第八章 材料的电学表征技术讲解
材料的测试、表征方法和技巧ppt课件
钼靶X射线管在35KV电压下的 谱线，其特征x射线分别位于 0.63Å和0.71Å处，后者的强 度约为前者强度的五倍。这 两条谱38 线称钼的K系
X射线荧光分析法
利用物质的特征荧光X射线进行成分分析的方法，称 为X射线荧光分析法。
横坐标：上方的横坐标是波长λ，单位μm 下方的横坐标是波数，单位是cm-1
波数即波长的 倒数，表示单 位(cm)长度光 中所含光波的 数目。
7
8
红外光谱的特点
1、 红外吸收只有振-转跃迁，能量低 2、 应用范围广：除单原子分子及单核分子 等对称分子外，几乎所有的有机物均有红外 吸收 3、 通过红外光谱的波数为止、波峰数目及 强度确定分子基团、分子结构 4、 还可以进行定量分析 5、 固液气态样品均可测试，而且用量少、 不破坏样品 6、 分析速度快、灵敏度高 7、9 与色谱等联用具有强大的定性功能
用) 共聚焦方式，适于表面或层面分析，高信噪比 能适合黑色和含水样品 高、低温及高压条件下测量 光谱成像快速、简便，分辨率高 仪器18稳固，体积适中，维护成本低，使用简单
红外光谱
光谱范围400-4000cm-1 分子振动谱 吸收，直接过程，发展较早
平衡位置附近偶极矩变化不为零 与拉曼光谱互补 实验仪器是以干涉仪为色散元件 测试在中远红外进行，不收荧光干扰20拉曼光谱的信息
拉曼频率的 确认
拉曼峰位的 变化
拉曼偏振
拉曼峰宽
拉曼峰强
21
度
物质的组 成 张力 / 应力
晶体对称性和 取向
如 MoS2, MoO3
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》课件
磁化过程
铁磁性物质在外部磁场的 作用下，磁畴的排列方向 逐渐趋于一致，最终达到 磁饱和状态。
磁性材料的应用
软磁材料
具有较高的磁导率和较小 的矫顽力，常用于制造变 压器、电机和电磁铁等。
硬磁材料
具有较高的矫顽力和永久 的剩磁，常用于制造各种 永磁体和扬声器等。
功能磁性材料
包括磁记录材料、磁电阻 材料、磁泡材料和磁光材 料等，广泛应用于信息存 储、检测和显示等领域。
PART 03
材料的电介质性质
电介质的极化现象
总结词
描述电介质在电场作用下的电荷位移和排列现象。
详细描述
当电介质置于电场中时，其内部原子或分子的正负电荷中心会发生相对位移， 形成电偶极子。这些电偶极子会沿着电场方向有序排列，导致电介质两端出现 束缚电荷，形成宏观的电偶极矩。
电介质的电导和损耗
总结词
电阻率受到多种因素的影响，包括材料 的种类、纯度、晶体结构、温度和压力 等。
VS
详细描述
不同材料的电阻率各不相同，这主要取决 于材料本身的性质，如金属的导电性能优 于绝缘体。此外，材料的纯度、晶体结构 和缺陷等也会影响其电阻率。温度和压力 的变化也会对电阻率产生影响，例如温度 升高会使金属的电阻率增大，而压力的增 加则可能导致半导体电阻率的减小。
电磁波折射
当电磁波从一种介质传播到另一种介 质时，会发生折射现象，折射角与入 射角和介质参数有关。
电磁波的应用
通信
加热与医疗
利用电磁波传递信息，如无线通信、 卫星通信等。
利用电磁波的能量进行加热或治疗， 如微波炉、微波治疗等。
雷达
利用电磁波探测目标，如雷达测距、 雷达制导等。
2023 WORK SUMMARY
材料表征技术
材料表征技术材料表征技术，是指通过一系列的方法和手段对材料的结构、性能和组成进行分析和表征的一门科学技术。
它在材料科学与工程领域扮演着重要的角色，为材料研究、制备和应用提供了有力的支持。
本文将就材料表征技术的起源、发展和应用进行探讨。
一、起源与发展1.1 起源材料表征技术的起源可以追溯到人类最早的文明阶段。
古代人类通过肉眼观察、触摸和试用等方式对不同材料进行鉴别和利用。
例如，石器时代的人类学会通过不同石头的颜色、硬度和重量来选择适合的材料制作工具。
