第一章金属材料电学性能教材课件.ppt
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- 第一章 金属材料 电学 性能 教材 课件
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1、金属材料显微结构金属材料显微结构与物理性能与物理性能物理性能部分物理性能部分桂林理工大学桂林理工大学 材料科学与工程学院材料科学与工程学院金属材料显微结构与物理性能金属材料显微结构与物理性能v总学时总学时 48金属材料显微结构金属材料显微结构 32物理性能物理性能 16v考试所占比例考试所占比例金属材料显微结构金属材料显微结构 67%物理性能物理性能 33%v成绩构成成绩构成平时成绩平时成绩 30%考试成绩考试成绩 70%教材及参考资料教材及参考资料v教材教材陈騑騢,材料物理性能,机械工业出版社,陈騑騢,材料物理性能,机械工业出版社,2006v参考书参考书吴雪梅,材料物理性能与检测,科学出版社
2、,吴雪梅,材料物理性能与检测,科学出版社,2012宋学孟,金属物理性能分析,机械工业出版社,宋学孟,金属物理性能分析,机械工业出版社,1981刘强,材料物理性能,化学工业出版社,刘强,材料物理性能,化学工业出版社,2009陈登明,材料物理性能及表征,化学工业出版社,陈登明,材料物理性能及表征,化学工业出版社,2013郑冀,材料物理性能,天津大学出版社,郑冀,材料物理性能,天津大学出版社,2008材料技术材料技术信息技术信息技术能源技术能源技术生物技术生物技术先进制造技术先进制造技术航空航天技术航空航天技术环境保护技术等环境保护技术等已经成为影响人类进步的重要技术。其中已经成为影响人类进步的重要
3、技术。其中材料技术材料技术是重中之重的技术。其他任何技术的发展都离不是重中之重的技术。其他任何技术的发展都离不开材料的发展。没有高性能的材料作为基础,现开材料的发展。没有高性能的材料作为基础,现代社会的文明很难再上一层楼!代社会的文明很难再上一层楼!二十一世纪世界各二十一世纪世界各国重点和优先发展国重点和优先发展的技术是什么?的技术是什么?绪论绪论绪论绪论性能性能成分成分结构结构性质性质用途用途金属铁金属铁强度、硬度高强度、硬度高结构件结构件金属铜金属铜导电性能好导电性能好电线、电缆电线、电缆半导体半导体Si半导体特性半导体特性大规模集成电路大规模集成电路铝合金铝合金比强度高比强度高航空航天航
4、空航天AlN等无机等无机压电性压电性超声波元件,滤波器超声波元件,滤波器绪论绪论绪论绪论v材料的性能材料的性能指在给定的外界环境中,材料受到某种作用时,指在给定的外界环境中,材料受到某种作用时,其状态所发生的变化。作用于材料上的作用因素其状态所发生的变化。作用于材料上的作用因素通常可以分为应力、温度、磁场、电场、化学介通常可以分为应力、温度、磁场、电场、化学介质、辐照等。质、辐照等。v材料的物理性能材料的物理性能指材料受到外部作用时,电、磁、光、热、声学指材料受到外部作用时,电、磁、光、热、声学方面的物理状态量、以及一些特殊变化量所发生方面的物理状态量、以及一些特殊变化量所发生的变化。作用因素
5、通常也以这些相应的物理量为的变化。作用因素通常也以这些相应的物理量为主。主。材料性能的划分材料性能的划分n复杂性能复杂性能 复合性能复合性能 工艺性能工艺性能 使用性能使用性能 抗氧化性抗氧化性 耐腐蚀性耐腐蚀性 抗渗入性抗渗入性 强强 度度 延延 性性 韧韧 性性 刚刚 性性 摩擦磨损摩擦磨损 热学性能热学性能 声学性能声学性能 光学性能光学性能 电学性能电学性能 磁学性能磁学性能 辐照性能辐照性能n化学性能化学性能 n物理性能物理性能n力学性能力学性能本课程讲授内容本课程讲授内容第一章、电学性能第一章、电学性能 第二章、磁学性能第二章、磁学性能第三章、光学性能第三章、光学性能第四章、热学性
