第二章电性功能材料电性功能材料第二章第二章电电性性功能材料功能材料新型功能材料新型功能材料 NewFunctionalMaterials第二章电性功能材料电性功能材料内内 容容 简简 介介导电与超导材料导电与超导材料半导体材料半导体材料电热与电光材料电热与电光材料离子导体和导电高分子材料离子导体和导电高分子材料电阻材料电阻材料介电材料介电材料电性功能材料是指那些具有导电特性的物质电性功能材料是指那些具有导电特性的物质第二章电性功能材料电性功能材料欧姆定律欧姆定律 iE或或Ei1/(为电阻率为电阻率)物质的导电性用物质的导电性用电导率电导率来表征来表征电导率的大小决定了固态物质的导电性能电导率的大小决定了固态物质的导电性能i i为金属中的电为金属中的电流密度，流密度，为金为金属的电导率，属的电导率，E E为施加在金属上为施加在金属上的电场强度。的电场强度。固体的导电性固体的导电性LRS =第二章电性功能材料电性功能材料根据固体在室温根据固体在室温下的电导率下的电导率导电功能材料的分类导电功能材料的分类导体导体( (10106 610108 8S/m)S/m)半导体半导体( (1010-9-910105 5S/m)S/m)绝缘体绝缘体( (1010-20-2010S/m)10S/m)S?10-710-610-510-410-310-210-1100101102103104105106电导率 S/m绝缘体绝缘体半导体半导体导体导体超导体：超导体：第二章电性功能材料电性功能材料金属导电材料、高分子导电材料金属导电材料、高分子导电材料半导体材料半导体材料电阻材料、介电与绝缘体材料电阻材料、介电与绝缘体材料非金属导电材料、超导材料非金属导电材料、超导材料导电功能材料的分类导电功能材料的分类根据材料的根据材料的综合性质、综合性质、功能与作用功能与作用第二章电性功能材料电性功能材料第一节第一节 导电功能材料导电功能材料 金属导电材料金属导电材料 非金属导电材料非金属导电材料 超导材料超导材料第二节第二节 电阻材料电阻材料第三节第三节 半导体材料半导体材料本本 章章 内内 容容 第二章电性功能材料电性功能材料 第一节、导电功能材料第一节、导电功能材料按按导电机理导电机理导电功能材料可分导电功能材料可分为：为：电子导电材料和离子导电电子导电材料和离子导电材料材料两大类。两大类。电子导电材料电子导电材料包括导体、超导包括导体、超导体和半导体。体和半导体。第二章电性功能材料电性功能材料 第一节、导电功能材料第一节、导电功能材料金属导电材料金属导电材料非金属导电材料非金属导电材料超导材料超导材料第二章电性功能材料电性功能材料金属材料的导电性能的解释分别金属材料的导电性能的解释分别采用以下三个理论：采用以下三个理论：一一. .自由电子理论自由电子理论二二. .能带理论能带理论三三. .近代电导理论近代电导理论固体的导电性质固体的导电性质第二章电性功能材料电性功能材料导电材料，是指用以传送电流而导电材料，是指用以传送电流而无或只有很小电能损失的材料。无或只有很小电能损失的材料。金属导电材料金属导电材料布线材料布线材料导电引线材料导电引线材料金属导电材料金属导电材料 第二章电性功能材料电性功能材料高的导电性高的导电性足够的机械强度足够的机械强度不易氧化不易氧化可焊接可焊接易加工易加工不易腐蚀不易腐蚀要求要求 电导率电导率表征表征以以铜、铝及其合金铜、铝及其合金为主，重视材料的阻抗损失为主，重视材料的阻抗损失分分类类 导电引线材料导电引线材料金属导电材料金属导电材料 导导电电引引线线材材料料第二章电性功能材料电性功能材料 常用电解铜的纯度为常用电解铜的纯度为(99.9799.98)wt，含少，含少量金属杂质和氧。量金属杂质和氧。 电导率为电导率为(9899)称为称为半硬铜半硬铜，而电导率为，而电导率为(9698)%称为称为硬铜硬铜。 铜中的杂质将降低电导率，特别是氧，会使产铜中的杂质将降低电导率，特别是氧，会使产品性能大大下降。品性能大大下降。（1）铜）铜 无氧铜无氧铜(OFHCC)具有具有性能稳定性能稳定、抗腐蚀抗腐蚀、延展性延展性好好、抗疲劳抗疲劳、高导电率高导电率的特性。的特性。 一般拉成细丝，用于一般拉成细丝，用于海底同轴电缆的外部软线海底同轴电缆的外部软线、太阳能电池太阳能电池、高温抗氧化电极高温抗氧化电极等。等。金属导电材料金属导电材料导电引线材料导电引线材料第二章电性功能材料电性功能材料（2）铝）铝 铝的纯度为铝的纯度为(99.699.8)wt%，电导率为，电导率为61(仅仅次于次于Ag、Cu、Au)，相对密度只有铜的，相对密度只有铜的1/3。因此。因此它可以代替铜导线制成高压配电线。它可以代替铜导线制成高压配电线。 如如160KV以上用的钢丝增强铝电缆以上用的钢丝增强铝电缆ACSR、合、合金增强导线金增强导线ACAR、全铝合金导线、全铝合金导线AAAC等。等。 国际上通用的硬铝线国际上通用的硬铝线HAl则主要用于则主要用于送、配电线送、配电线，它只能在它只能在90以下连续使用。大容量高压输电导线以下连续使用。大容量高压输电导线要在要在150下连续工作，需用下连续工作，需用含含Zr等耐热铝合金等耐热铝合金TAl；而变电所用的母线则要在；而变电所用的母线则要在200下连续工作，必下连续工作，必须使用须使用超耐热铝合金超耐热铝合金STAl。金属导电材料金属导电材料导电引线材料导电引线材料问题问题：说明电：说明电导率单位的导率单位的意义？意义？第二章电性功能材料电性功能材料主要采用主要采用Au、Ag、Cu、Al等电导率高的材料，有等电导率高的材料，有时也使用时也使用金属粉和石墨粉与非金属材料混合金属粉和石墨粉与非金属材料混合的的复合复合导电材料导电材料，其电阻率通常比强电用材料的电阻率高，其电阻率通常比强电用材料的电阻率高的多，并有的多，并有厚膜和薄膜厚膜和薄膜之分。之分。导体布线材料导体布线材料金属导电材料金属导电材料导电布线材料导电布线材料电子工业用的导体布线材料应具有膜电阻小、电子工业用的导体布线材料应具有膜电阻小、附着力强、可焊性和抗焊熔性好等优点附着力强、可焊性和抗焊熔性好等优点第二章电性功能材料电性功能材料厚膜布线导体厚膜布线导体新型新型的的CuCu等贱等贱金属金属厚膜厚膜导体导体材料价格低廉材料价格低廉膜电阻小膜电阻小可焊性和抗焊熔性好可焊性和抗焊熔性好无离子迁移无离子迁移优点优点缺点缺点工艺要求较高工艺要求较高老化性能尚不如贵金属厚膜导体好老化性能尚不如贵金属厚膜导体好金属导电材料金属导电材料导电布线材料导电布线材料贱金属系：贱金属系：Cu、Ni、Al、Cr等等贵金属系：贵金属系：Au、Ag、Pt、Pd等等第二章电性功能材料电性功能材料特点特点贵贵金金属属厚厚膜膜导导体体制作方法制作方法导体浆料丝网印刷后烧结而成导体浆料丝网印刷后烧结而成膜层致密膜层致密附着力强附着力强可用非活性焊接剂焊接可用非活性焊接剂焊接抗焊熔性均好抗焊熔性均好丝网印刷性能好丝网印刷性能好与多种电阻及介质材料兼容与多种电阻及介质材料兼容金属导电材料金属导电材料导电布线材料导电布线材料第二章电性功能材料电性功能材料要求要求金属导电材料金属导电材料导电布线材料导电布线材料薄膜布线导体薄膜布线导体分为单元膜和复合膜两大类分为单元膜和复合膜两大类具有导电性好、附着力强、具有导电性好、附着力强、化学稳定性高、可焊性和耐化学稳定性高、可焊性和耐焊性均好、成本低等特点。焊性均好、成本低等特点。单元膜单元膜指用单种金属形成的单层薄膜导体，如指用单种金属形成的单层薄膜导体，如Al膜膜良好的导电性，易于成膜，良好的附着性、可焊性、成本低良好的导电性，易于成膜，良好的附着性、可焊性、成本低优点优点薄膜表面的氧化层给锡焊造成困难，与金属形成的薄膜表面的氧化层给锡焊造成困难，与金属形成的脆性金属化合物造成焊点脱开，抗电迁移能力弱。脆性金属化合物造成焊点脱开，抗电迁移能力弱。