然而，随着科学的进步和技术的发展，人类对材料的要求越来越高，肉眼观察和试用已经不能满足科学研究和工程应用的需求，因此材料表征技术应运而生。
1.2 发展随着电子技术、光学技术、计算机技术和物理学等学科的发展，材料表征技术也逐渐得到了快速发展。
从最早的X射线衍射技术、电子显微镜技术到如今的扫描电子显微镜技术、透射电子显微镜技术以及原子力显微镜技术等，材料表征技术不断更新和完善。
不仅如此，还出现了许多新的材料表征技术，如拉曼光谱技术、原位测试技术、热分析技术等。
这些技术的出现和应用，使得材料的表征更加全面、精确和便捷。
二、材料表征技术的分类根据研究对象和表征方法的不同，材料表征技术可分为多种分类。
下面将以原子尺度、表面形貌和力学性能为切入点，来简单介绍几种常见的材料表征技术。
2.1 原子尺度表征技术在研究材料的微观结构时，往往需要观察和分析其原子尺度上的特征。
透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）等技术可提供关于原子尺度上的信息。
其中，TEM可用于分析材料的晶体结构、衍射图样等，SEM可观察材料表面的形貌和颗粒分布情况，AFM则可获得材料表面的拓扑结构和力学特性等。
2.2 表面形貌表征技术表面形貌是材料性能和功能的重要指标之一。
光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）等技术常用于表征材料的表面形貌。
材料学中的电学性质分析
材料学中的电学性质分析材料学是一门研究材料的结构、性能和制备的学科，电学性质是材料学中一个重要的性质之一。
电学性质是指材料在电场中表现出来的特性，包括导电性、介电性、电磁特性等。
电学性质的研究对于材料的开发和应用具有重要的意义。
导电性是材料的电学性质之一，指材料能否导电。
导电性的大小取决于材料中自由电子的数量和流动性。
导电性越强，材料就越能够导电。
金属是以电子为主要载流子的导体，其导电性非常强；而半导体的导电性则不如金属强。
介电性是指材料对电场的响应特性。
不同材料的介电性能力不同，介电常数越大，材料的储电能力就越强。
材料的介电性能在电子设备方面应用广泛。
例如储存介质、集成电路和传感器等电子产品。
电磁特性也是材料的电学性质之一，主要表现在对电磁场的响应和产生。
铁磁材料是一种应用广泛的电磁材料，具有良好的磁导率和高饱和磁密度，可以用来制作电动机和变压器等电机设备。
材料的电学性质是与材料的结构和组成有关的，因此分析材料的电学性质需要从材料的本质出发，探究材料内部电子的结构和行为。
材料的晶体结构、化学成分和缺陷结构等都会影响材料的电学性质。
材料的导电性分析与控制是材料学中的一项重要研究内容。
导电性材料的应用非常广泛，如电线、电缆、电子器件等。
因此，研究导电性材料的方法和机制也是很重要的。
在材料科学中，最常用的方法是通过改变材料中的掺杂原子来控制导电性。
掺杂可以形成导电和非导电区域，提高材料的导电性。
介电性材料在制造电子器件和电路方面也有着广泛的应用。
通过调节材料的介电常数，可以改变电子器件的性能特点，例如调制电容器、谐振器、滤波器等。
此外，介电材料还可以制作储电器件等。
电磁材料也在电子制造领域中扮演着重要角色。
铁磁材料的应用让电机和变压器等电器设备的性能得到了提高。
而对于磁介质材料，其在科研领域也有着极其重要的应用。
例如磁记录材料、磁性存储介质等。
总之，材料的电学性质是材料学中一个非常重要的研究方向。
研究材料的电学性质有助于开发新型材料并优化现有材料的性能，从而满足不同领域的应用需求。
材料科学中的材料性能表征技术应用教程
材料科学中的材料性能表征技术应用教程一、引言材料性能表征是材料科学中的重要环节，它帮助科学家们深入了解材料的物理、化学和机械性质，从而推动材料科学的发展。
随着科技的进步，材料性能表征技术也得到了迅速的发展和应用。
本篇文章将重点介绍材料科学中常用的材料性能表征技术及其应用，以帮助读者更好地了解和应用这些技术。