6、质第四章、热学性质 第五章、弹性与滞弹性第五章、弹性与滞弹性 第一章第一章 电学性能电学性能v主要内容主要内容材料的导电性材料的导电性 影响金属导电性的因素影响金属导电性的因素 电阻分析应用电阻分析应用 第一节第一节 材料的导电性材料的导电性一、电阻率和电导率一、电阻率和电导率欧姆定律:欧姆定律:URIR表示导体的电阻:表示导体的电阻:LRS电导率:电导率:1单位:单位:(m)(-1 m-1,S/m)一些材料室温下的电导率一些材料室温下的电导率材料材料电导率电导率(-1 m-1)材料材料电导率电导率(-1 m-1)Ag6.3 107Ge2.2Cu6.0 107SiC10Au4.3 107Si4
7、.3 10-4Al3.8 107耐火砖耐火砖10-6Zn1.69 107滑石滑石10-12Ni1.38 107云母云母10-11Fe1.02 107尼龙尼龙10-1210-10304 不锈钢不锈钢1.4 106石蜡石蜡10-1570Cu-30Zn1.6 107聚乙烯聚乙烯10-14二、金属导电理论二、金属导电理论量子自由电子理论量子自由电子理论经典自由电子理论经典自由电子理论能带理论能带理论(一)经典自由电子理论(一)经典自由电子理论v经典自由电子理论认为,在金属晶体中,经典自由电子理论认为,在金属晶体中,离子构成了晶离子构成了晶格点阵格点阵,并形成一个均匀电场,并形成一个均匀电场,价电子是完
8、全自由价电子是完全自由的,的,可以在整个金属中自由运动,就像气体分子充满整个容可以在整个金属中自由运动,就像气体分子充满整个容器一样,因此可以把价电子看成器一样,因此可以把价电子看成“电子气电子气”。Ev在自由电子做定向运动过程中,会不断与正离子在自由电子做定向运动过程中,会不断与正离子发生碰撞妨碍电子加速运动,形成电阻发生碰撞妨碍电子加速运动,形成电阻。v从这种认识出发,设电子两次碰撞之间运动的平从这种认识出发,设电子两次碰撞之间运动的平均距离(自由程)为均距离(自由程)为 l,电子平均运动的速度为,电子平均运动的速度为v,单位体积内的自由电子数为单位体积内的自由电子数为 n,则,则电导率电
9、导率为为2222ne lnetmvmvm:电子质量电子质量ve:电子电荷电子电荷v :两次碰撞之间的平均时间两次碰撞之间的平均时间tv经典自由电子理论的不足之处经典自由电子理论的不足之处不能解释二、三价金属的价电子虽然比一价不能解释二、三价金属的价电子虽然比一价金属多,但导电性比一价金属差的原因金属多,但导电性比一价金属差的原因实际测量到的电子平均自由程比经典理论估实际测量到的电子平均自由程比经典理论估计的大很多计的大很多不能解释超导现象的产生不能解释超导现象的产生2222ne lnetmvmv经典自由电子理论的问题根源经典自由电子理论的问题根源1.忽略了电子之间的排斥作用忽略了电子之间的排斥
10、作用2.忽略正离子点阵周期场的作用忽略正离子点阵周期场的作用3.立足于牛顿力学的宏观运动立足于牛顿力学的宏观运动v对于微观粒子的运动问题,需要利用量对于微观粒子的运动问题,需要利用量子力学的概念来解决。子力学的概念来解决。(二)量子自由电子理论(二)量子自由电子理论v相同点:相同点:金属中正离子形成的电场是均匀的,价电子与金属中正离子形成的电场是均匀的,价电子与离子间没有相互作用,且为整个金属所共有,离子间没有相互作用,且为整个金属所共有,可以在整个金属中自由运动。可以在整个金属中自由运动。v不同点:不同点:金属中每个原子的金属中每个原子的内层电子内层电子基本保持着单个原基本保持着单个原子时的
11、能量状态,而所有子时的能量状态,而所有价电子价电子按量子化规律按量子化规律具有不同的能量状态,即具有不同的能量状态,即具有不同的能级具有不同的能级。+11+11v电子具有电子具有波粒二象性波粒二象性,运动着的电子作为物质波,运动着的电子作为物质波(德布罗意波),其波长与电子的运动速率或动(德布罗意波),其波长与电子的运动速率或动量之间的关系为量之间的关系为hhmvp22 mvhvm:电子质量电子质量vv:电子速度电子速度v :波长波长vp:电子动量电子动量vh:普朗克常量普朗克常量212Emv222222288hhEKmm常数常数228hm波数波数2K2228hEKm自由电子的自由电子的E-K
