材料的电学性质(1)
材料的电学性能与测试方法
材料的电学性能与测试方法引言：材料的电学性能是指材料在电场或电流作用下的响应和性质。
了解材料的电学性能对于材料的研究和应用具有重要意义。
本文将介绍几种常用的测试材料电学性能的方法。
一、电导率测试方法电导率是衡量材料导电性能的重要指标，其测试方法如下：1. 电导率测量仪器：使用四探针测试仪或电导率仪进行测量。
2. 测量步骤：将待测试材料切割成适当的样品尺寸，保持样品的几何形状和尺寸稳定。
然后将四个电极按照规定的间距连接到材料上，并确保电极与材料之间的良好接触。
最后，通过测试仪器施加电流并测量电压，根据欧姆定律计算得出材料的电导率。
二、介电常数测试方法介电常数是材料在电场中对电场强度的响应能力，测试方法如下：1. 介电常数测量仪器：使用恒流恒压法或绝缘材料测试仪进行测量。
2. 测量步骤：将待测试材料加工成平板状或柱形状样品，保证样品的几何形状和尺寸稳定。
然后将测试仪器中的电极引线与样品连接，确保电极与材料的良好接触。
接下来，在测试仪器中施加电流和电压，测量得到材料的介电常数。
三、热释电测试方法热释电是指材料在电场作用下产生的热能释放，其测试方法如下：1. 热释电测量仪器：使用热释电测试仪进行测量。
2. 测量步骤：将待测试材料切割成适当的样品尺寸，保持样品的几何形状和尺寸稳定。
然后将样品放置在测试仪器中，施加电场。
测试仪器会测量样品在电场下产生的温升，根据温升和已知的电场强度计算得出材料的热释电性能。
四、电阻温度系数测试方法电阻温度系数是指材料电阻随温度变化的程度，其测试方法如下：1. 电阻温度系数测量仪器：使用四探针测试仪或电阻测量仪进行测量。
2. 测量步骤：将待测试材料切割成细丝或片状样品，保持样品的几何形状和尺寸稳定。
然后将四个电极按照规定的间距连接到样品上，并确保电极与材料之间的良好接触。
接下来，在测试仪器中施加电流并测量电阻，随后在不同温度下重复测量电阻值。
最后，根据电阻值和温度变化计算得出材料的电阻温度系数。
ElectronicPropertiesofMaterials材料的电子学性质
《Electronic Properties of Materials》（材料的电子学性质）简介一、出版与作者情况《材料的电子学性质》(Electronic Properties of Materials)是由世界著名的科技出版社德国施普林格（Springer-Verlag）出版公司出版的。
本书是第二版，并配有252处注释。
全书共有404页。
南开大学图书馆馆藏版本为1993年版本，为第二版。
本书是由美国佛罗里达大学材料科学与工程学院教授Rolf E.Hummel在第一版的基础上进行修改和扩充完成。
在第一版的基础上，作者增加了高温超导体和光电技术的进展两章节内容。
同时作者在半导体器件制备、场效应管（JFET, MOSFET）、量子半导体器件，电学储存（D-RAM，S-RAM）、逻辑电路等其他第一版已有章节基础上增加了许多新的内容。
Rolf E.Hummel是佛罗里达大学材料科学的教授，他于1963年在德国的斯图加特大学获得博士学位，同时期在德国的马克思-普朗克材料研发中心做过研究。
他过去出版的书有：Optical Properties of Metals and Alloys(1971);Electro- and Thermotransport in Metals and Alloys(1977) 二、本书内容简介作者对材料的各种特性作了经典的概括，为从事此方向研究的科学工作者提供了重要的参考资料。
第一章介绍综合性的电子学基本知识，从最基本的薛定谔方程出发引出晶体的能带理论与晶体中的电子行为。
第二章介绍各种材料中的电学性质。
包括各种常见的金属、半导体、绝缘体中电子的行为。
第三章转向材料的光学性质，其中在本章中作者提到了很多关于应用方面的知识，包括各种激光器和集成光电子学（波导、EOW、光学调制和开关等）。
第四章从各种磁学现象出发引出对磁畤的解释，本章同时还介绍了磁学的许多应用方面知识。
例如磁性材料，储存介质等。
高分子材料的电化学性能与电化学储能应用
高分子材料的电化学性能与电化学储能应用高分子材料是一类具有特殊结构和性质的材料，其在电化学领域中具有广泛的应用前景。
本文将从高分子材料的电化学性能入手，探讨其在电化学储能应用中的潜力。
一、高分子材料的电化学性能高分子材料的电化学性能指的是其在电解质溶液中的导电性和电极材料的可逆电化学反应性。
在电解质溶液中，高分子材料可以通过离子传导来实现电荷的流动。
这种离子传导机制使得高分子材料在电化学储能领域具有重要意义。
1. 高分子材料的离子传导性质高分子材料中常用的离子传导机制包括质子传导、离子交换、电子输运和溶剂浸润等。
其中，质子传导是一种重要的机制，常见的高分子材料如聚苯乙烯磺酸盐（PSSA）、聚苯乙烯磺酸酯（PSSP）和聚吡咯等都表现出良好的质子传导性能。
2. 高分子材料的电极反应性质高分子材料作为电极材料具有可逆的电化学反应性质，可以实现电荷的储存和释放。
举个例子，聚乙烯二醇（PEG）是一种常见的高分子材料，通过其氧化和还原反应可以存储电荷，实现电化学储能。
