材料物理性能材料的导电性能
材料物理性能学之材料的电性能
材料物理性能学之材料的电性能引言材料的电性能是材料物理性能学的一个重要研究分支，它研究的是材料在电场、电流和电磁波等电学环境下的行为和性能。
材料的电性能对于材料的应用具有关键影响，比方在电子学、能源转换和传感器等领域中起着重要作用。
本文将探讨材料的电性能的根本概念、测试方法和常见的应用。
1. 电导率电导率是材料的一个根本电学性能参数，表示材料导电能力的强弱。
它常用符号σ表示，单位为S/m〔西门子/米〕。
电导率的量值越大，材料越好的导电性能。
电导率可以通过测量材料的电阻率来计算。
2. 电阻率电阻率是材料对电流流动的阻碍能力的度量，常用符号ρ表示，单位为Ω·m。
电阻率和电导率是一对相互关联的物理量，它们之间的关系可以用以下公式表示：ρ = 1/σ。
电阻率可以通过测量材料的电阻来得到。
3. 介电性能除了导电性能，材料还具有介电性能。
介电性能是材料对电场的响应能力的度量。
具有良好介电性能的材料可以阻止电流的流动，并被广泛应用于电容器、绝缘材料和电子设备等领域。
介电性能可以通过测量材料的介电常数来评估。
4. 介电常数介电常数是材料在电场中响应的能力的度量，常用符号ε表示。
介电常数可分为静电介电常数和动态介电常数。
静电介电常数表示在静电场中材料的响应能力，而动态介电常数那么表示在交变电场中材料的响应能力。
介电常数越大，材料对电场的响应能力越强。
5. 半导体材料的特性半导体材料是一类介于导体和绝缘体之间的材料，它具有特殊的电性能。
半导体材料的电导率较低，但随着温度的升高会逐渐增大。
半导体材料的导电性能可以通过添加杂质来调控，从而实现半导体器件的制造。
6. 材料的应用材料的电性能对于众多领域的应用至关重要。
在电子学领域中，导电性能好的材料可以用于制造电路和导线等电子元器件。
在能源转换领域中，材料的电性能对太阳能电池和燃料电池等能源转换器件的效率和稳定性有重要影响。
在传感器领域中，材料的电性能可以用于制造压力传感器、温度传感器和湿度传感器等。
材料导电性能
材料导电性能
材料的导电性能是指材料在外加电场作用下，电子在材料内部的传输能力。
导
电性能是材料的重要物理性能之一，对于材料的应用具有重要的意义。
在现代科技领域中，导电材料被广泛应用于电子器件、光伏材料、电磁屏蔽材料等领域，因此对材料的导电性能进行研究具有重要意义。
材料的导电性能受多种因素的影响，其中包括材料的结构、成分、晶体结构等
因素。
导电材料通常分为金属导体和半导体两大类。
金属导体的导电性能主要取决于其自由电子的浓度和迁移率，而半导体材料的导电性能则受到杂质、缺陷、温度等因素的影响。
材料的导电性能可以通过电导率来表征。
电导率是描述材料导电性能的物理量，通常用σ表示，单位为（Ω·cm）^-1。
电导率越大，表明材料的导电性能越好。
金属材料通常具有较高的电导率，而半导体材料的电导率则介于金属和绝缘体之间。
在实际应用中，我们常常需要根据具体的要求来选择合适的导电材料。
例如，
在电子器件中，我们通常选择电导率较高的金属材料作为导线，以保证电子的顺畅传输；在光伏材料中，我们则需要选择能够有效转化光能的半导体材料。
除了常规的金属和半导体材料，近年来，碳纳米材料也成为了研究的热点之一。
碳纳米材料具有优异的导电性能和热导性能，因此被广泛应用于柔性电子器件、导电涂料、导电纤维等领域。
总的来说，材料的导电性能是材料科学研究中的重要内容之一。
随着科技的不
断发展，对导电材料的需求也在不断增加，因此对导电性能的研究也将会变得更加深入和广泛。
希望通过对导电性能的研究，能够为材料科学的发展和应用提供更多的可能性。
材料导电性质、基本规律与性能影响
§3.1 基本概念及基本规律
一、基本概念
电流：定向移动的电荷 电荷一般由载流子携带
电流强度：单位时间内流过某一截面的电荷量
I
dq dt
eI
电流密度：单位时间内流过材料单位横截面的电量 电阻：物体对电流的阻碍特性