缺点缺点第二章电性功能材料电性功能材料底层是使顶层导体膜牢固地附着在基片上底层是使顶层导体膜牢固地附着在基片上顶层起导电和焊接作用顶层起导电和焊接作用高温薄膜导体高温薄膜导体贱金属薄膜导体贱金属薄膜导体金属导电材料金属导电材料导电布线材料导电布线材料复合膜复合膜用不同金属膜所构成的多层薄膜用不同金属膜所构成的多层薄膜导体，如导体，如CrAu膜、膜、TiPdAu膜等膜等复合薄膜导体的结构一般包括复合薄膜导体的结构一般包括底层和顶层底层和顶层两部分两部分应用最广应用最广!薄膜导体材料薄膜导体材料的发展方向的发展方向第二章电性功能材料电性功能材料非金属导电材料非金属导电材料 非金属导电材料非金属导电材料介电材料介电材料快离子导电陶瓷快离子导电陶瓷高分子导电材料高分子导电材料第二章电性功能材料电性功能材料非金属导电材料非金属导电材料快离子导体陶瓷材料快离子导体陶瓷材料快离子导体陶瓷材料快离子导体陶瓷材料电导率可以和液体电解质或熔盐相比拟的固态离电导率可以和液体电解质或熔盐相比拟的固态离子导体陶瓷，又称电解质陶瓷。子导体陶瓷，又称电解质陶瓷。 快离子导体的离子电导率可达快离子导体的离子电导率可达10-110-2 S/cm，活化能低至活化能低至0.10.2eV。在已发现的快离子导体。在已发现的快离子导体中，绝大多数是快离子导体陶瓷。中，绝大多数是快离子导体陶瓷。快离子导体快离子导体(离子导电陶瓷离子导电陶瓷)在一定的温度条件下具在一定的温度条件下具有和强电解质液体相似的离子电导特性。许多陶瓷有和强电解质液体相似的离子电导特性。许多陶瓷都是离子晶体，离子晶体电导主要为离子电导。都是离子晶体，离子晶体电导主要为离子电导。第二章电性功能材料电性功能材料常见的快离子导体陶瓷材料常见的快离子导体陶瓷材料非金属导电材料非金属导电材料快离子导体陶瓷材料快离子导体陶瓷材料银、铜的卤族和硫族化合物：金属原银、铜的卤族和硫族化合物：金属原子在化合物中键合位置相对随意；子在化合物中键合位置相对随意；具有具有氧化铝结构的高迁移率单价氧化铝结构的高迁移率单价阳离子氧化物；阳离子氧化物；具有氟化钙具有氟化钙(CaF2)结构的高浓度缺陷结构的高浓度缺陷的氧化物。的氧化物。第二章电性功能材料电性功能材料一些快离子导体导电率和激活能一些快离子导体导电率和激活能材料材料电导率率（-1cm-1）激活能激活能Hd(ev)熵变注注释阳离子阳离子导电-AgI(146555)1(150)0.05 0.15Bcc碘构架三碘构架三维导电CuS(91)0.2(400)0.25 5.75Cu缺陷缺陷氧化氧化铝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交叉隧道的三交叉隧道的三维结构构K2MgxTi6-xO160.02(25)0.22 5.06隧道隧道结构构阴离子阴离子导电ZrO210%Sc2O30.25(1000) 0.65 14.959的的萤石面心立方石面心立方结构构Bi2O325%Y2O30.16(700)0.60 13.80第二章电性功能材料电性功能材料纯的氧化锆是从纯的氧化锆是从ZrSiO4锆矿中以化学方法提取的锆矿中以化学方法提取的具有三种晶体结构：单斜、四方和立方结构具有三种晶体结构：单斜、四方和立方结构 非金属导电材料非金属导电材料快离子导体陶瓷材料快离子导体陶瓷材料 常见快离子导体材料常见快离子导体材料1 1立方稳定的氧化锆立方稳定的氧化锆(CSZ)通过加入低价离子代替部分锆可以把立方晶体结构稳定到室温通过加入低价离子代替部分锆可以把立方晶体结构稳定到室温单斜晶体结构：单斜晶体结构： 1170以下稳定的；以下稳定的；四方晶体结构：四方晶体结构： 1170 -2370稳定；稳定；立方晶体结构：立方晶体结构：2370到熔点到熔点2680是稳定的。是稳定的。第二章电性功能材料电性功能材料低价位元素取代高价位元素低价位元素取代高价位元素: ZrO2(Y2O3)非金属导电材料非金属导电材料快离子导体陶瓷材料快离子导体陶瓷材料 立方立方ZrO2具有萤具有萤石的结构，石的结构，O2-离子排离子排成简单立方。在点阵成简单立方。在点阵的的12处占据着处占据着Zr4+间隙原子。低价阳离间隙原子。低价阳离子置换子置换Zr4+导致导致O2-离离子空位的形成。空位子空位的形成。空位稳定了结构，同样导稳定了结构，同样导致在氧的亚晶格中高致在氧的亚晶格中高的迁移率。的迁移率。第二章电性功能材料电性功能材料非金属导电材料非金属导电材料快离子导体陶瓷材料快离子导体陶瓷材料 稳定氧化锆立方结构的元素稳定氧化锆立方结构的元素:La、Sc、Ir、Mg、Ca、Mn和和In。其主要。其主要条件是离子半径接近条件是离子半径接近Zr4+的离子半径的离子半径(r84pm)。第二章电性功能材料电性功能材料 -氧化铝氧化铝是一类非化学计量、通式为是一类非化学计量、通式为M+2OxA3+2O3(M+=Na+、K+、Li+、Rb+、Ag+、Cu+、Ga+、Tl+、H3O+、NH4+、H+等；等；A3+=A13+、Ga3+、Fe3+)的的化合物化合物(铝酸盐铝酸盐)的的总称总称，其中，其中x可以是可以是5-11之间的各种数值，当之间的各种数值，当x不同时，可有不同结构。不同时，可有不同结构。非金属导电材料非金属导电材料快离子导体陶瓷材料快离子导体陶瓷材料 常见快离子导体材料常见快离子导体材料2 2 -氧化铝氧化铝第二章电性功能材料电性功能材料研究最多的两种结构是研究最多的两种结构是铝酸钠的两种变铝酸钠的两种变体体： -A12O3(Na2O11Al2O3)和和 -A12O3(Na2O5.33Al2O3)。由于由于M+在在结构的堆积面结构的堆积面中扩散，产生中扩散，产生很很高的离子电导高的离子电导，使，使 -氧化铝簇化合物氧化铝簇化合物成为快成为快离子导体中一组重要的材料。离子导体中一组重要的材料。非金属导电材料非金属导电材料快离子导体陶瓷材料快离子导体陶瓷材料 常见快离子导体材料常见快离子导体材料2 2 -氧化铝氧化铝第二章电性功能材料电性功能材料二、导电高分子材料二、导电高分子材料 继继19771977年发现了掺杂型聚乙炔具有类似年发现了掺杂型聚乙炔具有类似金属的电导率之后，开始了对导电高分子材金属的电导率之后，开始了对导电高分子材料的研究。料的研究。 与金属相比，导电高分子材料具有重与金属相比，导电高分子材料具有重量轻、易形成、电阻率可调节、可通过分子量轻、易形成、电阻率可调节、可通过分子设计合成出具有不同特性的导电性等特点。设计合成出具有不同特性的导电性等特点。非金属导电材料非金属导电材料导电高分子材料导电高分子材料第二章电性功能材料电性功能材料通过电子或离子导电使高分子本身结构显示导电性，它通过电子或离子导电使高分子本身结构显示导电性，它包括高分子经掺杂后具有导电功能的聚合物，如聚乙炔。包括高分子经掺杂后具有导电功能的聚合物，如聚乙炔。含具有吊挂结构或整体结构的聚合物离子导电体；线型含具有吊挂结构或整体结构的聚合物离子导电体；线型共扼聚乙炔等共扼聚合物、聚酞菁类金属螯合型聚合物共扼聚乙炔等共扼聚合物、聚酞菁类金属螯合型聚合物和高分子电荷转移络合物等电子导电体。和高分子电荷转移络合物等电子导电体。结构型导电高分子材料多为半导体材料，由于结构特殊，结构型导电高分子材料多为半导体材料，由于结构特殊，制备与提纯困难而极少获得实际应用。制备与提纯困难而极少获得实际应用。非金属导电材料非金属导电材料导电高分子材料导电高分子材料根根据据导导电电原原理理导电导电高分子高分子功能材料的分类功能材料的分类结构型结构型复合型复合型通过一般高分子与各种导电填料分散复合、层积复合，使其表通过一般高分子与各种导电填料分散复合、层积复合，使其表面形成导电膜等方法制成，它是靠填充在其中的导电粒子或纤面形成导电膜等方法制成，它是靠填充在其中的导电粒子或纤维的相互作用紧密接触形成导电通路而导电的。维的相互作用紧密接触形成导电通路而导电的。