電性功能材料課件

第二章電性功能材料新型功能材料

NewFunctionalMaterials內(nèi)容簡介

?導(dǎo)電與超導(dǎo)材料

?半導(dǎo)體材料

?電熱與電光材料

?離子導(dǎo)體和導(dǎo)電高分子材料

?電阻材料

?介電材料電性功能材料是指那些具有導(dǎo)電特性的物質(zhì)歐姆定律i＝σE或E＝ρiσ＝1/ρ(ρ為電阻率)物質(zhì)的導(dǎo)電性用電導(dǎo)率σ來表征電導(dǎo)率的大小決定了固態(tài)物質(zhì)的導(dǎo)電性能i為金屬中的電流密度，σ為金屬的電導(dǎo)率，E為施加在金屬上的電場強(qiáng)度。固體的導(dǎo)電性LRSσ=根據(jù)固體在室溫下的電導(dǎo)率?導(dǎo)電功能材料的分類導(dǎo)體(σ＝106～108S/m)半導(dǎo)體(σ＝10-9～105S/m)絕緣體(σ＝10-20～10S/m)S?10-710-610-510-410-310-210-1100101102103104105106電導(dǎo)率σS/m絕緣體半導(dǎo)體導(dǎo)體超導(dǎo)體：σ→∞金屬導(dǎo)電材料、高分子導(dǎo)電材料半導(dǎo)體材料電阻材料、介電與絕緣體材料非金屬導(dǎo)電材料、超導(dǎo)材料………?導(dǎo)電功能材料的分類根據(jù)材料的綜合性質(zhì)、功能與作用第一節(jié)導(dǎo)電功能材料金屬導(dǎo)電材料非金屬導(dǎo)電材料超導(dǎo)材料第二節(jié)電阻材料第三節(jié)半導(dǎo)體材料本章內(nèi)容

第一節(jié)、導(dǎo)電功能材料按導(dǎo)電機(jī)理導(dǎo)電功能材料可分為：電子導(dǎo)電材料和離子導(dǎo)電材料兩大類。電子導(dǎo)電材料包括導(dǎo)體、超導(dǎo)體和半導(dǎo)體。

第一節(jié)、導(dǎo)電功能材料金屬導(dǎo)電材料非金屬導(dǎo)電材料超導(dǎo)材料金屬材料的導(dǎo)電性能的解釋分別采用以下三個(gè)理論：一.自由電子理論二.能帶理論三.近代電導(dǎo)理論固體的導(dǎo)電性質(zhì)導(dǎo)電材料，是指用以傳送電流而無或只有很小電能損失的材料。金屬導(dǎo)電材料布線材料導(dǎo)電引線材料金屬導(dǎo)電材料高的導(dǎo)電性足夠的機(jī)械強(qiáng)度不易氧化可焊接易加工不易腐蝕要求

電導(dǎo)率表征以銅、鋁及其合金為主，重視材料的阻抗損失分類

導(dǎo)電引線材料金屬導(dǎo)電材料導(dǎo)電引線材料

常用電解銅的純度為(99.97~99.98)wt％，含少量金屬雜質(zhì)和氧。

電導(dǎo)率為(98~99)％稱為半硬銅，而電導(dǎo)率為(96~98)%稱為硬銅。

銅中的雜質(zhì)將降低電導(dǎo)率，特別是氧，會使產(chǎn)品性能大大下降。（1）銅

無氧銅(OFHCC)具有性能穩(wěn)定、抗腐蝕、延展性好、抗疲勞、高導(dǎo)電率的特性。

一般拉成細(xì)絲，用于海底同軸電纜的外部軟線、太陽能電池、高溫抗氧化電極等。金屬導(dǎo)電材料—導(dǎo)電引線材料（2）鋁

鋁的純度為(99.6~99.8)wt%，電導(dǎo)率為61％(僅次于Ag、Cu、Au)，相對密度只有銅的1/3。因此它可以代替銅導(dǎo)線制成高壓配電線。

