第一章 金属材料电学性能
第一章 材料的电学性能
3. 能带理论
由于周期势场的存在， 自由电子的能级发生 分裂，出现允带和禁 带。
周期场中电 子运动的E-K
曲线及能带
电阻率
m vF 2 nef e
*
nef为单位体积内实际参与传导过程的电子数，称 为有效自由电子数。不同材料nef 不同。一价金属
的nef比二、三价金属多，因此它们的导电性较好。
m*表示电子的有效质量， 它是考虑晶体点阵对电 场作用的结果。 μ为散射系数， μ＝1/l
当电子波通过理想晶体点阵(0K)时,不受散射；只有 晶体在点阵完整性遭到破坏的地方，电子波受到散 射，这就是金属产生电阻的根本原因。 若金属中含有少量杂质，杂质原子使金属正常的结
构发生畸变，对电子波引起额外散射。此时散射系数
二、金属导电理论
经典自由电子论 1900年特鲁德/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。
表征霍耳场的物理参数：霍耳系数
EH RH J x B0
又因 可得
J x B0 EH ne
2.量子自由电子理论
量子理论的一些法则
电子具有波、粒两相性，运动着的电子作为物质波， 在一价金属中，自由电子的动能E等mv2/2.
有电场时的E-K曲线
量子自由电子理论的电阻率表达式
ne lF m vF
2
ne l ne t m mv
2
2
lF为费米面附近电子平均自由程； vF为费米面附近电子平均运动速度。
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：
第01章 金属电性能
能级(Enegy Level)：
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ห้องสมุดไป่ตู้能级分 布。为简明起见，在表示能量高低的图 上，用一条条高低不同的水平线表示电
方法（设备） 工艺 结构 性能 器件服役性能
材料工程
Materials engineering is designing of the structure of a material to produce a predetermined set of properties, on the basis of these structure-property correlations
σ σCu
%
Al： 65 IACS% Fe： 17 IACS%
第一节 金属的导电理论
导电理论是电子理论的重要组成部分。 金属电子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
经典电子理论 给金属施加外电场后，自由电子获得附加速度， 发生定向迁移，从而形成了电流。自由电子在定 向迁移过程中，因不断与正离子发生碰撞，而使 电子的迁移受阻，这就是产生电阻的原因。
第一章 金属电性能
（electrical properties）
欧姆定律：J＝σE
R＝ρ l S
1 σ= ρ
导体： 半导体： 绝缘体：
ρ 10－6～ 10－2 Ω·cm ρ 10－3～ 109 Ω·cm ρ 1010～ 1020 Ω·cm
相对电导率：工程上用来表征导体材料的 导电性能
IACS% =
材料物理性能 第一章 (2)
在能源科学技术中的应用
i) 保温材料的优选和保温材料结构的优化设计。
ii) 远红外加热技术，以获得最佳的能量利用率。 iii) 太阳能的利用：要求尽可能多地吸收太阳辐射，
并且要最大限度地抑制集热器本身的热损。
在电子技术和计算机技术中的应用
i) 在超大规模集成电路（容量和密集度迅速增大）中， 要求集成块的基底材料导热性能优良。
自由电子的贡献
CV CVl CVe T 3 T
点阵振动热容 自由电子热容
常温下，自由电子热容微不足道 高温和低温时，电子热容不能够忽略
合金成分的影响