二、高分子材料的电化学储能应用基于高分子材料的电化学储能技术主要包括超级电容器和锂离子电池两个方面。
1. 高分子材料在超级电容器中的应用超级电容器是一种能够实现快速充放电的电化学储能装置。
高分子电解质和高分子电极材料是超级电容器中的重要组成部分。
聚合物基电解质具有较高的离子传导性能和化学稳定性，能够提高超级电容器的性能。
同时，通过控制高分子电极材料的结构和形貌，可以实现更高的比电容和循环寿命。
2. 高分子材料在锂离子电池中的应用锂离子电池是一种常见的可充电电池，其电极材料中常使用高分子材料。
例如，聚苯胺（PANI）是一种常用的锂离子电池正极材料，其在充放电过程中可通过氧化还原反应来存储和释放锂离子。
另外，高分子电解质也具有一定的应用潜力，可以提高锂离子电池的安全性和循环寿命。
三、高分子材料电化学储能应用的挑战与展望虽然高分子材料在电化学储能领域中具有广阔的应用前景，但仍然存在一些挑战需要克服。
电学材料的性质和应用
电学材料的性质和应用电学材料是一类能够在电磁场中传输电荷的材料。
这类材料具有许多特殊的性质，使其在电子器件和电力领域中得到了广泛的应用。
本文将介绍电学材料的性质和应用，让读者了解这些材料的重要性。
1. 电学材料的性质电学材料的主要性质包括导电性、电阻性、介电性、磁性和光学性。
下面分别介绍这些性质的作用和意义。
1.1 导电性导电性是电学材料最基本的性质之一。
导电性指的是材料中电子的可移动性，也就是说，在外电场的作用下，电子能够进行移动，并在材料中建立电流。
导电性不同的材料具有不同的电导率，电导率高的材料通常被用作电纳米器件的金属导线和接触电极等，以确保其良好的电阻性。
1.2 电阻性电阻性是指材料对电流的阻碍程度。
电导率和电阻率是相互关联的，电导率高的材料电阻率相对较低。
电学材料的电阻性质在电子器件和电路的设计中起着重要的作用。
例如，电阻性材料常用于制作电阻、电阻网络和电阻器等器件。
1.3 介电性介电性是指材料中电子对外电场的响应程度。
介电常数是定义材料的介电性的数量。
介电性材料通常可以用作电容器和电介质，以储存电能和隔离电路中的电信号。
1.4 磁性磁性是指电学材料在外磁场的作用下产生的磁感应强度。
磁性材料在电子器件中扮演重要的角色，例如电感和变压器等。
1.5 光学性光学性是指电学材料与光的交互作用。
光学性材料的应用涵盖了光波导、光传感器和光速现象研究等。
2. 电学材料的应用2.1 电子器件和电路电子器件和电路是电学材料最显著的应用领域。
电子器件包括电阻器、电容器、电感器、晶体管、二极管和集成电路等。
电路是由这些器件设计出来的电子元器件系统。
电学材料对电子器件和电路的功能、稳定性、可靠性以及寿命等具有重要的影响。
利用电学材料，可以不断地开发和提高电子器件的专业性，从而应用于更广泛的领域。
2.2 能源领域电学材料在能源领域的应用在不断地拓展。
电池和太阳能电池等能源装置是电学材料的处境。
通过电学材料的设计和制造，可以提高能源装置的输出和效率，从而更好地支持未来的可持续能源技术。
复合材料的电学特性和应用
复合材料的电学特性和应用复合材料是由两种或更多种不同材料组成的材料，具有多种优异的物理、化学和机械性能，以及良好的工艺性能。
复合材料具有很强的电学特性，具有广泛的应用前景。
本文将深入探讨复合材料的电学特性和应用。
一、复合材料的电学特性复合材料具有多种电学性能，其中最重要的是电导率、介电常数和磁导率。
1. 电导率电导率是介绍材料导电性能的物理量。
复合材料中导电性能较弱的成分可以显著地改善电导率。
例如，碳纤维、铜、金属氧化物纳米材料等都可以用于增强导电性。
在应用中，需要根据复合材料的使用环境和要求调整电导率，可以通过材料配方、形状和表面状态来实现。
2. 介电常数介电常数是材料电场强度下的极化效应的物理表现。
复合材料中不同成分的介电常数不同，可以通过适当设计和改变材料配方，以获得特定的介电常数。
例如，了解纳米复合材料结构和制造方法可以有针对性地调整其介电性能。
3. 磁导率磁导率是材料在磁场中表现出来的性质。
复合材料中，不同成分以不同方式响应磁场，因此复合材料的磁导率可以通过改变配方或含量来改变。
二、复合材料的电学应用复合材料在电学领域的应用涉及多个方面，其中最具代表性的是电子、航空航天和电磁等领域。
1. 电子领域复合材料在电子领域的应用涉及到线路板、电容器和电感器等。
在线路板中，复合材料可以作为绝缘层或基层使用，可以承受高电压和高频率的工作环境下的电学和机械应力。
在电容器和电感器中，复合材料可以作为介质和支架使用，具有高介电常数和低介损等优点。
2. 航空航天领域复合材料在航空航天领域的应用占有重要地位。
例如，碳纤维复合材料是制造轻量化和高强度飞机和导弹结构的主要材料之一。
铝基和镁基复合材料被广泛应用于火箭发动机和导航系统等关键部件中。
3. 电磁领域复合材料在电磁领域的应用涉及到电磁屏蔽、天线和传感器等。
复合材料通过调整导电性、介电性和磁性等电学性能，可以制作出高效的电磁屏蔽材料，广泛应用于电子产品和通信设备中。
材料性能学第十章--材料的电学性能
+4
+4
+4
+4
