材料物理：第二章 材料的導(dǎo)電性

材料的導(dǎo)電性目錄1、材料的能帶結(jié)構(gòu)2、金屬中的電阻3、影響導(dǎo)電性的因素1、材料的能帶結(jié)構(gòu)能帶理論可以看成是多原子分子軌道理論的極限情況，由分子軌道的基本原理可以推知，隨著參與組合的原子軌道數(shù)目的增多，能級(jí)間隔減小，能級(jí)過(guò)渡到能帶。對(duì)軌道數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到軌道密度圖（態(tài)密度圖）硅鋁用能帶結(jié)構(gòu)來(lái)理解材料的塑性變形能力材料的所有性能（力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)…）都取決于原子和電子的空間排布：如果外界條件打破了原子排列的平衡狀態(tài)，就會(huì)有位錯(cuò)，晶界，裂紋如果外界條件打破了電子排列的平衡狀態(tài)，就會(huì)導(dǎo)電、發(fā)光、化學(xué)鍵斷裂等現(xiàn)象?！_核物理性能，因?yàn)楹宋锢硇阅?，和中子、質(zhì)子的排列相關(guān)1、材料的能帶結(jié)構(gòu)導(dǎo)電類型材料類型電導(dǎo)率/S·cm-1離子導(dǎo)電離子晶體10-18~10-4固體電解質(zhì)10-3~101強(qiáng)電解質(zhì)10-3~101電子導(dǎo)電金屬101~105半導(dǎo)體10-5~102絕緣體＜10-121、材料的能帶結(jié)構(gòu)電子電導(dǎo)和離子電導(dǎo)1、材料的能帶結(jié)構(gòu)電介質(zhì)溶液中離子電導(dǎo)離子電導(dǎo)的特征是存在電解效應(yīng)。運(yùn)動(dòng)的離子在電極附近發(fā)生電子得失而形成新的物質(zhì)，稱為電解。用此可檢驗(yàn)材料中是否存在離子電導(dǎo)，并且可以判定載流子是正離子還是負(fù)離子。1、材料的能帶結(jié)構(gòu)固體電解質(zhì)中的離子電導(dǎo)離子擴(kuò)散機(jī)制1、材料的能帶結(jié)構(gòu)對(duì)軌道數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到軌道密度圖（態(tài)密度圖）－3π/a－2π/a－π/a0π/a2π/a3π/a1、材料的能帶結(jié)構(gòu)1、材料的能帶結(jié)構(gòu)金屬Na的能帶結(jié)構(gòu)3s2p2s1s當(dāng)外電場(chǎng)ε加上之后，由于K和－K態(tài)電子具有大小相同但方向相反的速度，彼此完全抵消。即滿帶中的電子對(duì)導(dǎo)電沒有貢獻(xiàn)。1、材料的能帶結(jié)構(gòu)金屬Na的能帶結(jié)構(gòu)3s2p2s1s半滿帶中的電子對(duì)導(dǎo)電沒有貢獻(xiàn)。1、材料的能帶結(jié)構(gòu)1、材料的能帶結(jié)構(gòu)2、金屬中的電阻實(shí)際晶體總會(huì)有雜質(zhì)，存在缺陷。傳導(dǎo)電子在輸運(yùn)過(guò)程中的散射：電子—電子(電子散射)電子—聲子(聲子散射)電子與雜質(zhì)原子電子與晶體點(diǎn)陣靜態(tài)缺陷的相互作用基本電阻0K下為零理想金屬的電阻只與電子散射和聲子散射兩種機(jī)制有關(guān)。殘余電阻2、金屬中的電阻聲子的本質(zhì)是晶格振動(dòng)。電子-聲子~與T成正比電子-缺陷~與T無(wú)關(guān)3、影響導(dǎo)電性的因素溫度的影響受力情況的影響冷加工的影響（晶體缺陷的影響）熱處理的影響（晶體缺陷的影響）合金元素晶粒尺寸1）溫度的影響溫度越高，晶格振動(dòng)越劇烈，對(duì)電子的散射加強(qiáng)。溫度以及固溶原子對(duì)導(dǎo)電性的影響1）溫度的影響1）溫度的影響石墨導(dǎo)電金剛石不導(dǎo)電00溫度2）受力情況2）受力情況正常金屬元素反常金屬元素電阻率隨壓力升高而下降，如Fe、Co、Ni、Rh、Pd、Cu、Ag等。電阻率隨壓力升高到一定值后下降，即電阻率有極大值，如堿金屬、堿土金屬、稀土金屬和第Ⅴ族的半金屬等。與壓力作用下的相變有關(guān)2）受力情況應(yīng)力敏感材料的應(yīng)用2）受力情況2）受力情況3）冷加工

冷加工使金屬的電阻率增大。這是由于冷塑性變形使晶體點(diǎn)陣畸變和晶體缺陷增加，特別是空位濃度的增加，造成點(diǎn)陣電場(chǎng)的不均勻而加劇對(duì)電磁波散射的結(jié)果。此外，冷塑性變形使原子間距有所改變，也會(huì)對(duì)電阻率產(chǎn)生一定影響。

4）熱處理5）合金元素5）合金元素1）無(wú)序固溶體的電阻◆固溶體有序化的影響固溶體有序化后，電阻率降低。固溶體有序化后晶體離子勢(shì)場(chǎng)在有序化時(shí)更為對(duì)稱，這就使電子散射幾率大大降低。Cu3Au

合金l一無(wú)序(淬火態(tài))；2一有序(退火態(tài))對(duì)于某些特定的體系，高溫時(shí)，原子振動(dòng)強(qiáng)烈，足以克服各組元之間的交互作用，而形成無(wú)序固溶體。在緩慢降溫過(guò)程中，可以轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蚬倘荏w。5）合金元素a——淬火態(tài)b——退火態(tài)Cu-Au合金的電阻并不是任意濃度的體系都能順利地有序化，因?yàn)橛行蚧Y(jié)構(gòu)有一定成分比例。所以只有特定組分的體系，淬火帶來(lái)的影響才會(huì)特別的明顯。5）合金元素利用合金元素與導(dǎo)電性的關(guān)系可以測(cè)定相圖5）合金元素電線電纜主要特性

1、電性能導(dǎo)電性能：大多數(shù)產(chǎn)品要求有良好的導(dǎo)電性能，個(gè)別產(chǎn)品要求有一定的電阻范圍。2、力學(xué)性能指抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、彎曲性、彈性、柔軟性、耐振動(dòng)性、耐磨性以及耐沖擊性等。例如：露天礦開采設(shè)備用移動(dòng)橡套軟電纜具有優(yōu)良的抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率