第六章 材料的电学性能与检测
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。
材料的电学性能分析课件
电容和电感的应用
1. 电容的应用
电容在各种电子设备和系统中都有应用，如滤波器、耦合器、去耦电路、调谐器等。电容还可以用于储能和缓冲 ，例如在闪光灯中用于提供瞬时大电流。此外，电容传感器在测量位移、压力、温度等方面也有广泛应用。
电感的应用
电感在变压器、扼流圈、振荡器等电子设备和系统中有着广泛的应用。电感还可以用于信号筛选和抑制电磁干扰 。例如，在音频设备中，电感常用于低音提升电路来调整低频信号的幅度。此外，电感在电机控制、电磁阀等工 业控制领域也有着重要的应用。
金属的导电能力与其纯度、温 度、金属的种类等因素有关。
绝缘体的导电性
绝缘体通常具有较高的电阻，其导电 能力非常有限。
在特定条件下，绝缘体也可以转变为 导体，这种现象称为“导电性转变” 。
绝缘体的导电性能与其内部结构、分 子排列、电子亲和力等因素有关。
半导体的导电性
半导体的导电能力介于金属和绝 缘体之间，其电阻率可在较大范
电容和电感测量实验
总结词
电容和电感是表征材料存储电荷和传来自 磁场的能力的参数，通过电容和电感测 量实验可以深入了解材料的电磁性能和 物理性质。
VS
详细描述
在电容和电感测量实验中，通常采用电桥 法或交流阻抗谱法来测量材料的电容和电 感。该实验可以在不同温度、不同频率等 条件下进行，以研究材料电磁性能的变化 规律。此外，通过对比不同材料之间的电 容和电感差异，可以深入了解材料的物理 性质和潜在应用价值。
绝缘强度
衡量电介质在一定电场强度下保持绝 缘性能的能力，主要包括耐压强度、 漏电流和电气间隙等参数。
电介质的应用
电容器
利用电介质的介电常数来 储存电能，广泛用于电子 设备和电力系统中的滤波 、耦合和去耦等场合。
材料的电学性能测试
材料科学实验讲义(一级实验指导书)东华大学材料科学与工程中心实验室汇编2009年7月一、实验目的按照导电性能区分，不同种类的材料都可以分为导体、半导体和绝缘体三大类。
区分标准一般以106Ω⋅cm和1012Ω⋅cm为基准，电阻率低于106Ω⋅cm称为导体，高于1012Ω⋅cm称为绝缘体，介于两者之间的称为半导体。
然而，在实际中材料导电性的区分又往往随应用领域的不同而不同，材料导电性能的界定是十分模糊的。
就高分子材料而言，通常是以电阻率1012Ω⋅cm为界限，在此界限以上的通常称为绝缘体的高分子材料，电阻率小于106Ω⋅cm称为导电高分子材料，电阻率为106 ～1012Ω⋅cm常称为抗静电高分子。
通常高分子材料都是优良的绝缘材料。
通过本实验应达到以下目的：1、了解高分子材料的导电原理，掌握实验操作技能。
2、测定高分子材料的电阻并计算电阻率。
3、分析工艺条件与测试条件对电阻的影响。
二、实验原理1、电阻与电阻率材料的电阻可分为体积电阻(R v)与表面电阻(R s)，相应的存在体积电阻率与表面电阻率。
体积电阻：在试样的相对两表面上放置的两电极间所加直流电压与流过两个电极之间的稳态电流之商；该电流不包括沿材料表面的电流。
在两电极间可能形成的极化忽略不计。
体积电阻率：在绝缘材料里面的直流电场强度与稳态电流密度之商，即单位体积内的体积电阻。
表面电阻：在试样的某一表面上两电极间所加电压与经过一定时间后流过两电极间的电流之商；该电流主要为流过试样表层的电流，也包括一部分流过试样体积的电流成分。
在两电极间可能形成的极化忽略不计。
表面电阻率：在绝缘材料的表面层的直流电场强度与线电流密度之商，即单位面积内的表面电阻。
体积电阻和表面电阻的试验都受下列因素影响：施加电压的大小和时间；电极的性质和尺寸；在试样处理和测试过程中周围大气条件和试样的温度、湿度。
高阻测量一般可以利用欧姆定律来实现，即R=V/I。
如果一直稳定通过电阻的电流，那么测出电阻两端的电压，就可以算出R的值。
材料的电学性能测试实验报告
材料的电学性能测试,实验报告实验报告：材料的电学性能测试一、引言材料的电学性能是决定其在不同应用中的关键因素。
本实验报告主要介绍几种基本的电学性能测试方法，包括电阻率测试、绝缘电阻测试和介电常数测试，并通过具体实验示例对这些方法进行详细阐述。
二、实验材料与方法1.电阻率测试电阻率是衡量材料导电性能的参数，可通过四探针法进行测量。
四探针法的基本原理是：当四个探针在材料上施加一定的电流时，通过测量两对探针之间的电压降，可以计算出材料的电阻率。
2.绝缘电阻测试绝缘电阻是衡量材料绝缘性能的重要参数，可采用直流电压源和电流表进行测量。
基本原理是：在材料两端施加一定的直流电压，然后测量流过材料的电流大小，通过计算可得材料的绝缘电阻值。
3.介电常数测试介电常数是衡量材料介电性能的参数，可采用LCR数字电桥进行测量。
LCR数字电桥具有测量精度高、读数稳定等优点。
基本原理是：在材料上施加一定频率的交流电压，测量通过材料的电流及相位差，通过计算可得材料的介电常数值。
三、实验结果与分析1.电阻率测试结果与分析在本次实验中，我们选取了铜、镍和铝三种材料进行电阻率测试。