电子和空穴在外电场的作用下都将作 定向运动，这种作定向运动电子和空 穴（载流子）参与导电，形成本征半 导体中的电流。
当温度升高时，有更多的电子能够跳到下一个能带去。这有两个结果：在上面的导带 中少数电子所起的作用和它们在金属中所起的作用相同；而价带中留下的空态即空穴 起着类似的作用，不过它们好象是正的电子，因此，它们有来自导带中的激发电子和 来自价带中的空穴的导电性；温度升高时，由于有更多的电子被激发到导带， 所以 电导率随温度而迅速增加。
第一节 导电性能
量子力学证明，对于一个绝对纯的理想的完整晶体，0 K时，电子波 的传播不受阻碍，形成无阻传播，电阻为零，导致所谓的超导现象。
二、导电机理
1、金属及半导体的导电机理
第一节 导电性能
实际金属内部存在着缺陷和杂质。缺陷和杂质产生的静态点阵畸 变和热振动引起的动态点阵畸变，对电磁波造成散射，这是金属 产生电阻的原因。由此导出的电导率为：
合金为：
10-7－
-5 10 Ω.m
半导体材料：ρ=10-2-109Ω.m
绝缘体材料：ρ＞1010Ω.m
各种材料在室温的电导率
金属和合金
-1 -1 (Ω .m )
银 铜，工业纯 金 铝, 工业纯 Al-1.2%,Mn 合金 钠 钨， 工业纯 黄铜（70%Cu-30%Zn 镍,工业纯 纯铁,工业纯 钛,工业纯 不锈钢，301型 镍铬合金 (80%Ni-20%Cr）
第一节 导电性能
一、电阻与导电的基本概念
欧姆定律：当在材料的两端施加电压时，材料 中有电流流过
电阻与材料的性质有关，还与材料的长度 及截面积有关
电阻率只与材料本性有关，而与导体的几何 尺寸是无关，作为评定导电性的基本参数
纳米材料的电学性质研究及应用
纳米材料的电学性质研究及应用纳米材料是一种新型材料，因其特殊的尺寸效应和表面效应，具有与宏观尺寸材料不同的物理、化学和电学性质。
在过去的几十年中，纳米材料的研究和应用已经取得了长足的进展。
其中，纳米材料的电学性质研究及应用是一个重要的研究方向。
一、纳米材料的电学性质研究纳米材料的电学性质与其尺寸和形貌密切相关，主要体现在电阻率、电导率、介电常数、电荷密度等方面。
1. 电阻率随着材料尺寸的不断减小，纳米材料中电子与原子间的散射减少，导致电子传输的流动路径减短，使电阻率降低。
同时，纳米材料还存在量子尺寸效应和界面效应等因素，使其电阻率表现出复杂的尺寸依赖性。
例如，在纯银的纳米线中，当直径小于50nm时，电阻率随直径增加而降低，但当直径小于10nm时，电阻率开始升高。
2. 电导率纳米材料的电导率与电阻率有相似的尺寸依赖性。
当材料尺寸减小到一定大小时，电导率会发生突变。
这是因为纳米材料中的电子受到晶格的限制，不再能够自由运动，从而阻碍了电子的导电。
3. 介电常数介电常数主要与材料的极化和导电性质有关。
随着尺寸的减小，纳米材料中电子的极化效应和界面效应越来越明显，从而导致介电常数的改变。
例如，在氧化锌的纳米晶体中，当粒径小于50nm时，介电常数会出现明显增加。
4. 电荷密度纳米材料的电荷密度与其表面形貌和化学成分有关。
在纳米颗粒表面，由于分子结构的改变和表面能的变化，通常会出现电子传输发生和化学反应发生的巨大变化。
以上是纳米材料电学性质的主要特征，而在实际应用中，更多的是关注纳米材料的电学性质所带来的一系列重要应用。
二、纳米材料的电学性质应用纳米材料的电学性质研究为其应用提供了重要的理论基础，同时也使得其应用领域更加广泛。
1. 生物医学纳米材料的电学性质具有较高的生物相容性和生物可降解性，可以在生物医学领域中应用。
例如，利用吸附纳米颗粒的特殊表面性质，可以研制出用于医学影像学和肿瘤治疗的纳米颗粒。
2. 能源存储纳米材料的电学性质能够提高电化学能量储存和释放的效率，因此在能源存储领域中有重要应用。
材料电学性能
高分子材料的电学性能高分子092班学号:5701109061 姓名:林尤琳摘要：种类繁多的高分子材料的电学性能是丰富多彩的。
多数聚合物材料具有卓越的电绝缘性能，其电阻率高、介电损耗小，电击穿强度高,加之又具有良好的力学性能、耐化学腐蚀性及易成型加工性能,使它比其他绝缘材料具有更大实用价值，已成为电气工业不可或缺的材料。
关键词：高分子材料电学性能静电导电介电常数高分子材料的电学性能是指在外加电场作用下材料所表现出来的介电性能、导电性能、电击穿性质以及与其他材料接触、摩擦时所引起的表面静电性质等。
电学性能是材料最基本的属性之一，这是因为构成材料的原子和分子都是由电子的相互作用形成的,电子相互作用是材料各种性能的根源.电子的微观相互作用同时是产生材料宏观性能，包括电学性能的微观基础。
在电场作用下产生的电流、极化现象、静电现象、光发射和光吸收现象都与其材料内部的电子运动相关。
深入、系统了解材料的电学性能在材料的制备、应用等方面都具有非常重要的意义。
（1）一、聚合物的介电性介电性是指高聚物在电场作用下，表现出对静电能的储存和损耗的性质。
通常用介电常数和介电损耗来表示。
（2)根据高聚物中各种基团的有效偶极距μ，可以把高聚物按极性的大小分成四类:非极性（μ＝0)：聚乙烯、聚丙烯、聚丁二烯、聚四氟乙烯等弱极性（μ≤0。
5):聚苯乙烯、天然橡胶等极性（μ＞0。
