于溫度低于臨界溫度，故不能達到全部有序化。 如將合金快冷到