如160KV以上用的鋼絲增強(qiáng)鋁電纜ACSR、合金增強(qiáng)導(dǎo)線ACAR、全鋁合金導(dǎo)線AAAC等。

國際上通用的硬鋁線HAl則主要用于送、配電線，它只能在90℃以下連續(xù)使用。大容量高壓輸電導(dǎo)線要在150℃下連續(xù)工作，需用含Zr等耐熱鋁合金TAl；而變電所用的母線則要在200℃下連續(xù)工作，必須使用超耐熱鋁合金STAl。金屬導(dǎo)電材料—導(dǎo)電引線材料問題：說明電導(dǎo)率單位％的意義？主要采用Au、Ag、Cu、Al等電導(dǎo)率高的材料，有時(shí)也使用金屬粉和石墨粉與非金屬材料混合的復(fù)合導(dǎo)電材料，其電阻率通常比強(qiáng)電用材料的電阻率高的多，并有厚膜和薄膜之分。導(dǎo)體布線材料金屬導(dǎo)電材料—導(dǎo)電布線材料電子工業(yè)用的導(dǎo)體布線材料應(yīng)具有膜電阻小、附著力強(qiáng)、可焊性和抗焊熔性好等優(yōu)點(diǎn)厚膜布線導(dǎo)體新型的Cu等賤金屬厚膜導(dǎo)體材料價(jià)格低廉膜電阻小可焊性和抗焊熔性好無離子遷移優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)工藝要求較高老化性能尚不如貴金屬厚膜導(dǎo)體好金屬導(dǎo)電材料—導(dǎo)電布線材料賤金屬系：Cu、Ni、Al、Cr等貴金屬系：Au、Ag、Pt、Pd等特點(diǎn)貴金屬厚膜導(dǎo)體制作方法導(dǎo)體漿料絲網(wǎng)印刷后燒結(jié)而成膜層致密附著力強(qiáng)可用非活性焊接劑焊接抗焊熔性均好絲網(wǎng)印刷性能好與多種電阻及介質(zhì)材料兼容金屬導(dǎo)電材料—導(dǎo)電布線材料要求金屬導(dǎo)電材料—導(dǎo)電布線材料薄膜布線導(dǎo)體分為單元膜和復(fù)合膜兩大類具有導(dǎo)電性好、附著力強(qiáng)、化學(xué)穩(wěn)定性高、可焊性和耐焊性均好、成本低等特點(diǎn)。單元膜指用單種金屬形成的單層薄膜導(dǎo)體，如Al膜良好的導(dǎo)電性，易于成膜，良好的附著性、可焊性、成本低優(yōu)點(diǎn)薄膜表面的氧化層給錫焊造成困難，與金屬形成的脆性金屬化合物造成焊點(diǎn)脫開，抗電遷移能力弱。缺點(diǎn)底層是使頂層導(dǎo)體膜牢固地附著在基片上頂層起導(dǎo)電和焊接作用①高溫薄膜導(dǎo)體②賤金屬薄膜導(dǎo)體金屬導(dǎo)電材料—導(dǎo)電布線材料復(fù)合膜用不同金屬膜所構(gòu)成的多層薄膜導(dǎo)體，如CrAu膜、TiPdAu膜等復(fù)合薄膜導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)一般包括底層和頂層兩部分應(yīng)用最廣!薄膜導(dǎo)體材料的發(fā)展方向非金屬導(dǎo)電材料非金屬導(dǎo)電材料介電材料快離子導(dǎo)電陶瓷高分子導(dǎo)電材料非金屬導(dǎo)電材料－快離子導(dǎo)體陶瓷材料快離子導(dǎo)體陶瓷材料電導(dǎo)率可以和液體電解質(zhì)或熔鹽相比擬的固態(tài)離子導(dǎo)體陶瓷，又稱電解質(zhì)陶瓷。

快離子導(dǎo)體的離子電導(dǎo)率可達(dá)10-1～10-2S/cm，活化能低至0.1～0.2eV。在已發(fā)現(xiàn)的快離子導(dǎo)體中，絕大多數(shù)是快離子導(dǎo)體陶瓷?？祀x子導(dǎo)體(離子導(dǎo)電陶瓷)在一定的溫度條件下具有和強(qiáng)電解質(zhì)液體相似的離子電導(dǎo)特性。許多陶瓷都是離子晶體，離子晶體電導(dǎo)主要為離子電導(dǎo)。常見的快離子導(dǎo)體陶瓷材料非金屬導(dǎo)電材料－快離子導(dǎo)體陶瓷材料①銀、銅的鹵族和硫族化合物：金屬原子在化合物中鍵合位置相對隨意；②具有β－氧化鋁結(jié)構(gòu)的高遷移率單價(jià)陽離子氧化物；③具有氟化鈣(CaF2)結(jié)構(gòu)的高濃度缺陷的氧化物。一些快離子導(dǎo)體導(dǎo)電率和激活能材料電導(dǎo)率σ（Ω-1cm-1）激活能ΔHd(ev)熵變注釋陽離子導(dǎo)電α-AgI(146~555℃)1(150℃)0.050.15Bcc碘構(gòu)架三維導(dǎo)電CuS(>91℃)0.2(400℃)0.255.75Cu缺陷β氧化鋁0.35(300℃)0.010.23有效公式11Al2O3(1+x)M2ONa3Zr2Si2PO120.2(25℃)0.276.21交叉隧道的三維結(jié)構(gòu)K2MgxTi6-xO160.02(25℃)0.225.06隧道結(jié)構(gòu)陰離子導(dǎo)電ZrO210%Sc2O30.25(1000℃)0.6514.959％的螢石面心立方結(jié)構(gòu)Bi2O325%Y2O30.16(700℃)0.6013.80純的氧化鋯是從ZrSiO4鋯礦中以化學(xué)方法提取的具有三種晶體結(jié)構(gòu)：單斜、四方和立方結(jié)構(gòu)

非金屬導(dǎo)電材料－快離子導(dǎo)體陶瓷材料?常見快離子導(dǎo)體材料1立方穩(wěn)定的氧化鋯(CSZ)通過加入低價(jià)離子代替部分鋯可以把立方晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定到室溫單斜晶體結(jié)構(gòu)：1170℃以下穩(wěn)定的；四方晶體結(jié)構(gòu)：1170-2370℃穩(wěn)定；立方晶體結(jié)構(gòu)：2370℃到熔點(diǎn)2680℃是穩(wěn)定的。低價(jià)位元素取代高價(jià)位元素:ZrO2(Y2O3)非金屬導(dǎo)電材料－快離子導(dǎo)體陶瓷材料