5）：聚氯乙烯、尼龙、有机玻璃等强极性（μ＞0.7）:聚乙烯醇、聚酯、聚丙烯腈、酚醛树脂、氨基塑料等聚合物在电场下会发生以下几种极化:（1）电子极化,(2）原子极化，(3）偶极极化.聚合物的极化程度用介电常数ε表示式中：V为直流电压；Qo、Q分别为真空电容器和介质电容器的两极板上产生的电荷；Q’为由于介质极化而在极板上感应的电荷.非极性分子只有电子和原子极化,ε较小;极性分子除有上述两种极化外，还有偶极极化,ε较大。
此外还有以下因素影响ε：（1)极性基团在分子链上的位置。
大连理工大学 材料科学导论 第二章 材料“四要素”是材料研究与应用的共性基础答案
第二章材料科学与工程的四个基本要素作业一第一部分填空题（10个空共10分，每空一分）1．材料科学与工程有四个基本要素，它们分别是：使用性能、材料的性质、结构与成份和合成与加工。
2．材料性质的表述包括力学性质、物理性质和化学性质。
3．强度可以用弹性极限、屈服强度和比例极限等来表征。
4．结构材料三类主要的失效形式分别是：断裂、磨损和腐蚀。
5．材料的结构包括键合结构、晶体结构和组织结构。
6．晶体结构有三种形式，它们分别是：晶体、非晶体和准晶体。
7．化学分析、物理分析和谱学分析是材料成分分析的三种基本方法。
8．材料的强韧化手段主要有固溶强化、加工强化、弥散强化、第二相强化和相变增韧。
第二部分判断题（10题共20分，每题2分）1．材料性质是功能特性和效用的描述符，是材料对电、磁、光、热、机械载荷的反应。
（√）2．疲劳强度是材料抵抗交变应力作用下断裂破坏的能力。
（√）3．硬度是指材料在表面上的大体积内抵抗变形或破裂的能力。
（错）4．性能是包括材料在内的整个系统特征的体现；性质则是材料本身特征的体现。
（√）5．晶体是指原子排列短程有序，有周期。
（错）6．材料的热处理是指通过一定的加热、保温、冷却工艺过程，来改变材料的相组成情况，达到改变材料性能的方法。
（√）7．材料表面工程包括表面改性和表面保护两个方面。
（错）8．材料复合的过程就是材料制备、改性、加工的统一过程。
（√）9．材料合成与加工过程是在一个不限定的空间，在给定的条件下进行的。
（错）10．材料中裂纹的形成和扩展的研究是微观断裂力学的核心问题。
（√）第三部分简答题（4题共40分，每题10分）1．材料性能的定义是什么？答：在某种环境或条件作用下，为描述材料的行为或结果，按照特定的规范所获得的表征参量。
2．金属材料的尺寸减小到一定值时，材料的工程强度值不再恒定，而是迅速增大，原因有哪两点？答：1）按统计学原理计算单位面积上的位错缺陷数目，由于截面减小而不能满足大样本空间时，这个数值不再恒定；2）晶体结构越来越接近无缺陷理想晶体，强度值也就越接近于理论强度值。
纳米材料的电学特性
温度有关的一个电阻值。
金属导电的理论的发展
• 经典自由电子理论 • 量子自由电子理论 • 能带理论
kz
O
ky
kx
图5-1-1 状态代表点在k空间中的分布
f(E)—E的关系曲线
能带理论
• 上世纪30年代初布洛赫和布里渊等人研究了周期 场中运动的电子性质，为固体电子的能带理论奠 定了基础。
• 能带论是以单电子在周期性场中运动的特征来表 述晶体中电子的特征，是一个近似理论，但对固 体中电子的状态作出了较为正确的物理描述。
• 两种近似方法——近自由电子近似和紧束缚近似。
近自由电子近似理论
• 零级近似时，用势场 V(r) 平均值代替弱周期场 V(x)；
• 所谓弱周期场是指比
较小的周期起伏做为
纳米材料对离子电导的影响
➢热缺陷的运动； ➢间隙离子的电导率：
=Asexp[-(E2 +Es/2)/ kBT]= Asexp[-Ws/kBT] ➢ 扩散：
=D×nq2/kT
电子导电
• 按导电性能分为： 导体（包括超导体），半导体和绝缘体
金属的导电性质的理论解释： ➢ 电流随电压成正比增加（欧姆定律）； ➢ 纯金属室温电导率为10-5Ω·cm量级； ➢ 高温（德拜温度以上），电阻随温度成正比上升，
• 温度 • 应力 • 冷加工变形 • 合金元素及相结构
纳米材料对于电子电导的影响
• 能带 • 载流子散射
纳米材料的电学特性
同一种材料，当颗粒达到纳米级时，它的电阻、电阻温度 系数都会发生变化。如银是良导体，但是10-15nm大小的银 颗粒的电阻会突然升高，失去金属的特征；对于典型的绝 缘体氮化硅、二氧化硅等，当其颗粒尺寸小到15-20nm 时， 电阻却大大下降使它们具有导电性能。
材料的电化学性质和应用
材料的电化学性质和应用材料的电化学性质是指材料表面与电解质之间的电荷转移反应和电流传导特性。
这些性质对于材料的应用具有重要的影响。
本文将介绍材料的电化学性质以及相关的应用。
一、电化学性质1. 氧化还原反应氧化还原反应是指材料通过释放或吸收电子以改变其氧化态的过程。
这种反应在电池、电解和电化学传感器等领域广泛应用。
举例来说，锂离子电池中的正极材料在充电过程中发生氧化反应，而在放电过程中发生还原反应。
2. 电化学腐蚀电化学腐蚀是指材料在电解质溶液中受到电流作用导致的腐蚀现象。
金属材料的电化学腐蚀产生的电流可以通过合适的处理方式用于电化学能源的收集或电化学传感器的传感。