合金的热容是每个组成元素热容与其质量百分比的 乘积之和。
n
C X1C1 X 2C2 X nCn X iCi
无机材料的热容
高于D 时，趋于常数；低于D 时，与 T 3成正比 与材料结构的关系不大 相变时，热容出现了突变 单位体积的热容与气孔率有关
Cp a bT cT 2
不同温度下某些陶瓷材料的热容
相变时，热容出现了突变。
金属材料的热容
➢ 自由电子对热容的贡献 ➢ 合金成分对热容的影响 ➢ 相变时的热容变化
电学、热学、磁学性能 电学、光学性能 电学、热学性能 光学、热学、电学性能
课程内容
➢ 材料的热学、电学、磁学、光学等性能； ➢ 热学、电学、磁学、光学等现象的物理本质； ➢ 热学、电学、磁学、光学等性能的测量； ➢ 材料物理性能的工程意义及从理论上设计材料。
第一章 材料的热学性能
热容 热膨胀 热传导 热稳定性
3N
2
kT
e kT
2
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。
冶金物理化学教案中的金属材料电化学性能与应用
冶金物理化学教案中的金属材料电化学性能与应用在冶金物理化学的教学中，了解金属材料的电化学性能及其应用是至关重要的。
金属材料的电化学性能与其表面状态、结构特征、电子结构及化学成分等密切相关，而这些特性又直接影响着材料的性能和应用。
本文将介绍金属材料的电化学性能及其在相关领域的应用。
一、电化学性能的参数1. 电化学原理电化学是关于电与化学反应之间相互关系的科学，它可以用来研究材料的电化学性质。
在物理化学中，有两个重要的基本概念：电势和电流。
电势描述了电子迁移动力的大小，而电流描述了电子在电场力下的移动。
通过电势和电流的测量，可以得到金属材料的电化学性能。
2. 电化学参数金属材料的电化学性能通常用一些特定的参数来描述，比如电位、电流密度、反应速率等。
其中，电位是物质在电解质溶液中的电荷状态，它可以用来表征材料的电化学活性。
电流密度代表单位面积上的电流流过程度，是金属材料与电解质接触的导电性能。
反应速率则描述了金属材料在电化学反应中的活性。
二、金属材料电化学性能的影响因素1. 表面状态金属材料的表面状态对其电化学性能有着重要影响。
表面的氧化、电位变化、晶界效应等因素会导致金属材料的电化学特性发生改变。
此外，材料表面的粗糙度、清洁度以及处理方式也会对电化学性能产生影响。
2. 结构特征金属材料的结构特征对其电化学性能起着重要作用。
晶体结构的形状、排列和晶间距等因素，以及晶界、孪生界等微观结构也会对电化学行为产生影响。
3. 电子结构金属材料的电子结构直接决定了其导电性能和电化学反应性质。
能带结构、价电子和自由电子的分布、能级等因素都对金属材料的电化学性能有着重要影响。
4. 化学成分金属材料的化学成分决定了其电化学性能和应用的范围。
不同金属元素的离子半径、电子亲和力以及化学活性等特性会直接影响材料的电化学行为。
三、金属材料电化学性能的应用1. 阳极保护金属材料的电化学性能可以应用于阳极保护领域。
通过给材料提供一个阳极，使其与阴极相对，就可以减少或防止金属材料的腐蚀、氧化等问题。
电工电子技术与技能(高教版)金属材料的力学性能
第一章金属材料的力学性能【教学组织】1．提问5分钟2．讲解75分钟3．小结5分钟4．布置作业5分钟【教学重点与难点】1．重点：金属材料的强度与塑性、硬度2．难点：韧性、疲劳现象和疲劳强度【教学方法与教学手段】1．利用试样、挂图等教具。
2．利用多媒体资料进行短时演示。
【教学内容】金属材料的性能包括使用性能和工艺性能。
●使用性能是指金属材料为保证机械零件或工具正常工作应具备的性能，即在使用过程中所表现出的特性。
使用性能包括力学性能（或机械性能）、物理性能和化学性能等。
●工艺性能是指金属材料在制造机械零件或工具的过程中，适应各种冷、热加工的性能，也就是金属材料采用某种成形加工方法制成成品的难易程度。