根据应用又可分为根据应用又可分为导电塑料、导电纤维、导电橡胶、导电粘合导电塑料、导电纤维、导电橡胶、导电粘合剂和导电涂料剂和导电涂料等，它们在防静电、消除静电、电磁屏蔽、微波等，它们在防静电、消除静电、电磁屏蔽、微波吸收、电器元器件中的电极、按键开关、电子照相、记录材料、吸收、电器元器件中的电极、按键开关、电子照相、记录材料、面状发热体、净化室墙壁材料、管道等工业和民用的各个方面面状发热体、净化室墙壁材料、管道等工业和民用的各个方面已经得到了广泛的应用。已经得到了广泛的应用。第二章电性功能材料电性功能材料 1.1.结构型导电高分子材料结构型导电高分子材料 结构型高分子导电材料结构型高分子导电材料中，至今只有聚氮化硫中，至今只有聚氮化硫(SNf(SNfn n) )可算是纯粹的结构型导电高分子材料，其他可算是纯粹的结构型导电高分子材料，其他的许多几乎是用氧化还原、离子化或电化学方法进的许多几乎是用氧化还原、离子化或电化学方法进行掺杂后才具有较高的导电性。行掺杂后才具有较高的导电性。 目前研究较多的是聚乙炔、聚苯胺、聚苯硫醚、目前研究较多的是聚乙炔、聚苯胺、聚苯硫醚、聚噻吩、聚吡咯等。聚噻吩、聚吡咯等。 但是掺杂使得材料的稳定性变差，成膜性降但是掺杂使得材料的稳定性变差，成膜性降低，所以通过分子设计形成稳定性好、易于成低，所以通过分子设计形成稳定性好、易于成形加工的材料。主要有形加工的材料。主要有蓄电池和微波吸收材料蓄电池和微波吸收材料。非金属导电材料非金属导电材料导电高分子材料导电高分子材料第二章电性功能材料电性功能材料uConducting polymer 2000 Nobel Prize in Chemistrypz orbitals perpendicular to the polymer backboneHybridization between pz orbitalsFormations of delocalized p p orbitalElectron conduction Semiconducting & Metallic (doping)nPAPPV 聚乙聚乙烯烯基基吡吡咯咯第二章电性功能材料电性功能材料Burroughes et al.Nature 347, 539 (1990)Cambridge groupTang et al.APL 51, 923 (1987)Kodak group第二章电性功能材料电性功能材料(1)蓄电池蓄电池 最有发展前途的是掺杂聚乙炔和掺杂聚苯硫醚。最有发展前途的是掺杂聚乙炔和掺杂聚苯硫醚。掺杂聚乙炔蓄电池的掺杂聚乙炔蓄电池的优点优点是重量轻、体积小、容是重量轻、体积小、容量大、能量密度高、不需维修、加工简便等，而量大、能量密度高、不需维修、加工简便等，而其其缺点缺点是电极材料和电解液不稳定等。是电极材料和电解液不稳定等。(2)吸波材料吸波材料 作为吸波材料，可以对导电聚合物的厚度、密作为吸波材料，可以对导电聚合物的厚度、密度和导电性进行调整，从而可调整材料的微波反度和导电性进行调整，从而可调整材料的微波反射系数和吸收系数，吸收系数可达射系数和吸收系数，吸收系数可达105cm-1。导电。导电聚合物薄膜重量轻，柔性好，可作为包括飞机在聚合物薄膜重量轻，柔性好，可作为包括飞机在内的任何设备的蒙皮。内的任何设备的蒙皮。非金属导电材料非金属导电材料导电高分子材料导电高分子材料第二章电性功能材料电性功能材料2.2.复合型导电高分子材料复合型导电高分子材料 复合型导电高分子材料是在通用树脂中加入导复合型导电高分子材料是在通用树脂中加入导电性填料、添加剂，采用一定的成形方法而制得的。电性填料、添加剂，采用一定的成形方法而制得的。 通用树脂主要是聚烯烃，如聚丙稀、聚氯乙烯、通用树脂主要是聚烯烃，如聚丙稀、聚氯乙烯、ABSABS以及聚酯类、聚酰胺等。以及聚酯类、聚酰胺等。非金属导电材料非金属导电材料导电高分子材料导电高分子材料添加剂有抗氧剂、固化剂、溶剂、润滑剂等。添加剂有抗氧剂、固化剂、溶剂、润滑剂等。 导电填料有金、银、铜、铝等金属粉，铝纤维、导电填料有金、银、铜、铝等金属粉，铝纤维、黄铜纤维等金属纤维、金属氧化物等。黄铜纤维等金属纤维、金属氧化物等。第二章电性功能材料电性功能材料 影响复合型导电高分子材料导电性能的主要因素：影响复合型导电高分子材料导电性能的主要因素：填料种类、金属形状、树脂种类、填料分散状态以及填料种类、金属形状、树脂种类、填料分散状态以及导电填料的用量。导电填料的用量。 一般为了使电阻率小且稳定，选用硬度大、热变一般为了使电阻率小且稳定，选用硬度大、热变形温度高的树脂，并且在一定的温度范围内提高固形温度高的树脂，并且在一定的温度范围内提高固化温度，延长固化时间。化温度，延长固化时间。 复合型导电高分子材料有导电胶粘剂、导电塑复合型导电高分子材料有导电胶粘剂、导电塑料、导电薄膜、导电涂料等。料、导电薄膜、导电涂料等。非金属导电材料非金属导电材料导电高分子材料导电高分子材料第二章电性功能材料电性功能材料非金属导电材料非金属导电材料导电高分子材料导电高分子材料导电薄膜导电薄膜一般是在普通塑料薄膜上形成导电层的复合一般是在普通塑料薄膜上形成导电层的复合材料，具有透明性和可挠性、重量轻、易加工等优点，材料，具有透明性和可挠性、重量轻、易加工等优点，可作为电气零件、电子照相、电磁屏蔽等。可作为电气零件、电子照相、电磁屏蔽等。导电塑料导电塑料包括以聚烯烃或其共聚物为基础，加入导包括以聚烯烃或其共聚物为基础，加入导电填料与抗氧剂及润滑剂等后经混炼加工而成，和电填料与抗氧剂及润滑剂等后经混炼加工而成，和用于电线、泡沫塑料等的聚烯烃导电塑料以及导电用于电线、泡沫塑料等的聚烯烃导电塑料以及导电尼龙等。尼龙等。导电胶粘剂导电胶粘剂是兼有导电性和粘结性双重性能的胶粘剂，是兼有导电性和粘结性双重性能的胶粘剂，它具有一定的导电性和良好的粘结性能，主要有环氧它具有一定的导电性和良好的粘结性能，主要有环氧树脂、酚醛树脂导电胶和某些粘结性能较好的热塑性树脂、酚醛树脂导电胶和某些粘结性能较好的热塑性树脂导电胶等。树脂导电胶等。第二章电性功能材料电性功能材料介电性质介电性质 电容器的极板间充满电介质时的电容与极板间为电容器的极板间充满电介质时的电容与极板间为真空时的电容之比值称为（相对）介电常数。真空时的电容之比值称为（相对）介电常数。 非金属导电材料非金属导电材料介电材料介电材料电介质经常是绝缘体电介质经常是绝缘体：如陶瓷，云母，玻璃，塑料和各种金属氧化物等。如陶瓷，云母，玻璃，塑料和各种金属氧化物等。电介质有使空间比起实际尺寸变得更大或更小的电介质有使空间比起实际尺寸变得更大或更小的属性。例如，当一个电介质材料放在两个电荷之属性。例如，当一个电介质材料放在两个电荷之间，它会减少作用在它们之间的力，就像它们被间，它会减少作用在它们之间的力，就像它们被移远了一样。当电磁波穿过电介质，波的速度被移远了一样。当电磁波穿过电介质，波的速度被减小，使得它的行为象它有更短的波长一样。减小，使得它的行为象它有更短的波长一样。第二章电性功能材料电性功能材料介电陶瓷介电陶瓷 衡量介电材料的最主要的参数是介电常衡量介电材料的最主要的参数是介电常数数和损耗角和损耗角。非金属导电材料非金属导电材料介电陶瓷介电陶瓷介电陶瓷是最主要的介电材料，它在电容器、介电陶瓷是最主要的介电材料，它在电容器、红外探测器、空气和水的声音探测器等方面红外探测器、空气和水的声音探测器等方面有广泛的应用。有广泛的应用。介电材料的一个非常有用的性质就是它所含介电材料的一个非常有用的性质就是它所含有的电子、离子或是分子会因外加电场的介有的电子、离子或是分子会因外加电场的介入而极化，从而改变器件的电特性。入而极化，从而改变器件的电特性。第二章电性功能材料电性功能材料(a)(a)第一类介电陶第一类介电陶瓷材料为具有低介瓷材料为具有低介电常数和中等介电电常数和中等介电常数的陶瓷材料，常数的陶瓷材料，其损耗因子小于其损耗因子小于0.0030.003，中等介电，中等介电常数的变化范围为常数的变化范围为1515500500，其稳态，其稳态介电常数的温度系介电常数的温度系数是数是+100+100- -2000MK2000MK-1-1。