电功能金属材料2 (恢复

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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导电材料电阻材料电热材料热电材料基本要求：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 第一节概述电功能金属材料一、金属导电能力的表示方法样品的长度为L，横截面积为S，测出电阻为R电阻率为ρ=RS/L单位Ω·m电导率为σ=1/ρ导体：10-6～10-12Ω·m半导体：102～109Ω·m绝缘体：109～1011Ω·m 电功能金属材料固体电阻率/Ω·m固体电阻率/Ω·m金刚石1012纯锗104玻璃1010镍铬电阻丝10-6纯硅103铜10-8表1.1室温下一些材料的电阻率第一节概述 电功能金属材料二、金属导电的物理本质自由电子论:能带理论：自由电子沿电场反方向运动，形成电流满带（价带）：被电子填满的能带导带：被电子部分填充的能带空带：没有电子填充的能带第一节概述 电功能金属材料三、影响金属导电的因素1、温度的影响2、压力的影响在高温时ρ∝AT在较低温度时ρ∝BT5A、B为常数ρ=ρ0(1+αP)α为电阻压力系数3、缺陷的影响第一节概述 第二节几种典型的电功能材料电功能金属材料一、导电材料要求：高的电导率，高的力学性能，良好的抗腐蚀性，良好的工艺性能（热冷加工、焊接）价格便宜用于生产电气导线的金属材料具有以下特性：卓越的导电性能，从而使焦耳效应导致的能量损失达到最小。对恶劣的环境有良好的承受能力。电气接触的永久可靠性。便于使用和回收。 1、铜及铜合金导电性和导热性好，塑性高，机械强度好，易加工和焊接，易提炼铍青铜超高纯铜主要用途：电弹簧、电刷、插头只有几种元素能够满足这些特性，其中主要为自然界中储量丰富的铜、铝（以及他们的合金）。有时，材料的基本特征不足以满足上述特性，必须增加镀层以改善材料性能。因此，在进一步处理过程中（绝缘…），我们通过镀锡、银、镍等来改善某些性能，如可焊性、抗氧化性、耐热性等。 有助于设计导体的主要物理性能如下表所示物理性能铜密度8,9电阻率（mWcm）1,7241导电率（%IACS）100电阻温度系数（K-1）0,0039导热系数（W/m.K）400线性膨胀系数（K-1）17x10-6拉应力（退火）（MPa）220/290拉应力（硬）（MPa）350/450弹性模量（MPa）120000硬度（退火）50硬度（硬）110 常用于导体生产的铜材料：ETP铜，或者Cu-a1，含氧量在200到300ppm之间。m无氧铜，无氧铜或者Cu-c1，含氧量极低（最多20ppm），能够防止加热过程中的氢脆。 采用脉冲电解沉积技术制备出具有高密度纳米尺寸生长孪晶的纯铜薄膜，通过工艺过程研究调整样品的晶粒尺寸、孪晶厚度及其分布、织构状态等，获得了具有超高强度和高导电性的纯铜样品，其拉伸强度高达1068MPa（是普通纯铜的10倍以上，达到高强度钢或铜晶须的强度水平），而室温电导率与无氧高导（OFHC）铜相当（97%IACS）。这种超高强度和高导电性的同时获得是过去在任何材料中均无法实现的。此成果发表于Science（2004年）周刊上。 电功能金属材料2、铝及铝合金资源丰富，价格便宜，质量小主要用途：送电线，配电线第二节几种典型的电功能材料对于设计导体有用的物理性能如下表所示物理性能铝密度2,7电阻率(mWcm)2,826导电率(%IACS)61电阻温度系数(K-1)0,004导热系数(W/m.K)220线性膨胀系数(K-1)23x10-6拉应力（退火）(MPa)60/80拉应力（硬）(MPa)150/200弹性模量(MPa)66000硬度（退火）20硬度（硬）40用于导体产品的铝材料由ENAW-1370以及ENAW-1350规定，或者由EAL99.7以及EAL99.5规定。 