实验结果表明，铜的电阻率最低，具有良好的导电性能；而铝和镍的电阻率较高，相对而言导电性能较弱。
2.绝缘电阻测试结果与分析在本次实验中，我们选取了聚乙烯、聚氯乙烯和橡胶三种材料进行绝缘电阻测试。
实验结果表明，橡胶的绝缘电阻最高，具有最好的绝缘性能；而聚乙烯和聚氯乙烯的绝缘电阻相对较低，相对而言绝缘性能较弱。
3.介电常数测试结果与分析在本次实验中，我们选取了聚酰亚胺、聚碳酸酯和聚酯三种材料进行介电常数测试。
实验结果表明，聚酰亚胺的介电常数最高，具有较好的介电性能；而聚酯的介电常数相对较低，相对而言介电性能较弱。
四、结论本次实验通过电阻率测试、绝缘电阻测试和介电常数测试三种方法对不同材料的电学性能进行了评估。
实验结果表明：在导电性能方面，铜具有最好的导电性能，而铝和镍相对较弱；在绝缘性能方面，橡胶具有最好的绝缘性能，而聚乙烯和聚氯乙烯相对较弱；在介电性能方面，聚酰亚胺具有较好的介电性能，而聚酯相对较弱。
介绍利用物理实验技术进行材料电学性能测试的方法
介绍利用物理实验技术进行材料电学性能测试的方法材料电学性能测试是材料科学研究中非常重要的一项技术，它可以揭示材料的电导率、介电常数、磁导率等关键参数，为新材料的研发和应用提供支持。
在材料电学性能测试中，物理实验技术起着重要的作用。
本文将介绍利用物理实验技术进行材料电学性能测试的方法。
在材料电学性能测试中，电导率是一个重要的参数。
电导率是材料对电流的导电能力的度量，通常用电阻率的倒数表示。
测量材料的电导率可以使用四探针法。
四探针法是一种非常常用的表征物质导电性能的方法，它利用四根电极测量材料的电阻。
四探针法不仅可以测量材料的电导率，还可以测量材料的电阻率分布，这对于材料的均匀性评估非常重要。
四探针法的原理是通过施加电流和测量电压来计算材料的电阻率。
首先，需要将两根电流探针平行插入材料中，设定电流的大小，并测量两根电压探针之间的电压。
根据欧姆定律，电阻等于电压除以电流。
然后，在已知的电流下，移动两根电阻探针，重新测量电压，以便获取多个电阻值。
最后，通过计算平均电阻和材料的尺寸，可以得出材料的电导率。
除了电导率，材料的介电常数也是电学性能测试中重要的参数之一。
介电常数反映了材料在电场中的响应能力，它可以用来评估材料在特定频率下的电介质能力。
测量材料的介电常数可以使用交流电桥法。
交流电桥法通过测量材料上施加的电压和通过的电流之比，计算出材料的介电常数。
交流电桥法的原理是在一个平衡的电桥中测量电容。
首先，需要将材料作为电容器插入到电桥电路中，然后调整电桥，使其达到平衡状态。
在平衡状态下测量电桥的输出电压和输入电压之比，并利用该比值计算出材料的介电常数。
交流电桥法通过消除电压源和电流源的干扰，使测量更加准确。
另一个重要的材料电学性能是磁导率。
磁导率是材料在磁场中的响应能力的度量，它可以用来评估材料对磁场的导磁性。
测量材料的磁导率可以使用霍尔效应测量法。
霍尔效应测量法利用材料中自由载流子受洛伦兹力作用的现象，通过测量材料横向电压和磁场之间的关系，计算出材料的磁导率。
材料物理性能电学
材料的物理性能和电学性能是研究材料科学中的重要方面。本演示将介绍材 料的物理性能和电学性能，并比较不同材料之间的差异。
材料的物理性能
强度和硬度
了解材料的强度和硬度对于 设计结构和选择适当的材料 至关重要。
导热性和导电性
研究材料的导热性和导电性 有助于理解其在热学和电学 中的应用。
熔点和融化性质
太阳能电池板
光电转换效率高的材料在太阳能 电池板上被广泛应用用于转化太 阳能为电能。
结论和总结
材料的物理性能和电学性能在科学和工程领域中起着重要作用。了解不同材 料的性能有助于选择合适材料并优化电子器件的使用效果。
了解材料的熔点和融化性质 对于探索其用途和加工方式 至关重要。
材料的电学性能
电导率
电导率是材料用于传导电流的能 力，具有广泛的在电子器件中的 应用。
光电转换效率
光电转换效率是材料将光能转化 为电能的能力，对于太阳能电池 等器件至关重要。
介电常数
介电常数决定了材料在电场中的 响应，对于电子器件中的绝缘材 料至关重要。
不同材料的物理性能比较
材料 金属 陶瓷 塑料来自强度 高 中 低硬度 高 很高 低
导热性 好 一般 差
导电性 好 差 差
不同材料的电学性能比较
金属
良好的导电性和导热性使得金 属在电子行业中得到广泛应用。
陶瓷
陶瓷具有优异的绝缘性，用于 制造电容器和高温电子器件。
塑料
塑料的绝缘性能较差，但在低 压电器和电子设备中可用作绝 缘材料。
材料的物理性能对电学性能的影响
1 导热性
材料的导热性能影响电子 器件的散热效果和温度变 化。
2 强度
材料的强度影响电子器件 的结构和可靠性。
材料物理材料的电学性能
编辑版ppt材料物理1来自主要内容6.1 导电性 6.2 超导性 6.3 热传导与热电效应 6.4 材料的介电性能
编辑版ppt
2
6.1 导电性
6.1.1 自由电子近似下的导电 6.1.2能带理论下的导电性 6.1.3导电性与温度的关系 6.1.4电阻率与杂质的关系 6.1.5 霍尔效应 6.1.6电导功能材料