例如，锌电池中的锌作为负极，在电池工作时发生电化学腐蚀反应。
3. 电化学活性材料的电化学活性是指在电解质中观察到的电化学反应的程度。
一些金属氧化物和金属氢氧化物材料具有优良的电化学活性，可以作为电极催化剂用于电池和电解过程中。
此外，电解质用于电池和超级电容器等电化学设备时也需要考虑材料的电化学活性。
二、应用1. 锂离子电池锂离子电池是一种常见的可充电电池，广泛应用于移动电子设备和电动汽车等领域。
材料的电化学性质对锂离子电池的性能和循环寿命具有重要影响。
正极和负极材料需要具有较高的电化学活性，以实现高放电容量和长循环寿命。
2. 电解水产氢电解水产氢是一种清洁能源技术，该过程通过将水分解为氢气和氧气，以实现能源的转化和储存。
在电解过程中，使用材料具有较好的电导率和化学稳定性非常重要。
电解水产氢技术有望在未来能源领域发挥重要作用。
3. 电化学传感器电化学传感器可以通过监测电流、电压和电化学反应来检测分析样品中的物质浓度。
这些传感器广泛应用于环境监测、生物医学诊断和食品安全等领域。
电化学传感器使用特定的材料作为感测元件，该材料对目标物质具有较高的选择性和灵敏性。
4. 腐蚀防护电化学腐蚀是一种常见的材料损坏方式，因此对于一些重要设备和结构物来说，腐蚀防护非常重要。
材料的电学性质
放电击穿（化学击穿）：聚合物表面和内部气泡的介电强度远低于材料本身，在高电压电场作用下，首先电离放电，产生的热量、气氛如臭氧O3使聚合物降解、氧化、老化，反复放电使材料侵蚀加深，最终导致击穿。击穿通道往往呈树枝状。
银 铜，工业纯 金 铝, 工业纯 Al-1.2%,Mn 合金 钠 钨， 工业纯 黄铜（70%Cu-30%Zn 镍,工业纯 纯铁,工业纯 钛,工业纯 不锈钢，301型 镍铬合金 (80%Ni-20%Cr）
6.3*107 5.85*107 4.25*107 3.45*107 2.96*107 2.1*107 1.77*107 1.66*107 1.46*107 1.03*107 0.24*107 0.14*107 0.093*107
聚合物的导电性与分子结构
电荷转移络合物和自由基-离子化合物具有高电导性：聚2-乙烯基吡啶-碘的电导率约0.1W-1·m-1；
有机金属聚合物金属离子引入聚合物主链，具有更高的电导率，聚酞菁铜电导率约5W-1·m-1。
壹
贰
聚合物的导电性与分子结构
在外场(电场、力、温度)作用下，电介质分子或其中某些基团中电荷分布发生的变化称极化。
发现并发展了导电聚合物 2000年诺贝尔化学奖获得者
白川英树
Hideki Shirakawa 1/3 of the prize Japan University of Tsukuba Tokyo, Japan b. 1936
Alan G. MacDiarmid 1/3 of the prize USA University of Pennsylvania Philadelphia, PA, USA b. 1927
材料的电学性能课件
电介质的损耗
电介质损耗
电介质在电场作用下，由于电导和极化的原因，将电能转换为热 能的现象。
损耗与电介质性能的关系
损耗的大小反映了电介质的导电和极化能力，是评估电介质性能的 重要参数。
损耗的测量方法
通过测量电介质在交流电场下的功率损耗或相位角来计算。
电介质的击穿
01
02
03
击穿
当电场强度足够高时，电 介质丧失其绝缘性能的现 象。
热电材料的应用
温差发电
利用热电材料将热能转 化为电能。
温度传感器
利用热电材料对温度的 敏感性，检测温度变化
。
热电制冷
利用热电材料的皮尔兹 效应实现制冷效果。
航天器热控
利用热电材料调节航天 器内部温度。
热电材料的发展趋势
高性能热电材料研究
提高热电材料的转换效率，降 低成本。
多功能化
开发具有多种功能的热电材料 ，如导热、导电、发光等。
材料的电学性能研究历史与现状
材料的电学性能研究始于19世纪初， 随着电子学的兴起和发展，逐渐成为 一门独立的学科。
随着新材料和新技术的发展，材料的 电学性能研究将不断深入，为电子器 件和集成电路的发展提供更多的理论 和技术支持。
目前，材料的电学性能研究已经取得 了长足的进展，涉及的研究领域不断 扩大，研究手段和方法也日益丰富和 先进。
材料的电学性能课件
目录
CONTENTS
• 引言 • 材料的导电性能 • 材料的介电性能 • 材料的磁学性能 • 材料的铁电性能 • 材料的热电性能
01 引言
材料的电学性能定义
材料的电学性能是指材料在电场 作用下的各种物理性质，包括导 电性、电阻、电导率、电场效应
铁电材料的物理和电学性质
铁电材料的物理和电学性质铁电材料是一种具有独特电学性质的物质，它具有正向和负向极性，可以被外电场极化，在电场消失之后仍然保持极化状态，这种性质被称为铁电性。
铁电性可以通过多种方式实现，其中最常见的是通过铁电相变来实现。
在铁电相变时，材料的结构会发生改变，以获得稳定的铁电垂直于极化方向的极化矢量。
铁电材料的极化与其晶格的偏移量相关，因此极化方向和大小可以通过应用电场和机械应力来调节。
铁电材料的性质既具有物理特性又有电学特性。