立方ZrO2具有螢石的結(jié)構(gòu)，O2-離子排成簡單立方。在點(diǎn)陣的1／2處占據(jù)著Zr4+間隙原子。低價(jià)陽離子置換Zr4+導(dǎo)致O2-離子空位的形成。空位穩(wěn)定了結(jié)構(gòu)，同樣導(dǎo)致在氧的亞晶格中高的遷移率。非金屬導(dǎo)電材料－快離子導(dǎo)體陶瓷材料

穩(wěn)定氧化鋯立方結(jié)構(gòu)的元素:La、Sc、Ir、Mg、Ca、Mn和In。其主要條件是離子半徑接近Zr4+的離子半徑(r＝84pm)。

--氧化鋁是一類非化學(xué)計(jì)量、通式為M+2O·xA3+2O3(M+=Na+

、K+、Li+、Rb+、Ag+、Cu+、Ga+、Tl+、H3O+、NH4+、H+等；A3+=A13+、Ga3+、Fe3+)的化合物(鋁酸鹽)的總稱，其中x可以是5--11之間的各種數(shù)值，當(dāng)x不同時(shí)，可有不同結(jié)構(gòu)。非金屬導(dǎo)電材料－快離子導(dǎo)體陶瓷材料?常見快離子導(dǎo)體材料2

--氧化鋁研究最多的兩種結(jié)構(gòu)是鋁酸鈉的兩種變體：--A12O3(Na2O·11Al2O3)和"--A12O3(Na2O·5.33Al2O3)。由于M+

在結(jié)構(gòu)的堆積面中擴(kuò)散，產(chǎn)生很高的離子電導(dǎo)，使--氧化鋁簇化合物成為快離子導(dǎo)體中一組重要的材料。

非金屬導(dǎo)電材料－快離子導(dǎo)體陶瓷材料?常見快離子導(dǎo)體材料2

--氧化鋁二、導(dǎo)電高分子材料

繼1977年發(fā)現(xiàn)了摻雜型聚乙炔具有類似金屬的電導(dǎo)率之后，開始了對導(dǎo)電高分子材料的研究。

與金屬相比，導(dǎo)電高分子材料具有重量輕、易形成、電阻率可調(diào)節(jié)、可通過分子設(shè)計(jì)合成出具有不同特性的導(dǎo)電性等特點(diǎn)。非金屬導(dǎo)電材料－導(dǎo)電高分子材料通過電子或離子導(dǎo)電使高分子本身結(jié)構(gòu)顯示導(dǎo)電性，它包括高分子經(jīng)摻雜后具有導(dǎo)電功能的聚合物，如聚乙炔。含具有吊掛結(jié)構(gòu)或整體結(jié)構(gòu)的聚合物離子導(dǎo)電體；線型共扼聚乙炔等共扼聚合物、聚酞菁類金屬螯合型聚合物和高分子電荷轉(zhuǎn)移絡(luò)合物等電子導(dǎo)電體。結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料多為半導(dǎo)體材料，由于結(jié)構(gòu)特殊，制備與提純困難而極少獲得實(shí)際應(yīng)用。非金屬導(dǎo)電材料－導(dǎo)電高分子材料根據(jù)導(dǎo)電原理?導(dǎo)電高分子功能材料的分類結(jié)構(gòu)型復(fù)合型通過一般高分子與各種導(dǎo)電填料分散復(fù)合、層積復(fù)合，使其表面形成導(dǎo)電膜等方法制成，它是靠填充在其中的導(dǎo)電粒子或纖維的相互作用緊密接觸形成導(dǎo)電通路而導(dǎo)電的。根據(jù)應(yīng)用又可分為導(dǎo)電塑料、導(dǎo)電纖維、導(dǎo)電橡膠、導(dǎo)電粘合劑和導(dǎo)電涂料等，它們在防靜電、消除靜電、電磁屏蔽、微波吸收、電器元器件中的電極、按鍵開關(guān)、電子照相、記錄材料、面狀發(fā)熱體、凈化室墻壁材料、管道等工業(yè)和民用的各個(gè)方面已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。

1.結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料

結(jié)構(gòu)型高分子導(dǎo)電材料中，至今只有聚氮化硫(SNfn)可算是純粹的結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料，其他的許多幾乎是用氧化還原、離子化或電化學(xué)方法進(jìn)行摻雜后才具有較高的導(dǎo)電性。

目前研究較多的是聚乙炔、聚苯胺、聚苯硫醚、聚噻吩、聚吡咯等。

但是摻雜使得材料的穩(wěn)定性變差，成膜性降低，所以通過分子設(shè)計(jì)形成穩(wěn)定性好、易于成形加工的材料。主要有蓄電池和微波吸收材料。非金屬導(dǎo)電材料－導(dǎo)電高分子材料Conductingpolymer–2000NobelPrizeinChemistrypzorbitalsperpendiculartothepolymerbackboneHybridizationbetweenpzorbitalsFormationsofdelocalizedporbitalElectronconductionSemiconducting&Metallic(doping)nPAPPV聚乙烯基吡咯Burroughesetal.Nature347,539(1990)CambridgegroupTangetal.APL51,923(1987)Kodakgroup(1)蓄電池