工艺性能包括铸造性能、锻压性能、焊接性能、热处理性能及切削加工性能等。
第一节金属材料的强度与塑性一、力学性能的概念●金属材料的力学性能是指金属材料在力作用下所显示的与弹性和非弹性反应相关或涉及应力—应变关系的性能，又称机械性能，主要包括强度、硬度、塑性、韧性、疲劳强度等。
注：根据载荷性质，零件受力情况可分为静载荷和动载荷两类。
静载荷是指逐渐而缓慢地作用在工件上的力，如机床床头箱对床身的压力、钢索的拉力、梁的弯矩、轴的扭矩和剪切力等。
动载荷包括冲击载荷和交变载荷等，如空气锤锤杆所受的冲击力；齿轮、曲轴、弹簧等零件所受的大小与方向是随时间周期变化的载荷等。
●物体受外力作用后导致物体内部之间相互作用的力称为内力。
●单位面积上的内力称为应力σ(N/mm2或Mpa）。
●材料在外力作用下引起形状和尺寸改变，称为变形，包括弹性变形（卸载后可恢复原来形状和尺寸）和塑性变形（卸载后不能完全恢复原来形状和尺寸）。
●应变є是指由外力所引起的物体原始尺寸或形状的相对变化(%)。
二、拉伸试验过程分析●拉伸试验是指用静（缓慢）拉伸力对试样进行轴向拉伸，通过测量拉伸力和伸长量，测定试样强度、塑性等力学性能的试验。
圆柱形拉伸试样分为短圆柱形试样和长圆柱形试样两种。
第一章材料物理性能绪论.ppt
三、研究材料疲劳裂纹的扩展
四、研究淬火钢的回火
ρ
110 230 300
t(℃)
第五节导体合金及精密电阻
一、导体合金 Ag：ρ=1.47μΩ•cm
Cu：ρ=1.724μΩ•cm
AL：ρ=2.61μΩ•cm
二、精密电阻合金
锰铜 86Cu-12Mn-2Ni 康铜 Cu-40Ni-1.5Mn 新康铜 82.5Cu-12Mn-1.5Fe 新锰铜 67Mn-33Cu 三、加热合金
第六节影响电阻的因素
一、温度 二、应力 三、组织结构 塑性变形 热处理 四、合金元素及相结构 固溶体 有序化
第一章 电阻分析
第一节金属的导电性及其物理本质 一、金属的导电性
导体σ=104～108 （c/s） 半导体σ=10-7～104 （c/s） 绝缘体σ=10-8～10-18 （c/s）
二、金属导电的物理本质
1.经典电子理论
σ=ne2t/（2m） 2.量子自由电子理论
neff2 1 σ=
2m μ μ称为散射几率
四、碳钢的电阻
Wc＜0.02％时 Wc＞0.02％时 Wc＜0.9％的退火钢在20℃时 ρ20=（10.5 +3Wc+2Wc2）（μΩ•cm） Wc＜01％的钢，经850℃淬火后，在20 ℃时 ρ20=（10.3 +1.6Wc+12.6Wc2）（μΩ•cm） 1000℃淬火时 ρ20=（10.3 +9.3Wc+7.4Wc2）（μΩ•cm）
3.能带理论
三、影响金属导电性的因素
1.温度ρT=ρ0（1+αT） α=
2.应力的影响 ρ=ρ0（1+φp）
3.冷加工变形的影响 ρ=ρ（T）+ Δρ Δρ= Δρ（空位）+ Δρ（位错）
第一章-金属材料电学性能
重
无
叠
禁
带
金属
未
宽
填
禁
满
带
窄 禁 带
空带 禁带
满带
绝缘体 半导体
三种导电理论的主要特征
连续能量分布的价电子在均匀势场 中的运动
不连续能量分布的价电子在均匀势 场中的运动
不连续能量分布的价电子在周期性 势场中的运动
第二节 影响金属导电性的因素
一、温度的影响 二、应力的影响 三、冷加工变形的影响 四、合金元素及相结构的影响
电的电子平均速度
❖ : 单位时间内散射的次数
（散射系数）
☺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）
+11
+11
❖ 电子具有波粒二象性，运动着的电子作为物质波 （德布罗意波），其波长与电子的运动速率或动 量之间的关系为
h h
mv p
2 2 mv h
❖ m:电子质量 ❖ v :电子速度 ❖ :波长 ❖ p:电子动量
E 1 mv2 2
E8h22m228h22mK2
