第三章 电性材料

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第三章 热电性能分析

第三章 热电性能分析
在形成连续固溶体时,热电势与浓度关系呈悬链式变 化,但过渡族元素往往不符合这种规律。 形成化合物时,其热电势会发生突变。具有半导体性 质化合物由于共价结合的加强,热电势显著增加。
四,组织转变
1) 同素异构转变:见Fe-Pt热电偶的热电势
30 20 10 e (μV/K) A2 A3
A4
0
400
800
热电偶材料在USA每年消耗几百吨。
温差电堆:
T1
T2
• 半导体温差发电 特点: 体积小, 轻,简单,安静,可利用多种热源 应用广:心脏起博器,石油井台,航海灯塔, 无人岛屿观测站,航空飞行器等。 高灵敏度测温。足以探测微弱的温差,红外辐 射。 • 逆效应:制冷机
ε12
1. 接触电位差
V12=(V2-V1)+(kT/e)ln(n1/n2), 其中,V1和V2是金属12的 逸出电位(逸出功) 。
测量微小热电势装置的示意图
ΔT
ΔE
恒温槽
热电性分析的应用
一,铝合金的时效 试样:Al88Mg4Zn8;淬火态得到过饱和的固溶体组织。
不同温度时效30分钟。
热电偶:时效态试样G1+该合金经275度完全退火态G2。 50度以下冷时效:Mg和Zn发生偏聚,形成G.P.区。 50~275度温时效:析出Al2Mg2Zn3相,固溶体正常分解。 300度时效:多余的析出相重新回溶,合金元素增多导
塑性形变的影响
加工硬化使热电势值增大;加工硬化的铁与退火态 的铁成偶,前者为负,后者为正。 队固溶体合金进行冷形变,由于形变直接或间接引 起脱溶,析出或马氏体转变时,将导致合金热电势 发生相应变化。
钢的含碳量及热处理的影响
压力的影响:
• 如测量100度温差的铜-康铜热电偶,在压力从零升到 1。2×109Pa的过程中,0~100度范围内热电势的平均 变化率为:3 ×10-10PμV· ˚C-1· Pa-1 • 压力引起原子大小及其间距在电压下发生了变化,提 高了费米面,改变了能带结构,从而影响扩散热电势。 其次,高压改变了声速,声子极化以及电子-声子的 交互作用,从而影响热电势。这些因素只在高压下需 要考虑,一般情况可以忽略。

第三章电阻材料

第三章电阻材料

1 纯金属
天津理工大学
纯金属电阻:由电子与晶格的振动(格波)相互碰撞引起 的散射产生的。
温度↑,电子平均运动速度↑,平均碰撞次数↑,平均自由程 ↓,电阻率↑
p
金属电阻率与温度的关系: M AT A为常数 T
金属电阻温度系数:
aR
1 T
正值,T↑,p↑
2 合金材料
天津理工大学
合金材料:金属中加入其他金属原子后, 破坏原来晶格 的周期性排列,使自由电子的散射几率增加。其结果是 合金的电阻率比纯金属的电阻率高。
近年来,电阻器和电位器正向着高精度、高稳定、 高可靠、长寿命、小型化、高(或低)阻值、宽温 度域等方向发展。
天津理工大学
3.3薄膜电阻
• 薄膜电阻器是用蒸发或溅射的方法将一定电阻率 材料蒸镀于绝缘材料表面制成。
各种膜式电阻实物照片
天津理工大学
薄膜电阻材料的特点:
膜厚一般在1μm以下,人们常称它为薄膜电阻材料。 体积小、 阻值范围宽 电阻温度系数小 性能稳定 容易调阻 易于散热 用料少
➢晶界处的原子处于应力状态,它比内部原子有较高的能量, 比交容易离开平衡位置;
➢晶粒间接容易吸引杂质,氧化气氛下,已形成氧化层; ➢晶界处原子排列不规则
使电子遭到散射的几率大.电阻率会提高
天津理工大学
不连续金属膜: 电阻率随厚度减小急剧增大,电阻率虽温度增加而 减小,电阻率与温度的关系类似于半导体材料。
化性能,即使长期暴露在高温、高湿条件下或强 腐蚀性介质中,表面仍能保持初始的状态。它具 有小而稳定的接触电阻,硬度高,寿命长,良好 的焊接性。是最可靠的电位器线绕电阻材料。 缺点:价格最贵
天津理工大学
钯基电阻合金线: 优点:电阻率高,电阻温度系数较低,接触电阻低而

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新材料科学概论课程编码:202607课程英文译名:New Materials Outline课程类别:专业选修课开课对象:机电学院开课学期:第6学期学分:2 总学时:32 理论课学时:32学时实验学时:0学时;上机学时:0学时先修课程:工程材料与成形技术基础教材:《新材料概论》陈光崔宗主编,科技出版社,北京,2003年参考书:《材料科学概论》北京工业大学出版社许并社主编2002.5出版一、课程的性质、目的与任务新材料科学概论是反映材料科学进展、介绍新型材料及其应用的提高性技术基础课。