(b)(b)第二类介电陶瓷材料第二类介电陶瓷材料是以铁电材料为主的高是以铁电材料为主的高介电常数的陶瓷材料，介电常数的陶瓷材料，介电常数的变化范围为介电常数的变化范围为200020002000020000，而且性能，而且性能随温度、频率、场强的随温度、频率、场强的变化程度比第一类介电变化程度比第一类介电陶瓷大。其损耗因子一陶瓷大。其损耗因子一般低于般低于0.030.03。这类材料。这类材料的主要优点是具有高的的主要优点是具有高的体积因子。体积因子。(c)(c)第三类介电陶第三类介电陶瓷材料的特点为组瓷材料的特点为组织中含有导电相。织中含有导电相。这种性质可以降低这种性质可以降低电容器中介电材料电容器中介电材料的厚度至少一个数的厚度至少一个数量级。它的其他特量级。它的其他特性与第二类相同。性与第二类相同。非金属导电材料非金属导电材料介电陶瓷介电陶瓷介电陶瓷材料有许多优越性能，其相对介电常数变化范围很大，介电陶瓷材料有许多优越性能，其相对介电常数变化范围很大，可以从滑石的可以从滑石的6到复合铁电材料的到复合铁电材料的20000。按照介电材料的介。按照介电材料的介电常数变化范围，可以分为以下三类：电常数变化范围，可以分为以下三类：第二章电性功能材料电性功能材料(3)(3)介电陶瓷材料的实际应用介电陶瓷材料的实际应用主要应用在制造陶瓷电容器和微波介质元件方面主要应用在制造陶瓷电容器和微波介质元件方面(a)(a)温度补偿电容器介电陶瓷温度补偿电容器介电陶瓷: :主要用于高频振荡主要用于高频振荡电路中作为补偿电容介质。电路中作为补偿电容介质。(b)(b)微波介质陶瓷微波介质陶瓷: :主要用于制作微波电路元件，主要用于制作微波电路元件，如如MgOMgOSiOSiO2 2系陶瓷、系陶瓷、 MgO MgOCaOCaOTiOTiO2 2系陶瓷等。系陶瓷等。(c)(c)高介高压电容器陶瓷：主要有钛酸锶、钛酸钡高介高压电容器陶瓷：主要有钛酸锶、钛酸钡和铌酸铅镁陶瓷。应用在电视机、雷达高压电路、和铌酸铅镁陶瓷。应用在电视机、雷达高压电路、断路器等方面。断路器等方面。非金属导电材料非金属导电材料介电陶瓷介电陶瓷第二章电性功能材料电性功能材料超导材料超导材料超导的发现超导的发现1911年，荷兰物理学家年，荷兰物理学家昂尼斯昂尼斯为检验为检验金属金属电阻与温度之间的关系的理论公式电阻与温度之间的关系的理论公式的正确性，的正确性，就用就用水银水银作试验。作试验。将水银冷却到将水银冷却到-40时，亮晶晶的液体水时，亮晶晶的液体水银变成了固体；然后，他把水银拉成细丝，并银变成了固体；然后，他把水银拉成细丝，并继续降低温度，同时测量不同温度下固体水银继续降低温度，同时测量不同温度下固体水银的电阻，当温度降低到的电阻，当温度降低到4K时时，水银的，水银的电阻突电阻突然变成了零然变成了零。超导现象超导现象第二章电性功能材料电性功能材料ZeroResistance -NoPowerLossMeissnerEffect -ActasMagnetCriticalProperties-Tc Jc,HcJosephsonEffects-ElectronTunnelling超导材料超导材料具有超导特性的材料称为超导材料具有超导特性的材料称为超导材料第二章电性功能材料电性功能材料超导材料的基本特性超导材料的基本特性1零电阻效应零电阻效应当温度当温度T T下降至下降至某一数值某一数值某一数值某一数值以下时，超导以下时，超导体的电阻突然变为零，这就称为超导体的电阻突然变为零，这就称为超导体的体的零电阻效应零电阻效应零电阻效应零电阻效应，也称为，也称为超导电性超导电性超导电性超导电性。汞在液氦温度附近电阻的变化行为汞在液氦温度附近电阻的变化行为电阻电阻超导临界温度超导临界温度Tc虽然与样虽然与样品纯度无关品纯度无关,但是越均匀纯但是越均匀纯净的样品超导转变时的净的样品超导转变时的电电电电阻陡降阻陡降阻陡降阻陡降越尖锐。越尖锐。第二章电性功能材料电性功能材料即便是原来处在磁场中即便是原来处在磁场中的的正常态正常态正常态正常态样品，当温度样品，当温度下降使它变成下降使它变成超导体超导体超导体超导体时，时，也会把原来在体内的磁也会把原来在体内的磁场完全排出去，即场完全排出去，即超导超导超导超导体具有完全抗磁性体具有完全抗磁性体具有完全抗磁性体具有完全抗磁性。超导材料的基本特性超导材料的基本特性2超导体的完全抗磁性（迈斯纳效应）超导体的完全抗磁性（迈斯纳效应）迈斯纳效应迈斯纳效应和和零电阻性质零电阻性质是是超导态的超导态的两个独立的基本属两个独立的基本属两个独立的基本属两个独立的基本属性性性性，衡量一种材料是否具有，衡量一种材料是否具有超导电性必须看是否超导电性必须看是否同时具同时具同时具同时具有有有有零电阻零电阻和和迈斯纳效应迈斯纳效应。指超导体处于外界磁场中，指超导体处于外界磁场中，磁力线磁力线磁力线磁力线无法穿透，超导体内无法穿透，超导体内的的磁通量磁通量磁通量磁通量为零。为零。磁悬浮现象磁悬浮现象磁悬浮列车磁悬浮列车应用应用第二章电性功能材料电性功能材料超导电性的超导电性的T-I-H临界面临界面3超导体的三个特征值超导体的三个特征值临界临界临界临界温度（温度（温度（温度（TcTc）、）、临界电临界电临界电临界电流（流（流（流（IcIcIcIc ）和和临界磁场（临界磁场（临界磁场（临界磁场（HcHcHcHc ）是是“约束约束”超导现象的超导现象的三大临界条件。三大临界条件。超导材料的基本特性超导材料的基本特性常导态转变为超导态、电常导态转变为超导态、电阻突然变为零时的温度阻突然变为零时的温度超导态允许超导态允许的最大电流的最大电流维持超导所维持超导所需的最大磁需的最大磁场强度场强度超导材料只有处在这些临超导材料只有处在这些临界值以下的状态时才显示界值以下的状态时才显示超导性，所以超导性，所以临界值越高临界值越高临界值越高临界值越高，实用性就强，利用价值就实用性就强，利用价值就越高。越高。第二章电性功能材料电性功能材料低温超导体：Low Temperature Superconductors (LTC) 如 V V3 3Si(17.0K), NbSi(17.0K), Nb3 3Sn (18.2K), NbSn (18.2K), Nb3 3Ge (22.2K)Ge (22.2K)高温超导体：High Temperature Superconductors (HTS) 氧化物陶瓷， 如 YBCO, Bi2223中温超导体：Intermediate Temperature Superconductors 金属间化合物，MgB2 超导材料超导材料3超导材料的分类超导材料的分类在元素周期表相应位置的元素中，有的可由在元素周期表相应位置的元素中，有的可由单单单单一元素一元素一元素一元素制成超导材科，但绝大多数超导材料是由多制成超导材科，但绝大多数超导材料是由多种元素构成的种元素构成的合金合金合金合金、化合物化合物化合物化合物或或陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷。第二章电性功能材料电性功能材料超导材料的超导材料的组成元素组成元素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金属、类金属及非金属超导材料超导材料第二章电性功能材料电性功能材料材料材料临界温度界温度Tc/K临界磁界磁场Hc/(A.m-1)材料材料临界温度界温度Tc/K临界磁界磁场Hc/(A.m-1)V5.31.0NbN15.713Pb7.20.8V3Ga16.522Nb9.22.0Nb3Sn18.322Nb-Ti9.312Nb3Al18.932Nb-Zr10.89.1Nb3Ga20.334PbMo6S815.660一些超导材料及一些超导材料及c值值超导材料超导材料第二章电性功能材料电性功能材料提高超导转变温度（提高超导转变温度（Tc）的历史进程）的历史进程1910193019501970199020406080100120140160Transition temperature (K)HgPbNbNbCNbCNbNNbNVV33SiSiNbNb33SnSnNbNb33GeGeLiquid Nitrogen (77K)Liquid Methane LNG (112K)(La, Ba) Cu)(La, Ba) Cu)(La, Ba) Cu)HgBa2Ca2Cu3O9(under pressure)HgBa2Ca2Cu3O9TlBaCaCuOB2223 - Bi2Sr2Ca2Cu3OYBCO - YBa2Cu3O7MgB2 Tl, Hg(138K)超导材料超导材料第二章电性功能材料电性功能材料高温超导材料的发展高温超导材料的发展 二十世纪八十年代是超导电性探索与研究的黄金年代。二十世纪八十年代是超导电性探索与研究的黄金年代。19811981年合年合成了有机超导体，成了有机超导体，19861986年缪勒和柏诺兹发现了一种成分为钡、镧、铜、年缪勒和柏诺兹发现了一种成分为钡、镧、铜、氧的陶瓷性金属氧化物氧的陶瓷性金属氧化物LaBaCuOLaBaCuO4 4，其临界温度约为，其临界温度约为35K35K。由于陶瓷性金。由于陶瓷性金属氧化物一般来说是绝缘物质，因此这个发现意义非常重大，他们获属氧化物一般来说是绝缘物质，因此这个发现意义非常重大，他们获得了得了19871987年的诺贝尔物理学奖。年的诺贝尔物理学奖。 19871987年在超导材料的探索中又有新的突破，美国休斯顿大学物理年在超导材料的探索中又有新的突破，美国休斯顿大学物理学家朱经武小组与中国科学院物理研究所赵忠贤等人先后宣布制成临学家朱经武小组与中国科学院物理研究所赵忠贤等人先后宣布制成临界温度约为界温度约为90K90K的超导材料的超导材料YBCOYBCO。 1988 1988年初日本宣布制成临界温度达年初日本宣布制成临界温度达110K110K的的Bi-Sr-Ca-Cu-OBi-Sr-Ca-Cu-O超导体。超导体。至此，人们终于实现了液氮温区超导体的梦想，实现了科学史上的重至此，人们终于实现了液氮温区超导体的梦想，实现了科学史上的重大突破。大突破。 2001 2001年，日本科学家秋光纯发现了临界温度为年，日本科学家秋光纯发现了临界温度为40K40K的超导体：的超导体：MgBMgB2 2。 虽然现有的高温超导体还必须用液态氮来冷却虽然现有的高温超导体还必须用液态氮来冷却,这一发现仍被认这一发现仍被认作二十世纪科学史上最伟大的发现之一作二十世纪科学史上最伟大的发现之一.第二章电性功能材料电性功能材料YBCOBi2223MgB2材材 料料Bi2223Bi2223YBCOYBCOMgBMgB2 2各向异性参数各向异性参数50501001005 57 72 23 3超导材料的结构超导材料的结构第二章电性功能材料电性功能材料MgBNagamatsu et al. Nature 410, 63 (2001)MgBMgB2 2超导体是符合电声子作用超导体是符合电声子作用 BCS BCS理论的第二类超导体理论的第二类超导体; ;临界转变温度临界转变温度 T Tc c40 K;40 K;具有双能隙结构具有双能隙结构; ;早在早在19541954年就已合成年就已合成, ,但是未发现但是未发现其超导电性其超导电性. .超导材料超导材料MgB2第二章电性功能材料电性功能材料MgBMgB2 2超导材料的超导材料的特点特点: :有希望部有希望部分替代分替代LTS&HTSLTS&HTSGenerators & MotorsJcE A /cm2B / Tesla1061051041032640FaultCurrent LimitersCablesTrans-formersCurrent leads for magnetsBiSrCaCuOtapes 77KYBa2Cu3O7ribbons 77KSuper-conducting energy storageMgB2 20KDavid Caplin, CommercialUsesofMagnesiumDiborideSuperconductorintheElectricPowerIndustries.Cambridge12thApril2002超导材料超导材料MgB2第二章电性功能材料电性功能材料12临界温度临界温度Tc为传为传统超导体中最高统超导体中最高Jc、Hc较高较高组成、结构简单，组成、结构简单，密度小，易于加密度小，易于加工和制作工和制作3原料容易获得且原料容易获得且价格低廉价格低廉To be developedBi2223Y123MgB2Nb3Sn高温氧化物高温氧化物高温氧化物高温氧化物T Tc c 39K 39K T Tc c最低最低超导材料超导材料MgB2第二章电性功能材料电性功能材料Hyper Tech ResearchHyper TechHyper Tech公司公司Ex-situEx-situ法连续制备线带材技术法连续制备线带材技术60 meters, 1.2 mm Mono超导材料超导材料MgB2第二章电性功能材料电性功能材料tube filling MgB MgB2 2线带材线带材PITPIT制备技术现状制备技术现状+BMga)IN-SITUb)+BMgMgB2EX-SITUwire drawingwire rollingColdWorkinglong lengths of tape超导材料超导材料MgB2第二章电性功能材料电性功能材料Multifilament Fabrication at HTRMultifilament Fabrication at HTRElemental Powders + AdditionsMechanical AlloyingStandard Wire DrawingHeat TreatmentMgB2超导材料的应用超导材料的应用第二章电性功能材料电性功能材料36filamentsplusCu,NbCTFFinCu-restackedinCuNi18filamentsplusCu,NbCTFFinCu-restackedinCuNi7filaments,FeCTFFinCu-restackedinCuNiStrandArchitectures54filamentsplusCu,NbCTFFinCu-restackedinCuNi高温超导材料的应用高温超导材料的应用MgB2超导材料的应用超导材料的应用第二章电性功能材料电性功能材料SuperconductingpropertiesofCNTdopedwires上海大学在上海大学在MgB2超导材料研究方面的进展超导材料研究方面的进展应用强磁场技术应用强磁场技术第二章电性功能材料电性功能材料JcJc( (H H) for MgB) for MgB2 2 wires wires0 2 4 6 8 Field (T)上海大学在上海大学在MgB2超导材料研究方面的进展超导材料研究方面的进展应用强磁场技术应用强磁场技术第二章电性功能材料电性功能材料导带导带是是电电子子,掺掺入入杂质杂质提供提供导带导带电电子子电声子作用使电声子作用使电子局域配对电子局域配对1991 A3C60的超导电性的超导电性超导材料的结构超导材料的结构第二章电性功能材料电性功能材料第一个被发现的有机超第一个被发现的有机超导体是导体是(TMTSF)2PF6，尽管这种有机盐的超导尽管这种有机盐的超导转变温度只有转变温度只有0.9K，但，但是，它的发现预示了一是，它的发现预示了一个新的超导电性研究领个新的超导电性研究领域的出现。域的出现。超导材料超导材料其他类型超导体其他类型超导体有机超导体有机超导体有机超导体具有低维特性、低电子密度和异有机超导体具有低维特性、低电子密度和异常的频率关系，已引起了众多科学家的注意。