最有發(fā)展前途的是摻雜聚乙炔和摻雜聚苯硫醚。摻雜聚乙炔蓄電池的優(yōu)點(diǎn)是重量輕、體積小、容量大、能量密度高、不需維修、加工簡便等，而其缺點(diǎn)是電極材料和電解液不穩(wěn)定等。(2)吸波材料

作為吸波材料，可以對導(dǎo)電聚合物的厚度、密度和導(dǎo)電性進(jìn)行調(diào)整，從而可調(diào)整材料的微波反射系數(shù)和吸收系數(shù)，吸收系數(shù)可達(dá)105cm-1。導(dǎo)電聚合物薄膜重量輕，柔性好，可作為包括飛機(jī)在內(nèi)的任何設(shè)備的蒙皮。非金屬導(dǎo)電材料－導(dǎo)電高分子材料2.復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料

復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料是在通用樹脂中加入導(dǎo)電性填料、添加劑，采用一定的成形方法而制得的。

通用樹脂主要是聚烯烴，如聚丙稀、聚氯乙烯、ABS以及聚酯類、聚酰胺等。非金屬導(dǎo)電材料－導(dǎo)電高分子材料添加劑有抗氧劑、固化劑、溶劑、潤滑劑等。

導(dǎo)電填料有金、銀、銅、鋁等金屬粉，鋁纖維、黃銅纖維等金屬纖維、金屬氧化物等。

影響復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料導(dǎo)電性能的主要因素：填料種類、金屬形狀、樹脂種類、填料分散狀態(tài)以及導(dǎo)電填料的用量。

一般為了使電阻率小且穩(wěn)定，選用硬度大、熱變形溫度高的樹脂，并且在一定的溫度范圍內(nèi)提高固化溫度，延長固化時(shí)間。

復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料有導(dǎo)電膠粘劑、導(dǎo)電塑料、導(dǎo)電薄膜、導(dǎo)電涂料等。非金屬導(dǎo)電材料－導(dǎo)電高分子材料非金屬導(dǎo)電材料－導(dǎo)電高分子材料導(dǎo)電薄膜一般是在普通塑料薄膜上形成導(dǎo)電層的復(fù)合材料，具有透明性和可撓性、重量輕、易加工等優(yōu)點(diǎn)，可作為電氣零件、電子照相、電磁屏蔽等。導(dǎo)電塑料包括以聚烯烴或其共聚物為基礎(chǔ)，加入導(dǎo)電填料與抗氧劑及潤滑劑等后經(jīng)混煉加工而成，和用于電線、泡沫塑料等的聚烯烴導(dǎo)電塑料以及導(dǎo)電尼龍等。導(dǎo)電膠粘劑是兼有導(dǎo)電性和粘結(jié)性雙重性能的膠粘劑，它具有一定的導(dǎo)電性和良好的粘結(jié)性能，主要有環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂導(dǎo)電膠和某些粘結(jié)性能較好的熱塑性樹脂導(dǎo)電膠等。介電性質(zhì)電容器的極板間充滿電介質(zhì)時(shí)的電容與極板間為真空時(shí)的電容之比值稱為（相對）介電常數(shù)。非金屬導(dǎo)電材料－介電材料電介質(zhì)經(jīng)常是絕緣體：如陶瓷，云母，玻璃，塑料和各種金屬氧化物等。電介質(zhì)有使空間比起實(shí)際尺寸變得更大或更小的屬性。例如，當(dāng)一個(gè)電介質(zhì)材料放在兩個(gè)電荷之間，它會減少作用在它們之間的力，就像它們被移遠(yuǎn)了一樣。當(dāng)電磁波穿過電介質(zhì)，波的速度被減小，使得它的行為象它有更短的波長一樣。介電陶瓷

