材料电学性能
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。
材料物理性能学之材料的电性能
材料物理性能学之材料的电性能引言材料的电性能是材料物理性能学的一个重要研究分支，它研究的是材料在电场、电流和电磁波等电学环境下的行为和性能。
材料的电性能对于材料的应用具有关键影响，比方在电子学、能源转换和传感器等领域中起着重要作用。
本文将探讨材料的电性能的根本概念、测试方法和常见的应用。
1. 电导率电导率是材料的一个根本电学性能参数，表示材料导电能力的强弱。
它常用符号σ表示，单位为S/m〔西门子/米〕。
电导率的量值越大，材料越好的导电性能。
电导率可以通过测量材料的电阻率来计算。
2. 电阻率电阻率是材料对电流流动的阻碍能力的度量，常用符号ρ表示，单位为Ω·m。
电阻率和电导率是一对相互关联的物理量，它们之间的关系可以用以下公式表示：ρ = 1/σ。
电阻率可以通过测量材料的电阻来得到。
3. 介电性能除了导电性能，材料还具有介电性能。
介电性能是材料对电场的响应能力的度量。
具有良好介电性能的材料可以阻止电流的流动，并被广泛应用于电容器、绝缘材料和电子设备等领域。
介电性能可以通过测量材料的介电常数来评估。
4. 介电常数介电常数是材料在电场中响应的能力的度量，常用符号ε表示。
介电常数可分为静电介电常数和动态介电常数。
静电介电常数表示在静电场中材料的响应能力，而动态介电常数那么表示在交变电场中材料的响应能力。
介电常数越大，材料对电场的响应能力越强。
5. 半导体材料的特性半导体材料是一类介于导体和绝缘体之间的材料，它具有特殊的电性能。
半导体材料的电导率较低，但随着温度的升高会逐渐增大。
半导体材料的导电性能可以通过添加杂质来调控，从而实现半导体器件的制造。
6. 材料的应用材料的电性能对于众多领域的应用至关重要。
在电子学领域中，导电性能好的材料可以用于制造电路和导线等电子元器件。
在能源转换领域中，材料的电性能对太阳能电池和燃料电池等能源转换器件的效率和稳定性有重要影响。
在传感器领域中，材料的电性能可以用于制造压力传感器、温度传感器和湿度传感器等。
材料的电学性能
• 允许的能级是固体中相邻原子间距的函数。 • 孤立原子中的分立能级，在固体中展宽成能带。 • 最外层电子，或者价电子，不再处于一个特定原子的周围空间中。
能带结构与原子间距的关系
当原子间距较大 （x1）时，任何 一个原子的电子 都与其它原子的 电子相互独立 。
导电条件：
能带中需要存在空能级，并且空能级的能量值与电子已经占有的能级的 能量之间不能相差太多。这是必要条件。其原因可浅显解释如下：考虑一个 处于E0能级上的电子，受外加电场作用被加速，其能量会少量地增加ΔE， 对于要移动的电子，必须在E0＋ΔE的能量位置上存在一个未被占据的能级。
（2）三种典型材料的能带结构
J nqv
E
则有： J nqv
EE
定义： v
E
μ为载流子的迁移率（Mobility），其含义为单位电场下载流子的平
均漂移速度。
（3）电导率与载流子浓度和迁移率的关系
nq
若材料中对电导率有贡献的载流子有多种种，则总电导率为
i niqii
i
i
由此式可见，决定材料导电性好坏的本质因素有两个：
材料的电学性能
• 导电性 • 介电性 • 热电性 • 压电性 • 铁电性 • 热释电性 • 光电性
重点介绍
简单介绍
8.1 导电性
8.1.1 概述
8.1.1.1 导电性的表征
导电现象：在材料两端施加电压时，材料中有电流通过。
规律：欧姆定律 电阻： R L
S
I V R
电阻率： R S
L
1μ·cm＝10-9·m＝10-6·cm＝10-2·mm2/m
实质：自由电子之间以及它们与正离子之间的相互作用类似于 机械碰撞。
功能材料的电学性能探究
功能材料的电学性能探究随着科技的不断发展，新的材料也不断被发现和运用，其中功能材料是被广泛应用的一种材料。
功能材料是指具有某种功能特性的材料，如光、电、磁、敏感、参量和非线性等功能。