常的频率关系，已引起了众多科学家的注意。(TMTSF)2PF6第二章电性功能材料电性功能材料（）大电流应用（强电应用）：（）大电流应用（强电应用）： 超导发电、输电和储能等超导发电、输电和储能等（）电子学应用（弱电应用）：（）电子学应用（弱电应用）：超导计算机、超导天线、超导微波器件等超导计算机、超导天线、超导微波器件等（）抗磁性应用：（）抗磁性应用：磁悬浮列车和热核聚变反应堆等磁悬浮列车和热核聚变反应堆等超导材料的应用超导材料的应用高高温温超超导导材材料料的的用用途途第二章电性功能材料电性功能材料最早出售的超导线材是最早出售的超导线材是Nb-Zr系，用于制造超系，用于制造超导磁体。导磁体。Nb-Zr合金具有低磁场高电流的特点。合金具有低磁场高电流的特点。1965年后被加工性能好、临界磁场高、成本低的年后被加工性能好、临界磁场高、成本低的Nb-Ti所取代。所取代。目前目前Nb-Ti系合金实用的线材使用最广，系合金实用的线材使用最广，Nb-Zr-Ti，Nb-Ti-Ta，Nb-Ti-Zr-Ta用于磁流体发用于磁流体发电机大型磁体。电机大型磁体。超导材料的应用超导材料的应用第二章电性功能材料电性功能材料Nb3Sn和和V3Ga是最先引起人们的注意的是最先引起人们的注意的化合物超导体，其次是化合物超导体，其次是Nb3Ga、Nb3Al、Nb3(AlGa)。实际能够实用的只有实际能够实用的只有Nb3Sn和和V3Ga两种。两种。其它的化合物因难于加工线材还不能实用。其它的化合物因难于加工线材还不能实用。超导材料的应用超导材料的应用第二章电性功能材料电性功能材料有望大规模应用的几种超导材料有望大规模应用的几种超导材料商业化生产商业化生产: :nB2223 / Ag B2223 / Ag 带材带材 第一代高温超导材料第一代高温超导材料大规模化研究大规模化研究: :nYBCO YBCO 涂层导体涂层导体第二代高温超导材料第二代高温超导材料成材研究成材研究: :nMgBMgB2 2超导材料的应用超导材料的应用第二章电性功能材料电性功能材料国外国外HTS电缆电缆已进入全规模样机验证阶段已进入全规模样机验证阶段HTS超导材料的应用超导材料的应用第二章电性功能材料电性功能材料The 3-phase, 75 meter 10.5kV/1.5kA HTS Power CableHTS电缆在我国的研发进展电缆在我国的研发进展9.5M RMB 20032005HTS超导材料的应用超导材料的应用第二章电性功能材料电性功能材料InsulatedcableEnvelope300meterHTS超导材料的应用超导材料的应用HTS电缆在我国的研发进展电缆在我国的研发进展第二章电性功能材料电性功能材料OverviewoftheCableHTS超导材料的应用超导材料的应用HTS电缆在我国的研发进展电缆在我国的研发进展第二章电性功能材料电性功能材料The3-phase,30meter35kV/2kAThe3-phase,30meter35kV/2kAHTSPowerCableHTSPowerCable，installedatinstalledatPujiSubstationnearKunmingPujiSubstationnearKunmingHTS电缆在我国的研发进展电缆在我国的研发进展35M RMB ，20032005HTS超导材料的应用超导材料的应用第二章电性功能材料电性功能材料 第二节、电阻材料第二节、电阻材料第二章电性功能材料电性功能材料 广义上，凡是利用物质的固有电阻特性来制造广义上，凡是利用物质的固有电阻特性来制造不同功能元件的材料都称作不同功能元件的材料都称作电阻材料电阻材料。调节器、电位器、精密仪器仪表用的调节器、电位器、精密仪器仪表用的精密电精密电 阻合金阻合金；加热器用的电阻材料加热器用的电阻材料;传感器用的电阻合金；传感器用的电阻合金；电子工业用的膜电阻材料。电子工业用的膜电阻材料。 第二节、电阻材料第二节、电阻材料 按用途分类按用途分类第二章电性功能材料电性功能材料在尽可能宽的温度范围具有低的电阻温度系数在尽可能宽的温度范围具有低的电阻温度系数TCR，且二次电阻温度系数，且二次电阻温度系数值值要小，电阻值的时间稳定要小，电阻值的时间稳定性好。性好。直流下使用时要求对铜热电势要小。直流下使用时要求对铜热电势要小。良好的加工工艺性能和力学性能。良好的加工工艺性能和力学性能。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。可焊性好，一般易于可焊性好，一般易于(软软)钎焊。钎焊。对通信等方面的微型仪器仪表必须要求高的电阻率，对通信等方面的微型仪器仪表必须要求高的电阻率，即即0.2 0.2 且电阻值的均匀性要好。且电阻值的均匀性要好。一一. .精密电阻合金精密电阻合金 电阻材料电阻材料第二章电性功能材料电性功能材料改良型铁铬铝电阻合金改良型铁铬铝电阻合金常常见见的的电电阻阻合合金金镍铜合金镍铜合金改良型镍铬电阻合金改良型镍铬电阻合金贵金属紧密电阻合金贵金属紧密电阻合金锰铜合金锰铜合金 电阻材料电阻材料第二章电性功能材料电性功能材料合金名称合金名称成分成分mm2/m106，1/106，1/ECuV/允许允许工作温度工作温度T，锰铜锰铜BMn3-1286Cu-12Mn-2Ni0.420.48,-3+50.61.0060新锰铜新锰铜67Mn-33Cu1.880-1.0康铜康铜BMn40-1.5Cu-40Ni-1.5Mn0.4920，0.14345500新康铜新康铜82.5Cu-12Mn-1.5Fe0.54,-2+3.10.9银锰银锰Ag-7Mn-1.5Sn0.4715德银德银BZr15-2065Cu-1.5Ni-20Zn0.55-31.441506J22(伊文伊文)Ni-20Cr-3Al-2Mn-2Cu-0.3Zr1.332.7-0.050.251506J23(卡玛卡玛)Ni-20Cr-3Al-2Mn-0.5稀土稀土1.373.5-0.060.26150精密电阻合金成分及性能表精密电阻合金成分及性能表t=201+(t-20)+(t-20)2第二章电性功能材料电性功能材料精密合金电阻精密合金电阻精密合金电阻精密合金电阻 一一. .精密电阻合金精密电阻合金 电阻材料电阻材料第二章电性功能材料电性功能材料二二. .电热器用电阻材料电热器用电阻材料作为电热材料应具备以下性能作为电热材料应具备以下性能 电阻材料电阻材料高温下具有良好的抗氧化性及化学稳定高温下具有良好的抗氧化性及化学稳定性；性；具有高的电阻率和低的电阻温度系数；具有高的电阻率和低的电阻温度系数；具有良好的加工工艺性能；具有良好的加工工艺性能；具有足够的高温强度；具有足够的高温强度；价格低廉。价格低廉。第二章电性功能材料电性功能材料二二. .电热器用电阻材料电阻合金电热器用电阻材料电阻合金 电热器用电阻合金按合金基体可分成三类电热器用电阻合金按合金基体可分成三类(1)(1)在较低温度下使用的在较低温度下使用的CuNiCuNi合金如康铜合金；合金如康铜合金；(2)Ni(2)Ni基电热合金，包括基电热合金，包括NiCrNiCr，和，和NiCrFeNiCrFe合金。合金。(3)Fe(3)Fe基电热合金，包括不同基电热合金，包括不同A1A1和和CrCr含量的含量的 FeCrAlFeCrAl合金，其使用温度比合金，其使用温度比NiNi基电热合金高。基电热合金高。 