j dI ds
实验上其值由加在材料两端的电压与通过这段材料
电流的比值确定，即 R V
半导体
E(k)
空带 禁带
半导体的能较小 的带隙，当有光照或升高温度时，价带 中的电子将被激发到空带中，使导带底 附近有少量电子，这些电子将参与导电； 同时价带中出现的空穴也将参与导电。
k
h
利用半导体在温度升高、受光 照射等条件下的导电性能大大 增强的特性，可研制出诸如热 敏电阻、光敏电阻等器件。
kFl
利用kF3 3 2n
以及kFl kF a 1
可估计出三维情况 下最小金属电导为
a是一与晶格常数 相近的微观尺度
2 0 0 c m绝 缘 体
2 0 0 cm金 属
3D min
1
32
e2
1
a
利用 以及a
e2 4.1k ~ 0.1nm
max~200cm
大电量阻的 率实大验于数80据-10分0析表c明m时，，对材料的导d电性/质d、T基本规0律和不出性能再的影保经响 持验，判这断和在上量面级根上据是阻相温一系致数的给
离子导电指输运电荷中的载流子是离子 具有离子电导解电质性溶的液固(如态K物C质l溶常液被)的称导为电固就体是电离解子质导电 这些物质或因其晶体中的点缺陷或因其特殊结构而为离子 提供快速迁移的通道，在某些温度下具有高的电导率(1～ 106西门子/厘米)，故又称为快离子导体。
材料物理性能 电
Fe：6×10－3 Co ：6.6×10－3 Ni ：6.2×10－3
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
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
T 残
电子-声子散射 电子-电子散射
金属导电理论
经典自由电子论 1900年德鲁特/洛伦兹
1.经典自由电子理论（量子理论发展前）
霍耳效应
当金属导体处于与电流方向相垂直的磁场内时，则 在模跨样品的两面产生一个与电流和磁场都垂直的 电场，此现象称为霍耳效应。 kc
表征霍耳场的物理参数：霍耳系数
RH
EH J x B0
又因
EH
J x B0 ne
2m*vF
nef e2
与绝对温度成正比； 杂质原子使晶体点阵的周期性破坏，增加散射系数的值；
马基申定则
i T 残
i
杂质和缺陷上的散射
声子散射和电子散射
T 为金属的基本电阻率，与温度有关；
残 为化学缺陷和物理缺陷引起的残余电阻率， 与温度无关。 反映了金属的电学纯度和完整性
材料的电学性能
材料的电学性能
导电性能 电荷长程迁移
介电性能 感应方式
材料的导电性？
微观机理：材料中带有电荷的粒子响应电场作用发生 定向移动的结果。
能够携带电荷的粒子称为载流子 金属、半导体和绝缘体中载流子——电子 离子化合物中的载流子——离子
导电
电阻
电阻率 电导率
J E
欧姆定律
材料物理性能
材料物理性能材料的物理性能是指材料在受力、受热、受光、受电、受磁等外界作用下所表现出的性质和特点。
它是材料的内在本质，直接影响着材料的使用性能和应用范围。
材料的物理性能包括了热学性能、光学性能、电学性能、磁学性能等多个方面。
首先，热学性能是材料的一个重要物理性能指标。
热学性能包括导热性、热膨胀性和热稳定性等。
导热性是指材料传导热量的能力，通常用热导率来表示。
热膨胀性是指材料在温度变化下的体积变化情况，通常用线膨胀系数来表示。
热稳定性是指材料在高温环境下的性能表现，包括了热变形温度、热老化等指标。
这些性能对于材料在高温环境下的应用具有重要意义。
其次，光学性能是材料的另一个重要物理性能。
光学性能包括透光性、反射率、折射率等指标。
透光性是指材料对光的透过程度，通常用透光率来表示。
反射率是指材料对光的反射程度，通常用反射率来表示。
折射率是指材料对光的折射程度，通常用折射率来表示。
这些性能对于材料在光学器件、光学仪器等领域的应用具有重要意义。
此外，电学性能是材料的另一个重要物理性能。