二、常用的材料性能表征技术1. 透射电子显微镜（TEM）透射电子显微镜是一种高分辨率的显微镜技术，可被用于观察材料的微观结构。
通过透射电子显微镜，科学家们可以观察到材料的晶体结构、晶界、缺陷等微观特征。
此外，透射电子显微镜还可以通过选区电子衍射技术测定材料的晶体结构。
2. 扫描电子显微镜（SEM）扫描电子显微镜是另一种常用的显微镜技术，它通过扫描材料表面并观察所产生的二次电子或背散射电子来提供材料的表面形貌和微观结构。
扫描电子显微镜广泛应用于材料的结构、形貌和成分等方面的研究。
3. 能谱仪能谱仪是一种常用的材料分析技术，常见的有X射线能谱仪和电子能谱仪。
能谱仪通过分析材料中特定元素的能谱，可以确定材料中元素的种类和含量。
这对于材料的组成分析和元素追溯非常重要。
4. X射线衍射仪（XRD）X射线衍射仪是一种用于材料结构表征的技术。
通过照射材料样品，衍射仪可以测量到X射线的衍射图案，从而确定材料的晶体结构、晶格常数等信息。
X射线衍射仪可以广泛应用于材料的结构分析、相变研究等方面。
5. 热重分析仪（TGA）热重分析仪是一种常用的热分析技术。
它通过测量材料在不同温度下的质量变化，可以分析材料的热稳定性、热分解性等热性能参数。
热重分析仪可用于材料的热性能研究、陶瓷材料的配方优化等方面。
6. 傅立叶变换红外光谱仪（FT-IR）傅立叶变换红外光谱仪是一种常用的光谱分析技术。
它通过测量材料在红外光波段的吸收谱线，可以分析材料的化学结构、功能基团等化学性质。
傅立叶变换红外光谱仪广泛应用于聚合物材料、有机材料等的研究中。
材料表征技术PPT课件
第二章 X射线衍射方向
2.1 引言 晶体结构与XRD 2.2 晶体几何学基础
一 晶体结构
晶体:由组成它的原子有规律排列的固体。
1.空间点阵
F1-8空间点阵
第15页/共187页
1.2 X射线的本质
T1-1电磁波谱
第16页/共187页
电磁波：振动电磁场的传播，可用交变振动着的电场强度向 量和磁场强度向量来表征；它们以相同的位相在两个互相垂 直的平面上振动，而其传播方向与电场、磁场向量方向垂直， 并为右手螺旋法则所确定，真空中的传播速度为3x108m/s
for the research and development of advanced materials. It can be used for investigation of the following properties: • Identification of the phase(s) present: is it a pure phase or does the material contain impurities as a result of the production process? • Quantification of mixtures of phases • Degree of crystallinity of the phase(s) • Crystallographic structure of the material: space group determination and indexing, structure refinement and ultimately structure solving • Degree of orientation of the crystallites: texture analysis. • Deformation of the crystallites as a result of the production process: residual stress analysis • Influence of non-ambient conditions on these properties
材料的表征技术PPT课件
基团的基频振动、伴随转动光谱
远红外区：25~1000 µm （400 ～ 10 cm-1 ）
转动光谱 、晶格振动
2021
44
红外光谱图表示形式
