材料物理性能-功能材料[1]

1、主講：胡木林2008年03月材料物理性能q 電性材料q 磁性材料q 超導(dǎo)材料q 膨脹材料和彈性材料材料物理性能功能材料 電性材料包括導(dǎo)電材料，電阻材料(精密電阻材料，電阻敏感材料)，電熱材料，熱電材料等。材料物理性能功能材料 導(dǎo)電材料 導(dǎo)電材料是利用金屬及合金優(yōu)良的導(dǎo)電性能來(lái)傳輸電流，輸送電能。導(dǎo)電材料廣泛應(yīng)用于電力工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，有時(shí)它也可包括儀器儀表用導(dǎo)電引線和布線材料，以及電接點(diǎn)材料。 導(dǎo)電材料在性能上的要求為高的電導(dǎo)率，高的力學(xué)性能，良好的抗腐蝕性能、良好的工藝性能(熱冷加工，焊接)并且價(jià)格便宜。純金屬中導(dǎo)電性能好的有銀、銅、金、鋁。材料物理性能功能材料銅及其合金 銅是電工技術(shù)中最常用的

2、導(dǎo)電材料，鋼中雜質(zhì)使電導(dǎo)率下降，冷加上也會(huì)使電導(dǎo)率下降氧對(duì)銅的電導(dǎo)率影響顯著。在保護(hù)氣氛下可以重熔出無(wú)氧銅，其優(yōu)點(diǎn)是塑性高，電導(dǎo)率高。在力學(xué)性能要求高的情況下可使用銅合金，如鈹青銅可用作導(dǎo)電彈簧、電刷、插頭等。鋁及其合金 鋁的電阻為銅的1.55倍，但質(zhì)量只是銅的30，鋁在地殼內(nèi)的資源極其豐富，價(jià)格也較便宜，故以鋁代飼有很大意義。雜質(zhì)使鋁的電導(dǎo)率下降，冷加工對(duì)電阻率影響不大。鋁的缺點(diǎn)是強(qiáng)度太低，不易焊接。若需要提高強(qiáng)度，可使用鋁合金，例如A1Si Mg三元鋁合金既有高強(qiáng)度，而電導(dǎo)率也不太低。材料物理性能功能材料金及其合金 在集成電路中常用金膜或金的臺(tái)金膜，金有很好的導(dǎo)電性，極強(qiáng)的抗蝕能力，但價(jià)格

3、較貴。金系合金也可作電接點(diǎn)材料。銀及其合金 銀具有金屬中的最高電導(dǎo)率，加工性極好，銀合金常作接點(diǎn)材料。材料物理性能功能材料 電阻材料 電阻材料包括精密電阻材料和電阻敏感材料。精密電阻材料一般具有較恒定的高電阻率，電阻率隨溫度的變化小，即電阻溫度系數(shù)小，并且電阻隨時(shí)間的變化小。因此常用作標(biāo)準(zhǔn)電阻器，在儀器儀表及控制系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用。至于電阻敏感材料是指制作通過(guò)電阻的變化來(lái)獲取系統(tǒng)中所需信息的元器件的材料，如應(yīng)變電阻，熱敏電阻，光敏電阻，氣敏電阻等材料。材料物理性能功能材料CuMn系合金 CuMn二元合金的固溶休，在電阻溫度曲線上具有負(fù)電阻溫度系數(shù)，以此為基體制成了各種CuMn系電阻合金。其錳銅

4、合金是最廣泛使用的一種典型電阻合企。其標(biāo)準(zhǔn)成分為：cu86、Mn12和Ni2。加入Ni可降低合金對(duì)銅的熱電勢(shì)，改善電阻溫度系數(shù)并提高耐蝕性能。為了使合金性能更佳還可加入少量Fe和Si。 CuMn系加入少量Ge可使合金電阻增加，加工性能更好。NiCr系合金 NiCr系改良型電阻合金是在NiCr電熱合金的基礎(chǔ)上開發(fā)的一種高電阻，具有更寬的使用溫度電阻溫度系數(shù)更小，耐熱性良好，耐腐蝕性更佳的易于拉絲的電阻材料。但錫焊較困難。其成分為Cr20，Al3，Mnl，F(xiàn)e 2.5，其余為Ni。材料物理性能功能材料貴金屬精密電阻合金 貴金屬合金由于耐腐蝕，抗氧化，接觸電阻小，電阻溫度系數(shù)很小( )，年穩(wěn)定性好，