衡量介電材料的最主要的參數(shù)是介電常數(shù)ε和損耗角δ。非金屬導(dǎo)電材料－介電陶瓷介電陶瓷是最主要的介電材料，它在電容器、紅外探測器、空氣和水的聲音探測器等方面有廣泛的應(yīng)用。介電材料的一個(gè)非常有用的性質(zhì)就是它所含有的電子、離子或是分子會因外加電場的介入而極化，從而改變器件的電特性。(a)第一類介電陶瓷材料為具有低介電常數(shù)和中等介電常數(shù)的陶瓷材料，其損耗因子小于0.003，中等介電常數(shù)的變化范圍為15～500，其穩(wěn)態(tài)介電常數(shù)的溫度系數(shù)是+100～-2000MK-1。(b)第二類介電陶瓷材料是以鐵電材料為主的高介電常數(shù)的陶瓷材料，介電常數(shù)的變化范圍為2000～20000，而且性能隨溫度、頻率、場強(qiáng)的變化程度比第一類介電陶瓷大。其損耗因子一般低于0.03。這類材料的主要優(yōu)點(diǎn)是具有高的體積因子。(c)第三類介電陶瓷材料的特點(diǎn)為組織中含有導(dǎo)電相。這種性質(zhì)可以降低電容器中介電材料的厚度至少一個(gè)數(shù)量級。它的其他特性與第二類相同。非金屬導(dǎo)電材料－介電陶瓷介電陶瓷材料有許多優(yōu)越性能，其相對介電常數(shù)變化范圍很大，可以從滑石的6到復(fù)合鐵電材料的20000。按照介電材料的介電常數(shù)變化范圍，可以分為以下三類：(3)介電陶瓷材料的實(shí)際應(yīng)用主要應(yīng)用在制造陶瓷電容器和微波介質(zhì)元件方面(a)溫度補(bǔ)償電容器介電陶瓷:主要用于高頻振蕩電路中作為補(bǔ)償電容介質(zhì)。(b)微波介質(zhì)陶瓷:主要用于制作微波電路元件，如MgO－SiO2系陶瓷、MgO－CaO－TiO2系陶瓷等。(c)高介高壓電容器陶瓷：主要有鈦酸鍶、鈦酸鋇和鈮酸鉛鎂陶瓷。應(yīng)用在電視機(jī)、雷達(dá)高壓電路、斷路器等方面。非金屬導(dǎo)電材料－介電陶瓷超導(dǎo)材料超導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)

1911年，荷蘭物理學(xué)家昂尼斯為檢驗(yàn)金屬電阻與溫度之間的關(guān)系的理論公式的正確性，就用水銀作試驗(yàn)。將水銀冷卻到-40℃時(shí)，亮晶晶的液體水銀變成了固體；然后，他把水銀拉成細(xì)絲，并繼續(xù)降低溫度，同時(shí)測量不同溫度下固體水銀的電阻，當(dāng)溫度降低到4K時(shí)，水銀的電阻突然變成了零。超導(dǎo)現(xiàn)象ZeroResistance -NoPowerLossMeissnerEffect -ActasMagnet

CriticalProperties-Tc Jc,Hc

JosephsonEffects-ElectronTunnelling超導(dǎo)材料具有超導(dǎo)特性的材料稱為超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料的基本特性1．零電阻效應(yīng)當(dāng)溫度T下降至某一數(shù)值以下時(shí)，超導(dǎo)體的電阻突然變?yōu)榱?，這就稱為超導(dǎo)體的零電阻效應(yīng)，也稱為超導(dǎo)電性。汞在液氦溫度附近電阻的變化行為電阻Ω超導(dǎo)臨界溫度Tc雖然與樣品純度無關(guān),但是越均勻純凈的樣品超導(dǎo)轉(zhuǎn)變時(shí)的電阻陡降越尖銳。即便是原來處在磁場中的正常態(tài)樣品，當(dāng)溫度下降使它變成超導(dǎo)體時(shí)，也會把原來在體內(nèi)的磁場完全排出去，即超導(dǎo)體具有完全抗磁性。超導(dǎo)材料的基本特性2．超導(dǎo)體的完全抗磁性（邁斯納效應(yīng)）邁斯納效應(yīng)和零電阻性質(zhì)是超導(dǎo)態(tài)的兩個(gè)獨(dú)立的基本屬性，衡量一種材料是否具有超導(dǎo)電性必須看是否同時(shí)具有零電阻和邁斯納效應(yīng)。指超導(dǎo)體處于外界磁場中，磁力線無法穿透，超導(dǎo)體內(nèi)的磁通量為零。磁懸浮現(xiàn)象磁懸浮列車應(yīng)用超導(dǎo)電性的T--I--H臨界面3．超導(dǎo)體的三個(gè)特征值臨界溫度（Tc）、臨界電流（Ic

）和臨界磁場（Hc

）是“約束”超導(dǎo)現(xiàn)象的三大臨界條件。超導(dǎo)材料的基本特性常導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)、電阻突然變?yōu)榱銜r(shí)的溫度超導(dǎo)態(tài)允許的最大電流維持超導(dǎo)所需的最大磁場強(qiáng)度超導(dǎo)材料只有處在這些臨界值以下的狀態(tài)時(shí)才顯示超導(dǎo)性，所以臨界值越高，實(shí)用性就強(qiáng)，利用價(jià)值就越高。低溫超導(dǎo)體：LowTemperatureSuperconductors(LTC)如V3Si(17.0K),Nb3Sn(18.2K),Nb3Ge(22.2K)高溫超導(dǎo)體：HighTemperatureSuperconductors(HTS)氧化物陶瓷，如YBCO,Bi2223中溫超導(dǎo)體：IntermediateTemperatureSuperconductors

金屬間化合物，MgB2

超導(dǎo)材料3．超導(dǎo)材料的分類在元素周期表相應(yīng)位置的元素中，有的可由單一元素制成超導(dǎo)材科，但絕大多數(shù)超導(dǎo)材料是由多種元素構(gòu)成的合金、化合物或陶瓷。超導(dǎo)材料的組成元素2223TiV38394041424344SrYZrNbMoTcRu5657-71727374757677BaLa-Lu系HfTaWReOsIr909192ThPaU1314AlSi29303132CuZnGaGe484950CdInSn80818283HgTlPbBi1H4Be8O16S金屬、類金屬及非金屬超導(dǎo)材料