在物理特性方面，铁电材料的极化是一种固有的性质，可以导致很多有趣的现象。
例如，当铁电材料放置在两块不同温度的金属板之间时，其中一个金属板发生热膨胀，将铁电材料压缩，这时铁电材料的极化发生了改变，导致其在两极之间产生电势差，从而引发电荷的传输。
在电学特性方面，铁电材料的电极化状态可以用来制造电力装置。
铁电材料中的极化状态可以通过正向或负向的电场来控制，这种电场控制的电极化状态被称为铁电电容效应。
铁电材料的铁电电容效应是另一种利用铁电性制造转换电能和机械能的方法。
铁电材料的另一个重要特性是压电性。
当铁电材料受到机械应力时，它会产生电势差，这种现象被称为压电效应。
压电材料广泛用于储存、传输和转换机械能。
在实际应用中，铁电材料已被广泛应用。
例如，在电容器和传感器中，铁电材料可以用作感应器，因其快速响应和可重复使用的特性。
与传统电容器相比，铁电电容器的极化状态更容易经受一定的经历，而不必担心因经历次数过多而发生极化效应的损坏。
另外，在新型手机的触控屏幕、存储器中也使用了铁电材料，因为其可靠性、容差度和快速响应速度。
总的来说，铁电材料的物理和电学性质以它独特的极化性为基础，不仅可以应用于各种电力装置中，也可以用于传感器和高性能存储器中，并且铁电材料的应用空间之广将会涉及更多的领域。
第一章 金属材料电学性能
一价金属的neff
比二、三价金 属多，因此一 价金属的导电 性好
马基申定则
T
声子散射和电子散射 （与温度成正比）
电子在杂质和缺陷上的 散射（与温度无关）
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）
和杂质浓度引起的电阻（与温度无关）
三、冷加工变形的影响
室温下部分金属/合金经相当大的冷加工变形后 电阻率的变化 金属/合金 铁、铜、银、铝等 钼 钨 单相固溶体 有序固溶体 电阻率增量 2% ~ 6% 15% ~ 20% 30% ~ 50% 10% ~ 20% 100%
三、冷加工变形的影响
电阻率增大的原因 晶体点阵畸变增加 点 阵 电 场 不 均 匀 电 子 散 射 加 剧
例如，一个原子的2s轨道只能有一个能级，可以
容纳2个电子。2p轨道则有3个能级，一共可以容 纳6个电子。
电子数量增加时能级扩展成能带
能带结构中的有关概念
允带
电子可以具有的能级所组成的能带
满带
一个能带中的各能级都被电子填满
空带
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
金属材料显微结构与物理性能
总学时 48
金属材料显微结构 32 物理性能 16
考试所占比例
金属材料显微结构 ~67% 物理性能 ~33%
成绩构成
平时成绩 30% 考试成绩 70%
教材及参考资料
教材
陈騑騢，材料物理性能，机械工业出版社，2006
参考书
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，1981 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，2013 郑冀，材料物理性能，天津大学出版社，2008
pi材料介电常数
pi材料介电常数
“Pi材料介电常数”——也就是pi材料的电学性质之一，是指
一种具有高介电常数和低介电损耗的材料。
简单来说，介电常数是指任何物质在电场下的电学响应能力，是
衡量材料电性能的一个指标。
在自然界中，绝大部分物质的介电常数
都是大于1的，且在低频率下介电常数通常都比较小。
而pi材料介电常数与众不同，它的介电常数可以达到更高的数值。
常见的pi材料的介电常数在2.8-15.9之间，甚至最高可达28.5。
这也是pi材料被广泛应用于电子领域的原因之一。
那么，pi材料具有如此高的介电常数，是怎么做到的呢？
原理其实很简单：pi材料的分子结构与普通材料不同，它的分子中包含了苯环，呈π-共轭结构。
这种结构使得pi材料的分子之间可
以发生较大的极化，从而使得介电常数显著升高，进而发挥出良好的
电学性能。
除了高介电常数外，pi材料的低介电损耗也是很值得关注的性质。
介电损耗，即介质在电场中能量的损耗，是一个衡量材料电性能好坏
的重要指标之一。
低介电损耗使得pi材料在高频率下有较好的电学性
能表现，也成为pi材料在通信、雷达、医疗等领域应用的重要原因。
综上所述，pi材料介电常数的高低、介电损耗的大小，对于pi
材料在电子领域的应用影响深远。
在未来，pi材料有望在新型电子器
件中发挥出更大的作用。
超导电学解析超导材料的电学性质
超导电学解析超导材料的电学性质超导电学是研究超导材料的电学性质和应用的学科。
超导材料是一种特殊的材料，在低温条件下能够以极低的电阻传导电流，表现出超导现象。
超导现象的产生与材料的电学性质密切相关，本文将从电阻、电流传输、磁场响应等方面分析超导材料的电学性质。
1. 电阻的突变超导材料的最显著标志是其在临界温度(Tc)以下，电阻突变为零。
这是由于超导材料中的电子形成了库珀对，库珀对是一对自旋相反的电子。
在常温下，由于存在散射等原因，电子运动受到阻碍，从而导致电阻。