6
实际晶体的电子是以布洛赫波传导，电子的能量分布服从 费米—狄拉克统计。
对于自由电子近似，电子处于
动量空间(Px，Py，Pz)中，从原点
开始，每个体积中依次占有两个电 子，n个电子处于填满球形的状态。
这个球称为费米球，球表面称 为费米面，球表面上的电子能量(最 大的电子能)称为费米能。
自由电子模型的费米球和 费米-狄拉克分布函数
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13
(2)二价元素 IIA 族碱土金属Be, Mg, Ca, Sr, Ba和IIB族Zn, Cd, Hg
价带s 电子充满，应为绝缘体。但在三维晶体，能带交叠， 费米能级以上无禁带，导体。
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14
(3)三价元素 IIIA 族Al, Ga, In, Tl，s电子充满，p电子半充满，导体。
编辑版ppt
7
➢在有限温度下，热激发引起球面混乱，即电子的占有几率 服从费米—狄拉克统计分布：
1 F (E) e(EEF )/ kT 1
➢热激发引起的电子占有几率小于1的能量幅为kT(T＝300K时 为0.025eV)。 ➢费米能为几个ev，因此，即使在有限温度，费米球混乱也只 在最表面。
编辑版ppt
2Lm
2
kF o
d 2E dk 2
dk
2Lm
2
材料的电学性能
电阻的本质 电子波在晶体点阵中传播时，受到散射，从而产 生阻碍作用，降低了导电性。 电子波在绝对零度下，通过一个理想点阵时，将 不会受到散射，无阻碍传播，电阻率为0。
35
能带理论认为：导带中的电子可在晶格中自由运 动——电子波通过理想晶体点阵(0K)时不受散射， 电阻为0——破坏晶格周期性的因素对电子的散射 形成电阻
10
2、迁移率和电导率的一般表达式 物体的导电现象，其微观本质是载流子在
电场作用下的定向迁移。
设单位截面积为 S 1cm2 ，在单位体积 1cm3 内载流子数
为ncm3 ，每一载流子的电荷量为q ，则单位体积内参加导
电的自由电荷为nq 。
11
电导率为 J nqv
EE
令 v E （载流子的迁移率）。其物理意义为载流
(金属的纯度和完整性)
41
理想晶体和实际晶体在 低温时的电阻率－温度 关系
e2n F e2nlF
m mvF
与经典自由电子理论下的电导率的形式相同。但
其豫时中间的、F、平l均F、自vF由分程别和是运费动米速面度附。近的电子的弛
——可以成功地解释一价的碱金属的电导。 但对其他金属，如过渡金属，其电子结构复杂， 电子分布不是简单的费米球，必须用能带理论才 能解释其导电性。
的温度。
在T<<D的低温，有 T5
在2K以下的极低温，声子对电子的散射效应变得很微弱， 电子－电子之间的散射构成了电阻的主要机制，此时有：
T2
理想晶体的电阻总是随温度的升高而升高。
38
定义＝1/lF为散射系数
1
m * vF e2n *lF
1 lF
由于实际材料总是有杂质和缺陷的，所以对实际材 料散射系数可表示为
材料的电学性能测试实验报告
材料的电学性能测试实验报告Title: Experimental Report on Electrical Performance Testing of Materials1. IntroductionThe electrical performance of materials is a crucial factor that determines their suitability for various applications. This experimental report aims to investigate the electricalproperties of different materials by conducting tests such as resistance measurement and dielectric strength analysis. The results obtained will provide valuable insights into the electrical behavior of materials and aid in their selection for different electrical applications.2. Experimental Setup2.1 Materials Selection: Three different materials were chosen for the experiment: copper, aluminum, and rubber. Copper and aluminum were selected due to their widespread use in electrical conductors, while rubber