材料臨界溫度

Tc/K

臨界磁場Hc/(A.m-1)材料臨界溫度

Tc/K

臨界磁場Hc/(A.m-1)V5.31.0NbN15.713Pb7.20.8V3Ga16.522Nb9.22.0Nb3Sn18.322Nb-Ti9.312Nb3Al18.932Nb-Zr10.89.1Nb3Ga20.334PbMo6S815.660一些超導(dǎo)材料及Ｔc值超導(dǎo)材料提高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度（Tc）的歷史進(jìn)程1910193019501970199020406080100120140160Transitiontemperature(K)HgPbNbNbCNbNV3SiNb3SnNb3GeLiquidNitrogen(77K)LiquidMethane

LNG(112K)(La,Ba)Cu)HgBa2Ca2Cu3O9(underpressure)HgBa2Ca2Cu3O9TlBaCaCuOB2223-Bi2Sr2Ca2Cu3OYBCO-YBa2Cu3O7MgB2Tl,Hg…(138K)超導(dǎo)材料高溫超導(dǎo)材料的發(fā)展

二十世紀(jì)八十年代是超導(dǎo)電性探索與研究的黃金年代。1981年合成了有機(jī)超導(dǎo)體，1986年繆勒和柏諾茲發(fā)現(xiàn)了一種成分為鋇、鑭、銅、氧的陶瓷性金屬氧化物L(fēng)aBaCuO4，其臨界溫度約為35K。由于陶瓷性金屬氧化物一般來說是絕緣物質(zhì)，因此這個(gè)發(fā)現(xiàn)意義非常重大，他們獲得了1987年的諾貝爾物理學(xué)獎。

1987年在超導(dǎo)材料的探索中又有新的突破，美國休斯頓大學(xué)物理學(xué)家朱經(jīng)武小組與中國科學(xué)院物理研究所趙忠賢等人先后宣布制成臨界溫度約為90K的超導(dǎo)材料YBCO。

1988年初日本宣布制成臨界溫度達(dá)110K的Bi-Sr-Ca-Cu-O超導(dǎo)體。至此，人們終于實(shí)現(xiàn)了液氮溫區(qū)超導(dǎo)體的夢想，實(shí)現(xiàn)了科學(xué)史上的重大突破。

2001年，日本科學(xué)家秋光純發(fā)現(xiàn)了臨界溫度為40K的超導(dǎo)體：MgB2。

雖然現(xiàn)有的高溫超導(dǎo)體還必須用液態(tài)氮來冷卻,這一發(fā)現(xiàn)仍被認(rèn)作二十世紀(jì)科學(xué)史上最偉大的發(fā)現(xiàn)之一.YBCOBi2223MgB2材料Bi2223YBCOMgB2各向異性參數(shù)50－1005－72－3超導(dǎo)材料的結(jié)構(gòu)MgBNagamatsuetal.Nature410,63(2001)MgB2超導(dǎo)體是符合電聲子作用BCS理論的第二類超導(dǎo)體;臨界轉(zhuǎn)變溫度Tc≈40K;具有雙能隙結(jié)構(gòu);早在1954年就已合成,但是未發(fā)現(xiàn)其超導(dǎo)電性.超導(dǎo)材料－MgB2MgB2超導(dǎo)材料的特點(diǎn):有希望部分替代LTS&HTSGenerators&MotorsJcEA/cm2B/Tesla1061051041032640

FaultCurrentLimitersCablesTrans-formersCurrentleadsformagnetsBiSrCaCuOtapes@77KYBa2Cu3O7ribbons@77KSuper-conductingenergystorageMgB2

@20KDavidCaplin,CommercialUsesofMagnesiumDiborideSuperconductorintheElectricPowerIndustries.