在这些功能材料中，电学性能是其中最为基础和重要的一种性质，具有广泛的应用前景。
本文将介绍几种普遍的功能材料的电学性能，其中包括导电材料、压电材料和磁性材料。
一、导电材料的电学性能导电材料是指具有良好导电性的材料，可以用来制造各种电子器件。
导电材料的电性质与其电子结构、晶体结构、成分和制备方式等多方面有关。
其中最关键的是电子结构，它决定了材料的导电性。
金属是最典型的导电材料，其电子结构有一个特殊的能带结构，称为导带。
在导带内，电子的能量较高，自由运动，使金属具有优异的导电性。
除金属外，还有一些非金属材料也具有较好的导电性，如碳纳米管、导电聚合物等。
这些材料的导电机理与其电子结构有关。
导电材料的导电性能通常由电学性质表示，其中最常见的是电导率。
电导率是材料单位长度、单位面积、单位导电截面横截面积的电流密度，它与材料实际的面积、长度和电阻率等有关。
二、压电材料的电学性能压电材料是指施加力后产生电压的材料，其基本机理是压电效应。
压电效应是指在某些材料中，当施加力或重力时，其晶格结构发生畸变，导致正负电荷分布不均匀而产生电势差。
这一效应使得压电材料可以用来制造传感器、致动器、薄膜压力传感器等。
压电材料的电学性质与晶体结构、成分、晶格常数等有关。
其主要的电学性能包括压电系数、介电常数和电阻率等。
压电系数是材料施加压力变形导致电势差的比率。
介电常数是材料在施加电场下的电极化率，其大小决定了电容比例尺的大小。
电阻率则确定了材料的电阻大小。
三、磁性材料的电学性能磁性材料是指具有磁性的材料，它们具有对磁场的感应能力和磁滞效应。
磁性材料的电学性质与其磁性有关，而磁性与晶体结构、电子构型、磁场、温度等因素有关。
磁性材料的主要电学性能包括磁导率、磁阻率和磁饱和强度等。
第十章 材料的电学性能
第四节
介质极化与介电性能
一 极化的基本概念
1 介质极化的基本概念 （1）电介质 （2 ）介质极化
2 电介质分类 （1）非极性介质 无外电场作用时．正负电荷中 心重合 电偶极矩 外电性能
（2）极性介质 分子存在固有电偶极矩 电偶极矩转向外电场方向 外电场越强，电极化的程度越高 3 极化率 表征材料的极化能力 只与材料的性质有关 4 极化强度 线性极化 表征介质在电场作用下极化程度
第一节
在外加电场的作用下，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 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，形成电阻 超导现象 一价金属比二、三价金属 导电性较好
导电性能
第一节
导电性能
(3)能带理论 能带 金属中的价电子是公有化和 能量是量子化 金属中由离子所造成的势场 不是均匀的 价电子在金属中的运动要受 到周期场的作用 能带发生分裂，即有某些能 态是电子不能取值的 禁带 允带
第十章 材料的电学性能
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 导电性能 热电性能 半导体导电性的敏感效应 介质极化与介电性能 电介质的介质损耗 绝缘材料的抗电强度
第一节
一
导电性能
电阻与导电的基本概念
1 导电 当在材料的两端施加电压时，材料中 有电流流过 欧姆定律 2 电阻 与材料的性质有关，还与材料的长度 及截面积有关 3 电阻率 只与材料本性有关，而与导体的几何 尺寸无关 评定导电性的基本参数
2 热击穿 （1）热击穿的过程 损耗→部分电能转变成热能→ 热量的不平衡状态→击穿 （2）影响热击穿的因素 材料性质 绝缘结构 电压种类 环境温度
电子和空穴导电 B表示材料的电导活化能 应用 热敏温度计、电路温度补偿器
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。
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
聚合物材料的电学性能研究及其应用