当样品受到频率连续变化的红外光照射时，分 子吸收某些频率的辐射，产生分子振动和转动能级 从基态到激发态的跃迁，使相应于这些吸收区域的 透射光强度减弱。记录红外光的百分透射比与波数 或波长关系曲线，就得到红外吸收光谱。
min
50
2021
51
拉曼光谱分析法
拉曼光谱的发现与发展
1928 年，印度科学家C.V
Raman in首先在CCL4光谱中发现 了当光与分子相互作用后，一
部分光的波长会发生改变（颜
色发生变化），通过对于这些
颜色发生变化的散射光的研究，
可以得到分子结构的信息，因
此这种效应命名为Raman效
应 。 —— 于 1930 年 获 诺 贝 尔 物
• 光学显微镜使其最大的分辨能力为0.2μ
• 增大n、a值是有限的，解决的办法就是减小波长λ。而 可见光的波长有限，因此，光学显微镜的分辨本领不 能再次提高，唯有寻找比可见光波长更短的光线才能 解决这个问题。
2021
38
电磁波谱：电磁辐射按波长顺序排列，称~。
γ射线→ X 射线→紫外光→可见光→红外光→微波→无线电波
弹性散射（频率不发生改变-瑞利散射） 非弹性散射（频率发生改变-拉曼散射）
瑞利散射 scatter= laser
laser
拉曼散射
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scatter> laser
55
拉曼光谱的应用
激光拉曼散射光谱法
2021
56
激光拉曼散射光谱法
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*
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
材料表征知识点总结
材料表征知识点总结一、材料表征的基本概念1.1 材料表征的概念材料表征是指通过一系列的手段和方法对材料进行结构、性能分析的过程。
它是材料科学研究的重要手段，对于认识和理解材料的微观结构、物理性质、化学性质、力学性质等具有重要意义。
材料表征的目的是为了揭示材料的内在特征，解析材料的结构和性质之间的关系，为材料设计、改进和应用提供科学依据。
1.2 材料表征的内容材料表征的内容主要包括以下几个方面：结构表征、性质表征、表面表征、界面表征、缺陷表征等。
结构表征主要是对材料的晶体结构、非晶结构、微观结构、纳米结构等进行研究与分析；性质表征主要是对材料的物理性质、化学性质、力学性质、热性质等进行研究与分析；表面表征主要是对材料的表面形貌、表面性质、表面活性等进行研究与分析；界面表征主要是对材料的各种界面性质、界面相互作用、界面扩散等进行研究与分析；缺陷表征主要是对材料的各种缺陷类型、缺陷形成、缺陷演变等进行研究与分析。
1.3 材料表征的方法材料表征的方法主要包括物理方法、化学方法、电子显微镜方法、X射线衍射方法、光学显微镜方法、谱学方法、表面分析方法等。
这些方法可以对材料的结构、性质、表面、界面、缺陷等进行多角度、多层次的表征与分析，从而全面地了解材料的内在特征。
二、材料表征的常用方法与技术2.1 物理方法物理方法是材料表征中最常用的方法之一，主要包括X射线衍射法、电子显微镜法、磁共振法、核磁共振法、拉曼光谱法、光谱学方法、热分析法、热敏电阻法、热释电法等。
这些方法可以通过对材料的物理性质、电磁性质、热力学性质等进行分析，揭示材料的内部结构和性质之间的相互关系。
2.2 化学方法化学方法是材料表征中另一个重要的方法，主要包括原子吸收光谱法、光度法、电化学方法、色谱法、荧光分析法、偏振光分析法等。
这些方法可以通过对材料的化学性质、化学成分、化学反应等进行分析，揭示材料的化学本质和特征。
2.3 电子显微镜方法电子显微镜方法是材料表征中一种重要的方法，主要包括透射电子显微镜法、扫描电子显微镜法、透射电镜能谱法等。
材料的电学性能(整理).ppt
Ey RH J x H z Ey产生的电场强度,霍H 尔系R数H（ 又称霍尔常数）RH