本课程在机械类本科专业中的地位属于选修课。

本课程的任务是使学生了解材料工程的发展状况,了解必要的现代的新型材料的科学知识和未来材料的发展方向。

使学生熟悉处理材料新问题的方法,开拓思路,提高分析问题和解决问题的能力。

二、课程的基本要求本课程目的是使学生对材料科学与工程建立整体与全貌的认识,了解现有材料的分类、特性、应用范围及其与相关学科领域的关系,把握高技术新型先进材料发展趋势。

本课程内容由材料学纲要、无机非金属材料新材料、生物材料、功能复合材料、纳米材料、高分子新材料和非晶合金等组成。

课堂教学要求的内容主要有:1.材料的设计;2.材料的成分与组织结构;3.材料的合成与加工;4.材料的性质和特点;5.材料的性能;6.新材料的发展和应用。

三、课程的基本内容及学时分配第一章材料科学与工程综述 2学时1.1材料及其分类1.2材料是人类社会进步的里程碑1.3先进材料是高新技术发展和社会现代化的基础和先导1.4材料科学与工程的形成与内涵1.5材料组成、制备、结构、性能和使用效能之间的关系1.6材料的应用第二章结构材料 2学时2.1材料的性能2.2金属材料2.3陶瓷材料2.4高聚物材料第三章电性材料 2学时3.1导体、半导体和绝缘体材料3.2超导材料3.3铁电、压电和介电材料第四章磁性材料 2学时4.1材料的磁性4.2物质磁性分类4.3磁性材料的分类4.4 几种新型磁性材料4.5磁性材料的应用第五章超导材料 2学时5.1零电阻现象5.2产生超导的原因5.3超导体的临界条件5.4超导材料的发展5.5超导氧化物5.6超导材料的应用与前景第六章光学材料 2学时6.1光纤材料6.2光色材料6.3红外材料第七章新能源材料 2学时7.1概述7.2新型二次电池7.3燃料电池第八章生物材料 2学时8.1概述8.2硬组织相容性材料8.3软组织相容性材料8.4血液相容性材料8.5生物降解材料第九章环境材料 2学时9.1环境材料的提出9.2环境材料的定义与研究内容9.3材料的环境协调性评价9.4材料的生态设计9.5材料的环境友好加工9.6传统材料的环境材料化9.7天然材料的加工和应用9.8绿色包装材料9.9绿色建材9.10环境净化、替代和修复材料9.11环境降解材料第十章智能材料 2学时10.1智能材料概述10.2电/磁流变智能材料10.3磁致伸缩智能材料第十一章形状记忆材料 2学时11.1形状记忆效应11.2形状记忆合金11.3形状记忆陶瓷11.4形状记忆聚合物第十二章梯度功能材料 2学时12.1梯度功能材料及其特点12.2热防护梯度功能材料12.3梯度折射率材料12.4梯度功能材料的应用第十三章复合材料 2学时13.1复合材料概述13.2增强材料13.3纤维增强材料13.4金属基复合材料13.5陶瓷基复合材料13.6碳/碳复合材料第十四章纳米材料 2学时14.1基本概念14.2纳米材料的诞生、发展与纳米科技的起源14.3纳米科技的崛起14.4纳米材料的特异效应14.5纳米结构单元14.6纳米组装体系第十五章软物质 2学时15.1概述15.2软物质的基本特征15.3软物质中熵的作用15.4软物质的自组织15.5几种典型的软物质体系考试 2学时四、习题及课外教学要求对课程的重点和难点:课堂讨论并讲解。

第三章 超导材料

第三章 超导材料

零电阻效应 迈斯纳效应
2)测量磁化率(x)随温度(T)的变化:x-T曲线;
加压可以提高超导体的临界温度: HgBaCaCuO的 Tc为135K,加压后变为163K。
2. 临界磁场强度Hc
在小于Tc的一定温度下,外加磁场强度大于某一特定值Hc时,超导体的
超导态被破坏,转变为正常态,Hc被称为临界磁场强度。

B0 e
O
X

磁场强度降为B0/e处距离超导体表面距离,称为穿透深度,通常用 表示;
在X > 区间:认为磁感应强度衰减到零;在0 < X < 区域,磁场可以穿透; 穿透深度约为10-5 ~10-6 cm。
由于超导体的完全抗磁性,在 X > 区域,磁力线不能穿过,因此电流不能由
对于第二类超导体,临界电流与材料的显微结构有着密切关系。
超导态的临界参数
临界温度、临界磁场和临界电流密度之间相互关联;只有当温度、磁场和
电流都小于临界值时,才能出现超导现象;
实用超导材料,要求这三个参数越高越好。
3-5 超导体的BCS理论
巴丁(Bardeen)
库珀(Cooper)
施瑞弗(Schrieffer)
超导体分为两类:第一类超导体和第二类超导体;
第一类超导体(软超导体):只有一个临界磁场Hc,
除铌、钒、锝以外的元素超导体,主要用于固体物理和超导理论研究。 第二类超导体(硬超导体):存在两个临界磁场,下临界磁场Hc1和上临界磁场Hc2,
铌、钒、锝及合金、化合物和高温超导体,具有实用价值。
① H < Hc1:
1957年,美国物理学家巴丁、库珀和施瑞弗提出了超导的微观理论:BCS理论; 三人获得1972年诺贝尔物理学奖。