聚合物材料的电学性能研究及其应用聚合物材料在电子技术领域已经占据了重要的位置，其电学性能的研究成为了一个热门的话题。
本文将从聚合物材料的电学性能、研究方法、应用等几个方面进行探讨。
一、聚合物材料的电学性能聚合物材料的电学性能是指它在电场作用下的响应能力，主要包括电导率、介电常数、介质损耗、热释电效应等。
电导率是聚合物材料传导电子的能力。
通常情况下，聚合物材料的电导率很低，但通过掺杂、复合等方式可以提高其电导率，使其成为电器材料的一种良好选择。
介电常数是聚合物材料对电场的响应能力，其值越大代表其对电场的响应能力越强。
一般来说，聚合物材料的介电常数大，介质相对稳定，抗电击穿性能强。
介质损耗是指在电场作用下，介质材料的能量耗散程度。
聚合物材料的介质损耗小，因此在高频电路、电磁辐射屏蔽等方面具有优良的性能表现。
热释电效应是指在聚合物材料受到光、热、电等刺激后，可以释放出电荷。
这一特性使得聚合物材料在太阳能电池、传感器等方面有着广泛的应用。
二、聚合物材料电学性能研究方法要研究聚合物材料的电学性能，需要一个完整的实验方法来评估其性能。
在实验中，需要测量聚合物材料的电导率、介电常数、介质损耗等参数，同时还需要探究其热释电效应等特性。
电导率的测量可以通过传统的四接法测量或者交流阻抗谱测量来实现。
介电常数的测量可以使用介电谱或者扫描电子显微镜等技术来实现。
介质损耗的测量可以采用共振技术和非共振技术等方法。
热释电效应的研究则需要使用一些特殊的仪器和设备，如卢米谱仪、光电导测量系统、飞秒光谱仪等。
总体来说，聚合物材料的电学性能研究需要全面考虑其物理和化学特性，采用多种测量和分析方法的综合运用。
三、聚合物材料电学性能在实际应用中的表现聚合物材料由于其良好的电学性能，广泛地应用于电子、信息技术、光学和力学市场。
在信息技术领域，聚合物材料被用于制造电子元器件、光电开关等；在激光波导器和光纤通信市场，聚合物可以承受高温，高速操作上也很好。
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
培训_第三章材料的电学性能
离子在晶格点附近不断的热振动，偏离了晶格格
点，这种偏离引起晶格对电子的散射，称为晶格 实散际射金。属内部还存在着缺陷和杂质，产生的静态
点阵畸变和热振动引起的动态点阵畸变，对电子
波造成散射而形成电阻。 而对于一个纯的理想的完整晶体，0K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。
为自由电子，同时在价带中形成空穴，这样就使 半导体具有一些导电能力。
绝缘体:
禁带宽度大。在室温下，几乎没有价电子能 跃迁到导带中去，故基本无自由电子和空穴，所 以绝缘体几乎没有导电能力。
三、影响金属导电性的因素
晶体点阵的不完整性是引起电子散射的原因，而电阻来
源于晶体对自由运动电子的散射，因此电阻具有 组织结构敏感性，温度、形变（应力）、合金
18
同自由电子理论一样，也认为金属中的价电子 是公有化和能量是量子化的，所不同的是，它 认为金属中由离子所造成的势场不是均匀的， 而是呈周期性变化的，能带理论就是研究金属 中的价电子在周期势场作用下的能量分布问题
的电。子在周期势场中运动，随着位置的变化， 它的能量也呈周期变化，即接近正离子时势能 降低，离开时势能增高。这样价电子在金属中 的运动就不能看成是完全自由的。
原因：由于高压作用，导致原子间距发生变化（变小），使
金属内部的电子结构、费米能和能带结构发生变化，从而影 响导电性。
能带结构和导电机理：由于周期场的影响，使得价电子在
金属中以不同能量状态分布的能带发生分裂，也就是说，
有些能态是电子不能取值的。 由右图可以看到：
禁带宽窄取决于周期 势场的变化幅度，变 化越大，则禁带越宽。
当 线规-K律1<连K 续<K变1时化，；曲线按抛物 当增K=K1时，只要波数稍微
材料的电学性能.PPT
② 临界磁场Hc ：T＜ Tc时，将超导体放入磁 场中，若H＞Hc，则磁力线穿入超导体，超 导体被破坏而成为正常态。 Hc是破坏超导态 的最小磁场。
.