was chosen as an insulating material.2.3 Dielectric Strength Analysis: The dielectric strength of the materials was determined using a high voltage insulation tester. The samples were cut into thin rectangular pieces and the tester applied a progressively increasing voltage until abreakdown occurred. The voltage at breakdown was noted for each material.3. Results and Discussion3.1 Resistance Measurement:3.2 Dielectric Strength Analysis:The breakdown voltage for copper and aluminum was negligible, as they are conductive materials and do not possess a dielectric strength. However, rubber displayed a relatively high breakdown voltage, indicating its suitability as an insulating material.4. Conclusion。
材料性能与测试材料的电性能
2、量子自由电子理论
根本区别是自由电子的运动必须服从量子力学 的规律。电子是费米子，导电的只是费米能级 附近的电子，原子的内层电子保持着单个原子 时的能量状态，价电子按量子化具有不同的能 级电子具有波粒二象性．运动为着的电子作为 物质波，有关系式：
一价金属中自由电子的动能 E
K为波数频率，表征自由电子可能具有的 能量状态参数
11
能带结构:允带和禁带交替，允带中每个能级只能允许有 两个自旋相反的电子存在；满带电子不导电；
空能级：允带中未被填满电子的能级，空能级电子是自 由的，参与导电，称为导带；
周期势场的变化幅度越大，禁带越宽 导体、绝缘体、半导体能带结构特点
图9-4 能带填充情况示意图
12
✓ 导体 允带内的能级未被填满，允带之间没有禁带或允带
图9-2 电场对E－K曲 线的影响
n e2l
ef
F
2m* v
F
2m* v F
2m* v F
n e2l n e2
ef
Hale Waihona Puke Fef缺陷：假设离子势场均 匀，不符合实际
10
3、能带理论
量子自由电子模型与实际情况 有差别，例如：Mg是二价金 属，导电性比一价铜差；另外， 量子力学认为电子有隧道效应， 一切价电子都可以位移，为什 么固体的导电性差别巨大？能 带理论解决；
五、导电性能分类
按照导电性能高低把固态材料分为导体(ρ＜0.01Ω·m)、 半导体(0.01Ω·m＜ρ＜1010Ω·m)、绝缘体(ρ＞ 1010Ω·m)；
5
9.1.2 材料的导电机理
一、 金属及半导体的导电机理
导电理论的发展经历了三个重要阶段：经典电子理
论－量子电子理论－能带理论
材料的电学性能PPT
金属、半导体及绝缘体的比较
导带和价带重叠
半导体的禁带一般小 于 3 eV
绝缘体的禁带一般大于 5 eV
金属
特征：最高占有带仅部分充满，即除了满带外，存在 不满带。
绝缘体
特征：电子恰好填满了最低的一系列能带，能量更高的 能带都是空的，而且禁带很宽（5-10eV）。
半导体
特征：禁带宽度较窄（0.2-3eV）。
✓ 熔点低于任一组分的金属； ✓ 硬度大，耐磨损； ✓ 导电性低于任一组分的金属； ✓ 具有较强的抗腐蚀性。
由于合金的许多优于纯金属的性能，因而在实际应用 中多使用合金。
当施加的电场产生电流时，电流密度J正比于 电场强度E，其比例常数σ即为电导率：
J E
电阻率ρ的倒数σ即为电导率，即σ=1/ρ，电导率 的单位为S/m或Ω-1·m-1。 工程上用相对电导率IACS%= σ/ σCu%表征导体材 料的导电性能。
国际标准软纯铜电导率
导体： ρ <10-3Ω·cm；绝缘体： ρ >108 Ω ·cm； 半导体： ρ 值介于10-3～108 Ω ·cm之间。
金属中的电阻
实际晶体总会有杂质，存在缺陷。传导电子在输
运过程中的散射：
电子—电子(电子散射) 电子—声子(声子散射)
0 K下为 零
基本电阻
电子与杂质原子 残余电阻 电子与晶体点阵静态缺陷的相互作用
理想金属的电阻只与电子散射和声子散射两种机制有关。
导电机制
由经典自由电子理论得到：
由能带理论得到：
ne2
2m
nef e2 2m*
m* 为考虑晶体点阵对电场作用后电子的有效质量 lF 为Fermi面附近电子的平均自由程源自nef e2 2m*
第六章 硅材料的测试与分析