电学性能包括导电性、介电常数、电阻率等指标。
导电性是指材料导电的能力，通常用电导率来表示。
介电常数是指材料在电场中的极化能力，通常用介电常数来表示。
电阻率是指材料对电流的阻碍程度，通常用电阻率来表示。
这些性能对于材料在电子器件、电气设备等领域的应用具有重要意义。
最后，磁学性能是材料的另一个重要物理性能。
磁学性能包括磁导率、磁饱和磁化强度、矫顽力等指标。
磁导率是指材料对磁场的导磁能力，通常用磁导率来表示。
磁饱和磁化强度是指材料在外磁场作用下的最大磁化强度，通常用磁饱和磁化强度来表示。
矫顽力是指材料在外磁场作用下的抗磁化能力，通常用矫顽力来表示。
这些性能对于材料在磁性材料、电机、传感器等领域的应用具有重要意义。
综上所述，材料的物理性能是材料的重要特性，直接影响着材料的使用性能和应用范围。
不同类型的材料具有不同的物理性能，因此在材料选择和应用过程中，需要充分考虑材料的物理性能指标，以确保材料能够满足特定的使用要求。
材料的物理性能
材料的物理性能
所谓材料的物理性能，指的是材料在物理方面表现出来的特性和性质。
物理性能通常包括以下几个方面：
1. 密度：密度是材料单位体积的质量。
不同材料的密度差别很大，如金属的密度通常比非金属高，而气体的密度则通常较低。
2. 弹性：材料的弹性是指在受力时，材料能够恢复到原来形状和尺寸的能力。
弹性可以通过杨氏模量来衡量，不同材料的弹性差异很大。
3. 热膨胀系数：材料在受热时会发生尺寸变化，其中热膨胀系数就是用来描述这种变化的。
不同材料的热膨胀系数差别很大，如金属通常具有较高的热膨胀系数。
4. 导热性：材料的导热性指的是材料对热量的传导能力。
导热性可以通过热传导系数来衡量，不同材料的导热性差异很大。
5. 导电性：导电性指的是材料对电流的导电能力。
导电性可以通过电导率来衡量，不同材料的导电性差别很大，如金属通常具有较好的导电性。
6. 磁性：磁性是指材料对磁场的响应能力。
材料可以分为铁磁性、顺磁性和抗磁性等，不同材料的磁性差异很大。
7. 光学性能：光学性能指的是材料在光的作用下的表现。
光学性能包括透明度、折射率、散射等，不同材料的光学性能差异
较大。
除了上述几个主要的物理性能外，还有一些其他的物理性能也十分重要，如硬度、韧性、断裂韧性、可塑性等。
这些物理性能对于材料的选择、设计和应用都具有重要意义，不同物理性能的组合使得材料在不同领域有着广泛的应用。
因此，研究、了解和掌握材料的物理性能对于材料科学和工程技术具有重要的意义。
材料的导电性能与测试方法
材料的导电性能与测试方法材料的导电性能对于许多领域的应用具有重要意义，从电子学到能源领域都需要高效的导电材料。
本文将探讨材料的导电性能以及一些常用的测试方法。
一、导电性能的影响因素材料的导电性能受到多种因素的影响，以下是其中一些主要因素：1. 材料结构：材料的晶体结构以及晶格缺陷都会影响导电性能。
晶格缺陷包括点缺陷、线缺陷和面缺陷等。
2. 杂质：杂质可以影响材料的导电性能。
有些杂质可以增加导电性，而另一些杂质可能导致导电性能下降。
3. 温度：温度对于材料的导电性能也有很大的影响。
一般情况下，随着温度的升高，材料的导电性能会增强。
4. 应力：外加应力也可以改变材料的导电性能。
在某些情况下，应力可以使材料的导电性能增加，而在其他情况下则会减弱。
二、导电性能测试方法下面介绍几种常用的材料导电性能测试方法：1. 电阻率测试：电阻率是用来描述材料导电性能的一个重要参数。
可以通过四探针法或者两探针法来测量材料的电阻率。
四探针法可以消除接触电阻的影响，得到更准确的电阻率测试结果。
2. 导电性能测试：导电性能测试通常是通过测量材料的电导率来进行的。
电导率是电阻率的倒数。
可以使用四探针法或者两探针法来进行测量。
3. Hall效应测试：Hall效应测试是一种测量材料导电性能的方法，通过测量材料中的Hall电压和磁场之间的关系来确定电导率、载流子浓度和载流子类型。