❖ h:普朗克常量
h 2 常数 K 2 波数
❖ 禁带（带隙）
价带与空带之间存在着一段能量间隔，在这个区域永远 不可能有电子，这个能量区域称为禁带或带隙
空带
晶体中电子的E-K曲线
带隙
价带
充带
禁带 充带
热处理对金属材料的电学性能的影响
热处理对金属材料的电学性能的影响热处理是一种通过改变金属材料的结构和组织来改善其性能的方法。
在金属材料的制备和加工过程中，热处理是非常重要的一部分。
与此同时，金属材料的电学性能也是工程应用中需要考虑的关键因素之一。
本文将探讨热处理对金属材料电学性能的影响。
1. 电导率：电导率是指物质导电性能的一个重要指标。
金属材料的电导率与其晶体结构和电子迁移能力有关。
通过热处理可以改变金属材料内部的晶格结构，从而影响电子在材料中的移动行为。
例如，在固溶处理过程中，通过高温加热和淬火处理，可以使金属材料的晶格结构更加均匀，晶粒尺寸更小，从而增加金属材料的电导率。
2. 导电性能：除了电导率，导电性能也是评估金属材料电学性能的指标之一。
导电性能取决于材料中存在的自由电子数量以及电子在材料中传递的能力。
热处理可以通过晶界结构的调控来影响材料的导电性能。
晶界是晶格结构之间的边界，它对材料的电子传输起到重要的影响。
热处理可以提高晶界的稳定性和连续性，从而提高金属材料的导电性能。
3. 电阻率：电阻率是电学性能的重要指标之一。
与电导率相反，电阻率指的是材料对电流的阻碍能力。
通过热处理可以调控金属材料的晶界和晶粒大小，影响材料内部电子的传递行为。
通过合理的热处理过程，可以使金属材料的晶体结构更加致密，电子在材料中传递的路径更加复杂，从而增加金属材料的电阻率。
4. 电化学性能：金属材料的电化学性能是评估其在电解质中的电子传递和反应能力的指标。
热处理可以改变金属材料的表面性质，如晶粒的尺寸和形状，表面缺陷的状态等，从而影响金属材料的电化学性能。
例如，在热处理过程中，可以通过调控材料的渗碳层厚度和形成态结构来提高材料的耐蚀性能，降低材料的电极化速率。
综上所述，热处理对金属材料的电学性能有着重要的影响。
通过调控金属材料的晶粒结构、晶界结构和表面性质，可以改善金属材料的电导率、导电性能、电阻率以及电化学性能。
而实际工程应用中，根据具体的材料和电学性能需求，可以采取相应的热处理工艺，以满足不同工程应用对金属材料电学性能的要求。
材料物理性能
第一章：电学性能1、绝缘体ρ﹥10^10Ω·m 半导体：10^-2＜ρ10^10Ω·m 导体：10^-2Ω·m ﹥ρ2、电阻对应三种散射机制：声子散射、电子散射、电子在杂质和缺陷上的散射。
3、马基申定则：金属固溶体中溶质原子的浓度较小，以致可以略去它们之间的相互影响，把固溶体的电阻看成由金属的基本电阻和残余电阻组成，即ρ＝ρ（T ）＋ρ残。
这实际上表明，在一级近似下不同散射机制对电阻的贡献可以加法求和。
根据马基申定律，在高温时金属的电阻率基本上取决于ρ(T) ，而在低温时取决于ρ残。
既然ρ残是电子在杂质和缺陷上的散射引起的，那么ρ残的大小就可以用来评定金属的电学纯度。
4、影响金属导电性因素：温度、应力、冷加工变形、合金元素及相结构5、载流子：能够携带电荷的粒子称为载流子。
在金属、半导体和绝缘体中携带电荷的载流子是电子；在离子化合物中，携带电荷的载流子则是离子。
6、本征半导体：纯净的无结构缺陷的半导体单晶。
其电学特性：1)本征激发成对产生自由电子和空穴，自由电子浓度与空穴浓度相等；2)禁带宽度Eg 越大，载流子浓度ni 越小；3)温度升高时载流子浓度ni 增大。
4)载流子浓度ni 与原子密度相比是极小的，所以本征半导 体的导电能力很微弱。
7、多子：在n 型半导体中，自由电子的浓度大（1.5×10^14㎝-3），故自由电子称为多数载流子，简称多子。
少子：把n 型半导体中的空穴称为少数载流子，简称少子。