15
超导电性的三个重要性能指标：
③ 临界电流密度Jc ：如果输入电流所产生 的磁场与外磁场之和超过临界磁场，则超 导态被破坏，此时输入的电流为临界电流。 H增加， Jc 必须相应地减小，以使磁场总 和不超过Hc 而保持超导态。 Jc 是材料保持 超导态的最大输入电流密度。
禁带：能隙的存在意味着禁止电 子具有A和B与C和D之间的能量， 能隙所对应的能带。
允带：电子可以具有的能级所组 成的能带。
允带与禁带相互交替，形成了材 料的能带结构。
.
8
(3)能带理论 空能级指允带中未被电子填满的能级。
导带：具有空能级的允带中的电子是自由的，在 外电场作用下参与导电，这样的允带称为导带。
.
16
超导电性的三个重要性能指标：
①临界转变温度Tc ② 临界磁场Hc ③ 临界电流密度Jc
.
17
上节回顾
1、掌握铁磁性的本质，铁磁体的两大特征， 磁畴结构的大小，磁化曲线和磁滞回线， 铁磁材料的性能指标。
2、利用能带结构分析材料的导电性差异。
3、熟悉超导体的概念，掌握超导体的两个 特征和三个性能指标。
不同材料的导电能力相差很大，这决定于结构 与导电本质。
.
4
二、导电机理
(1)经典电子理论
金属晶体中，自由电子定向运动时，要不断与正 离子发生碰撞，使电子受阻，这是产生电阻的原因。
(2)量子自由电子理论 金属中每个原子的内层电子保持着单个原子时
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。
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
第九章材料的电学性能
第九章材料的电学性能导体是能够让电流通过的材料，而绝缘体则是阻挡电流流动的材料。
这些特性与材料的电学性能密切相关。
本章将详细讨论导体、绝缘体和半导体这三种不同材料的电学性能。
9.1导体导体是那些允许电流通过的材料。
导体具有以下几个主要特征：1.高电导率：导体能够容易地传递电荷。
这是因为导体中的自由电子可以在材料中自由移动。
金属是最常见的导体，因为金属中存在着大量的自由电子。
其他导体材料包括水、盐溶液和等离子体等。
导体的电导率通常用电阻率的倒数来表示，即电导率=1/电阻率。
2.低电阻率：与电导率相对应，导体具有很低的电阻率。
电阻率是导体阻碍电流流动的程度的衡量指标。
电阻率取决于导体材料的特性以及温度。
普通金属的电阻率通常很低，而超导体则可以具有接近于零的电阻率。
3.低电阻：与电阻率一样，导体材料的电阻也是非常低的。
电阻是材料对电流流动的阻碍程度的量度。
导体的电阻通常可以忽略不计。
4.高导电性：导体材料能够传导电荷。
这是因为导体中的自由电子可以移动。
导体通常具有良好的导电性能，能够有效地传递电流。
导体材料的应用非常广泛，例如用于电线、电路板和其他电子器件中。
9.2绝缘体绝缘体是那些不能让电流通过的材料。
绝缘体具有以下几个主要特征：1.低电导率：与导体相比，绝缘体的电导率非常低。
这是因为绝缘体中的电子并不容易移动，电流无法在材料中传递。
2.高电阻率：绝缘体的电阻率通常很高。
这意味着绝缘体对电流的阻碍程度很大，电流很难在绝缘体材料中流动。
3.高电阻：与电阻率相对应，绝缘体的电阻也很高。
电阻是材料对电流流动的阻碍程度的量度。
绝缘体的电阻非常大，电流几乎无法通过。