12、曲线曲线v粒子的观点粒子的观点曲线表示自由电子的能曲线表示自由电子的能量与速度(或动量)之量与速度(或动量)之间的关系间的关系v波动的观点波动的观点曲线表示电子的能量和曲线表示电子的能量和波数之间的关系。电子波数之间的关系。电子的波数越大,则能量越的波数越大,则能量越高。高。v费米能费米能EF 0K时电子所具有的最高时电子所具有的最高能态,不同金属的费米能态,不同金属的费米能不同能不同电场对电场对E-K曲线的影响曲线的影响v外加电场的作用外加电场的作用外电场使向着其正端外电场使向着其正端运动的电子能量降低,运动的电子能量降低,反向运动的电子能量反向运动的电子能量升高升高部分能量较高的电子部分能
13、量较高的电子转向电场正向运动的转向电场正向运动的能级,从而使能级,从而使正反向正反向运动的电子数不等运动的电子数不等,使金属导电使金属导电只有处于较高能态的只有处于较高能态的自由电子参与导电自由电子参与导电v电阻的形成电阻的形成电子波在传播过程中被离子点阵散射,然后电子波在传播过程中被离子点阵散射,然后相互干涉而形成电阻。相互干涉而形成电阻。v超导体超导体量子力学证明,当电子波在绝对零度下通过量子力学证明,当电子波在绝对零度下通过一个理想的晶体点阵时,它将不会受到散射一个理想的晶体点阵时,它将不会受到散射而无阻碍地传播,此时的材料是一个理想的而无阻碍地传播,此时的材料是一个理想的导体,即所谓的
14、超导体。导体,即所谓的超导体。v电阻产生的本质电阻产生的本质晶体点阵离子的热振动晶体点阵离子的热振动使电子波受到散射使电子波受到散射晶体中的晶体中的杂质原子、位错和点缺陷杂质原子、位错和点缺陷等使电子等使电子波受到散射波受到散射对电子波产生了阻碍作用,降低了导电性,对电子波产生了阻碍作用,降低了导电性,这就是材料产生电阻的本质所在。这就是材料产生电阻的本质所在。量子量子2221222effeffeffn e ln en etm vmm经典经典2222ne lnetmvmvm*:有效电子质量有效电子质量vneff:有效自由电子数有效自由电子数vv :费米面附近实际参加导费米面附近实际参加导电的电
15、子平均速度电的电子平均速度v :单位时间内散射的次数单位时间内散射的次数(散射系数)(散射系数)J一价金属的一价金属的neff 比二、三价金比二、三价金属多,因此一属多,因此一价金属的导电价金属的导电性好性好马基申定则马基申定则声子散射和电子散射声子散射和电子散射(与温度成正比与温度成正比)T电子在杂质和缺陷上的电子在杂质和缺陷上的散射(散射(与温度无关与温度无关)v马基申定则马基申定则(Matthiessen Rule)总的电阻包括金属的基本电阻(与温度有关)总的电阻包括金属的基本电阻(与温度有关)和杂质浓度引起的电阻(与温度无关)和杂质浓度引起的电阻(与温度无关)()T(三)能带理论(三)
16、能带理论v相同点:相同点:金属中的价电子是公有化的金属中的价电子是公有化的能级是量子化的能级是量子化的v不同点:不同点:金属中由离子点阵所造成的势场不均匀,而呈金属中由离子点阵所造成的势场不均匀,而呈周期变化周期变化能带理论能带理论就是研究金属中的价电子在周期就是研究金属中的价电子在周期势场作用下的能量分布问题势场作用下的能量分布问题v能带的形成能带的形成原子结构理论原子结构理论每个电子都占有一个分立的能每个电子都占有一个分立的能 级。级。泡利不相容原理泡利不相容原理每个能级只能容纳每个能级只能容纳2个电子。个电子。例如,一个原子的例如,一个原子的2s轨道只能有一个能级,可以轨道只能有一个能级
17、,可以容纳容纳2个电子。个电子。2p轨道则有轨道则有3个能级,一共可以容个能级,一共可以容纳纳6个电子。个电子。电子数量增加时能级扩展成能带电子数量增加时能级扩展成能带能带结构中的有关概念能带结构中的有关概念v允带允带电子可以具有的能级所组成的能带电子可以具有的能级所组成的能带v满带满带一个能带中的各能级都被电子填满一个能带中的各能级都被电子填满v空带空带同各个原子的激发能级相对应的能带,在未被激同各个原子的激发能级相对应的能带,在未被激发的正常情况下没有电子填入发的正常情况下没有电子填入能带结构中的有关概念能带结构中的有关概念v价带价带由价电子能级分裂而形成的能带,通常情况下,价带为由价电子