然而，在低温下，由于库珀对间的库伯势引力，电子形成了强耦合的状态，电子之间的散射减少，电流的流动几乎没有阻碍，所以电阻趋于零。
2. 电流传输超导材料的电流传输具有独特的特点。
在材料的超导态下，电流能够不受任何阻碍地传输，形成超导电流。
超导电流具有零电阻和无漂移的特点，能够在材料内部自由流动。
这使得超导材料在电力输送和电子器件方面有着重要的应用前景。
3. 磁场响应超导材料的电学性质与外加磁场密切相关。
在外加磁场作用下，超导材料会出现磁通量量子化的现象。
磁通量量子是磁感应强度在特定条件下的量子化表现，超导材料在磁场中形成磁通量束缚线，这些束缚线上存在着磁通量量子。
当超导材料受到外加磁场的影响超过一定的临界值时，超导态将被破坏，材料会从超导态转变为正常态。
4. 超导材料的应用超导材料的电学性质为其在许多领域的应用提供了基础。
超导线圈作为强磁场的产生源被广泛应用于MRI医学成像、核磁共振等领域。
超导电缆可以实现高能电力输送，提高电力传输效率。
超导器件在计算机、通信等领域具有重要的应用价值。
总结：超导电学是研究超导材料电学性质的学科，超导材料呈现出电阻突变为零的特点，电流传输无阻碍且无漂移，而且在外加磁场作用下会出现磁通量量子化现象。
超导材料的电学性质为其在医学成像、电力传输和通信等领域的应用提供了基础。
通过对超导材料电学性质的深入理解和研究，可以进一步推动超导技术的发展和应用的拓展。
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平均漂移速度（drift velocity）ν，m/s
11
•影响电子电导率的因素： 温度、杂质、缺陷
(A)声子对迁移率的影响,可写成
μL=aT-3/2
(B)杂质离子对迁移率的影响,可写成
μI=bT3/2
12
单质金属中主要是电声子相互作用,电导率的温 度关系为
Ub h
Ub
U
37
聚合物的介电击穿机理
• 本征击穿：在高电压电场作用下，聚合物中微量杂质产生的离子
或电子被电场加速沿电场方向作高速运动，与大分子碰撞激发新的电 子，新的电子获得能量由激发更多的电子，恶性循环的结果导致击穿。 其主要影响因素是聚合物的结构与电场强度，与冷却条件、外加电压 方式（持续或脉冲）和时间及试样的厚度无关。
0 2
1 2 2
tan = " (0 )
' 0 2 2
'
m
1
m
1
0
" tan
" m
" tan
tan m
log 33
温度对介电损耗的影响
• 温度很低时，聚合物粘度很大，极化 "
时间长，偶极转向困难，跟不上电场
变化，e’、e”都很小；
• 温度升高，粘度减小，偶极可以转向 但跟不上电场变化， e’、e”都增大；
• 电压的影响： – 电压增大，一方面使极化增大，另一方面使电导 电流增大，都造成介电损耗增大
35
其他影响介电损耗的因素
• 增塑剂的影响： – 加入非极性增塑剂使介电损耗峰向低温方向移动 （在较低温度下就出现较大的介电损耗）； – 加入极性增塑剂使介电损耗增加，浓度增加也使 损耗峰移向低温方向
• 杂质的影响： – 导电杂质或极性杂质的存在会增加聚合物的电导 电流和极化率，使介电损耗增加
17
聚乙炔，其掺杂的电导率大幅度提高，掺杂到 6.67%时，能隙将消失。
18
共轭
图 3 三维、二维和一维碳化合物材料
19
聚乙炔链上的共轭缺陷（载流子） 20
1.什么是传统机械按键设计？
传统的机械按键设计是需要手动按压按键触动PCBA上的开关按键来实现功 能的一种设计方式。
传统机械按键结构层图：
Σ （Ω-1.m-1）
105 (平均) 10 2.2 4.3*10-4 10-7-10-11 <10-10 10-10-10-12 10-11-10-15 〈10-12 10-12-10-15 〈10-14 〈10-14 〈10-14 〈10-16 〈10-16 9
载流子的定义
电流载体，称载流子。 载流子指可以自由移动的带有电荷的物质 微粒，如电子和离子。
• 聚合物中导电载流子可以是电子、空穴，也可以是 正离子、负离子。
• 多数聚合物中存在离子电导：
– 带有强极性基团的聚合物发生本征离解产生电导离子； – 聚合、加工过程中引入的催化剂、添加剂、填料、水份及
其他杂质也可提供导电离子
• 共轭聚合物、聚合物的电荷转移络合物、聚合物的 自由基-离子化合物及有机金属聚合物等具有强的电 子电导。
T/2
T
t
t
32
介电损耗的表征
• 类似交变应力中的复数模量，交变电场中的介电常数是复 数介电常数，由实部e’（近似实测的介电常数）和虚部e” （介电损耗因素）组成，相位差称介电损耗角d，是每周 期内介质损耗的能量与介质贮存的能量的比值。
* ' i" '
0
'
=
0
1
2 2
" = (0 )
6.3*107 5.85*107 4.25*107 3.45*107 2.96*107 2.1*107 1.77*107 1.66*107 1.46*107 1.03*107 0.24*107 0.14*107 0.093*107
石墨
SiC 锗，纯 硅，纯 苯酚甲醛（电木） 窗玻璃 氧化铝（Al2O3） 云母 甲基丙烯酸甲酯 氧化铍（BeO） 聚乙烯 聚苯乙烯 金刚石 石英玻璃 聚四氟乙烯
tan"
T