第六章硅材料的测试与分析6．1 硅材料的电学性能测量[4,l0]6．1．1 导电型号导电型号属于硅单晶的常规测量参数之一，通常只需要采用非常简单的设备。
有几种基本方法，可以根据电阻率范围具体选择一种适合的方法。
为了扩大测量范围，在设计导电型号测量仪器时可以将两种或两种以上的方法结合在一台仪器中运用。
1．整流法将一个直流微安表、一个交流电源与半导体上的两个接触点串联起来，如图6．1所示(其中一个触点必须是欧姆接触，另一个是整流接触)，那么直流微安表所指示的电流的方向指示出半导体材料的导电型号。
整流触点通常采用一个金属点接触(探针)即可；欧姆接触点较难处理，经常采用大面积夹紧获得。
三探针结构能消除制备欧姆触点的困难。
在样品表面压以1、2、3顺序的三个探针，在1、2探针间接上交流电源，2、3探针间接以直流微安表，同样可以根据直流微安表所指示的电流方向确定半导体材料的导电型号。
在示波器上观察图形可以检查上述方法的工作状况。
如果图形对称，则说明该方法无效，必须采用其他类型的导电型号测量装置。
引起图形对称的原因可能是由于电阻率非常低，或是由于两个触点具有同样程度的整流效应。
2．热电动势法热探针和N型半导体接触时，传导电子将流向温度较低的区域，使得热探针处电子缺少，因而其电势相对于同一材料上的室温触点而言将是正的。
同样道理，对P型半导体热探针相对室温触点而言将是负的。
热探针的结构可以是将小的加热线圈绕在一个探针的周围，也可用小型电烙铁，如图6．2(a)所示。
此电势差可以用简单的微伏表测量，也可用更灵敏的电子仪器放大后测量。
也可用共线三探针装置测量：让电流在最边上的一个探针1和与其相邻的另一个探针2之间流动，使半导体内产生温度梯度，这样2、3二个探针将处于不同的温度而产生电势差，由此即能判别型号，图6．2(b)是表示这样的装置的草图。
热电动势法测量装置的应用范围一般只限于低阻材料。
如果电阻率足够高，热探针可能使材料处于本征状态。
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
材料的性能及其测试方法
材料的性能及其测试方法材料是指一切由原子或分子组成的实物，本质上分为纯物质和混合物。
材料的性能是指它在某个特定环境中所表现出来的特征或属性，包括力学、光学、热学、电学、化学等各种性能。
这篇文章将介绍一些常见的材料性能及其测试方法。
一、力学性能力学性能包括强度、硬度、韧性、抗疲劳和伸长率等。
强度是指材料抵抗外力破坏的能力，硬度是指材料抵抗表面压力的能力，韧性是指材料抵抗断裂扩展的能力，抗疲劳是指材料在重复受力下不断变形的能力，伸长率是指材料在受一定外力作用下能延伸多少。
他们之间的关系非常复杂，比如如果提高硬度增强抗疲劳性可能会降低，所以工程师在选择材料时需要权衡这些因素。
强度测试是最常见的力学性能测试之一，可以用拉伸试验法、压缩试验法、弯曲试验法等方法进行测试。
拉伸试验法是最常用的一种测试方法，将样品拉伸并在其上施加力，称量材料的抗拉强度和杨氏模量。
弯曲试验法是将样品放置在两个支撑点上并在中间施加力，测试弯曲下的强度和韧性。
在压缩试验法中，将样品放在一个小直径柱子上，施加力来测量它的压缩强度。
硬度是另一种常见的力学性能，可使用两种不同的方法来测试：刮痕压痕硬度和侵入式硬度。
使用刮痕方法来测试材料的硬度，从材料表面划痕并观察其对数，如摩氏硬度测试。
而使用侵入式硬度测试，是指在材料表面施加一定压力，将印记的深度和印记形状用作测量硬度的基准。
韧性和抗疲劳性也可以通过拉伸试验法和机械试验来进行评估。
韧性因材料类型不同而异，例如铝和黄铜比钢更加韧性，也就是说，在减小外力下它们更不容易破裂。
抗疲劳性是指材料在常规操作下不会进一步损坏，例如橡胶不会因为重复弯曲而破裂。
二、热学性能热学性能包括热传导性、比热、热膨胀系数、热导率等性质。
热传导性是指材料在受到温度差异时热量传递的速度，比热是指单位质量的材料升温一度温度需要的热量，热膨胀系数是指材料随着温度的变化引起的尺寸变化，热导率是指单位时间内单位面积的材料传递热量的能力。
第六章 材料的电学性能与检测
1. 电导的宏观参数
管状试样
Rv
r2
r1
r2 dx 1 v v ln 2 xl 2 l r1
1. 电导的宏观参数
圆片状试样
g
圆片试样体积电阻率的测量
1. 电导的物理现象
1.1 电导的宏观参数
V h h Rv v v 2 I S r1
V v h I
l RS S b
1. 电导的物理现象
1.1 电导的宏观参数
圆片试样
I V
r1 a r2 b
r2
g
ρs不反映 材料性质, 它决定于 样品表面 状态,可用 实验得出
dx ln(r2 r1 ) Rs s s 2x 2 r1
2. 无机材料电导的特点 一、多晶多相固体材料的电导
3. 材料电学性能的测试方法
2、冲击检流计法
K合向1，启动秒表计时，经过时间t 后C上的电压和电量分别为：
Uc U (1 e
t RxC
t RxC
)
)
U为直流电源电压 t为充电时间
Q UC (1 e
将Q按级数展开，取第一项，则有
Ut Q Rx Ut Rx Q