霍尔效应的起源： 源于磁场中运动电荷所产生的洛仑兹力，导致载流子在磁场 中产生洛仑兹偏转。该力所作用的方向即与电荷运动的方向 垂直，也与磁场方向垂直。
演示课件
霍尔系数RH=μ*ρ，即霍尔常数等于霍尔片材料的电阻率 ρ与电子迁移率μ的乘积。
nq 电导率的一般表达式：
i niqii i
i
i
演示课件
4.2 离子电导
• 参与电导的载流子为离子，有离子或空位。它又 可分为两类。
• 本征电导：源于晶体点阵的基本离子的运动。离 子自身随着热振动离开晶格形成热缺陷。 从而导 致载流子，即离子、空位等的产生，这尤其是在 高温下十分显著。
演示课件
4.2.4 影响离子电导 率的因素
(1)温度 呈指数关系，随温度升高， 电导率迅速增大。如图： 注意：低温下，杂质电导占 主要地位(曲线1)，高温下，本 征电导起主要作用(曲线2) 。
演示课件
• (2)离子性质及晶体结构
• 关键点：电导率随着电导活化能指数规律变化，而活化能 大小反映离子的固定程度，它与晶体结构有关。熔点高的 晶体，活化能高，电导率低。
• 由于U0相当大，远大于一般的电场能，即在一般的电场
强度下，间隙离子单从电场中获得的能量不足以克服势垒 进行跃迁，因而热运动能是间隙离子迁移所需能量的主要 来源。
演示课件
演示课件
• 间隙离子的势垒变化
•
• 单位时间沿某一方向跃迁的次数 •
P
v0 6
exp(U 0
/
kT)
• 离子迁移与势垒U0的关系;ν0－间隙原子在半稳定位置上 振动频率
材料的五种表征方法
材料的五种表征方法一、引言材料的表征是指通过一系列实验和测试方法来获取材料的性质和特征的过程。
材料表征方法的选择取决于所研究材料的性质和研究目的。
本文将介绍五种常用的材料表征方法，包括结构表征、形貌表征、力学表征、热学表征和电学表征。
通过深入探讨这些表征方法，我们可以更好地理解材料的性能和应用。
二、结构表征结构表征是研究材料内部结构和组成的方法。
常用的结构表征方法包括X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）等。
1. X射线衍射（XRD）X射线衍射是一种分析材料结晶结构的方法。
通过照射材料表面的X射线，根据X 射线与晶体的相互作用产生的衍射图样，可以确定材料的晶体结构和晶格常数。
2. 扫描电子显微镜（SEM）扫描电子显微镜是一种观察材料表面形貌和微观结构的方法。
通过扫描电子束和样品表面的相互作用，可以获取高分辨率的材料表面形貌图像，并且可以分析材料的成分和晶体结构。
3. 透射电子显微镜（TEM）透射电子显微镜是一种观察材料内部结构和晶体缺陷的方法。
通过透射电子束和材料的相互作用，可以获取高分辨率的材料内部结构图像，并且可以分析材料的晶体结构、晶格缺陷和晶界等。
三、形貌表征形貌表征是研究材料表面形貌和微观结构的方法。
常用的形貌表征方法包括原子力显微镜（AFM）、扫描隧道显微镜（STM）和光学显微镜等。
1. 原子力显微镜（AFM）原子力显微镜是一种通过探针和材料表面之间的相互作用来观察材料表面形貌和表面力学性质的方法。
通过探针的运动和反馈信号，可以获取高分辨率的材料表面形貌图像，并且可以测量材料表面的力学性质。
2. 扫描隧道显微镜（STM）扫描隧道显微镜是一种通过电流和材料表面之间的隧道效应来观察材料表面形貌和电学性质的方法。
通过探针的运动和反馈信号，可以获取原子尺度的材料表面形貌图像，并且可以测量材料表面的电导率和电子结构。
3. 光学显微镜光学显微镜是一种观察材料表面形貌和显微结构的方法。
《高分子物理》第八章-高分子材料的电学性能
tg I R C0V * IC C0V *
（8-10）
式中δ称介电损耗角， tg 称介电损耗正切。
tg 的物理意义是在每个交变电压周期中，介质损耗的能 量与储存能量之比。
tg 越小，表示能量损耗越小。 理想电容器（即真空电容器）tg =0，无能量损失。
第八章 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。