18、能级分裂而形成的能带,通常情况下,价带为能量最高的能带。价带可能被电子填满,成为满带,也能量最高的能带。价带可能被电子填满,成为满带,也可能未被电子填满,形成不满带或半满带可能未被电子填满,形成不满带或半满带v导带导带一些被充满的价带顶部的电子受到激发而进入空带,此一些被充满的价带顶部的电子受到激发而进入空带,此时,价带和空带均表现为不满带,在外加电场的作用下时,价带和空带均表现为不满带,在外加电场的作用下形成电流,对于这样的固体,能带结构中的空带又称为形成电流,对于这样的固体,能带结构中的空带又称为导带导带v禁带(带隙)禁带(带隙)价带与空带之间存在着一段能量间隔,在这个区域永远价带与空带之
19、间存在着一段能量间隔,在这个区域永远不可能有电子,这个能量区域称为禁带或带隙不可能有电子,这个能量区域称为禁带或带隙自由电子模型自由电子模型晶体中电子的晶体中电子的E-K曲线曲线近自由电子模型近自由电子模型充带充带充带充带充带充带禁带禁带禁带禁带空带空带价带价带带隙带隙v导体导体如果价带内的能级未被填满,价带与导带之间没有禁带,如果价带内的能级未被填满,价带与导带之间没有禁带,或者相互重叠,在外电场作用下电子很容易从一个能级或者相互重叠,在外电场作用下电子很容易从一个能级跃迁到另一个高能级去而产生电流跃迁到另一个高能级去而产生电流v绝缘体绝缘体价带是满带,且满带上面相邻的是一个较宽的禁带,由价
20、带是满带,且满带上面相邻的是一个较宽的禁带,由于满带中的电子没有活动的空间,即使禁带上面的能带于满带中的电子没有活动的空间,即使禁带上面的能带完全是空的,在外电场作用下电子也很难跳过禁带完全是空的,在外电场作用下电子也很难跳过禁带v半导体半导体半导体的能带结构与绝缘体类似,所不同的是它的禁带半导体的能带结构与绝缘体类似,所不同的是它的禁带宽度比较窄,电子可以相对容易跃过禁带,如果存在外宽度比较窄,电子可以相对容易跃过禁带,如果存在外界作用(如热、光辐射等),则价带中的电子获得能量界作用(如热、光辐射等),则价带中的电子获得能量就可能跃迁到导带上去,在价带中出现电子留下的空穴,就可能跃迁到导带上
21、去,在价带中出现电子留下的空穴,从而具有导电性从而具有导电性空带空带禁带禁带满带满带金属金属未填满未填满无禁带无禁带重叠重叠宽禁带宽禁带窄禁带窄禁带绝缘体绝缘体半导体半导体三种导电理论的主要特征三种导电理论的主要特征连续连续能量分布的价电子在能量分布的价电子在均匀均匀势场势场中的运动中的运动不连续不连续能量分布的价电子在能量分布的价电子在均匀均匀势势场中的运动场中的运动不连续不连续能量分布的价电子在能量分布的价电子在周期性周期性势场中的运动势场中的运动第二节第二节 影响金属导电性的因素影响金属导电性的因素 一、温度的影响一、温度的影响二、应力的影响二、应力的影响三、冷加工变形的影响三、冷加工变
22、形的影响四、合金元素及相结构的影响四、合金元素及相结构的影响一、温度的影响一、温度的影响22effn e lm v温度对有效电子数温度对有效电子数和电子平均速度和电子平均速度几乎没有影响几乎没有影响自由程减小自由程减小温度升高温度升高周期势场的涨落加大周期势场的涨落加大离子振动加剧离子振动加剧热振动振幅增大热振动振幅增大原子的无序度增加原子的无序度增加散射几率增加散射几率增加电阻率增大电阻率增大一、温度的影响一、温度的影响普通非过渡金属电阻普通非过渡金属电阻-温度曲线温度曲线23DT TDT 5T2TK2T一、温度的影响一、温度的影响v通常对金属导电性的研究均在德拜温度以上,通常对金属导电性的
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