第六讲 金属材料导电性.ppt

第二章 材料的电学性能 顾修全 本章内容 金属的导电性 合金的导电性 半导体的导电性 材料的介电性 材料的超导电性 什么是材料的导电性？ 一些材料在室温下的电阻率 第一节 金属的导电性 晶体的能带理论 金属的导电机制 马基申定则 影响因素 1. 晶体的能带理论 能带理论的基本思想 能带理论的出发点是固体中的电子不再束缚于个别的原子，而是在整个固体内运动，称为共有化电子。 在讨论共有化电子的运动状态时，假定原子实处在平衡位置，而把原子实偏离平衡位置的影响看成微扰。 晶体的能带 电子的填充规则 电子填充在一系列准连续分布的能级上，服从泡利不相容原理，即依次从低向上填充，每一个能级上最多可填充2个电子； 电子的分布服从费米-狄拉克分布： 电子占据几率为1/2的能级位置称为费米能级，它反映了电子的填充水平。 金属、半导体及绝缘体的比较 常用术语 导带：最低的不满带 价带：最高的满带 禁带：价带最高能级与导带最低能级之间的 能量间隙 满带：所有能级全被2N个电子所充满的能带 空带：无电子填充的能带 允带：允许电子能量存在的范围 为什么金属能够导电？ 为什么金属能够导电？ 第一节 金属的导电性 晶体的能带理论 金属的导电机制 马基申定则 影响因素 2. 金属的导电机制 第一节 金属的导电性 晶体的能带理论 金属的导电机制 马基申定则 影响因素 3. 马基申定则 金属中的电导与热导 第一节 金属的导电性 晶体的能带理论 金属的导电机制 马基申定则 影响因素 4. 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 几何尺寸效应的影响 温度对金属电阻的影响 一般规律 过渡族金属和多晶型转变 铁磁金属的电阻-温度关系的反常 一般规律 电阻温度系数 过渡族金属 多晶型转变 铁磁金属的电阻 - 温度关系反常 受力情况的影响 冷加工对金属电阻的影响 晶体缺陷对电阻的影响 热处理对金属电阻的变化 冷加工变形Fe的电阻在退火时的变化 几何尺寸的影响 小结 基本概念 金属导电的物理机制 马基申定则 影响金属电阻的因素 习题 2-1 为什么晶体中的电子不是处于孤立的能级上，而是在准连续的能带上？ 2-2 金属铜线300 K时的电阻率为1.8×10-7 Ω cm，假设铜线的成分为理想纯度，计算800 K时的电阻率。 魏德曼 - 弗兰兹定律 传导方式： 自由电子运动 热阻或电阻的起因：电子 – 电子之间的碰撞 低温下的电阻或热阻：都与电子 – 声子之间的碰撞有关 电导率 热导率 1——理想金属晶体 2——含有杂质的金属 3——含有晶体缺陷的金属 在室温和更高温度 下，非过渡金属的 电阻率： 非过渡族金属的电阻—温度曲线 电子-声子散射 电子-电子散射 电阻温度系数 电阻—温度关系在低温条件下较复杂，室温以上则较简单。 0 ~ T ℃温区的平均温度系数 在温度T 时的真电阻温度系数为 纯金属：　　α≈ 4×10－3 过渡族金属，特别是铁磁性金属α较高 Fe：6×10－3 Co ：6.6×10－3 Ni ：6.2×10－3 过渡族金属的电阻可以认为是由一系列具有不同 温度关系的成分叠加而成。 过渡族金属 的反常往往是由两类载体的不同 电阻与温度关系决定的。 多晶型金属电阻率与温度的关系 线性关系只保持到350 ℃ 850 ~ 900℃出现了多晶型 转变。 空穴导电 线性关系破坏 铁磁金属在居里点θ 附近电阻率温度系数存在 着极大值。 原因：与自发磁化有关 Ni和Pd的 与温度的关系 温度对具有磁性转变金属比电阻和电阻温度系数的影响 拉力的影响 压力的影响 在弹性范围内单向拉伸或扭转应力能提高金属的ρ。 对大多数金属来说，在受压力情况下电阻率降低。 原因：金属在压力作用下，其原子间距缩小，内部缺陷形态、电子 结构、费米面和能带结构以及电子散射机制等都将发生变化。 为负 为正 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Ⅴ族的半金属等。 与压力作用下的相变有关 R/R0 R/R0 p×10-8 Pa p×10-8 Pa 正常元素 反常元素 冷加工变形使纯金属电阻率增加 冷加工变形使一般固溶体电阻增加10-20 %，使 有序固溶体增加100 %甚至更高 对Ni-Cu，Ni-Cu-Zn，Fe-Cr-Al等合金，冷加工 变形则使电阻降低 低温