电阻材料电阻材料第二章电性功能材料电性功能材料NiNi基电热合金成分及特点基电热合金成分及特点名称名称化学成份化学成份(%)(%)用途及特点用途及特点最高工作最高工作温度温度()NiCrFeMnNi80Cr20合金合金788020221.502普遍使用的普遍使用的高耐热的合高耐热的合金金11001150Ni70Cr20Fe8合金合金702082高耐热的合高耐热的合金金10501100Ni60Cr15Fe20合金合金60631215202302最易加工、最易加工、价格低廉价格低廉10501100Ni50Cr30Fe15合金合金505230331115 23制造厚带合制造厚带合粗线的高耐粗线的高耐热的合金热的合金12001250 电阻材料电阻材料第二章电性功能材料电性功能材料电热陶瓷材料的特点：电热陶瓷材料的特点：耐高温、成本低、易耐高温、成本低、易于加工成管状和棒状于加工成管状和棒状。 常见的陶瓷材料有：常见的陶瓷材料有：碳化硅碳化硅(SiC)(SiC)、二硅、二硅化钼化钼(MoSi(MoSi2 2) )、铬酸镧、铬酸镧(LaCrO(LaCrO3 3) )和锡氧化物和锡氧化物(SnO(SnO2 2) )等。等。 电阻材料电阻材料二二. .电热器用电阻材料电热陶瓷电热器用电阻材料电热陶瓷烧结烧结SiC自键合自键合SiC硅化石硅化石墨墨温度温度()标称电阻百分率标称电阻百分率碳化硅电阻温度关系曲线碳化硅电阻温度关系曲线第二章电性功能材料电性功能材料三三. .热敏电阻材料热敏电阻材料热敏电阻材料分为热敏电阻材料分为合金合金和和半导体陶瓷半导体陶瓷两类：两类：(1) 热敏电阻合金热敏电阻合金：具有电阻温度系数很大、电阻值：具有电阻温度系数很大、电阻值与温度成线性、电阻值的温度稳定性好等特点，被与温度成线性、电阻值的温度稳定性好等特点，被广泛应用于航天航空器中的大气温度加热器和电褥、广泛应用于航天航空器中的大气温度加热器和电褥、电熨斗等家用电器上。电熨斗等家用电器上。(2)热敏电阻类半导体陶瓷材料热敏电阻类半导体陶瓷材料：有电阻随着温度升：有电阻随着温度升高而增大的正电阻温度系数高而增大的正电阻温度系数PTCR型和电阻随温度型和电阻随温度升高而减小的负电阻温度系数升高而减小的负电阻温度系数NTCR型两种。型两种。 它们属于铁电陶瓷，具有居里温度点它们属于铁电陶瓷，具有居里温度点Tc。 电阻材料电阻材料第二章电性功能材料电性功能材料热敏电子合金化学成分热敏电子合金化学成分合金牌号合金牌号Cr(%)V(%)Ni(%)Co(%)Al(%)Fe(%)Ni50Co10Fe5052 1011 余余Cr20V10Fe1020 1020余余Co80VFe1280余余Ni30Cr18Fe16183032余余Ni90Cr101090 Co85CrAlFe128512余余Ni60Fe5660余余Cr19Ni9Fe1820810.5余余 电阻材料电阻材料第二章电性功能材料电性功能材料四四. .膜电阻材料膜电阻材料 膜电阻材料膜电阻材料包括厚膜电阻材料和薄膜电包括厚膜电阻材料和薄膜电阻材料阻材料膜电阻材料特点是：膜电阻材料特点是：体积小、重量轻、性能体积小、重量轻、性能好、可靠性高、便于混合集成化等。好、可靠性高、便于混合集成化等。 电阻材料电阻材料区别在于成膜工艺方法：区别在于成膜工艺方法：前者用厚膜杂化制前者用厚膜杂化制备，后者用真空镀膜工艺制备。备，后者用真空镀膜工艺制备。第二章电性功能材料电性功能材料(一一)、厚膜电阻材料、厚膜电阻材料 厚膜电阻材料统称为厚膜电阻浆料，一般由厚膜电阻材料统称为厚膜电阻浆料，一般由导体粉导体粉料料、玻璃粉料玻璃粉料和和有机载体有机载体组成。组成。 导体粉料如金属、金属氧化物、金属盐类、合金等，导体粉料如金属、金属氧化物、金属盐类、合金等，要求粒度在要求粒度在0.22.0m范围内，其作用是在电阻浆料范围内，其作用是在电阻浆料经高温烧结后能保证电阻膜体的导电性能。经高温烧结后能保证电阻膜体的导电性能。 玻璃粉料一般采用硼硅铅系玻璃，保证形成的电阻玻璃粉料一般采用硼硅铅系玻璃，保证形成的电阻膜体与基体之间的粘附。膜体与基体之间的粘附。 有机载体作用是把导体粉料和玻璃粉料或其他固体有机载体作用是把导体粉料和玻璃粉料或其他固体粉料混合均匀并分散成膏状浆料，以便达到所要求的粉料混合均匀并分散成膏状浆料，以便达到所要求的丝网印刷性能。丝网印刷性能。 电阻材料电阻材料第二章电性功能材料电性功能材料 厚膜电阻材料厚膜电阻材料被广泛用灭制造电阻网络、阻容功能被广泛用灭制造电阻网络、阻容功能模块、混合集成电路等各种元器件。模块、混合集成电路等各种元器件。 成分成分配比范围配比范围( (重量重量) ) 导体粉料导体粉料 10 10505060609090 玻璃粉料玻璃粉料 90 905050有机载体有机载体溶剂溶剂 80 80959540401010增稠剂及增稠剂及其它其它 20 205 5厚膜电阻浆料各成分配比范围厚膜电阻浆料各成分配比范围 电阻材料电阻材料第二章电性功能材料电性功能材料( (二二).).薄膜电阻材料薄膜电阻材料 薄膜电阻材料分为薄膜电阻材料分为(镍铬系及钽系镍铬系及钽系)金属金属薄膜电阻和金属陶瓷系氧化物薄膜电阻两大薄膜电阻和金属陶瓷系氧化物薄膜电阻两大类。类。 薄膜电阻材料通常采用真空镀膜工艺薄膜电阻材料通常采用真空镀膜工艺(蒸蒸发、溅射等发、溅射等)制成，它相对于块状电阻材料，制成，它相对于块状电阻材料，其电阻率更高、电阻温度系数可以控制得更其电阻率更高、电阻温度系数可以控制得更小，膜层性能与其制作工艺和结构密切相关。小，膜层性能与其制作工艺和结构密切相关。 电阻材料电阻材料第二章电性功能材料电性功能材料 金属薄膜电阻金属薄膜电阻通常是把通常是把CrCr、NiNi、TiTi、PdPd、TaTa、W W等纯金属或它们的合金蒸镀沉积在玻璃或陶瓷基片等纯金属或它们的合金蒸镀沉积在玻璃或陶瓷基片上而成，分为上而成，分为NiNiCrCr系或系或TaTa系，厚度在系，厚度在10nm10nm以下。以下。NiNiCrCr的电阻温度系的电阻温度系数小、稳定性好、噪数小、稳定性好、噪声系数小、制造工艺声系数小、制造工艺简单，特别适合制作简单，特别适合制作中阻值的精密薄膜电中阻值的精密薄膜电阻。阻。TaTa系具有自钝化性、系具有自钝化性、可用阳极法调整阻值、可用阳极法调整阻值、能用同种材料制作薄能用同种材料制作薄膜电阻和电容使二者膜电阻和电容使二者的温度系数互相补偿的温度系数互相补偿等你优点。等你优点。 电阻材料电阻材料第二章电性功能材料电性功能材料电阻材料的发展方向电阻材料的发展方向普遍使用的高精度、高可靠性、在大温度范围普遍使用的高精度、高可靠性、在大温度范围内稳定的高电阻；内稳定的高电阻；数控和数字显示用的高频特性好、电阻温度系数控和数字显示用的高频特性好、电阻温度系数小的膜电阻；数小的膜电阻；宇航、军事、科研等极低温下用的电阻材料；宇航、军事、科研等极低温下用的电阻材料；把电阻材料的发展与电阻元件的制造工艺融为把电阻材料的发展与电阻元件的制造工艺融为一体的技术；一体的技术；非晶态电阻材料。非晶态电阻材料。BACK 电阻材料电阻材料第二章电性功能材料电性功能材料 第三节、半导体材料第三节、半导体材料第二章电性功能材料电性功能材料 晶体中晶体中导电载体导电载体p p型半导体型半导体空穴空穴n n型半导体型半导体电子电子 本征半导体本征半导体中电子和空穴的数目很接近，其行为中电子和空穴的数目很接近，其行为仅仅由固有性质所决定。仅仅由固有性质所决定。杂质与缺陷杂质与缺陷影响影响半导体的性能半导体的性能掺杂掺杂半导体的导电类型及其特性半导体的导电类型及其特性 半导体材料半导体材料第二章电性功能材料电性功能材料 半导体半导体 材料材料元素半导体元素半导体化合物半导体化合物半导体有机物半导体有机物半导体玻璃半导体玻璃半导体非晶半导体非晶半导体半导体陶瓷半导体陶瓷按照按照组成组成 半导体材料半导体材料半导体材料分类半导体材料分类第二章电性功能材料电性功能材料156系列单晶硅系列单晶硅太阳电池组件太阳电池组件 半导体材料半导体材料一一. .元素半导体元素半导体如如B B、C(C(金刚石金刚石) )、SiSi、GeGe、SnSn、P P、AsAs等。但是其等。但是其中有些的性能不稳定，只有中有些的性能不稳定，只有SeSe、GeGe和和SiSi才真正用于半才真正用于半导体器件的制作，导体器件的制作，SiSi和和GeGe成为当前的主要元素半导体。