功能金属材料第一章电功能金属材料.ppt
,第一章 电功能金属材料,第一节 概述 金属导电的物理本质 影响金属导电的因素,第二节 几种典型的电功能材料 导电材料 电阻材料 电热材料 热电材料,基本要求：,理解金属导电的物理本质及影响因素掌握各种电功能材料的特点、种类、性能及应用,第一节 概述,电功能金属材料,一、金属导电能力的表示方法,样品的长度为L，横截面积为S，测出电阻为R,电阻率为=RS/L 单位m,电导率为=1/,导体：10-610-12 m半导体：102109 m绝缘体：1091011 m,电功能金属材料,表1.1 室温下一些材料的电阻率,第一节 概述,电功能金属材料,二、金属导电的物理本质,自由电子论:,能带理论：,自由电子沿电场反方向运动，形成电流,满带（价带）：被电子填满的能带,导带：被电子部分填充的能带,空带：没有电子填充的能带,第一节 概述,电功能金属材料,三、影响金属导电的因素,1、温度的影响,2、压力的影响,在高温时,AT,在较低温度时,BT5,A、B为常数,=0(1+P),为电阻压力系数,3、缺陷的影响,第一节 概述,第二节 几种典型的电功能材料,电功能金属材料,一、导电材料,要求：高的电导率，高的力学性能，良好的抗腐蚀性，良好的工艺性能（热冷加工、焊接）价格便宜,用于生产电气导线的金属材料具有以下特性：卓越的导电性能，从而使焦耳效应导致的能量损失达到最小。对恶劣的环境有良好的承受能力。电气接触的永久可靠性。便于使用和回收。,1、铜及铜合金,导电性和导热性好，塑性高，机械强度好，易加工和焊接，易提炼,铍青铜 超高纯铜,主要用途：电弹簧、电刷、插头,只有几种元素能够满足这些特性，其中主要为自然界中储量丰富的铜、铝（以及他们的合金）。有时，材料的基本特征不足以满足上述特性，必须增加镀层以改善材料性能。因此，在进一步处理过程中（绝缘），我们通过镀锡、银、镍等来改善某些性能，如可焊性、抗氧化性、耐热性等。,有助于设计导体的主要物理性能如下表所示,常用于导体生产的铜材料：ETP铜，或者Cu-a1，含氧量在200到300ppm之间。m 无氧铜，无氧铜或者Cu-c1，含氧量极低（最多20ppm），能够防止加热过程中的氢脆。,采用脉冲电解沉积技术制备出具有高密度纳米尺寸生长孪晶的纯铜薄膜，通过工艺过程研究调整样品的晶粒尺寸、孪晶厚度及其分布、织构状态等，获得了具有超高强度和高导电性的纯铜样品，其拉伸强度高达1068MPa（是普通纯铜的10倍以上，达到高强度钢或铜晶须的强度水平），而室温电导率与无氧高导（OFHC）铜相当（97%IACS）。这种超高强度和高导电性的同时获得是过去在任何材料中均无法实现的。此成果发表于Science（2004年）周刊上。,电功能金属材料,2、铝及铝合金,资源丰富，价格便宜，质量小,主要用途：送电线，配电线,第二节 几种典型的电功能材料,对于设计导体有用的物理性能如下表所示,用于导体产品的铝材料由EN AW-1370以及EN AW-1350规定，或者由EAL 99.7以及EAL 99.5规定。,电功能金属材料,3、金及金合金,良好的导电性，极强的抗蚀能力,主要用途：作为金膜或金的合金膜用于集成电路中布线，芯片粘结，半导体封装等,4、银及银合金,具有最高的电导率,主要用途：触点材料,第二节 几种典型的电功能材料,电功能金属材料,二、电阻材料,1、精密电阻材料,特点：恒定的高电阻率，电阻温度系数小，电阻随时间的变化小，机械性能和加工性能好，容易焊接，耐腐蚀，抗氧化，有一定的耐热性。