5、因而受到各國(guó)的重視。這類合金主要有Pt基、Au基、Pd基和Ag基電阻材料。CuNi系合金 Ni和Cu在周期表中位置很近原子半徑相差很小，均有f.c.c結(jié)構(gòu)，故可形成連續(xù)固溶體。其中康銅的成分為cu60，Ni40，康銅的電阻溫度線性比錳鋼好，可以在較寬的溫度范圍內(nèi)使用，其最高使用溫度可達(dá)400 c，而且耐腐蝕性，耐熱性均比錳銅好，但合金對(duì)銅的熱電勢(shì)大，為了進(jìn)一步提高康銅性能，可以加入一些合金元素如Mn、si相Be以提高耐熱性能，并可控制電阻溫度系數(shù)。60.1 10/oC材料物理性能功能材料 FeCrA1系合金 FeCrA1系精密電阻是在電熱合金的基礎(chǔ)上進(jìn)行成分的調(diào)整后獲得的，它可以通過(guò)改變A1和

6、Cr的組成使電阻溫度系數(shù)從正到負(fù)值之間變化，因此可制作出電阻溫度系數(shù)較小的精密電阻合金。但加工性能稍差，焊接性能不好。 以上是一些精密電阻材料，至于電阻敏感材料則種類繁多，例如應(yīng)變電阻材料要求有大的應(yīng)變靈敏系數(shù)，常用Cu基、Ni基，F(xiàn)e基及貴金屬的合金。熱敏電阻材料要求電阻溫度系數(shù)要大，電阻與溫度呈線性，穩(wěn)定性好等，常用Co基Ni基和Fe基合金。而光敏電阻材料常用半導(dǎo)體材料，氣敏電阻材料則用有機(jī)材料。材料物理性能功能材料 電熱材料 電流通過(guò)導(dǎo)體將放出焦耳熱，利用電流熱效應(yīng)的材料就是電熱材料，因此廣泛用作電熱器。對(duì)電熱材料的性能要求是：有高的電阻率和低的電阻溫度系數(shù)，在高溫時(shí)具有良好的抗氧化性，

7、并有長(zhǎng)期的穩(wěn)定性，有足夠的高溫強(qiáng)度，易于拉絲。目前常用的為NiCr系和FeCrAl系合金。材料物理性能功能材料NiCr系合金 NiCr系合金的成分見表1，這類合金隨Cr量的不同，氧化性能也不同，在15Cr以上，性能良好。60.1 10/oC表1 Ni-Cr系電熱合金的成分及特點(diǎn)材料物理性能功能材料FeCrA1系合金 FeCrA1合金的成分見表2，這類合金的耐熱性隨著A1和Cr含量的增加而提高，但同時(shí)增高合金的硬度和脆性，使工藝性能惡化，在高溫使用易產(chǎn)生脆性。 60.1 10/oC表2 FeCrAl系合金的成分及特點(diǎn)材料物理性能功能材料 熱電材料 熱電材料是指利用其熱電性的材料對(duì)金屬熱電材料主要

8、是利用塞貝克效應(yīng)制作熱電偶，因而是重要的測(cè)溫材料之一。而對(duì)半導(dǎo)體熱電材料則可利用塞貝克效應(yīng)。珀耳帖效應(yīng)及湯姆遜效應(yīng)制作熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿霓D(zhuǎn)換器以及反之用電能來(lái)作加熱器和制冷器。材料物理性能功能材料 對(duì)金屬熱電偶材料的性能要求為且有高的熱電勢(shì)及高的熱電勢(shì)溫度系數(shù)，保證高的靈敏度。同時(shí)要求熱電勢(shì)隨溫度的變化是單值的，最好呈線性關(guān)系。具有良好的高溫抗氧化性和抗環(huán)境介質(zhì)的腐蝕性，在使用過(guò)程中穩(wěn)定性好，重復(fù)性好，并容易加工，價(jià)格低廉。完全達(dá)到這些要求比較困難，各種熱電偶材料也各有其優(yōu)缺點(diǎn)，一般根據(jù)使用溫度范圍來(lái)選擇使用熱電偶材料。為了確定兩種材料組成熱電偶后的熱電勢(shì)，技術(shù)上選用鉑作為標(biāo)準(zhǔn)熱電極材料，這是因