第三章 材料的介电性能--内含精选动图详述

第三章 材料的介电性能--内含精选动图详述

A、电容材料
提高击穿电压措施
1、加强冷却,提高热击穿电压; 2、 改善环境条件,防止高温,避免潮气﹑臭 氧等有害物质的侵蚀。
A、电容材料
II、传感器
C s
ε:介质介电常数 s :极板面积 δ :极板间距离
s
δ
ε
上式中,哪几个参量是变量? 可以有几种传感器?
A、电容材料
II、传感器
变极距型(变间距型)电容传感器
B、压电材料----纳米发电机
1961年王中林出生于陕西省 蒲城县高阳镇,王中林的初 中和高中就是在这种大背景 下度过的,三分之一的时间 都在田里泡着,毕业于尧山 中学。
纳米发电机创始人 (王中林)
进入大学校门的第一天,他 就暗暗给自己定下一条标准, 本科每门课程不能低于90分。
B、压电材料----纳米发电机
2、介电材料在其它环境中的极化
应变场中的极化------压电效应
在完全黑暗的环境中, 将一块干燥的冰糖用榔 头敲碎,可以看到冰糖 在破碎的一瞬间,发出 暗淡的蓝色闪光,这是 强电场放电所产生的闪 光,产生闪光的机理是 晶体的压电效应
2、介电材料在其它环境中的极化 应变场中的极化------压电效应
压电效应:某些电介质,当沿着一定方向对其施力而使它变形 时,内部就产生极化现象,同时在它的一定表面上产生电荷, 当外力去掉后,又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向 改变时,电荷极性也随着改变。
F
++++++ ------
F
2、介电材料在其它环境中的极化
应变场中的极化------压电效应
逆压电效应:当在电介质的极化方向施加电场,这些电 介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力,当外加 电场撤去时,这些变形或应力也随之消失的现象。

第三章 介电材料

第三章 介电材料

1
极化
polarization
在电场作用下,电介质中束缚着的电荷发生位移或者极 性按电场方向转动的现象,称为电介质的极化。 单位面积的极化电荷量称为极化强度,它是一个矢量, 用P表示,其单位为C/m2。 2 自发极化 spontaneous polarization
在没有外电场作用时,晶体中存在着由于电偶极子的 有序排列而产生的极化,称为自发极化。 在垂直于极化轴的表面上,单位面积的自发极化电荷 量称为自发极化强度。 3 介电常数 dielectric constant
目前,世界上存在200多种铁电体
铁电材料 ferro-electric materials
1920年Valasek(France) 酒石酸钾钠NaKC4H4O6· 2O 4H 所谓铁电材料,是指材料的晶体结构在不加 外电场时就具有自发极化现象,其自发极化的 方向能够被外加电场反转或重新定向。铁电材 料的这种特性被称为“铁电现象”或“铁电效 应”。 其特点是不仅具有自发极化,而且在一定温度 范围内,自发极化偶极矩能随外加电场的方向 而改变。它的极化强度P与外施电场强度E的关 系曲线如图所示,与铁磁材料的磁通密度与磁 场强度的关系曲线(B-H曲线)极为相似。极化 强度P滞后于电场强度E,称为电滞曲线。电滞曲 线是铁电材料的特征。
这些材料可以是单晶、陶瓷、聚合物等。 与铁元素没有直接关系 .
DRAM 铁电现象是在一种名为钙钛矿的材料中发现的, 而钙钛矿材料的晶格点阵中的离子,是在某一方 向上被分离成的正负离子,也就是在钙钛矿晶体 内部产生了一个电耦极子。当给这种晶体加上一 个电压时,这些耦极子就会在电场作用下排列。 改变电压的方向,可使耦极子的方向反转。耦极 子的这种可换向性,意味着它们可以在记忆芯片 上表示一个“信息单元”。而且,即使在电压断 开时,这些耦极子也会保持在原来的位置,使铁 电存储器不用电就能保存数据。这与大多数计算 机中使用的随机存取存储器的记忆芯片明显不同, 后者需要用电才能保存数据。