8、杂质半导体：掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。
杂质半导体特性：1)掺杂浓度与原子密度相比虽很微小，但是却能使载流子浓度极大地提高，因而导电能力也显著地增强。
掺杂浓度愈大，其导电能力也愈强。
2)掺杂只是使一种载流子的浓度增加，因此杂质半导体主要靠多子导电。
当掺入五价元素(施主杂质)时，主要靠自由电子导电；当掺入三价元素(受主杂质)时，主要靠空穴导电。
9、电介质的分类：中性电介质、偶性电介质、离子型电介质10、介质损耗：.电介质在电场作用下，单位时间内因发热而消耗的能量称电介质的损耗功率，简称介质损耗。
第一章 电学性能
1-1 1-2 1-3 1-4 第一节1.二、金属导电理论经典自由电子理论2. 量子自由电子理论3. 能带理论经典自由电子理论在一定程度上解释了金属导电的本质，但不能解释一价金属的导电性比二、三价金后好的事实，也不能解释超导现象。
随着量子力学理论的发展，量子自由电子理论则解决了经典自由电子理2．量子自由电子理论量子自由电子理论同样认为金属中正离子形成的电场是均匀的，价电子与离子间没有相互作用，可以在整个金属中自由运动。
但这一理论认为，金属中每个原子的内层电子基本保持着单个原子时的能量状态，而所有价电子却按量子化规律具有不同的能量状态，即具有不同的能级。
这一理论认为，电子具有波粒二象性。
根据波粒二象性原理，自由电子的运动即可用质量、速度和动量来表示。
又可用波长和频率来描述。
E F电子能级间隙很小，所以能级的分布可看成是准连续的，称为能带。
K的“+”或“－”表示自由电子运动的方向，正反相等表明自由电子没有定向运动——无外电场。
无外电场时的E-K关系按照泡利不相容原理，正反方向运动着的自由电子从低能态一直排到高能态。
金属中的自由电子具有不同的能量状态！0K时电子所具有最高能态称费密能E F.不同金属的费密能不同。
电场有电场时的E-K曲线9电场使向着其正端运动的电子能量降低，反向运动的电子能量升高。
9不是所有的自由电子都参与导电。
只有处于高能态的自由电子才参与导电，即费米面附近的电子参与导电。
3，能带理论¾金属中的价电子-自由电子的能级也是量子化的，与量子自由电子理论相同；¾金属中由离子点阵所造成的势场不均匀，呈周期变化。
电子在周期势场中运动时，随着位置的变化，它的势能也呈周期变化，即接近正离子时势能降低，离开时势能增高。
又称能隙。
不允许自由电子存在的各能带之间的能量间距。
具有空能级允带中的电子是自由的，在外电场作用下参与导电，所以这样的允带称为导一个允带所有能级都被电子填满，这种能带称满带。
2-3金属材料的电学性能
2.3 金属材料的电学性能金属材料是常用的导电材料，本节主要介绍金属材料电阻产生的机制及影响金属材料导电性的因素。
这些因素包括温度、化学成分、晶体结构、杂质和缺陷等，它们的影响机理及影响程度各不相同。
2.3.1 金属电阻率的马基申定则量子力学证明，当电子波在绝对零度(0K)下通过一个理想的完整晶体时，将不受散射而无阻碍传播，此时电阻率为零。
实际上，金属内部存在着缺陷和杂质，在温度不为0K 时，由于温度引起的离子运动(热振动)，以及晶体中存在的杂质原子、位错、点缺陷等都会使晶体点阵的周期性遭到破坏，电子波在这些地方发生散射而产生附加电阻，降低导电性能。
因此，金属的总电阻包括基本电阻（与温度相关）和溶质(杂质)浓度引起的电阻(与温度无关)，即马基申定则(Matthiessen Rule)，用下式表示： 0ρρρ′+=T (2-18)式中，ρT 为与温度有关的金属基本电阻,0ρ′取决于化学缺陷和物理缺陷而与温度无关的残余电阻。
化学缺陷为杂质原子以及人工加入的合金元素原子；物理缺陷指空位、间隙原子、位错等。
如果金属材料是没有缺陷的理想晶体，残余电阻0ρ′为零；这样ρT 可理解为理想晶体的电阻率。