4.低导电性：绝缘体材料几乎完全不传导电荷。
绝缘体中的电子不能自由移动，电流无法在材料中流动。
绝缘体材料在电力设备、绝缘体材料和其他高电压应用中得到广泛使用。
9.3半导体半导体是处于导体和绝缘体之间的材料。
半导体具有以下几个主要特征：1.可变电导率：半导体的电导率介于导体和绝缘体之间。
第四章材料电学性能材料科学基础
A：极板面积；l： 极板间距离
ε。真空电容率(或真空介电常数)，8．85xl0-12 F／m
ε 介质的电容率（或介电常数）
把电介质引入真空电容器，引起极板上 电荷量增加，电容增大，这是由于在电 场作用下，电介质中的电荷发生了再分 布，靠近极板的介质表面上将产生表面 束缚电荷，结果使介质出现宏观的偶极 ，这一现象称为电介质的极化。 极化原因：
R = L/S = L/σS ⑵根据电导率对材料的分类
材料
表4-19材料的分类及其电导率
电阻率/Ω.m
电导率/S. m-1
超导体 导体 半导体 绝缘体
0 10-8-10-5 10-5-107 107-1020
∞ 105-108 10-7-105 10-20-10-7
金属和合金
各种材料在室温的电导率
qi ni i
i
qi ni i
i
qi是第i种载流子的荷电量，负电子、正空穴、 正负离子都可以是诱导电流的载流子。
该式反映电导率σ的微观本质，即宏观电导率σ 与微观载流子的浓度n，每一种载流子的电荷量q 以及每种载流子的迁移率μ的关系。
4-3-2 材料的结构与导电性
1、 材料的电子结构与导电性
根据电流 I = IV + IS (其中，IV为体积电流；IS为表面电流)得出 总电阻与体积电阻和表面电阻之间的关系：
１／Ｒ＝１／ＲＶ＋１／ＲＳ
2、 电导率(electrical conductivity)
(1)电导是指真实电荷在电场作用下在介质中的迁移， 它是衡量材料电导能力的表观物理量。
单位：S. m-1, 即：（Ω.m）-1
➢ 过渡金属 铁、镍、钴 铁（3S23P63d74S2）：具有
未满的d层，过渡金属的d层能夺取较高的s带中的电子而使能量降低， 即d层和s层往往会产生能级交叉现象，故有导电性。
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。
材料的电学性能
本征半导体和杂质半导体的电导率与温 度的关系:
0 exp( Eg / 2kT)
材料性能学
(2) 无机非金属的导电机理
无机非金属材料电导的载流子可以是电子 、电子空穴,或离子、离子空穴.
载流子是电子或电子空穴的电导称为电子 式电导,载流子是离子或离子空位的称为离 子式电导.
对于材料中存在的多种载流子的情况,材料的总电 导率可以看成是各种电导率的总和.
材料性能学
②玻璃的导电机理
玻璃的电阻率和温度与组成有关,在通常情 况下是绝缘体
玻璃与晶体的比较，玻璃具有：
•
结构疏松
•
组成中有碱金属离子
•
势垒不是单一的数值，有高有低
导电的粒子：
•
离子
•
电子
材料性能学
(3) 超导电性
第二类超导体:有两个临界磁场 , 下 临 界 磁 场 Hc1, 上 临 界 磁 场 Hc2. Hc1比Hc2低一个数量级.外 磁场小于Hc1,处于完全抗磁状 态.介于Hc1与Hc2之间时,处于超 导态与正常态的混合状态,磁场 部分地穿透到超导体内部,电流 在超导体内部分流动.等于Hc2, 超导部分消失,转变为正常态.