功能材料概论

功能材料概论
46
例如,通过高分子结构设计和官能团设计,在高分子结 构中引入感光功能基团,从而合成出感光高分子材料。合成 可供选择的措施有:共聚合、接技聚合、嵌段聚合、界面缩 聚、交联反应、官能团引入、模板聚合、管道聚合、交替共 聚以及用高聚物作支持体的聚合等。
47
(2)通过特殊加工赋予材料以功能特性
这种方法又称为物理方法。例如: 高分子材料通过薄膜化制作偏振光膜、滤光片、电磁传感 器、薄膜半导体、薄膜电池、接点保护材料、防蚀材料等,尤 其是在超细过滤、反渗透、精密过滤、透析、离子交换等方面 取得了广泛的应用。 高分子材料纤维化可用于二次电子倍增管或作离子交换纤维。 对于高分子材料来说,最引人注目的是塑料光纤的开发应用。
功能材料学概论-----马如璋 蒋民华 (冶金工业出版社,1999) 功能金属材料------ 王正品 (化学工业出版社,2004年)
1
第一章 电性材料
目录
第二章 磁性材料
第三章 超导材料
第四章 膨胀材料和弹性材料
第五章 储氢合金
第六章 非晶态合金
第七章 形状记忆材料
第八章 其他功能材料
2
功能材料授课内容
第一章:电性材料
金属的导电理论。金属的热电性。电学性能与微观结构之间的关系。电性材料
第二章磁性材料
磁学理论基础。金属软磁材料。金属永磁材料。磁致伸缩材料。铁氧体磁性材料
第三章超导材料
超导体的基本性质。超导材料的发展。超导材料的应用
第四章膨胀材料和弹性材料
膨胀合金。弹性合金
第五章储氢合金
储氢材料原理。储氢合金分类及开发现状。储氢材料的应用
13
(1)力学功能
主要是指强化功能材料和弹性功能材料,如高 结晶材料、超高强材料等。

新能源材料 第三章 燃料电池

新能源材料 第三章 燃料电池

严格地讲,燃料电池是电化学能量发
生器,是以化学反应发电;一次电池是电
化学能量生产装置,可一次性将化学能转
变成电能;二次电池是电化学能量的储存
装置,可将化学反应能与电能可逆转换。
3.1.4 燃料电池的工作原理
虽然燃料电池的种类很多并 且不同类型的燃料电池的电极反应 各有不同,但都是由阴极﹑阳极﹑ 电解质这几个基本单元构成,其工 作原理是一致的。
用可再生能源的 闭合循环发电系 统
再生燃料电池(RFC)
直接碳燃料电池(DCFC)
几种特殊类型的燃料电池
直接甲醇燃料电池(DMFC) 特 殊 燃 料 电 池
唯一使用固 再生燃料电池(RFC) 体燃料的燃 料电池 直接碳燃料电池(DCFC)
3.1.6 燃料电池的特性
高效率 优点 可靠性高 良好的环境效应
天然气, 轻质油, 燃 料 甲醇等重 整气 发电效率 45~50 40~45 对CO2 不 启动快; 室温常 敏感;成 优点 压下工 本相对较 作 低
电解 纯氢
表5-2
种类 AFC
五种燃料电池特点
PAFC MCFC SOFC PEMFC 电汽车,潜 艇,可移动 动力源 对CO非常 敏感; 反应物需要 加湿
3.1.6 燃料电池的特性
市场价格昂贵
优点
特 性
高温时寿命及 稳定性不理想 燃料电池技 术不够普及 没有完善的燃 料供应体系
存在 问题
3.1.7 燃料电池的应用
燃料电池可以作为宇宙飞船,人造卫星,宇 宙空间站等航天系统的能源,也可以用于并网发 电的高效电站;它可以作为大型厂矿的独立供电 系统,也可作为城市工业区,繁华商业区,高层 建筑物,边远地区和孤立海岛的小型供电站,此 外,它还能用于大型通信设备和家庭的备用电源 以及交通工具的牵引动力等。

第三章 材料的电学性能——材料物理性能课件PPT

第三章 材料的电学性能——材料物理性能课件PPT

v eEl / vme
j nev ne(eEl / vme ) (ne2l / vme )E
E
其中,电导率为: ne2l / vme = ne2t me
从金属的经典电子理论导出了欧姆定律的微分形 式,而且得到了电导率的表达式。
从电导率表达式知:电导率与自由电子的数量成 正比,与电子的平均自由程成正比。
22
❖ 容易想象温度越高,x2越大振幅愈大,振动愈激烈,因而对 周期场扰动愈甚,电子愈容易被散射,故有:散射几率p与x2 成正比,可得出:R∝ρ∝p∝x2∝T。即电阻R与绝对温度T 成正比。这样就解决了经典电子理论长期得不到定量解释的 困难。
一、电阻和导电的基本概念 ❖ 电阻率
❖ 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 材料导电性的尺度。
根据材料导电性能好坏,可把材料分为:
❖ 导体 : ρ<10-5Ω•m
❖ 半导体 : 10-3Ω•m < ρ< 109Ω•m
❖ 绝缘体 : ρ> 109Ω•m ❖ 不同材料的导电能力相差很大,这是由它们的结构
作为太阳能电池的半导体对其导电性能的要求更高,以追求 尽可能高的太阳能利用效率。
电学性能包括:导电性能、超导电性、介电性、铁 电性、热电性、接触电性、磁电性、光电性。
本章主要讨论材料产生电学性能的机理,影响材料 电学性能的因素,测量材料各类电学性能参数的方法 以及不同电学性能材料的应用等。
3.1 金属的导电性
第三章 材料的电学性能
在许多情况下,材料的导电性能比材料的力学性能还要重要。
导电材料、电阻材料、电热材料、半导体材料、超导材料和 绝缘材料都是以材料的导电性能为基础。