本章主要学习的内容： 一、高分子的极化和介电性能 二、高分子的导电性能和导电高分子材料 三、高分子的静电特性
丰富多彩的导电性质
高分子材料可以是绝缘体、半导体、导体和超导体。
φ=90°-δ（图8-4）。仍设 器的电流 I * 为：
V * t V0ei，t 通过电容
I *i t
C0
dV * dt
i iC0V *
i C0 C0 V * I R iIC
（8-9）
图（8-4）交 变电场中电 容器的电流、 电压矢量图
式中，为 i 1 虚数单位。由上式看出，电流 I * 的位相
比电压 V * 超前 90 损耗的电功功率为
，即电流复矢量与电压复矢量垂直，其
P0
I*
V
*
0
。
对于电介质电容器，在交流电场中，因电介质取向极化跟不
上外场的变化，将发生介电损耗。由于介质的存在，通过电
容器的电流 I * 与外加电压V * 的相位差不再是90°，而等于
当电容器极板间充满均质电 介质时，由于电介质分子的极化， 极板上将产生感应电荷，使极板 电荷量增加到 Q0 Q ' （图8-2）。
考研材料科学与工程掌握材料表征技术的三个要点
考研材料科学与工程掌握材料表征技术的三个要点材料表征技术是考研材料科学与工程领域中的重要内容之一，它具有扩展材料性质、研究材料结构和性能、优化材料设计的作用。
掌握材料表征技术对于开展科学研究、解决工程问题以及推动材料科学与工程领域的发展至关重要。
本文将重点介绍三个掌握材料表征技术的要点。
一、了解常见的表征技术分类材料表征技术可以分为结构表征技术和性能表征技术两大类。
结构表征技术主要用于研究材料的微观结构与外观特征，包括显微观测技术、晶体学技术、电子显微镜技术等。
性能表征技术主要用于评价材料的物理、化学和力学性能，包括热分析技术、力学测试技术、电化学性能测试技术等。
了解不同类别的表征技术，并根据研究需求选择适当的技术，是掌握材料表征技术的第一步。
二、熟练掌握常用的测试仪器和设备材料表征技术涉及到许多测试仪器和设备的操作与使用，熟练掌握常用的测试仪器和设备，对于准确获得材料性质参数具有重要意义。
例如，扫描电子显微镜(SEM)用于观察材料的表面形貌和结构，能够提供高分辨率的图像；透射电子显微镜(TEM)能够观察材料的内部结构，提供原子级别的图像；X射线衍射(XRD)用于研究晶体结构等。
熟练操作这些仪器，准确获取实验数据，能够为材料性能的分析提供准确的依据。
三、加强数据分析与解读能力掌握材料表征技术不仅包括实验操作的熟练掌握，还需要对实验得到的数据进行合理的分析和解读。
数据分析是材料科学与工程中非常重要的一环，合理的数据分析能够帮助我们理解材料的结构与性能之间的关系，为优化材料设计提供指导。
因此，加强数据分析与解读能力，掌握统计学和模型建立的基础知识，对于准确解读和分析材料表征技术得到的数据非常关键。
综上所述，掌握材料表征技术的三个要点包括：了解常见的表征技术分类、熟练掌握常用的测试仪器和设备、加强数据分析与解读能力。
通过学习和实践，我们可以更好地利用表征技术来深入研究材料的结构与性能，推动材料科学与工程领域的发展。
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极化率随温度升高而下降。因为温度升高，离子运动加剧，离 子容易扩散，空间电荷减小。
极化时间较长，大约几秒到数十分钟，甚至数十小时，因此空 间电荷极化只对直流和低频下的极化强度有贡献。
P
----
++++ ----
+ + + +
----
+ + + +
外电场
36
极
电子极化
化
率
离子极化
或
松弛极化
取向极化
T1
M
M′
T2
V
V+ΔV
T
T+ΔT
22
1909年开始研究热点转换效率，目前热点材 料已经广泛的应用于加热、制冷和发电等机 制中。
23
24
25
电差位计
26
影响热电势的因素
金属本质的影响 温度的影响 合金化的影响 相变影响
27
8.3 介电性能分析
8.3.1 极化的概念
20