材料性能学
半导体的能带结构与绝缘体 相同,所不同的是它的禁带比 较窄,电子跳过禁带不像绝缘 体那么困难.如果存在外界作 用(如热、光辐射等),则价带 中的电子就有能量可能跃迁 到导带中去,在价带中同时出 现空穴.在外电场的作用下, 电子和空穴会定向移动而产 生电流.
材料性能学
空带中的电子导电和价带中的空穴导电同时 存在的导电方式称为本征电导.本征电导的特 点是参加导电的电子和空穴的浓度相等.具有 本征电导特性的半导体称为本征半导体(完全 纯净的、结构完整的半导体晶体).
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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。
在主链上的极性基团活动性小，影响小；在柔性侧基上的极性基团活动性大，影响大。
（2）分子结构的对称性。
分子结构对称的，极性会相互抵消或部分抵消。
（3）分子间作用力。
增加分子间作用力（交联、取向、结晶）会使ε较大；减少分子间作用力（如支化）会使ε较小。
（4）物理状态。
高弹态比玻璃态的极性基团更易取向，所以ε较大。
聚合物在交变电场中取向极化时，伴随着能量损耗，使介质本身发热，这种现象称为聚合物的介电损耗。
通常用介电损耗角正切tanδ来表示介电损耗。
一般高聚物的介电损耗时非常小的，tanδ＝10－3～10－4。
介电损耗主要是取向极化引起的，通常ε越大的因素也越会导致较大的介电损耗。
非极性聚合物理论上讲没有取向极化，应当没有介电损耗，但实际上总是有杂质（水、增塑剂等）
存在，其中极性杂质会引起漏导电流，而使部分电能转变为热能，称电导损耗。
二、聚合物的导电性能
材料的导电性能主要取决于两个参数：单位体积试样中载流子浓度和载流子迁移率。
高聚物存在两种导电机理：电子电导（电子、空穴）和离子电导（正、负离子）。
一般高聚物主要是离子电导。
有强极性原子或基团的高聚物在电场下产生本征解离，可产生导电离子。
而非极性高聚物本应不导电，它的理论计算的比体积电阻1025Ω•cm ，但实际上要小好几个数量级，原因是杂质带来的。
这些杂质是少量没有反应的单体，残留的催化剂、助剂以及水份，都能在电场下离解而成为导电的主要载流子。
对聚合物加一直流电源时，发现通过的电流为表面电流和体积电流之和。
I=Is ＋Iv 相应地电阻也可以分为体积电阻Rv 和表面电阻Rs 。
材料导电性通常用电阻率ρ或电导率ζ表示其中：
σρ/1=⋅=d
S R （一） 式中R 为试样的电阻，S 为试样截面积，d 为试样长度（或厚度，为电流流动方向的长度）。
设单位体积试样中载流子数目为n0，载流子电荷量为q0，载流子迁移率（单位电场强度下载流子的迁移速度）为ν，则材料电导率ζ等于：
νσ00q n = （二）
在实际应用中，人们将试样的电阻区分为体积电阻和表面电阻。
将聚合物电介质置于两平行电极板之间，施加电压V ，测得流过电介质内部的电流称体积电流 ，则体积电阻等于： v v I V R /=（三）
若在试样的同一表面上放置两个电极，施加电压V ，测得流过电介质表面的电流称表面电流，则表面电阻定义为：
s s I V R /= （四）
根据电极形状不同，表面电流的流动方式不同，表面电阻率的定义也有差别（图4-79）。
对于平行电极，b