成为当前的主要元素半导体。 实际用的实际用的SiSi、GeGe元素半导体大多数为掺杂后的非元素半导体大多数为掺杂后的非本征半导体，它们通常是掺入少量的本征半导体，它们通常是掺入少量的AA或或AA族元素族元素后变成后变成p p型或型或n n型半导体。型半导体。第二章电性功能材料电性功能材料分子束外延分子束外延 金属有机物金属有机物化学气相沉积化学气相沉积 两种不同掺杂的两种不同掺杂的半导体薄膜交替生长半导体薄膜交替生长两种不同组分的两种不同组分的 薄膜交替生长薄膜交替生长制成周期性制成周期性多层结构多层结构调制掺杂超晶格半导体材料调制掺杂超晶格半导体材料组分超晶格半导体材料组分超晶格半导体材料 常见的常见的超晶格半导体材料超晶格半导体材料有有GaAs掺杂掺杂AlGaAs、InGaAs/GaAs等。等。二二. .化合物半导体化合物半导体化合物半导体比元素半导体的化合物半导体比元素半导体的禁带宽度大禁带宽度大，使其有一些特殊的特性。，使其有一些特殊的特性。 半导体材料半导体材料第二章电性功能材料电性功能材料化合物化合物半导体半导体与光电与光电技术技术化合物半导体化合物半导体主要应用主要应用：光电器件、平面型掺杂势垒光：光电器件、平面型掺杂势垒光探测器、量子阱激光器、调制发光管、电子器件、高探测器、量子阱激光器、调制发光管、电子器件、高电子迁移率晶体管、超晶格雪崩二极管和双势垒器件电子迁移率晶体管、超晶格雪崩二极管和双势垒器件等。等。 半导体材料半导体材料第二章电性功能材料电性功能材料三、有机物及玻璃半导体三、有机物及玻璃半导体 目前对于这类半导体只有不多的液晶材料得到了应用。目前对于这类半导体只有不多的液晶材料得到了应用。 液晶分子的几何形状存在棒状和碟状两类，但只有棒状液晶分子的几何形状存在棒状和碟状两类，但只有棒状的才有应用价值，它可按分子排列方式分为以下三种：的才有应用价值，它可按分子排列方式分为以下三种： 向列型液晶：向列型液晶：分子的取向长程有序，分子重心分布不分子的取向长程有序，分子重心分布不规则。其技术应用价值最高。规则。其技术应用价值最高。胆甾型液晶：胆甾型液晶：分子的取向是连续扭转的，是向列型的一分子的取向是连续扭转的，是向列型的一个特例。个特例。近晶近晶(或层状或层状 )型液晶：型液晶：分子的取向是长程有序的，但分子的取向是长程有序的，但分子的重心形成层状结构。分子的重心形成层状结构。 半导体材料半导体材料第二章电性功能材料电性功能材料半导体材料半导体材料- -有机物及玻璃半导体有机物及玻璃半导体三、有机物及玻璃半导体三、有机物及玻璃半导体 半导体材料半导体材料 向列型液晶态向列型液晶态 胆甾型液晶态胆甾型液晶态层状液晶态层状液晶态第二章电性功能材料电性功能材料 液晶的显示方式液晶的显示方式就在于充就在于充分利用其各向异性的折射率和分利用其各向异性的折射率和反射率随电场的变化，使其所反射率随电场的变化，使其所反射或透射的环境发生变化而反射或透射的环境发生变化而达到显示的目的。达到显示的目的。 液晶显示的优点有：功耗液晶显示的优点有：功耗低、所用电压较低、在明亮环低、所用电压较低、在明亮环境下的对比度和分辨率都很好。境下的对比度和分辨率都很好。但是，其响应速度慢、工作温但是，其响应速度慢、工作温度范围窄，在无光环境中需要度范围窄，在无光环境中需要辅助光源才能显示。辅助光源才能显示。三、有机物及玻璃半导体三、有机物及玻璃半导体 半导体材料半导体材料第二章电性功能材料电性功能材料 四四. .非晶态半导体非晶态半导体 非晶态物质长程无序，短程有序。这使得非晶态物质的非晶态物质长程无序，短程有序。这使得非晶态物质的分析可以使用晶态物质的能带理论。分析可以使用晶态物质的能带理论。 非晶态半导体的直流电导率非晶态半导体的直流电导率 在很宽的温度范围内满在很宽的温度范围内满足以下规律：足以下规律： 式中式中 Ec EA为带尾的宽度。为带尾的宽度。 半导体材料半导体材料第二章电性功能材料电性功能材料 由于非晶态禁带中由于非晶态禁带中局域态能级局域态能级的存在，非晶态半导体的存在，非晶态半导体对杂质的掺入变得不敏感，所以一般用对杂质的掺入变得不敏感，所以一般用辉光放电、射频辉光放电、射频溅射溅射等方法通过等方法通过气相替代式掺杂气相替代式掺杂降低局域态能级密度，降低局域态能级密度，从而在很宽的范围内控制半导体的类型。从而在很宽的范围内控制半导体的类型。 常见的常见的非晶态半导体材料非晶态半导体材料有有-Si-Si、-Ge-Ge、GaAsGaAs、CdSiPCdSiP、SeSe等和等和V V2 2O O5 5-P-P2 2O O5 5系等氧化物玻璃系列系等氧化物玻璃系列。 非晶态半导体主要非晶态半导体主要应用应用于光学半导体器件、光或电于光学半导体器件、光或电存贮器等信息技术中的半导体器件。存贮器等信息技术中的半导体器件。半导体材料半导体材料- -非晶态半导体非晶态半导体第二章电性功能材料电性功能材料五五. .陶瓷半导体陶瓷半导体 半导体陶瓷材料半导体陶瓷材料是指导电性介于导电陶瓷和绝缘介是指导电性介于导电陶瓷和绝缘介质陶瓷之间的陶瓷材料，其电阻率介于质陶瓷之间的陶瓷材料，其电阻率介于10-4107 主要介绍主要介绍SrTiO3等晶界层电容器陶瓷等晶界层电容器陶瓷等。等。 晶界层电容器晶界层电容器是指在高介电系数半导体陶瓷的晶界形是指在高介电系数半导体陶瓷的晶界形成一层薄的电介质绝缘层后所构成的半导体电容器。成一层薄的电介质绝缘层后所构成的半导体电容器。 晶界层电容器的晶界层电容器的主要特点主要特点是介电系数很高，电容温度是介电系数很高，电容温度系数高，比体积电容量高，在高介电系数下色散频率可系数高，比体积电容量高，在高介电系数下色散频率可以达到高频应用的要求；适于制作高频旁路电路中的电以达到高频应用的要求；适于制作高频旁路电路中的电容器。容器。 半导体材料半导体材料第二章电性功能材料电性功能材料 常见的常见的晶界层电容器晶界层电容器是是BaTiO3、SrTiO3及其固及其固熔体，晶粒基体是熔体，晶粒基体是n型半导体。型半导体。 晶界层电容器制备：晶界层电容器制备：一、成型，在氮气中烧成半导体；一、成型，在氮气中烧成半导体；二、涂敷氧化物，在空气中进行二次烧结，形成晶二、涂敷氧化物，在空气中进行二次烧结，形成晶界绝缘层；界绝缘层；三、涂银、烧银、焊引线。三、涂银、烧银、焊引线。 晶界电容器的晶界电容器的主要性能主要性能包括视在相对介电常数包括视在相对介电常数K、介质损耗、绝缘电阻以及参数的温度特性、电压特介质损耗、绝缘电阻以及参数的温度特性、电压特性、频率特性和可靠性。性、频率特性和可靠性。半导体材料半导体材料- -陶瓷半导体陶瓷半导体第二章电性功能材料电性功能材料 视在行对介电系数视在行对介电系数K为：为： 注：注：K Kb b为纯基质材料的相对介电系数；为纯基质材料的相对介电系数； 、 分别为晶界分别为晶界绝缘层和晶粒内部半导体的电导率；绝缘层和晶粒内部半导体的电导率； 、 则为晶界绝缘层和则为晶界绝缘层和晶粒内部半导体区的厚度。晶粒内部半导体区的厚度。SrTiO3的色散率达到的色散率达到108109Hz，广泛用于电视机、磁，广泛用于电视机、磁带录像机、无线电等电子仪器中。带录像机、无线电等电子仪器中。半导体材料半导体材料- -陶瓷半导体陶瓷半导体第二章电性功能材料电性功能材料陶瓷半导体热式质量流量计陶瓷半导体热式质量流量计半导体材料半导体材料- -陶瓷半导体陶瓷半导体本章完第二章电性功能材料电性功能材料非金属导电材料非金属导电材料快离子导体陶瓷材料快离子导体陶瓷材料谈谈通过本章学习到谈谈通过本章学习到了哪些电性功能材料了哪些电性功能材料？本章完5分第二章电性功能材料电性功能材料此课件下载可自行编辑修改，供参考！此课件下载可自行编辑修改，供参考！感谢你的支持，我们会努力做得更好！感谢你的支持，我们会努力做得更好！