当K合向2位时，则有：
它们分别被制成导体合金、电阻和电 热材料、热电和光电材料、半导体材料以 及电介质材料等。特别应当看到的是，作 为20世纪十大发明之一，半导体材料的发 展导致了大规模集成电路的出现，推动了 电子计算机技术的进步，使人类社会的生 产和生活发生了深刻的变化。材料超导电 性的发现和超导材料的进展，又使人们对 获得强磁场和无损耗电机等技术提供了新 的途径。
总之，对于多晶多相陶瓷材料来说，其电 导是各种电导机制的综合作用，但可归纳为正 离子电导率、负离子电导率和电子电导率。
物理实验技术中的材料电子学性能测试方法与技巧
物理实验技术中的材料电子学性能测试方法与技巧材料电子学是研究材料中电子相关性质的学科，它在研究和开发新型材料、改善材料性能以及设计新型电子器件方面具有重要的应用价值。
而在材料电子学研究中，对材料电子性能的测试和测量则是至关重要的一环。
一、电子能带结构测试方法1.1 傅里叶变换红外光谱仪傅里叶变换红外光谱仪可以用于测量材料的红外吸收谱，从而得到材料的电子能带结构信息。
该仪器主要通过对样品吸收红外光谱进行傅里叶变换，得到材料吸收光谱的频率和振幅信息。
通过分析谱峰位置和强度，可以确定材料的电子能级和带隙等信息。
1.2 X射线衍射技术X射线衍射技术是一种常用的测试材料电子结构的方法。
该技术通过照射材料表面，收集材料衍射的X射线，从而得到材料的晶体结构信息。
通过分析衍射图样，可以获得材料的晶胞参数和晶胞结构等信息，并进一步研究材料的电子结构。
二、载流子迁移率测试方法2.1 范德波尔霍夫方法范德波尔霍夫方法是一种常用的测试材料载流子迁移率的方法。
该方法利用霍尔效应，通过在材料中施加电场，测量材料中的霍尔电压和电流，从而得到材料的载流子浓度和迁移率。
通过调节电场的大小，可以研究材料的电子迁移特性，为材料的电子性能优化提供依据。
2.2 瞬态光电导法瞬态光电导法是一种测试材料载流子迁移率的快速方法。
该方法利用光激发材料，通过测量光照下材料的电导率变化，从而得到材料的载流子迁移率。
与传统方法相比，瞬态光电导法具有快速测量速度和高灵敏度的优势，适用于对材料载流子迁移率进行快速筛选和优化。
三、能带结构计算方法3.1 密度泛函理论密度泛函理论是一种计算材料能带结构的常用方法。
该方法通过构建材料中电子的密度分布，利用波恩-奥本哈尔近似等近似处理，从而得到材料的能带结构、态密度和带隙等信息。
密度泛函理论常用的计算工具有VASP、Quantum ESPRESSO等。
3.2 紧束缚模型紧束缚模型是一种计算材料能带结构的简化方法。
材料的电学性能
材料的电学性能材料的电学性能是指材料在电场作用下的响应特性，包括导电性、介电性、磁电性等。
这些性能对于材料在电子器件、电力设备、通信技术等领域的应用具有重要意义。
本文将就材料的电学性能进行详细介绍，以便更好地理解和应用这些性能。
首先，导电性是材料的一种重要电学性能。
导电性好的材料能够快速传导电流，常见的导电材料包括金属、导电聚合物等。
金属具有良好的导电性，是电子器件中常用的材料。
而导电聚合物则是一种新型的导电材料，具有轻质、柔韧等特点，适用于柔性电子器件的制备。
导电性的大小取决于材料内部自由电子的数量和迁移率，因此在材料设计和制备过程中需要考虑材料的电子结构和晶格结构。
其次，介电性是材料的另一重要电学性能。
介电性好的材料能够在电场作用下产生极化现象，常用于电容器、绝缘材料等领域。
常见的介电材料包括氧化物、聚合物、玻璃等。
这些材料具有不同的介电常数和介质损耗，适用于不同的电子器件和电力设备。
在实际应用中，需要根据具体的工作条件选择合适的介电材料，以确保设备的稳定性和可靠性。
最后，磁电性是材料的另一重要电学性能。
磁电材料能够在外加电场下产生磁化现象，常用于传感器、存储器件等领域。
常见的磁电材料包括铁电体、铁磁体等。
这些材料具有不同的铁电极化和磁化强度，适用于不同的磁电器件和磁存储器件。
磁电性的大小取决于材料内部的磁矩和电偶极矩，因此在材料设计和制备过程中需要考虑材料的晶体结构和磁电耦合效应。
综上所述，材料的电学性能是材料科学和电子技术领域的重要研究内容。
通过对导电性、介电性、磁电性等性能的深入理解，可以更好地设计和制备新型的电子器件和电力设备，推动电子技术的发展和应用。
希望本文能够为相关领域的研究人员和工程师提供一定的参考和帮助，促进材料的电学性能在实际应用中的进一步发展和创新。
材料的电性质测试方法
材料的电性质测试方法材料的电性质是材料科学中的一个非常重要的研究方向。
电性质测试方法可以用来研究材料在电场或电流作用下的特性。
这种测试方法在材料研究和工程中有着广泛的应用，常用于材料的品质检验、性能改善以及新材料的研究开发等方面。
本文将介绍常见的材料电性质测试方法及其应用。
一、电阻测试电阻是材料在电场中的电性质之一，它通常表示为材料对电流的阻力。
在进行电阻测试时，可以使用电阻计或多用表等测试仪器进行测量。
材料的电阻值与其材料的成分、形状、大小以及温度等因素相关。
在应用时，可以通过测量材料的电阻值来推断其品质和性能。