应用：半导体制冷，利用半导体帕尔贴效应大的特点
对于P型半导体和N型半导体组成的电偶
21
（3）汤姆逊效应
对于同一种金属，若两端的温度不相同，电子也要发生迁移,于是在
导体的M与M′两点之间产生一个静电势ΔV，见图由于导体
中存在V，若给导体通以电流，若电流方向与热电流的方向一致， 则放出热量,若方向相反，则吸收热量，这种现象称为汤姆逊效应。
直流—— 光频
直流—— 红外
直流—— 超高频
直流—— 超高频
直流—— 超高频
直流—— 低频
与温度的关 能量消耗 系
无关
无
温度升高极 很弱 化增强
随温度变化 有 有极大值
随温度变化 有 有极大值
随温度变化 有 有极大值
随温度升高 有
38
而减小
介电常数
介电常数：反映电介质极化行为的宏观物理
量，表示电容器在有电介质时的电容与在真
一.真正金属与金属直接接触部分。即金属间无过渡电阻的接 触微点，亦称接触斑点，它是由接触压力或热作用破坏界面膜后 形成的。此部分约占实际接触面积的5-10%。
二.通过接触界面污染薄膜后相互接触的部分。因为任何金属 都有返回 原氧化物状态 的倾向。
铜只要2-3分钟，镍约30分钟，铝仅需2-3秒钟，其表面便可形成厚度约2um的氧化膜层
第八章 材料电学表征方法
1
本章讲授的内容
1. 导电性能分析 2. 热电势分析 3.介电性能分析 4. 压电性能分析
2
8.1 电阻与导电的基本概念
8.1.1 电阻率
8.1.2 电导率
电阻率和电导率都与材料的尺寸无关，而只决定于它
们的性质，因此是物质的本征参数，可用来作为表征
r = C V23 I
优点：消除接触电阻
5
为什么要用四根探针呢？
因为金属与半导体接触时往往要形成阻挡层，造成很大的接 触电阻，当有电流通过接触处时就会产生很大的电压降。同 时，在金属与半导体接触处，当有点电流通过时，也可能发 生少子注入现象，使得接触处附近的半导体电阻有所变化。 因此，如果仅用两根探针，既做电流探针，又做电压探针， 则测得的电压就不是真正半导体的电压，二是包含接触电阻 和注入效应的电压。但是在电流探针之间再加上两根探针， 专做测量半导体的电压用，则在很大程度上可消除接触电阻 的影响。此外，为了进一步消除电压探针本身的接触电阻和 注入效应，往往还采用补偿法来测量电压，使电流不必通过 电压探针。这样采用四根探针后，测量的半导体电阻较为准 确。
29
8.3.1.1 极化现象及其物理量
(1) 具有一系列偶极子和束缚电荷的极化现象
－
－
－
－ －－－ －－－ －
+
+
+
－
－
－
真空
+
+
+
E
－
－
－
+
+
+
－
－
－
+
+
+
+ +++ +++ +
自由电荷
+ －
偶极子
束缚电荷30
2 极化机制
偶极子的产生有两种基本形式：
第一种：弹性的、瞬间完成的、不消耗能量的极化。 包括：电子位移极化、离子位移极化。
16
温差电势的大小：V（1 T1，T2）＝S1D T，V（2 T1，T2）＝S2D T S称作汤姆逊系数
接触电势的大小：V1（2 T1）＝
kT1 e
In
N1 N2
,
V1（2 T2）＝
kT2 e
In
N1 N2
N 代表自由电子浓度
热电动势的大小：V＝V1（2 T1）－V1（2 T2）＋V（2 T1，T2）－V（1 T1，T2）
第二种：该极化与热运动有关，其完成需要一定的 时间,且是非弹性的，需要消耗一定的能量。 包括：松弛极化、取向极化、空间电荷极化
31
（1）电子位移极化：
在外电场作用下，原子外围的电子云相对于原子核发生相对位移产生的极化。
极化率a e =
e2 m
(
w02
1 -
w2
)
当w ? 0，静态极化率a e
e2 mw02
逆压电效应：是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形
的现象
43
压电常数：压电材料把机械能转换为电能的转换系数，
反映了压电材料机械性能和介电性能之间的耦合关系。
44
45