L R s s =ρ ，L 、b 分别是平行电极的长度和间距。
对于环型电极，设外环 电极内径和内环电极外径分别为D2、D1，()
12/ln 2D D R s s πρ=。
注意表面电阻率s ρ 与表面电阻s R 同量纲。
体积电阻率v ρ 的定义见（一）式。
体积电阻率是材料重要的电学性质之一，通常按照v ρ 的大小，将材料分为导体、半导体和绝缘体三类：v ρ= =0～103Ω•cm ，导体；103～10 8Ω•cm ，半导体；108～1018（或>1018Ω•cm ，绝缘体。
表面电阻率与聚合物材料抗静电性能有关。
三、聚合物的静电特性
（一）静电的产生
任何两个固体，不论其化学组成是否相同，只要他们的物理状态不同（如表面的不均匀性等等），其内部结构中电荷载体能力的分布也就不同。
当这样两个固体接触时，在固－固
表面上就会发生电荷的再分配，在它们重新分离之后，每一固体将有比接触或摩擦前更多的正（或负）的电荷。
这种现象叫静电现象。
（3）
静电问题是高分子材料加工和使用中一个相当重要的问题。
一般来说，静电是有害因素。
常导致事故的发生。
（二）静电的防护
在聚合物的加工与使用过程中，对静电的危害一定要防治。
为消除静电，目前，使用较为广泛的是抗静电剂，即将抗静电剂加到聚合物材料中，或涂布在聚合物材料的表面上，以提高材料表面的导电性，使带电的聚合物材料迅速放电，以防止静电的积聚。
抗静电剂是一些表面活性剂，如阴离子型（肥皂、烷基磺酸钠、芳基磺酸酯等）；阳离子型（季胺盐、胺盐等），以及非离子型（聚乙二醇等）。
在塑料中，抗静电剂常作为添加剂添加到塑料中，依靠抗静电剂扩散到塑料表面而起作用。
在纤维纺丝工序中则采取“上油”的措施，给纤维表面涂上一层具有吸湿性的油剂，它吸收空气中的水分而增加导电性。
(4)
高分子的电学性能日渐受到重视，导电高分子的研究和应用近年来取得突飞猛进的发展。
以MacDiarmid、Heeger、白川英树等人为代表高分子科学家发现，分子链具有共轭π-电子结构的聚合可通过不同的方式掺杂，可以具有半导体（电导率ζ=10-10-102 S•cm-1）甚至导体（ζ=102-106 S•cm-1）的电导率。
通过结构修饰（衍生物、接枝、共聚）、掺杂诱导、乳液聚合、化学复合等方法人们又克服了导电高分子不溶不熔的缺点，获得可溶性或水分散性导电高分子，大大改善了加工性，使导电高分子进入实用领域。
比如导电高分子材料能够弥补传统金属屏蔽材料的不足，在电磁屏蔽领域有着广阔的应用前景。
对于本征型导电高分子电磁屏蔽材料，首先要解决的问题是提高电导率和环境稳定性。
而掺杂是提高电导率的有效途径。
然而去掺杂是导电高分子材料电学和热稳定性差的根本原因可通过阻止脱掺杂过程的发生来改善导电高分子材料稳定性。
其次，要解决导电高分子材料加工性和满足绿色化学的要求，从而能够大规模应用。
第三，尺寸效应和量子效应使纳米材料具有特异的物理和化学性能从而拓宽了导电高分子材料的技术应用范围，导电高分子电磁屏蔽材料也面临着纳米化的严峻挑战。
（5）
参考文献
（1）聚合物材料的电学性能及其应用赵文元、赵文明、王亦军编著化学工业出版社（2）中国化工仪器网塑料抗电认知过程
（3）高分子材料与工程主题网站>> 理论>> 高分子物理>>聚合物的静电现象
（4）塑料抗静电认知过程--凤凰时雨
（5）中国机械CAD论坛» 橡胶与工程塑料» 导电高分子研究进展。