例如，在电子产品中，电阻测试常用于检测电路板上的电阻丝是否通畅。
二、电导率测试电导率是材料在电场中的导电性，在电子学和电力工程中有广泛的应用。
电导率测试可以用来研究材料中电子传输的特性。
通常情况下，电导率与材料的组成和结构有关，而且与电流、电磁场以及温度等因素密切相关。
在进行电导率测试时，可以使用电导计等测试仪器进行测量。
例如，在太阳能电池板材料中，电导率测试可以用来检测材料的性能和电池效率。
三、电容测试电容是材料在电场下储存电荷的能力，它通常表示为材料对电场的响应。
电容测试可以用来研究材料在电场中的响应和变化特性。
在进行电容测试时，可以使用电容计等测试仪器进行测量。
材料的电容值与其组成、形状以及温度等因素相关。
在应用时，电容测试通常用于检测电子产品中的电容器是否正常工作。
四、磁阻测试磁阻是材料在磁场中的磁性质之一，它通常表示为材料对磁场的反应。
磁阻测试可以用来测量材料在磁场中的响应和磁性能。
在进行磁阻测试时，可以使用磁场计等测试仪器进行测量。
材料的磁阻值与其组成、形状、大小以及温度等因素相关。
在应用时，磁阻测试常用于研究材料的磁性和磁场控制技术等方面。
五、介电常数测试介电常数是材料在电场中介电性质之一，通常表示为材料电容值和空气电容值之比。
介电常数测试可以用来研究材料在电场中的介电性质和响应特性。
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V0 V IX RX R0 R0
V R X R0 R0 V0
实际上RX远大于 R0，近似得：
V RX R0 V0
RX与V0成反比，如果将不同V0值所对应的 RX值刻在高阻计的表头，这样便可直接读出 被测试样的阻值。
平板试样三电极系统
采用这种三电极系统测量体电阻时，表面漏电流 由保护电极傍路接地。而测量表面电阻时，体积 漏电流会由保护电极傍路接地。这样便将试样体 积电流和表面电流分离，从而可以分别测出体积 电阻率和表面电阻率。在测试过程中，三电极系 统和试样都必须置于屏蔽箱内。
体积电阻率ρv：
V EV V t Iv jV S
表面电阻率ρs：
D1’=D1+g代表测量电 极的有效直径，g为修正 值
D V D Rv IV 4t 4t
'2 1
'2 1
Es V s js r ln r1 r2
V 2 2 IS RS D2 2 r I S ln D2 ln D1 D1
（ti+=σi+/σ、 ti-=σi-/σ、te=σe/σ）
2. 无机材料电导的特点 二、无机材料电导的混合法则
陶瓷材料是由晶粒、晶界、气孔等所 组成的复杂的显微结构,总电导率为：
VG VB
n T n G
σ G —晶粒电导率 σ B —晶界的电导率 VG —晶粒体积分数 VB —晶界体积分数
主要内容
电导的宏观参数
无机材料电导的特点 材料电学性能测试方法
1. 电导的宏观参数
一、电阻率和电导率
U I R
J =σE
欧姆定律示意图
1. 电导的宏观参数
S 1 电阻率 R L
2
cm
电导率：表征材料导电性的能力
1
1
cm
1
1. 电导的宏观参数
3. 材料电学性能的测试方法 三 绝缘体电阻的测量 （高阻计法、冲击检流计法和电桥法）
1、高阻计法
高阻计法测量的基本电路示意图 K1—测量与放电开关 K2—RVRS转换开关 K3—输入短路开关 R0—标准电阻 A—测量电极 B—保护电极 C—试样RX D—底电极
当测试直流电压V加在试样RX和标准电阻R0 上时，回路电流IX为：
总之，对于多晶多相陶瓷材料来说，其电 导是各种电导机制的综合作用，但可归纳为正 离子电导率、负离子电导率和电子电导率。
2. 无机材料电导的特点
一些材料的导电机构
化合物 ZrO2+7%CaO ZrO2+18%CoO ZrO2+50%CeO2 Na2O.CaO.SiO2 温度（℃） >700 1500 1500 1500 ti+ 0.00 － － 0.1（Ca2+） ti1.00 0.52 0.15 － te 10-4 0.48 0.85 0.9
例如SiC电热元件中，SiO2在半导体颗粒 间形成，晶界中SiO2越多，电阻越大。
2. 无机材料电导的特点
5、对于少量气孔分散相，气孔率增加，陶 瓷材料的电导率减少。这是由于一般气 孔相电导率较低。如果气孔量很大，形 成连续相，电导主要受气相控制。这些 气孔形成通道，使环境中的潮气和杂质 很易进人，对电导有很大的影响。因此 提高材料密度仍是很重要的。
l RS S b
1. 电导的物理现象
1.1 电导的宏观参数
圆片试样
I V
r1 a r2 b
r2
g
ρs不反映 材料性质, 它决定于 样品表面 状态,可用 实验得出
dx ln(r2 r1 ) Rs s s 2x 2 r1
2. 无机材料电导的特点 一、多晶多相固体材料的电导
3. 材料电学性能的测试方法
对102~106Ω的中值电阻粗测时，可选用万 用表Ω挡、数字式欧姆表或伏安法测量，精测 时可选用单电桥法测量。 对10-6~102Ω的电阻的测量，如金属及其合 金电阻的测量，必须采用较精确的测量，可选 用双电桥法或直流电位差计法测量。