电功能金属材料3、金及金合金良好的导电性，极强的抗蚀能力主要用途：作为金膜或金的合金膜用于集成电路中布线，芯片粘结，半导体封装等4、银及银合金具有最高的电导率主要用途：触点材料第二节几种典型的电功能材料 电功能金属材料二、电阻材料1、精密电阻材料特点：恒定的高电阻率，电阻温度系数小，电阻随时间的变化小，机械性能和加工性能好，容易焊接，耐腐蚀，抗氧化，有一定的耐热性。主要应用：电器回路中的电阻部件和电子线路中的电阻器件（1）Cu-Mn系锰铜：Cu86％、Mn12％Ni2％第二节几种典型的电功能材料Mn的作用：提高电阻率，降低电阻温度系数 电功能金属材料第二节几种典型的电功能材料（2）Cu-Ni系康铜：Cu60％、Ni40％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。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。 电功能金属材料第二节几种典型的电功能材料（3）Ni－Cr系改良型（4）Fe－Cr－Al系合金具有更宽的使用温度，电阻温度系数更小，耐热性良好，耐蚀性更佳，而且易于拉丝，但焊接困难。Fe－Cr－Al系精密电阻合金是在电热合金的基础上发展起来的，通过改变Al和Cr的组成使电阻温度系数从正到负值之间变化。但加工性能差，焊接性能不好。 表1-2具有代表性精密电阻材料的成分与性能电功能金属材料第二节几种典型的电功能材料 电功能金属材料2、敏感电阻材料（1）应变电阻材料应变－电阻效应经受外力作用（拉伸或压缩）的金属材料将会发生变形而使其电阻也发生相应的变化，其电阻值变化量与所受外力引起的变形量是成比例的，这种现象称为应变－电阻效应应变电阻材料的特点：(a)具有高的、稳定的电阻率．在工作温度范围内具有低的、稳定的电阻温度系数，以及大的应变灵敏度系数K（K＝△L/L)，并在较大范围内不随温度变化；第二节几种典型的电功能材料 电功能金属材料主要用途：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(b)在拉伸或压缩时，K值相向或相差很小，不氧化，线膨胀系数等于或略高于被测件的线膨胀系数；(c)有良好的机械性能，强度高．蠕变小，容易加工和焊接等。第二节几种典型的电功能材料 电阻应变计结构1、3－粘结剂，2－基底，4－盖层，5－敏感栅，6－引线电功能金属材料第二节几种典型的电功能材料机械量电量电阻应变片 电功能金属材料第二节几种典型的电功能材料丝栅式应变片标距：0.2mm~200mm箔式应变片的金属箔片光刻腐蚀工艺 电功能金属材料（2）热敏电阻材料要求：电阻率较小，电阻温度系数大，电阻温度曲线线性好，抗氧化性、耐腐蚀和加工性能好。常用纯金属有Fe、Co、Ni等第二节几种典型的电功能材料 电功能金属材料三、电热材料要求：高的电阻率和低的电阻温度系数，高温时具有良好的抗氧化性，有足够的高温强度，易于拉丝。1、Ni－Cr系合金表1-3Ni-Cr系电热合金的成分及特点第二节几种典型的电功能材料 电功能金属材料2、Fe-Cr-Al系合金表1-4Fe-Cr-Al系合金的成分与特点第二节几种典型的电功能材料 电功能金属材料四、热电材料（又称温差电材料）赛贝克（seebeck)效应T1T2IAB在两种固体材料（通常是金属材料或半导体材料）A与B组成的回路中，若使两个接触点的温度不同，如T1＞T2，则在回路中讲出现热电流，这种由于温差而产生的热电现象称为赛贝克（seebeck)效应用途：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，价格低第二节几种典型的电功能材料 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。工业热电偶结构示意图1－接线盒；2－保险套管3―绝缘套管4―热电偶丝1234 1、对应变电阻材料有那些要求？试说明电阻应变计的原理。2、Cu-Mn精密电阻材料有什么优缺点，如何改善其缺点？作业第一章电功能金属材料