第三章 电介质材料 (基础知识)

第三章 电介质材料 (基础知识)

130~150 陶瓷: 陶瓷 80~110
陶瓷: 陶瓷 9.5~11.2
聚乙烯 2.26
聚四氟乙烯 2.11
聚氯乙烯 4.55
环氧树脂 3.6~4.1
天然橡胶 2.6~2.9
酚醛树脂 5.1~8.6
2.2 介质极化强度和极化率
v
为了描述电介质在外场中的极化情况,引入极化强度矢量 为了描述电介质在外场中的极化情况,引入极化强度矢量 P ,它等于单位 体积内感生偶极矩的矢量和: 体积内感生偶极矩的矢量和:
Q'
= (εr -1)ε0 E
P = n0αEe
εr =
Q 0 + Q' Q' = 1+ Q0 Q0
Q0 U
n0αEe εr = 1+ ε0 E
提高电介质的介电常数: 提高电介质的介电常数: 提高单位体积内的极化粒子数n 提高单位体积内的极化粒子数 0; 大的粒子组成电介质; 选取极化率α 大的粒子组成电介质; 增强作用于极化粒子上的有效电场E 增强作用于极化粒子上的有效电场 e。
4)极性分子电介质和非极性分子电介质 ) 极性分子:分子的正负电荷重心不重合。 极性分子:分子的正负电荷重心不重合。
v 极性分子具有固有偶极矩 电偶极矩: 固有偶极矩, 极性分子具有固有偶极矩, 电偶极矩:µ = ql v

v l
q
电偶极子 例如, 例如,HCl、NH3、CO、SO2、H2S、CH3OH 、 、 、
v E' :退极化场 v v v 介质中的总场强: 介质中的总场强:E = E 0 + E '
v E 0 :外电场
2.1 介电常数(ε) 介电常数( ) 比值来反映介质的极化能力: 取D/E比值来反映介质的极化能力: 比值来反映介质的极化能力

第三章 材料的介电性能

第三章 材料的介电性能
单位:106V/cm
BaTiO3 (0.02cm,单晶) BaTiO3 (0.02cm,多晶) 环氧树脂 聚苯乙烯 硅橡胶
0.04 0.12
160-200
160 220
3.3.1 介电强度
• 电击穿: 1. 电场强度高时会形成电流脉冲发生击穿,由此产生点坑, 孔洞和通道来将志体连通。 2. 击穿发生于材料的表面,通过表面水分或污染杂质增 加了击穿的可能性。 电击穿是一种集体现象。能量通过其它粒子(例如,已经 从电场中获得了足够能量的电子和离子)传送到被击穿的组 分中的原子或分子上。
3.3.2 影响无机材料击穿强度的各种因素
上式表明:电导率小的介质承受场强高,电导率大的
介质承受场强低。在交流电压下也有类似的关系。
如果σ1和σ2 相差甚大,则必然其中一层的电场强度 将大于平均场强E,这一层可能首先达到击穿强度而被击 穿。一层击穿以后,增加了另一层的电压,且电场因此大 大畸变,结果另一层也随之击穿。由此可见,材料的不均 匀性可能引起击穿场强的降低。
电偶极子:具有一个正极和一个负极的分子,存在外电场时,偶极子沿电场方向取向, 产生极化强度.
3.1 电介质及其极化
可以证明: 所以有: 令:电位移D为: 描述电介质的高斯定律所引入的物理量 代入得:
e r 1
P 0 E( r 1)
P e 0 E
D 0E P
3.3.1 介电强度
1.介质的击穿: 当电场强度超过某一临界值时,介质 由介电状态变为导电状态。这种现象称介电强度 的破坏,或叫介质的击穿。 2.击穿电场强度: 介质的击穿时,相应的临界电场 强度称为介电强度,或称为击穿电场强度。 (介电强度:一种介电材料在不发生击穿或者放电 的情况下承受的最大电场。)

