第四章 材料的电学性能(二)ppt课件.ppt

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1、§4-3影响金属导电性的因素晶体点阵的不完整性是引起电子散射的原因,而电阻来源于晶体对自由运动电子的散射,因此电阻具有组织结构敏感性,温度、形变(应力)、合金化、杂质均能影响金属导电性。7/29/20211一、温度的影响金属:温度T↑→ρ↑。原因:T↑对有效电子数和电子平均速度几乎没有影响;但T↑→离子振动加剧,热振动幅度↑,原子无序度↑,周期势场涨落↑→电子运动自由程l↓,散射几率P↑。在熔点以下,金属的电阻率随温度变化的一般规律如右图所示。T>ΘD时,ρ∝T;T<ΘD时,ρ∝T5;T→0时,ρ→ρ’。(理论上T→0,ρ∝T2→0)7/29/20212形成ρ’的原因:点阵畸变造成的残留电阻引

2、起的,电阻率ρ’为一常数。有些金属,如Pb,Sn,Hg等在温度接近绝对零度以上的某一临界温度Tc,ρ→0,这种现象称为超导现象。.金属熔化时,由于原子排列规则性遭到破坏,一般,电阻升高1.5-2倍。.根据金属电阻率-温度曲线可知,在0℃以上至熔化温度之前,在t℃下,电阻率-温度关系可表示为:ρt=ρ0(1+αt)电阻温度系数α=(ρt-ρ0)/ρ0t(℃-1)=(dρ/dt)(1/ρ)(℃-1)7/29/20213二、冷加工和静压力的影响冷加工→晶体点阵畸变,晶体缺陷↑→电场不均匀性↑→对电子的散射↑→ρ↑。通过回复、在结晶可使材料的电阻率恢复到冷加工前的状态。同样,淬火后(高温加热,快速冷却

3、,点缺陷来不及扩散消失),材料的点缺陷浓度上升,导致电阻率上升。7/29/20214在流体静压力(可达1200MPa,12000大气压)作用下,大多数金属的电阻率下降:原因:由于高压作用,导致原子间距发生变化(变小),使金属内部的电子结构、费米能和能带结构发生变化,从而影响导电性。很高的压力甚至可以使某些半导体、绝缘体变为导体。如S,P,Si,Ge,Se,金刚石等。7/29/20215一些半导体和绝缘体转变为导体的压力极限元素P极限/GPaρ/μΩ.cmS40Se12.5Si16Ge12I22500H200P2060±20AgO2070±20金刚石607/29/20216三、合金化对金属导电性

4、的影响纯金属的导电性与其在周期表中的位置有关,这是由于不同的能带结构决定的,而合金的导电性则表现更为复杂。原因是:加入合金元素,导致点阵畸变;组元间相互作用引起有效电子数的变化;能带结构的变化;组织结构的变化。1、一般固溶体的导电性一般规律:形成固溶体时,电阻率升高,导电率下降(即使溶质的电阻率低于溶剂的电阻率也是一样)。在二元合金中,对于由非过渡族元素所形成的连续固溶体,其电阻最大值通常出现在50%原子浓度处。对于铁磁性及强顺磁性金属的固溶体,电阻率最大值可能偏离50%处,对于一个组元为过渡族元素的合金,则电阻率最大值偏向过渡族元素一侧。7/29/202177/29/20218对于低浓度固溶

5、体,其电阻率服从马提森(Matthissen)经验定则(或称为马西森定律),即马西森定律只考虑了点阵畸变的影响,因而只适合于低浓度固溶体,P47图2.13。对于高浓度固溶体,则不适合,P46图2.11~2.12。7/29/202192、有序固溶体的导电性7/29/202110固溶体发生有序化,其电阻率将明显下降。原因:(1)点阵规律性加强,减少对电子的散射,导致电阻率下降;(2)有序化呈现出一定程度的共价结合,使原子间结合加强,有效电子数下降,导致电阻率上升。二者相比(1)的作用大于(2),因而有序化导致电阻率下降。从理论上讲,完全有序化,合金的电阻率将处于组元电阻率的连线上(即图中虚线所示)

6、,但实际上,合金很难实现100%有序化,另外共价键的形成,因而呈现出曲折的形状。7/29/2021113、不均匀固溶体(K状态)的电阻反常正常固溶体K状态1高温淬火后,在加热过程中温度越高电阻越低,超过一定温度后,电阻--温度曲线呈线性变化。高温淬火后,在加热过程中某一温度区间具有反常高的电阻变化,超过一定温度后,才使电阻--温度曲线呈线性变化。2高温淬火样品的电阻率高于退火样品。淬火样品,回火处理电阻率降低。高温淬火样品的电阻率低于退火样品。淬火样品,回火处理电阻率升高。3退火固溶体经冷加工后,电阻率升高。而回火或退火处理将导致电阻率下降。退火固溶体经冷加工后,电阻率反而下降。而回火或退火处

7、理将导致电阻率升高。7/29/202112具有上述电阻反常现象的合金状态称为K状态。如Ni-Cr,Ni-Cu-Zn,Fe-Cr-Al,Fe-Ni-Mo,Ag-Mn,Fe-Al等。反常的原因:由于溶质和溶剂原子的不均匀分布所造成,即在固溶体中存在原子的偏聚区,其成分与固溶体的平均成分不同;或者是固溶体中存在着短程有序区域。上述原子富集区的尺寸约为几个纳米,它与电子波的波长(2nm)相当,故能强烈地散

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