4. 微观结构分析：对于复杂的材料，如多组分合金或复合材料，可以通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和X射线衍射（XRD）等技术来分析材料的微观结构和晶体结构，从而进一步理解材料的导电性能。
5. 有限元模拟：有限元模拟是一种通过数值计算方法来模拟材料的导电性能的技术。
通过建立材料的几何模型和物理模型，可以模拟材料在不同条件下的导电性能，为实验提供指导和验证。
总结：本文讨论了材料的导电性能与测试方法。
导电性能的影响因素包括结构、杂质、温度和应力等。
材料力学性能与导电性能的关系研究
材料力学性能与导电性能的关系研究材料科学一直以来都是一门重要的学科领域，其中一个重要的研究方向就是材料力学性能与导电性能的关系。
在材料科学领域中，力学性能是评价材料强度和刚度的重要指标，而导电性能则是评价材料导电特性的重要指标。
这两个指标的研究和相互关系的深入探索对于材料的应用和发展具有重大意义。
材料的力学性能包括强度、韧性、硬度、刚度等指标。
强度是材料抵抗外力破坏的能力，而韧性则是指材料在受力作用下发生变形和破坏的能力。
硬度是材料抗表面压痕能力的指标，刚度则是材料在受力作用下的变形程度。
这些指标直接影响到材料在实际应用中的表现和耐久性。
与此同时，材料的导电性能是指材料对电流的传输能力。
导电性能主要由材料的电导率来衡量，电导率越高，则材料的导电性能越好。
导电材料在电子和电气工程领域有广泛应用，例如电器设备、电子元件、通讯设备等。
在研究材料力学性能与导电性能的关系时，我们需要考虑材料的微观结构和材料内部的能级结构。
材料的微观结构决定了材料的力学性能和导电性能。
例如，晶体结构的不均匀性和缺陷会对材料的强度和导电性能产生重要影响。
此外，学者们还发现，材料中的晶界和晶格中的杂质都会对材料的力学性能和导电性能产生影响。
研究表明，诸如金属、合金和导电高分子材料等导电材料通常具有较高的力学性能。
这是因为导电材料的结构比较致密，内部的晶界和晶格缺陷较少，从而提高了材料的强度和刚度。
另外，导电材料的导电路径一般比较连续，电子在材料中的传输更加顺畅，因此导电性能较好。
然而，并非所有材料的力学性能和导电性能之间呈现正相关关系。
有些材料具有较高的导电性能，但其力学性能却较差，如柔性导电材料。
这是因为柔性导电材料通常由有机物质组成，柔性结构使其在力学上较为脆弱。
这种情况下，研究人员需要根据具体应用需求来寻找材料的平衡点，同时权衡材料的力学性能和导电性能。
除了以上提到的因素，温度和湿度等外界环境条件也会对材料的力学性能和导电性能产生一定的影响。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Rx
RN
Vx VN
电位差计法优点：导线（引线）电阻不影响电位差计的电势 Vx、VN，的测量，而双电桥法由于引线较长和接触电阻很 难消除，所以在测金属电阻随温度变化，不够精确。
4． 直流四探针法
直流四探针法主要用于半导体材料或超导体等的低电阻
率的测量。常用于半导体单晶硅掺杂的电阻率测量。
四根金属探针彼此相距1mm排在一
(3)对实验中出现的一些问题进行讨论。
测试电路原理
被测试样与高阻抗直流放大器的输入电阻 串联并跨接于直流高压测试电源上；高阻抗 直流放大器将其输入电阻上的分压讯号经放 大输出至指示仪表，由指示仪表直接读出被 测绝缘电阻值。
1）测量体积电阻值Rv （1）将Rv、Rs转换开关旋至Rv处。
(2)将电压选择开关置于所需要的测试电压位置上，将“倍 率选择”旋钮选 至所需的位置。
实验一 材料导电性能的测量
天津大学材料学院
材料电阻的测量方法
测量材料电阻的方法，根据材料的电阻大小不同，采 用的测量方法各异。 主要的测量方法：
惠斯顿单电桥法 双电桥测量法 电位差计测量 直流四探针法
1、惠斯顿（Huiston）单电桥法
通过检流计G的电流为零.