从马基申定则可以看出，在高温时金属的电阻率取决于ρT ，而在低温时则取决于残余电阻0ρ′。
由于0ρ′主要由杂质和缺陷引起的，如果认为按一定方法制备的金属具有相似的缺陷浓度，则可以用0ρ′的大小来评定金属的纯度。
由于0K温度不能达到，一般用4.2K的极低温度来代替。
4.2K温度下金属的电阻率叫剩余电阻率。
金属在300K温度时的电阻率与剩余电阻率的比ρ300K /ρ4.2K 叫剩余电阻比RRR(residual resistivity ratio) 。
RRR 越高，金属纯度越高。
目前制备的纯金属RRR 可高达104－105。
2.3.2 影响金属导电性的因素1. 温度对金属导电性的影响金属电阻率随温度升高而增大。
尽管温度对有效电子数和电子平均速度几乎没有影响，然而温度升高会使晶格振动加剧，瞬间偏离平衡位置的原子数增加，使电子运动的自由程减小，散射几率增加而导致电阻率增大。
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
工程材料 第一章 材料的性能及应用意义
HR = (0.2 - △h) / 0.002 (mm)，
其中 △h = h1 - h0
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
洛氏硬度计
一、力学性能
3. 维氏硬度（HV） GB4342 -1984
（1）金刚石正四棱锥压头，精确 操作复杂，适用于科学研究。 （2）压力可选5～120Kg间的特定 值，适用各种硬度值的测量。 （3）压痕小，可测表面硬化层。
冲击吸收功AK
1 2
3
TK
温度T
三种不同冷脆倾向的材料
1—面心立方晶格的金属 2—中、低强度体心立方晶格的金属 3—高强度材料
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
冲击吸收功的测定
一、力学性能
不同材料的冲击抗力:
§1.2 材料的使用性能
冲击能量A
A'
A" N'
K 1
2
N"
冲击破断次数 lgN
1—高强度低韧性材料 2—低强度高韧性材料
§1.2 材料的使用性能
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
（六）韧性——材料在塑性变形和断裂的全过程中吸收能量的能 力，它是材料强度和塑性的综合表现。
韧性不足可用脆性来表达。 韧性高低决定是韧性断裂，还是脆性断裂。
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
1. 冲击韧度 Ak ——材料抵抗冲击载荷的能力
二、物理性能
§1.2 材料的使用性能
（一）密度 （二）热学性能：熔点、热容、热膨胀、热传导等。 （三）电学性能：电阻率、电阻温度系数、介电性。 （四）磁学性能：磁导率、饱和磁化强度和磁矫顽力。
第一章 电功能金属材料
第一节 概述
金属导电的物理本质
影响金属导电的因素
第二节 几种典型的电功能材料
基本要求：
导电材料 电热材料
电阻材料 热电材料
理解金属导电的物理本质及影响因素
掌握各种电功能材料的特点、种类、性能及应用
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第一节 概述
一、金属导电能力的表示方法
电功能金属材料
样品的长度为L，横截面积为S，测出电阻为R
T1
T2
由于温差而产生的热电现象称为赛贝
克（seebeck)效应
I
B
用途：金属热电偶材料
要求：高的热电势高的电热温度系数，良好的高温抗氧 化性和抗环境介质的腐蚀性，容易加工，价格低
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下图为典型工业用热电偶结构示意图。它由热电偶 丝、绝缘套管、保护套管以及接线盒等部分组成。 实验室用时，也可不装保护套管，以减小热惯性。