主要应用：电器回路中的电阻部件和电子线路中的电阻器件,（1）Cu-Mn系,锰铜：Cu86、Mn12 Ni2,第二节 几种典型的电功能材料,Mn的作用：提高电阻率，降低电阻温度系数,电功能金属材料,第二节 几种典型的电功能材料,（2）Cu-Ni系,康铜：Cu60、Ni40,Ni的作用：降低合金对铜的热电势，改善电阻温度系数并提高耐腐蚀性能。,电阻温度线性比锰铜好，可以在较宽的温度范围内使用，其最高使用温度可达400C，而且耐腐蚀性，耐热性均比锰铜好。,电功能金属材料,第二节 几种典型的电功能材料,（3）NiCr系改良型,（4）FeCrAl系合金,具有更宽的使用温度，电阻温度系数更小，耐热性良好，耐蚀性更佳，而且易于拉丝，但焊接困难。,Fe CrAl系精密电阻合金是在电热合金的基础上发展起来的，通过改变Al和Cr的组成使电阻温度系数从正到负值之间变化。但加工性能差，焊接性能不好。,表1-2具有代表性精密电阻材料的成分与性能,电功能金属材料,第二节 几种典型的电功能材料,电功能金属材料,2、敏感电阻材料,（1）应变电阻材料,应变电阻效应,经受外力作用（拉伸或压缩）的金属材料将会发生变形而使其电阻也发生相应的变化，其电阻值变化量与所受外力引起的变形量是成比例的，这种现象称为应变电阻效应,应变电阻材料的特点：,(a)具有高的、稳定的电阻率在工作温度范围内具有低的、稳定的电阻温度系数，以及大的应变灵敏度系数K（KL/L)，并在较大范围内不随温度变化；,第二节 几种典型的电功能材料,电功能金属材料,主要用途：电阻应变片或传感器，用来测量力（或重量）位移，压力扭距，加速度等,高温：Fe-Cr-Al系和PtW系丝材中温及低温：康铜和NiCr改良型的箔材为主,(b)在拉伸或压缩时，K值相向或相差很小，不氧化，线膨胀系数等于或略高于被测件的线膨胀系数；,(c)有良好的机械性能，强度高蠕变小，容易加工和焊接等。,第二节 几种典型的电功能材料,电阻应变计结构,1、3粘结剂，2基底，4盖层，5敏感栅，6引线,电功能金属材料,第二节 几种典型的电功能材料,机械量,电量,电阻应变片,电功能金属材料,第二节 几种典型的电功能材料,丝栅式应变片,标距：0.2mm 200mm,箔式应变片,的金属箔片,光刻腐蚀工艺,电功能金属材料,（2）热敏电阻材料,要求：电阻率较小，电阻温度系数大，电阻温度曲线线性好，抗氧化性、耐腐蚀和加工性能好。,常用纯金属有Fe、Co、Ni 等,第二节 几种典型的电功能材料,电功能金属材料,三、电热材料,要求：高的电阻率和低的电阻温度系数，高温时具有良好的抗氧化性，有足够的高温强度，易于拉丝。,1、NiCr系合金,表1-3 Ni-Cr系电热合金的成分及特点,第二节 几种典型的电功能材料,电功能金属材料,2、Fe-Cr-Al系合金,表1-4 Fe-Cr-Al系合金的成分与特点,第二节 几种典型的电功能材料,电功能金属材料,四、热电材料,（又称温差电材料）,赛贝克（seebeck)效应,在两种固体材料（通常是金属材料或半导体材料）A与B组成的回路中，若使两个接触点的温度不同，如T1 T2，则在回路中讲出现热电流，这种由于温差而产生的热电现象称为赛贝克（seebeck)效应,用途：金属热电偶材料,要求：高的热电势高的电热温度系数，良好的高温抗氧化性和抗环境介质的腐蚀性，容易加工，价格低,第二节 几种典型的电功能材料,下图为典型工业用热电偶结构示意图。它由热电偶丝、绝缘套管、保护套管以及接线盒等部分组成。实验室用时，也可不装保护套管，以减小热惯性。,1、对应变电阻材料有那些要求？试说明电阻应变计的原理。2、Cu-Mn精密电阻材料有什么优缺点，如何改善其缺点？,作业,第一章 电功能金属材料,