9、為鉑的熔點(diǎn)高，抗氧化性強(qiáng)及較好的重復(fù)性。材料物理性能功能材料 較常用的非貴金屬熱電偶材料有鎳鉻一鎳鋁，鎳鉻一鎳硅，鐵一康銅，銅一康銅等。貴金屬熱電偶材料最常使用的有鉑一鉑銠及銥一銥銠等。低于室溫的低溫?zé)犭娕疾牧铣Ｓ勉~一康銅，鐵一鎳鉛，鐵一康銅金鐵一鎳鉻等。表3列出了常用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化熱電極材料的成分和使用溫度范圍，其中使用了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶正、負(fù)熱電極材料的代號(hào)。一般用兩個(gè)字母表示，第一個(gè)字母表示型號(hào)。第二個(gè)字母中的P代表正電極材料，N代表負(fù)電極材料。材料物理性能功能材料 具備強(qiáng)磁性的材料稱為磁性材料。磁性材料具有能量轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)或改變能量狀態(tài)的功能，是重要的功能材料。按矯頑力的大小可將磁性材料分為

10、硬磁、半硬磁、軟磁材料三種。磁性材料廣泛地應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、通訊、自動(dòng)化、音像、電機(jī)、儀器儀表、航空航天、農(nóng)業(yè)、生物與醫(yī)療等技術(shù)領(lǐng)域。它的應(yīng)用已涉及到工、農(nóng)、醫(yī)、現(xiàn)代科技、國(guó)防和人類生活的各個(gè)領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計(jì)1994年全球磁性材料產(chǎn)量約650一750萬(wàn)噸。產(chǎn)值100億美元以上。全球每人每年消耗磁性材料價(jià)值2美元全球磁性材料需求量每年以l0一25速度增長(zhǎng)。新型磁性材料、新技術(shù)和新工藝不斷涌現(xiàn)，是最活躍的材料領(lǐng)域之一。材料物理性能功能材料 金屬軟磁材料材料物理性能功能材料 現(xiàn)有軟磁材料若按磁特性可分為高磁感材料、高導(dǎo)磁材料、高矩形比材料、恒導(dǎo)磁材料、溫度補(bǔ)償材料等；若按材料的成分，可分為電工純鐵、FeSi

11、合金、NiFe合金、FeA1合金(包括FeSiAl合金和FeCo合金等；也可分為晶態(tài)、非晶態(tài)及納米晶軟磁材料等。NiFe系軟磁合金 Ni含量從35至90的NiFe系合金，通過(guò)調(diào)整Ni含量或添加第三或第四組元或采用磁場(chǎng)熱處理、應(yīng)力熱處理或控制晶粒取向和有序度等手段，可將Ni-Fe系合金做成高導(dǎo)磁合金(國(guó)外稱Permalloy)、高起始磁導(dǎo)率合金、高磁感高導(dǎo)磁合金、高矩形比合金、恒導(dǎo)磁(或低Br)合金、高硬度高導(dǎo)磁合金(硬坡莫合金)和熱滋補(bǔ)償合金等。它可在弱、低、中等磁場(chǎng)下工作，在軟磁材料中它占有獨(dú)持的位置。自1913年發(fā)現(xiàn)NiFe系軟磁合金至今近一個(gè)世紀(jì)以來(lái)，已發(fā)展了70多種(成分不同)和300