高温：Fe-Cr-Al系和Pt－W系丝材 中温及低温：康铜和Ni－Cr改良型的箔材为主
主要用途：电阻应变片或传感器，用来测量力 （或重量）位移，压力扭距，加速度等
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第二节 几种典型的电功能材料 电功能金属材料
电阻应变片
机械量
电量
电阻应变计结构
1、3－粘结剂，2－基底，4－盖层， 5－敏感栅，6－引线 2020/1/21
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第二节 几种典型的电功能材料 电功能金属材料
Ni的作用：降低合金对铜的热电势，改善电 阻温度系数并提高耐腐蚀性能。 （2）Cu-Ni系 康铜： Cu60％、Ni40％ 电阻－温度线性比锰铜好，可以在较宽的 温度范围内使用，其最高使用温度可达 400C，而且耐腐蚀性，耐热性均比锰铜好。
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禁带（带隙）
价带与空带之间存在着一段能量间隔，在这个区域永远
不可能有电子，这个能量区域称为禁带或带隙
晶体中电子的E-K曲线
空带 带隙 价带 充带
禁带
充带
禁带 充带
自由电子模型
近自由电子模型
导体
如果价带内的能级未被填满，价带与导带之间没有禁带，
或者相互重叠，在外电场作用下电子很容易从一个能级 跃迁到另一个高能级去而产生电流
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
ne l ne t 2mv 2m
2
2
m:电子质量 e:电子电荷 t :两次碰撞之间的平均时间
ne l ne t 2mv 2m
2
2
经典自由电子理论的不足之处
不能解释二、三价金属的价电子虽然比一价
金属多，但导电性比一价金属差的原因
实际测量到的电子平均自由程比经典理论估
第一章 电学性能
主要内容
材料的导电性 影响金属导电性的因素
电阻分析应用
第一节 材料的导电性
一、电阻率和电导率 欧姆定律： U RI
L R表示导体的电阻： R S 电导率： 1
单位： (m) (-1m-1, S/m)
一些材料室温下的电导率
材料 Ag Cu Au Al Zn Ni Fe 304 不锈钢 70Cu-30Zn 电导率(-1m-1) 6.3107 6.0107 4.3107 3.8107 1.69107 1.38107 1.02107 1.4106 1.6107 材料 Ge SiC Si 耐火砖 滑石 云母 尼龙 石蜡 聚乙烯 电导率(-1m-1 ) 2.2 10 4.310-4 10-6 10-12 10-11 10-12~10-10 10-15 <10-14
不同点：
金属中每个原子的内层电子基本保持着单个原
子时的能量状态，而所有价电子按量子化规律 具有不同的能量状态，即具有不同的能级。
+11
+11
电子具有波粒二象性，运动着的电子作为物质波 （德布罗意波），其波长与电子的运动速率或动 量之间的关系为
h h mv p
m:电子质量 v :电子速度 :波长 p:电子动量 h:普朗克常量
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）
电阻的形成
电子波在传播过程中被离子点阵散射，然后
相互干涉而形成电阻。
超导体
量子力学证明，当电子波在绝对零度下通过
一个理想的晶体点阵时，它将不会受到散射 而无阻碍地传播，此时的材料是一个理想的 导体，即所谓的超导体。
电阻产生的本质
晶体点阵离子的热振动使电子波受到散射 晶体中的杂质原子、位错和点缺陷等使电子
计的大很多
不能解释超导现象的产生
经典自由电子理论的问题根源
忽略了电子之间的排斥作用 2. 忽略正离子点阵周期场的作用 3. 立足于牛顿力学的宏观运动
1.