RN、R1 、R2 的电阻均已知，
被测电阻Rx的计算：Rx
(3)将“放电、测试”开关放在“测试”位置，检查应选 择的位置，打开输
入短路开关(即按钮抬起来)，读取加上测试电压1分钟时， 指示电表显示的电阻值。读数完毕，将“倍率”打回 “10-1”档。
(4)接入短路开关，将“放电、测试”开关打回到“放电” 位置。更换试样，重复以上操作，待全部试样测量完毕后， 切除电源，除去各种连接线，按要求整理、放置好仪器。
R1 R2
RN
测量中Rx被测电阻，测出的电阻
包括A 、B两点的导线电阻和接触电阻。 惠斯顿单电桥测量原理图 当测量低电阻时，由于结构和接触电阻无法消除，灵敏度不
高、测量数值偏差较大，只有当被测电阻相对于导线电阻 和接触电阻相当大时，Rx才接近于 。
惠斯顿单电桥的测量很少用于测量金属电阻，其测量电阻范 围通常在在10106。
VD=VB
Rx
R1 R2
RN
R4r R3 R4 r
( R1 R2
R3 ) R4
为了使上式简化，在设计电桥时，使R1 =R3，R2=R4， 并将它们的阻值设计的比较大，而导线的电阻足够小（选
用短粗的导线），这样使 R1 R3 趋向于零， 则附加项趋 近于零，上式近似为： R2 R4
Rx
R1 R2
(3)将“放电、测试”开关放在“测试”位置，检查电压应 选择的位置，打开输入短路开关(即按钮抬起来)，读取加 上测试电压1分钟，指示电表显示的电阻值。读数完毕， 将“倍率”打回“10-1”档。
2）测量表面电阻值Rs
(1)将Rv、Rs转换开关旋至Rs处。
(2)将电压选择开关置于所需要的测试电压位置上，将 “倍率选择”旋至所 需要的位置。 (在不了解测试值的数 量级时，倍率应从低次方开始选择。)
RN
=
R3 R4
RN
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
当检流计为零时，从电桥上读出R1 、R2而RN 为已知的 标准电阻，用上式可求出Rx值。
用双电桥测量电阻可测量10010-6的电阻，测量精度为 0.2%。
在测量中应注意：连接Rx、RN的铜导线尽量粗而短，测量 尽可能快。
3．电位差计法
电位差计法广泛应用于金属合金的电阻测量，可测量试 样的高温和低温电阻，还可以测试电位差、电流和电阻， 它的精度比双电桥法精度高。可以测量10-7的微小电势。 当一恒定电流通过试样和标准电阻时，测定试样和标准电 阻两端的电压降Vx和VN，RN已知，通过下式计算出Rx
一、目的要求
1、掌握材料导电性能（电阻率、电导率）的 测量方法；
2、了解电阻率和电导率的相互关系； 3、了解高分子、陶瓷材料的体电阻、表面电
阻；
4、理解成分对金属材料导电性能影响。
欧姆定律
二、基本原理
RL S
电阻率与材料本质有关
电阻率的单位：m ， cm ， cm，
工程技术上常用mm2/m。它们之间的换算关系为
1 cm = 10-8 m = 10-6 cm = 10-2 mm2/m
电阻率与电导率关系
1
的单位为西门子每米（S/m）。
工程中也常用相对电导率（IACS%），它表示导体材料的导电性 能。国际上把标准软铜在室温20。C下的电阻率 = 0.01724 mm2/m 的电阻率作为100%，其他材料的电导率与之相比的百分数为该材料
计算公式：
R r2
V
Vh
(1) 式中：π—3.1416； r一测量电极的半径 (cm)； h一陶瓷试样的厚度 (cm)。
R 2
s
s
ln
D2 D1
(2)
式中π—3.1416； D2一保护电极的内径 (cm)；D1一测量电极的直径 (cm)；1n一自然对数。
数据及处理
(1)用所得的测试数据分别计算各试样的体积电阻率ρV， 及表面电阻率ρS，将计算结果填入下表的相应格内． (2)根据所做实验试分析产生误差的原因，及采取哪些缩小 误差的措施。
2 .双电桥法
双电桥法是目前测量金属室温电阻应用最广的方法，用于 测量低电阻（10210-6）。
双电桥法测量时，待测电阻
Rx和标准电阻RN 相互串连 后，串入一有恒电流的回路
中。将可调电阻R1R2R3R4组
成电桥四臂，并与Rx、RN并
连；在其间B、D点连接检流计G，那么测量电阻Rx归结为调
节R1R2R3R4电阻使电桥达到平衡，则检流计为零G=0
条直线上，要求四根探针与样品表
面接触良好。由1、4探针通入小电
流，当电流通过时，样品各点将有
电位差，同时用高阻静电计、电子
毫伏计测出2、3探针间的电位差V23，四探针法的测量线路原理图
计算出样品的电阻率
C V23
I
C是与被测样品的几何尺寸及探针间距有关的测量的系数，称为探针系
数。单位：（cm）；I是探针通入的电流。
的相对电导率。
片状样品
管（环）状样品
三、电阻率的测量
1、高电阻率测量
测定陶瓷材料和高分子材料的体积电阻、表面电阻
实验仪器
ZC36型高阻计是一种直流式的超高电阻计和微电流两 用仪器。仪器的最高量限电阻值1017Ω，微电流10-14A微 电流。
•
适用对绝缘材料、电工产品、电子设备以及元件的绝
缘电阻测量和高阻兆欧电阻的测量，也可用于微电流测量。