第三章(磁性材料)ppt课件

第三章(磁性材料)ppt课件

磁感应强度 /T,不小于 B10 B25 B50 1.71 B100 1.80
不大于 96 72 48 32
1.40 1.50 1.62
B5、B10、B25、B50和B100分别表示H 为500、1000、2500、5000和10000A/m时
的磁感应强度值。
第三章 磁性材料-§3.1 软磁材料
2、影响电工用纯铁性能的因素及改善性能的方法
第三章 磁性材料-§3.1 软磁材料
电工用纯铁的磁性
磁性 等级 普级 高级 特级 超级 牌号 DT3, DT4, DT5, DT6 DT3A, DT4A, DT5A, DT6A DT4E, DT6E DT4C, DT6C Hc /A· m1
m /10-3H· m-1
不小于 7.50 8.75 11.30 15.00 B5
第三章 磁性材料-§3.1 软磁材料
二、软磁材料的基本性能要求
贮能高:要求单位体积贮存的磁能量高。
磁性参量的要求:高的Bs或Br。 灵敏度高:要求在弱磁场中对信号有高灵敏性。
B Br Bs
磁性参量的要求:高的i和m。
效率高:要求在磁场中工作时具有低的磁滞损耗 和涡流损耗。
-Hc O
磁各向异性减小
磁致伸缩效应降低 脆性增大,加工性能差
综合考虑: Si% ≤ 4%
第三章 磁性材料-§3.1 软磁材料
3、高斯织构硅钢片
结构特点:
易磁化方向[100]与轧制方向平行 55 [110] 难磁化方向[111]与轧制方向成55角 横向 中等磁化方向[110]与轧制方向成90角 高斯织构硅钢片具有磁各向异性,沿[100](轧制方向)磁性能最佳。
第三章(磁性材 料)
第三章 磁性材料

大学材料科学与工程经典——第三章导电高分子材料幻灯片PPT

大学材料科学与工程经典——第三章导电高分子材料幻灯片PPT
物质按电学性能分类可分为绝缘体、半 导体、 导体和超导体四类。高分子材料通常属于绝 缘体的 范畴。但1977年美国科学家黑格〔〕、 麦克迪尔米德〔A.G. MacDiarmid〕和日 本科学家
艾伦·黑格〔1936— 〕,1936年生于依阿华州苏 城。现为加利福尼亚大学的固体聚合物和有机物 研究所所长,是一名物理学教授。因有关导电聚 合物的发现而成为2000年度诺贝尔化学奖三名得 主之一。
第三章 导电高分子材料
1.2 材料导电性的表征 根据欧姆定律,当对试样两端加上直流电压V
时,假设流经试样的电流为I,那么试样的电阻R为:
RV I
〔3—1〕
电阻的倒数称为电导,用G表示:
G I V
〔3—2〕
第三章 导电高分子材料
电阻和电导的大小不仅与物质的电性能有关,
还与试样的面积S、厚度d有关。实验说明,试样 的
成正比:
vE
〔3—6〕
式中,比例常数μ为载流子的迁移率,是单位
场强下载流子的迁移速度,单位为〔cm2·V-1·s1〕。
结合式〔3—2〕,〔3—4〕,〔3—5〕和
〔3— 6〕,可知
Nq
〔3—7〕
第三章 导电高分子材料
当材料中存在n种载流子时,电导率可表示为:
n
Niqii i1
Байду номын сангаас
〔3—8〕
由此可见,载流子浓度和迁移率是表征材料 导
在讨论材料的导电性时,更习惯采用电导率 来 表示。
第三章 导电高分子材料
材料的导电性是由于物质内部存在的带电粒 子 的移动引起的。这些带电粒子可以是正、负离子, 也可以是电子或空穴,统称为载流子。载流子在外 加电场作用下沿电场方向运动,就形成电流。可 见,材料导电性的好坏,与物质所含的载流子数目 及其运动速度有关。