Cambridge12thApril2002超導(dǎo)材料－MgB212臨界溫度Tc為傳統(tǒng)超導(dǎo)體中最高Jc、Hc較高組成、結(jié)構(gòu)簡單，密度小，易于加工和制作3原料容易獲得且價(jià)格低廉TobedevelopedBi2223Y123MgB2Nb3Sn高溫氧化物高溫氧化物Tc39KTc最低超導(dǎo)材料－MgB2HyperTechResearchHyperTech公司Ex-situ法連續(xù)制備線帶材技術(shù)60meters,1.2mmMono超導(dǎo)材料－MgB2tubefillingMgB2線帶材PIT制備技術(shù)現(xiàn)狀+BMga)IN-SITUb)+BMgMgB2EX-SITUwiredrawingwirerollingColdWorkinglonglengthsoftape超導(dǎo)材料－MgB2MultifilamentFabricationatHTRElementalPowders+AdditionsMechanicalAlloyingStandardWireDrawingHeatTreatmentMgB2超導(dǎo)材料的應(yīng)用36filamentsplusCu,NbCTFFinCu----restackedinCuNi18filamentsplusCu,NbCTFFinCu----restackedinCuNi7filaments,FeCTFFinCu----restackedinCuNiStrandArchitectures54filamentsplusCu,NbCTFFinCu----restackedinCuNi高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用MgB2超導(dǎo)材料的應(yīng)用SuperconductingpropertiesofCNTdopedwires上海大學(xué)在MgB2超導(dǎo)材料研究方面的進(jìn)展應(yīng)用強(qiáng)磁場技術(shù)Jc(H)forMgB2wires0 2 468 Field(T)上海大學(xué)在MgB2超導(dǎo)材料研究方面的進(jìn)展應(yīng)用強(qiáng)磁場技術(shù)導(dǎo)帶是π電子,摻入雜質(zhì)提供導(dǎo)帶電子電聲子作用使電子局域配對1991A3C60的超導(dǎo)電性超導(dǎo)材料的結(jié)構(gòu)第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的有機(jī)超導(dǎo)體是(TMTSF)2PF6，盡管這種有機(jī)鹽的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度只有0.9K，但是，它的發(fā)現(xiàn)預(yù)示了一個(gè)新的超導(dǎo)電性研究領(lǐng)域的出現(xiàn)。超導(dǎo)材料－其他類型超導(dǎo)體有機(jī)超導(dǎo)體有機(jī)超導(dǎo)體具有低維特性、低電子密度和異常的頻率關(guān)系，已引起了眾多科學(xué)家的注意。(TMTSF)2PF6（１）大電流應(yīng)用（強(qiáng)電應(yīng)用）：超導(dǎo)發(fā)電、輸電和儲能等（２）電子學(xué)應(yīng)用（弱電應(yīng)用）：超導(dǎo)計(jì)算機(jī)、超導(dǎo)天線、超導(dǎo)微波器件等（３）抗磁性應(yīng)用：磁懸浮列車和熱核聚變反應(yīng)堆等超導(dǎo)材料的應(yīng)用高溫超導(dǎo)材料的用途最早出售的超導(dǎo)線材是Nb--Zr系，用于制造超導(dǎo)磁體。Nb--Zr合金具有低磁場高電流的特點(diǎn)。1965年后被加工性能好、臨界磁場高、成本低的Nb--Ti所取代。目前Nb-Ti系合金實(shí)用的線材使用最廣，Nb--Zr--Ti，Nb--Ti--Ta，Nb--Ti--Zr--Ta用于磁流體發(fā)電機(jī)大型磁體。超導(dǎo)材料的應(yīng)用

Nb3Sn和V3Ga是最先引起人們的注意的化合物超導(dǎo)體，其次是Nb3Ga、Nb3Al、Nb3(AlGa)。實(shí)際能夠?qū)嵱玫闹挥蠳b3Sn和V3Ga兩種。其它的化合物因難于加工線材還不能實(shí)用。超導(dǎo)材料的應(yīng)用有望大規(guī)模應(yīng)用的幾種超導(dǎo)材料商業(yè)化生產(chǎn):B2223/Ag帶材—第一代高溫超導(dǎo)材料大規(guī)?；芯?YBCO涂層導(dǎo)體—第二代高溫超導(dǎo)材料成材研究:MgB2超導(dǎo)材料的應(yīng)用國外HTS電纜已進(jìn)入全規(guī)模樣機(jī)驗(yàn)證階段HTS超導(dǎo)材料的應(yīng)用The3-phase,75meter10.5kV/1.5kAHTSPowerCableHTS電纜在我國的研發(fā)進(jìn)展9.5MRMB

2003—2005HTS超導(dǎo)材料的應(yīng)用InsulatedcableEnvelope—300meterHTS超導(dǎo)材料的應(yīng)用HTS電纜在我國的研發(fā)進(jìn)展OverviewoftheCable

HTS超導(dǎo)材料的應(yīng)用HTS電纜在我國的研發(fā)進(jìn)展The3-phase,30meter35kV/2kAHTSPowerCable，installedatPujiSubstationnearKunmingHTS電纜在我國的研發(fā)進(jìn)展35MRMB，

2003—2005HTS超導(dǎo)材料的應(yīng)用

第二節(jié)、電阻材料

廣義上，凡是利用物質(zhì)的固有電阻特性來制造不同功能元件的材料都稱作電阻材料。⑴調(diào)節(jié)器、電位器、精密儀器儀表用的精密電阻合金；⑵加熱器用的電阻材料;⑶傳感器用的電阻合金；⑷電子工業(yè)用的膜電阻材料。

第二節(jié)、電阻材料

按用途分類①在盡可能寬的溫度范圍具有低的電阻溫度系數(shù)TCR，且二次電阻溫度系數(shù)β值要小，電阻值的時(shí)間穩(wěn)定性好。③直流下使用時(shí)要求對銅熱電勢要小。④良好的加工工藝性能和力學(xué)性能。⑤良好的耐磨性、抗氧化性和包漆性能。⑥可焊性好，一般易于(軟)釬焊。②對通信等方面的微型儀器儀表必須要求高的電阻率，即ρ>0.2且電阻值的均勻性要好。一.精密電阻合金