对半导体材料电阻的测量一般用直流四探针法
n B
2. 无机材料电导的特点
n= -1相当于串联状态; n= 1相当于并联 状态; n0相当于混合状态
层状与复合材料
2. 无机材料电导的特点
陶瓷电导的对数混合法则：
ln T VG ln G VB ln B
2. 无机材料电导的特点
各种模式的σt/σG和VB的关系
3. 材料电学性能的测试方法
在实验测量中还要注意电极材料的选择。 电极材料应选取能与试样紧密地接待的材料， 而且不会因施加外电极引进杂质而造成测量误 差，还要保护测量使用的方便、安全等。常用 的电极材料有退火铝箔、喷镀金属层、导电粉 末、烧银、导电橡胶、黄铜和水银电极等等。 采用接触性良好的退火铝箔制做接触电极， 黄铜电极做为辅助电极。
1. 电导的宏观参数
二、体积电阻和体积电阻率 电流: 电阻:
I IV I S
RV V IV
RS V I S
1 1 1 R RV RS
1. 电导的宏观参数
体积电阻Rv与材料性质及样品几何尺寸的关系:
h Rv v S
h－板状样品的厚度(cm) S－板状样品的电极面积(cm2) ρv－体积电阻率为描写材料电阻 性能的参数
材料性能与检测
第十四讲
中国地质大学材化学院
2013年7月30日
第六章
材料的电学性能与检测
自从19世纪末叶以来，几乎没有一门 学科的成就能像电磁学那样具有如此深远 和广泛的影响。电能的开发与电信的进展 深入到社会生产和家庭生活的各个角落， 影响着我们的整个生活方式，“电气化” 曾被作为一个社会物质文明的重要指标。 从大功率的发电机、变压器、几千公里的 电能输送到微电子线路的各种元件，都在 应用着材料的不同电学性能。
r
2 1
1. 电导的物理现象
1.1 电导的宏观参数
精确测定结果可采用以下经验公式:
2 S (r1 r2 ) 4
Rv v 4h
r1 r2
2
2
v
(r1 r2 )
4h
V I
1. 电导的物理现象
1.1 电导的宏观参数
三、表面电阻和表面电阻率 板状试样
3. 材，经过时间t 后C上的电压和电量分别为：
Uc U (1 e
t RxC
t RxC
)
)
U为直流电源电压 t为充电时间
Q UC (1 e
将Q按级数展开，取第一项，则有
Ut Q Rx Ut Rx Q
当K合向2位时，则有：
一般用体积电阻率作为导电性和绝缘性的 参数。通常所说的电阻率就是体积电阻率。 一、试样 正方形（边长50mm或100mm） 圆板形（ф50mm或100mm） 管状（长度50mm或100mm） 试样厚度在1mm以上。
3. 材料电学性能的测试方法
二、测电阻率的方法和装置
电阻的测量方法很多，一般都是根据测量的 需要和具体的测试条件来选择不同的测试方 法。通常都是按测量的范围或测量的准确度 要求来分类： 一般对107Ω以上较大的电阻(俗称高阻)， 如材料的绝缘电阻的测量，要求不严格的测 量(粗测)时，可选用兆欧表(俗称摇表)；要 求精测时，可选用冲击检流计（1012Ω以 下）、电桥法（ 1015Ω以下）。高阻计测 量的阻值较高，测量范围较广，操作方便。
它们分别被制成导体合金、电阻和电 热材料、热电和光电材料、半导体材料以 及电介质材料等。特别应当看到的是，作 为20世纪十大发明之一，半导体材料的发 展导致了大规模集成电路的出现，推动了 电子计算机技术的进步，使人类社会的生 产和生活发生了深刻的变化。材料超导电 性的发现和超导材料的进展，又使人们对 获得强磁场和无损耗电机等技术提供了新 的途径。
1. 电导的宏观参数
管状试样
Rv
r2
r1
r2 dx 1 v v ln 2 xl 2 l r1
1. 电导的宏观参数
圆片状试样
g
圆片试样体积电阻率的测量
1. 电导的物理现象
1.1 电导的宏观参数
V h h Rv v v 2 I S r1
V v h I
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
1. 电导的宏观参数
不同材料的电导率举例
①金属 自由电子 电导率高 导电性好 ②硅 半导体 ③离子固体 室温绝缘体 T高 电导率大 （无机非金属） ④高分子 杂质致有导电性
4、 晶界对多晶材料电导的影响应联系到 离子及电子运动的自由程。 对离子电导，离子运动的自由程的数 量级为原子间距的数量级；对电子电 导，电子运动的自由程为10～15nm。 因此，除了薄膜及超细颗粒外，晶界 的散射效应比晶格小得多，因而均匀 材料的晶粒大小对电导影响很小。
2. 无机材料电导的特点
相反半导体材料急剧冷却时，晶界在低温 已达平衡，结果晶界比晶位内部有较高的 电阻率。由于晶界包围晶粒，所以整个材 料有很高的直流电阻
σ(Ω-1.m-1)
非金属
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
σ(Ω-1.m-1)
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 0.17*107 0.14*107