12、多種牌號(hào)的商品，至今仍得到廣泛的應(yīng)用。材料物理性能功能材料電工純鐵和低碳電工鋼 電工純鐵祁低碳電工鋼是普遍應(yīng)甩的軟傲材抖，主要應(yīng)用于直流電機(jī)和電隘鐵鐵芯、極頭、繼電器鐵芯、永久磁路中導(dǎo)磁體和磁屏蔽、間隙工作電機(jī)和小型電機(jī)等。我國(guó)生產(chǎn)的材料物理性能功能材料FeSi軟磁合金(簡(jiǎn)稱硅鋼或電工鋼)材料物理性能功能材料材料物理性能功能材料FeA1系和FeCo系軟磁合金材料物理性能功能材料 金屬永磁材料 矯頑力大于400Am以上的磁性材料稱為永磁材料。永磁體經(jīng)充磁至技術(shù)飽和并去掉磁場(chǎng)后仍保留較強(qiáng)的磁性，又稱為硬磁或恒磁材料。永磁材料的應(yīng)用主要利用永磁體在氣隙產(chǎn)生足夠強(qiáng)的磁場(chǎng)，利用磁極與磁極的相互作用，磁場(chǎng)

13、對(duì)帶電物體或粒子或載電流導(dǎo)體的相互作用來(lái)做功，或?qū)崿F(xiàn)能量、信息的轉(zhuǎn)換。永磁材料已在通訊、自動(dòng)化、音像、計(jì)算機(jī)、電機(jī)、儀器儀表、石油化工、磁分離、磁生物、磁醫(yī)療與健身器械、玩具等技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。材料物理性能功能材料材料物理性能功能材料 磁致伸縮材料材料物理性能功能材料材料物理性能功能材料材料物理性能功能材料 鐵氧體磁性材料材料物理性能功能材料材料物理性能功能材料材料物理性能功能材料鐵氧體的晶體結(jié)構(gòu)和內(nèi)稟磁特性材料物理性能功能材料鐵氧體體的晶體結(jié)構(gòu)材料物理性能功能材料鐵氧體體的晶體結(jié)構(gòu)和內(nèi)稟磁特性材料物理性能功能材料材料物理性能功能材料 1911年，昂納斯在研究金屬電阻在液氦溫區(qū)的變化規(guī)律

14、時(shí)，首次觀察到超導(dǎo)電性。圖3描述了水銀樣品電阻與溫度的關(guān)系。20世紀(jì)30年代，邁斯納效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)使人們認(rèn)識(shí)到超導(dǎo)電性是一種宏觀尺度上的量子現(xiàn)象。1957年，巴丁、庫(kù)帕和施瑞弗基于電子和聲子的相互作用建立了成功的微觀理論，解釋了超導(dǎo)電性的起源、并對(duì)凝聚態(tài)物理以至整個(gè)物理學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了巨大的影響。50年代末相60年代初，第II類超導(dǎo)體及其約瑟夫森效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，促使超導(dǎo)電性的應(yīng)用開始逐步地成為一門新技術(shù)，即低溫超導(dǎo)電技術(shù)。從60年代到80年代，超導(dǎo)電仕的應(yīng)用已具有一定的規(guī)模和相應(yīng)的工業(yè)部門。由于傳統(tǒng)超導(dǎo)體必須在極低溫度下運(yùn)行，通常用的工作物質(zhì)是液氯，限制了低溫超導(dǎo)電技術(shù)的廣泛應(yīng)用。人們一直在探索能在液氮

15、溫區(qū)甚至能在室溫下工作的高溫超導(dǎo)體。材料物理性能功能材料材料物理性能功能材料材料物理性能功能材料q 功能陶瓷材料q 功能玻璃材料q 半導(dǎo)體材料 材料物理性能功能材料 絕緣陶瓷 電性材料包括導(dǎo)電材料，電阻材料(精密電阻材料，電阻敏感材料)，電熱材料，熱電材料等。材料物理性能功能材料 導(dǎo)電材料 導(dǎo)電材料是利用金屬及合金優(yōu)良的導(dǎo)電性能來(lái)傳輸電流，輸送電能。導(dǎo)電材料廣泛應(yīng)用于電力工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，有時(shí)它也可包括儀器儀表用導(dǎo)電引線和布線材料，以及電接點(diǎn)材料。 導(dǎo)電材料在性能上的要求為高的電導(dǎo)率，高的力學(xué)性能，良好的抗腐蝕性能、良好的工藝性能(熱冷加工，焊接)并且價(jià)格便宜。純金屬中導(dǎo)電性能好的有銀、銅、金、鋁。材料物理性能功能材料 導(dǎo)電材料材料物理性能功能材料 導(dǎo)電