导体电阻: 实际测量电连接器接触件的接触电阻时，都是在接点引出 端进行的，故实际测得的接触电阻还包含接触表面以外接触件和引出 导线本身的导体电阻。导体电阻主要取决于金属材料本身的导电性能， 它与周围环境温度的关系可用温度系数来表征。
为便于区分，将收缩电阻加上表面膜电阻称为真实接触电阻。 而将实际测得包含有导体电阻的称为总接触电阻。
41
介电常数测试仪
42
8.4 压电性能分析
压电效应 （正压电效应和逆压电效应） 正压电效应：当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就
产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷； 当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方 向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷 量与外力的大小成正比。
17
（2）帕尔贴效应
现象：当两种不同金属或合金A, B组成闭合回路时，
若回路通以电流，则两接触点将产生温度差。
因此帕耳贴效应属于塞贝克效应的逆效应。
结果：接触电势对电子做功为正，则接触点放热；
接触电势对电子做功为负，则接触点吸热。
解释: 接触点部位电子的跃迁。
能级升高
VA T VB
A
B
18
对帕尔帖效应的物理解释是： 电荷载体在导体中运动形成电流。由于电荷
7
接触电阻形成原理
在显微镜下观察连接器接触件的表面，尽管镀金层十分光滑， 则仍能观察到5-10微米的凸起部分。会看到插合的一对接触件的 接触，并不整个接触面的接触，而是散布在接触面上一些点的接 触。实际接触面必然小于理论接触面。根据表面光滑程度及接触 压力大小，两者差距有的可达几千倍。 实际接触面可分为两部分：
介质在电场作用下产生感应电荷的现象，称 为介质的极化。这种材料叫电介质。
等量异号电荷相距一段距离，这个系统就称 为电偶极子，电荷和位移的乘积称为这个系 统的电偶极矩。
28
电介质粒子分为极性和非极性两类
非极性粒子正负电荷中心重合，在外电场的 作用下形成电偶极子。
极性粒子本身具有一定的电偶极矩，在外电 场的作用下定向排列。
瞬间完成：10－15 10－16 S，不消耗能量。
32
（2）离子位移极化：
离子在电场作用下, 偏
离平衡位置引起的极化
极化率a i
=
q2 M
1
(
)
w02 - w2
静态下a i =
q2 M w02
几乎瞬间完成：
10－12 10－13S，不消耗能量
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（3） 松弛极化
松弛质点：材料中存在着弱联系的电子、离子和偶极 子。 松弛极化：松弛质点 由于热运动使之分布混乱， 电场 力使之按电场规律分布，在一定温度下发生极化 松弛极化的特点：比位移极化移动较大距离，移动时 需克服一定的势垒，极化建立时间长，需吸收一定的能 量（10-2 － 10-9S ），是一种非可逆过程。
空间电荷极化
工频 声频 无线电 红外 紫外
极化率和介电常数与频率的关系
37
各种极化形式的比较
极化形式
电子位移 极化 离子位移 极化 离子松弛 极化 电子松弛 极化 转向极化
空间电荷 极化
极化的电 介质种类 一切陶瓷
离子结构
离子不紧 密的材料 高价金属 氧化物 有机
结构不均 匀的材料
极化的频 率范围
8
接触电阻的组成
接触电阻一般由收缩电阻、表面膜电阻和导体电阻组成.
收缩电阻 是电流在流经电接触区域时，从原来截面较大的导体 突然 转入截面很小的接触点，电流发生剧烈收缩现象（或集中现象），此 现象所呈现的附加电阻称为收缩电或集中电阻。
表面膜电阻:由于接触表面氧化膜层及其他污染物所构成的电阻称为 膜层电阻或界面电阻。
材料导电性的尺度。
3
8.1.3 根据材料导电性能好坏，可把材料分为：
导体 : ρ ＜10-2Ω •m
半导体 : 10-2Ω •m ＜ ρ ＜ 1010Ω •m