对于微观粒子的运动问题，需要利用量 子力学的概念来解决。
（二）量子自由电子理论
相同点：
金属中正离子形成的电场是均匀的，价电子与
离子间没有相互作用，且为整个金属所共有， 可以在整个金属中自由运动。
重 叠
无 禁 带
未 填 满
宽 禁 带
窄 禁 带 空带
禁带
满带
金属
绝缘体
半导体
三种导电理论的主要特征
连续能量分布的价电子在均匀势场 中的运动 不连续能量分布的价电子在均匀势 场中的运动 不连续能量分布的价电子在周期性 势场中的运动
第二节 影响金属导电性的因素
一、温度的影响 二、应力的影响 三、冷加工变形的影响
大多数金属： ~10-3 过渡金属，铁磁性金属 ~10-2
一、温度的影响
过渡金属的电阻
过渡金属的电阻与温度的关系经常出现反常，特别
是具有铁磁性的金属在发生磁性转变时，电阻率出 现反常。 研究表明，在接近居里点时，铁磁金属或合金的电 阻率反常降低量与其自发磁化强度Ms的平方成正 比，即
能带结构中的有关概念
价带
由价电子能级分裂而形成的能带，通常情况下，价带为
能量最高的能带。价带可能被电子填满，成为满带，也 可能未被电子填满，形成不满带或半满带
导带
一些被充满的价带顶部的电子受到激发而进入空带，此
时，价带和空带均表现为不满带，在外加电场的作用下 形成电流，对于这样的固体，能带结构中的空带又称为 导带
压应力 使原子间的距离减小，点阵的畸变减小，大多 数金属在三向压力(高达1.2GPa)的作用下，电 阻率下降，并有如下关系：
0 (1 p)
0 : 真空下的电阻率 : 压力系数(为负值)
p : 压力
二、应力的影响
压力对过渡金属的影响最显著，这些金属的特点 是存在着具有能量差别不大的未填满电子的壳层， 在压力作用下，有可能使外壳层电子转移到未填 满的内壳层，导致性能的变化。 高的压力往往导致物质的金属化，引起导电类型 的变化，而且有助于从绝缘体半导体金属 超导体的某种转变。
四、合金元素及相结构的影响
一、温度的影响
neff e l 2 mv
2
温度对有效电子数 和电子平均速度 几乎没有影响
离子振动加剧 温 度 升 高 热振动振幅增大 自由程减小 散射几率增加
原子的无序度增加
周期势场的涨落加大
电阻率增大
一、温度的影响
2 T D 3
T
T
T 2K
2
T D
T
5
普通非过渡金属电阻-温度曲线
一、温度的影响
通常对金属导电性的研究均在德拜温度以上， 在高于室温以上温度金属的电阻与温度的关系 为
T 0 (1 T )
T: 温度, C 0: 0 C下的电阻率 T: T温度下电阻率 : 电阻温度系数
T 0 0T
金属材料显微结构 与物理性能 ——物理性能部分
桂林理工大学 材料科学与工程学院
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
波受到散射 对电子波产生了阻碍作用，降低了导电性， 这就是材料产生电阻的本质所在。
量子
neff e 1 t 2m v 2m 2m
ne l ne t 2mv 2m
2 2
neff e l
2
neff e
2
2
经典
m* : 有效电子质量 neff : 有效自由电子数 ͞v : 费米面附近实际参加导 电的电子平均速度 : 单位时间内散射的次数 （散射系数）
/ TC M
2 s
一般情况
金属镍
温度对铁磁性金属比电阻和电阻温度系数的影响
二、应力的影响
拉应力 使原子间的距离增大，点阵的畸变增大，导致 金属的电阻增大，电阻率与拉应力的关系：
0 (1 )
0 : 未加载荷时的电阻率 : 应力系数 : 拉应力
二、应力的影响
绪论
性能 用途
性质
成分
结构
绪论
金属铁 金属铜 铝合金 半导体Si AlN等无机 强度、硬度高 导电性能好 比强度高 半导体特性 压电性 结构件 电线、电缆
航空航天
大规模集成电路
超声波元件，滤波器
绪论
材料的性能
指在给定的外界环境中，材料受到某种作用时，
其状态所发生的变化。作用于材料上的作用因素 通常可以分为应力、温度、磁场、电场、化学介 质、辐照等。
波数之间的关系。电子 的波数越大，则能量越 高。
费米能EF
0K时电子所具有的最高
自由电子的E-K曲线
能态，不同金属的费米 能不同
外加电场的作用
外电场使向着其正端
电场对E-K曲线的影响
运动的电子能量降低， 反向运动的电子能量 升高 部分能量较高的电子 转向电场正向运动的 能级，从而使正反向 运动的电子数不等， 使金属导电 只有处于较高能态的 自由电子参与导电
材料的物理性能
指材料受到外部作用时，电、磁、光、热、声学
方面的物理状态量、以及一些特殊变化量所发生 的变化。作用因素通常也以这些相应的物理量为 主。
材料性能的划分
③ 使 用 性 能
复 杂 性 能
② 工 艺 性 能 ① 复 合 性 能
化 学 性 能
② 耐 腐 蚀 性 ① 抗 氧 化 性
2 mv h 1 2 E mv 2 2 2 2 h 2 h 2 E 2 K 2 8 m 8 m