27
介电常数
C Q
C0 Q0
介电常数e 是衡量电介质极化的宏观物理量，表征电介 质贮存电能的能力。 聚合物的介电常数在1.8～8.4之间，多数为2～4。
28
聚合物的介电常数
• 介电常数决定于介质的极化，而极化与介质的分 子结构及其所处的物理状态有关。
• 介质极化中取向极化的贡献最大。 • 介电常数成为分子极性大小的衡量。
• 热击穿：在高电压电场作用下，介电损耗产生的热量来不及散发，
使聚合物温度升高，导致电导率升高，产生更多热量，恶性循环的结 果导致聚合物的氧化、熔融和焦化以致击穿。热击穿电压与环境温度、 散热条件、加压时间和升压速度有关。
31
介电损耗与频率的关系
• 频率很低时：偶极子的取
向跟得上电场的变化，电
场能量几乎不损耗；
0
• 频率中等时：偶极子的取
向受到摩擦阻力的影响，
落后于电场的变化，在电
场作用下发生强迫运动，
电场能量损耗很大；
0
• 频率很高时：偶极子完全 跟不上电场的变化，取向
极化几乎不发生，电场能 量的损耗又降低。
Eletronic field Polarization
University of Pennsylvania Philadelphia, PA, USA b. 1927
白 川 英 树
Hideki Shirakawa 1/3 of the prize Japan
University of Tsukuba Tokyo, Japan b. 1936
16
1974年，白川英树等人用Ziegler-Natta催化剂制备聚乙炔薄膜 铜色（cis-，电导率10－8～10－7 S·cm－1） 银色（trans-，电导率10－3～10－2 S·cm－1）
36
介电击穿现象与介电强度
• 在高电压下，大量电能迅速释放， 电极之间的材料局部被烧毁，材 I 料从介电状态突然变成导电状态， 称介电击穿。 dU/dI=0时的电压称 击穿电压，记作Ub。
• 介h之电比强，度即Eb材是料材能料长击期穿承电受压的与最厚大度
场强，也称击穿场强，单位为 MV/m。
0
Eb
第六章 材料的物理性能
• 三、材料的电学性质 • 四、材料的磁学性质
1
三、材料的电学性能
•直流电场 •交变电场——介电性质
介电常数的定义，交变电场中的介电损耗的成因及 影响因素
•弱电场 ——导电性质
电导率和电阻率的定义、载流子定义、电导率的基 本参数及影响因素，超导电性的定义、超导体的特性
•强电场 ——击穿现象 •材料表面——静电现象
15
发现并发展了导电聚合物 2000年诺贝尔化学奖获得者
Alan J. Heeger 1/3 of the prize USA
University of California anta Barbara, CA, USA b. 1936
Alan G. MacDiarmid 1/3 of the prize USA
24
聚合物的导电性与分子结构
• 电荷转移络合物和自由基-离子化合物具有高电导 性：聚2-乙烯基吡啶-碘的电导率约0.1W-1·m-1；
• 有机金属聚合物金属离子引入聚合物主链，具有 更高的电导率，聚酞菁铜电导率约5W-1·m-1。
25
3.2 极化与介电现象
• 在外场(电场、力、温度)作用下，电介质分子或 其中某些基团中电荷分布发生的变化称极化。
σ∝T-1。 半导体和绝缘体的电导率随温度变化以指数函数 增大
σ=σ0exp(-Eg/2kT)
13
•影响离子电导率的因 素 • 温度 • 晶体结构 • 晶格缺陷
14
聚合物的电导性 结构型 高分子本身导电 添加型 高分子中添加导电材料
1977年， Heeger 、MacDiarmid 和白川英树发现当聚 乙炔薄膜用Cl2、Br2或I2蒸气氧化后，其电导率可提高 几个数量级。 通过改变催化剂的制备方法和取向，电导率可达105 S·cm－1。（Cu为108 S·cm －1 ）。
正、负电荷中心间的距离r和电荷中心所带电量q的乘积， 称偶极矩μ=r×q
30
介电损耗
• 电介质在交变电场中由于消耗一部分电能而介 质本身发热的现象称介电损耗。
• 产生介电损耗的原因：
– 电介质中含有载流子，在外电场作用下产生电导 电流消耗掉部分电能转化为热能，称电导损耗；
– 电介质的取向是一个松弛过程，取向时，部分电 能损耗于克服介质的内滞阻力上转化为热能，发 生松弛损耗。
• 在外电场的作用下，由于分子极化引起的电能的 贮存和损耗称介电；相应的性质称介电性。
• 在外力电场的作用下产生的极化称介电极化，包 括电子极化、原子极化、取向极化、界面极化等。
26
聚合物中的极化现象
• 聚合物中的偶极极化其 本质与小分子相同，但 因具有不同运动单元的 取向而使完成取向极化 的时间范围变得很宽， 与力学松弛时间谱类似， 称介电松弛谱。
电导G： G 1 I
RU
•电导率
•(1) 表征材料导电性的大小。 单位：S. m-1, （Ω.m）-1
•⑵ 根据电导率对材料的分类
6
材料的分类及其电导率
材料
电阻率
电导率
超导体 导体
半导体 绝缘体
0 10-8-10-5 10-5-107 107-1018
∞ 105-108 10-7-105 10-18-10-7
按键
PCBA