第三章 正极材料的类别、性能及储锂原理 4.30-5.3

第三章 正极材料的类别、性能及储锂原理  4.30-5.3

三元材料改性的研究背景
三元材料电 化学性能的 主要缺点 (1)循环性能差:高截止电压下材料的结构稳定性降低, 电解液发生氧化还原反应;
(2)倍率性能较差:电子导电率较低;
表面包覆
元素掺杂
保护电极和减少副反应
增强材料的结构稳定性 提高电子和Li+的扩散速率
针对过渡金属离子M的掺杂, 如Mg、Al、Zr、Mo和Cr等; 针对O的掺杂,如F;
二元素系
容量高 价格低廉 结构不稳定 合成难度大
磷酸铁锂系
三元素系
循环性能好 低温性能差 合成的批次稳 定性差
引入钴稳定其 二维层状结构
比容量高 放电倍率佳 安全性好 成本低
锂离子电池正极材料
容量密度 (mAh/g) 钴酸锂LiCoO2 锰酸锂LiMn2O4 磷酸铁锂 LiFePO4 三元材料 LiNixCoyMnzO2 ~140 ~110 ~135 150~220 能量密度 (Wh/kg) ~500 ~420 ~430 500~750 循环性能 良好 良好 优异 良好 安全性 差 良好 优异 较好 工艺 简单 简单 复杂 较复杂 成本及 污染性 高昂 重度污染 低廉 轻度污染 低廉 无污染 中等 中度污染
磷酸铁锂型高性能锂离子电池:功率高、容量 大、寿命长、成本低、环境友好、安全性好
3.2层状正极材料
3 1 4 2 Co3+ (3b)
O2 (6c)
Li+ (3a)
LiCoO2
Layered structure (R3m) ;从(100)方向看去
锂离子在固相中沿二维方向扩散 (LiCoO2:10-9~10-7cm2/s)
3.1正极材料概述
相对重要性 • 能量密度 • 安全性 • 循环寿命 • 成本价格
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在绝对0度(T=0K)和没有外界激发时,价 电子完全被共价键束缚着,本征半导体中没有 可以运动的带电粒子(即载流子),它的导电 能力为 0,相当于绝缘体。 在常温下,使一些价电子获得足够的能量 而脱离共价键的束缚,成为自由电子,同时共价 键上留下一个空位,称为空穴。 这一现象称为本征激发,也称热激发。
氮化镓
3.3 铁电、压电、热释电和介电材料
极化 :
在电场作用下,电介质中束缚着的电荷发生位移或者 极性按电场方向转动的现象,称为电介质的极化。
自发极化:
在没有外电场作用时,铁电晶体或铁电陶瓷中存在着 由于电偶极子的有序排列而产生的极化,称为自发极 化。
自发极化
(1) 不具有自发极化特性, 但为不对称中心结构,在 外力的作用下,产生极化。
H + H
H2
金属中电子的共有化
允许带:允许被电子占据的能带称为允许带,原子壳层中
的内层允许带总是被电子先占满,然后再占据能量更高的 外面一层的允许带。
价带:原子中最外层的电子称为价电子,与价电子能级
相对应的能带称为价带。
导带:价带以上能量的最低的允许带称为导带。 满带:被电子占满的允许带称为满带; 空带:每一个能级上都没有电子的能带称为空带。
Electron conduction in n-type semiconductors (and metals)
(-) (-)
e- e- e- e-
(+)
eeeeee-
Hole conduction in p-type semiconductor
e- ee- ee- e-
eee-
(+)
PN结(PN-junction)
不同的材料,由于禁带宽度不同,导带中的电子数目不同, 从而有不同的导电性。 本征半导体, n 型半导体, p型半导体
本征半导体:是指不含杂质的半导体;通常由于载流
子数目有限,导电性能不好。
N型半导体:在本征半导体中掺入5价元素,载流子多
数为电子。杂质能级—施主能级
P型半导体:在本征半导体中掺入3价元素,载流子多
无外加电场时,电畴在晶体中分布杂乱无章,使整 个晶体表现为电中性,宏观上无极性。
外电场作用时,沿电场方向极化畴长大,逆电场方 向的畴消失,其它方向分布的电畴转到电场方向, 极化强度随外加电场的增加而增加,一直到整个结 晶体成为一个单一的极化畴为止。如再继续增加电 场只有电子与离子的极化效应,和一般电介质一样。
+ +
+ -
+
+ -
±
+
+
-
+
-
+
-
未加应力
加应力产生极化, 正负电荷中心分开
加应力不产 生极化
(2) 含有对称中心的结构
+
-
+
±
-
+
+ -
结构含有正负离子
未加应力
加应力正负电荷中心不分开,不产生极化
(3) 无对称中心,且本身具有自发极化特性的结构 例1:具有极性轴或结构本身具有自发极化的结构
+ 固 有 偶 极 子 正 电 荷 层 与 负 电 荷 层 交 替 排 列
能级: 在孤立原子中,原子核外的电子按照一定
的壳层排列,每一壳层容纳一定数量的电子。每 个壳层上的电子具有分立的能量值,也就是电子 按能级分布。
原子结构示意图
能带:晶体中大量的原子集合在一起,而且原子之间距离
很近,从而导致离原子核较远的壳层发生交叠,壳层交叠使 电子不再局限于某个原子上,有可能转移到相邻原子的相似 壳层上去,也可能从相邻原子运动到更远的原子壳层上去, 这种现象称为电子的共有化。电子的共有化使本来处于同一 能量状态的电子产生微小的能量差异,与此相对应的能级扩 展为能带。
N 型半导体
多余 电子
+4 +5
+4 +4
磷原子
P 型半导体
在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素,如硼(或 铟),晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代,硼原子 的最外层有三个价电子,与相邻的
空穴
半导体原子形成共价键时,产 生一个空穴。这个空穴可能吸 引束缚电子来填补,使得硼原 子成为不能移动的带负电的离 子。由于硼原子接受电子,所 以称为受主原子。
二、杂质半导体
在本征半导体中掺入某些微量的杂质,就会 使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺 杂半导体的某种载流子浓度大大增加。
N 型半导体:自由电子浓度大大增加的杂质半导体, 也称为(电子半导体)。 P 型半导体:空穴浓度大大增加的杂质半导体,也 称为(空穴半导体)。
在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷(或锑),晶 体点阵中的某些半导体原子被杂质取代,磷原子的最外层有 五个价电子,其中四个与相邻的半导体原子形成共价键,必 定多出一个电子,这个电子几乎不受束缚,很容易被激发而 成为自由电子,这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。 每个磷原子给出一个电子,称为施主原子。
EFn
holes
Band gap
EFp= EFn
Valence Band
Valence Band
3.1.3 导体材料 金属:如银、铜、铝等;
可用作电缆材料,电池材料,电机材料,开关材料, 辐射屏蔽材料,传感器材料等;
合金:如黄铜、镍铬合金等;
可用作电阻材料和热电偶材料;
非金属:如石墨、C3K、 C24S6等;
两种极性(自发极化)晶体的比较: 由极化轴引起自发极化的晶体,这种晶体的内部电 场很强,外电场的作用并不能改变晶体的极化强度, 也不能改变其方向,所有质点的偶极矩都平行,大 部分是一个电畴,这样的热释电体大部分为一个电 畴。
由热运动引起的自发极化的晶体,产生多畴,有居 里点和电滞回线等特性,这类晶体具有热释电性和 铁电性。
• •

钛、氧离子的位移 自发极化:这种极化状态并非由外电场引起,而是由 晶体的内部结构引起。在这类晶体中,每一个晶胞内 存在有固有电矩,通常将这类晶体称为极性晶体。 一般介电极化,是介质在外电场作用下引起,没有外 电场,这些介质的极化强度为0。



°
°





固 有 偶 极 子
电畴的形成:许多固有电偶极矩产生自发平行排列 形成一个畴。
结果:
氧八面体空腔体积大于钛离子体积,给钛离子位移的 余地。
较高温度时,热振动能比较大,钛离子难于在偏离中 心的某一个位置上固定下来,接近六个氧离子的几率 相等,晶体保持高的对称性,自发极化为零。
温度降低,钛离子平均热振动能降低,因热涨落,热 振动能特别低的离子占很大比例,其能量不足以克服 氧离子电场作用,有可能向某一个氧离子靠近,在新 平衡位置上固定下来,并使这一氧离子出现强烈极化, 发生自发极化,使晶体顺着这个方向延长,晶胞发生 轻微畸变,由立方变为四方晶体。
三种晶体结构:纤锌矿、闪锌矿和岩盐矿
宽禁带半导体材料:
InN---1.9 eV,GaN---3.4 eV,AlN---6.2eV
用途:
晶体管、 发光管、激光二极管和光电探测器等器件
Wide Band Gap: ~ 3.4 eV High Break down field Large electron saturation velocity: 1.3 x 10-7 cm/s Chemically stable at high T Operate at 400 º C high temperature Short wavelength light emission and high power electronic applications
热电体:
因为原子的构型是温度的函数,所以极化状态将随温 度发生变化。这种性质称为热电性。热电性是所有呈现自 发极化的晶体的共性。具有热电性的晶体称为热电体。
铁电体:
存在自发极化,且自发极化有两个或多个可能的取向, 在电场作用下,其取向可以改变。
压电体:
压电效应是指材料在外力作用下发生极化而在材料两 端的表面上出现电位差的效应。具有压电性质的材料称为 压电 材料
钛酸钡的结构:钙钛矿型结构
• •




° °





等轴晶系(大于120oC) : 晶胞常数:a=4.01A 氧离子的半径:1.32A 钛离子的半径: 0.64 钛离子处于氧八面体中, 两个氧离子间的空隙为:4.01-2× 1.32= 1.37 钛离子的直径:2× 0.64= 1.28
用途: 光电材料,适合于制造高频、高速的器件和电路,
发光二极管、场效应晶体管等。
氮化镓——第三代半导体材料
氮化镓及其相关氮化物材料:
是指元素周期表中ⅢA族元素铝、镓、铟和Ⅴ族元素氮形
成的化合物(AlN、GaN、InN,)以及由它们组成的多元合金
材料(InxGa1-xN,AlxGa1-xN)等。
特点:
半导体的能带结构:
价带为满带,
禁带宽度 Δ Eg≈0~2 eV
载流子:导体和半导体的导电作用是通过带电粒子的运动
(形成电流)来实现的,这种电流的载体称为载流子。
导体的载流子是自由电子; 半导体的载流子是带负电的电子和带正电的空穴。
Electron / Hole Conductivity
Semiconductor
+4
+4
+3
+4
硼原子
单晶硅棒
(直拉法)
硅在太阳能电池上的 应用
单晶硅 多晶硅 非晶硅
砷化镓——第二代半导体材料
特点: 化合物半导体,晶体结构是闪锌矿型,
禁带宽度为1.43 eV 容易制成半绝缘材料(电阻率107 ~ 109Ω·cm)
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