電阻材料改良型鐵鉻鋁電阻合金常見的電阻合金鎳銅合金改良型鎳鉻電阻合金貴金屬緊密電阻合金錳銅合金

電阻材料合金名稱

成分％ρ﹡Ω·mm2/mα×106，1/℃β×106，1/℃ECuμV/℃允許工作溫度T，℃錳銅BMn3-1286Cu-12Mn-2Ni0.42～0.48α,-3～+5β<0.61.00～60新錳銅67Mn-33Cu1.880-1.0－康銅BMn40-1.5Cu-40Ni-1.5Mn0.49α＝20，β＝0.14345～500新康銅82.5Cu-12Mn-1.5Fe0.54α,-2～+3.10.9－銀錳Ag-7Mn-1.5Sn0.47α＝15－－德銀BZr15-2065Cu-1.5Ni-20Zn0.55α＝-31.441506J22(伊文)Ni-20Cr-3Al-2Mn-2Cu-0.3Zr1.33α＝2.7β＝-0.050.251506J23(卡瑪)Ni-20Cr-3Al-2Mn-0.5稀土1.37α＝3.5β＝-0.060.26150精密電阻合金成分及性能表ρt=ρ20[1+α(t-20)+β(t-20)2]精密合金電阻精密合金電阻

一.精密電阻合金

電阻材料二.電熱器用電阻材料作為電熱材料應(yīng)具備以下性能

電阻材料①高溫下具有良好的抗氧化性及化學(xué)穩(wěn)定性；②具有高的電阻率和低的電阻溫度系數(shù)；③具有良好的加工工藝性能；④具有足夠的高溫強(qiáng)度；⑤價(jià)格低廉。二.電熱器用電阻材料－電阻合金

電熱器用電阻合金按合金基體可分成三類(1)在較低溫度下使用的CuNi合金如康銅合金；(2)Ni基電熱合金，包括NiCr，和NiCrFe合金。(3)Fe基電熱合金，包括不同A1和Cr含量的FeCrAl合金，其使用溫度比Ni基電熱合金高。

電阻材料Ni基電熱合金成分及特點(diǎn)名稱化學(xué)成份(%)用途及特點(diǎn)最高工作溫度(℃)NiCrFeMnNi80Cr20合金78~8020~22<1.50~2普遍使用的高耐熱的合金1100~1150Ni70Cr20Fe8合金702082高耐熱的合金1050~1100Ni60Cr15Fe20合金60~6312~1520~230~2最易加工、價(jià)格低廉1050~1100Ni50Cr30Fe15合金50~5230~3311~152~3制造厚帶合粗線的高耐熱的合金1200~1250

電阻材料電熱陶瓷材料的特點(diǎn)：耐高溫、成本低、易于加工成管狀和棒狀。

常見的陶瓷材料有：碳化硅(SiC)、二硅化鉬(MoSi2)、鉻酸鑭(LaCrO3)和錫氧化物(SnO2)等。

電阻材料二.電熱器用電阻材料－電熱陶瓷燒結(jié)SiC自鍵合SiC硅化石墨溫度(℃)標(biāo)稱電阻百分率碳化硅電阻－溫度關(guān)系曲線三.熱敏電阻材料熱敏電阻材料分為合金和半導(dǎo)體陶瓷兩類：(1)熱敏電阻合金：具有電阻溫度系數(shù)很大、電阻值與溫度成線性、電阻值的溫度穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航天航空器中的大氣溫度加熱器和電褥、電熨斗等家用電器上。(2)熱敏電阻類半導(dǎo)體陶瓷材料：有電阻隨著溫度升高而增大的正電阻溫度系數(shù)PTCR型和電阻隨溫度升高而減小的負(fù)電阻溫度系數(shù)NTCR型兩種。它們屬于鐵電陶瓷，具有居里溫度點(diǎn)Tc。

電阻材料熱敏電子合金化學(xué)成分合金牌號Cr(%)V(%)Ni(%)Co(%)Al(%)Fe(%)Ni50Co10Fe————50～5210～11——余Cr20V10Fe10～2010～20——————余Co80VFe——1～2——80——余Ni30Cr18Fe16～18——30～32————余Ni90Cr1010——90——————Co85CrAlFe1～2————851～2余Ni60Fe————56～60————余Cr19Ni9Fe18～20——8～10.5————余

電阻材料四.膜電阻材料

膜電阻材料包括厚膜電阻材料和薄膜電阻材料膜電阻材料特點(diǎn)是：體積小、重量輕、性能好、可靠性高、便于混合集成化等。

電阻材料區(qū)別在于成膜工藝方法：前者用厚膜雜化制備，后者用真空鍍膜工藝制備。(一)、厚膜電阻材料

厚膜電阻材料統(tǒng)稱為厚膜電阻漿料，一般由導(dǎo)體粉料、玻璃粉料和有機(jī)載體組成。

導(dǎo)體粉料如金屬、金屬氧化物、金屬鹽類、合金等，要求粒度在0.2～2.0μm范圍內(nèi)，其作用是在電阻漿料經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后能保證電阻膜體的導(dǎo)電性能。

玻璃粉料一般采用硼硅鉛系玻璃，保證形成的電阻膜體與基體之間的粘附。

有機(jī)載體作用是把導(dǎo)體粉料和玻璃粉料或其他固體粉料混合均勻并分散成膏狀漿料，以便達(dá)到所要求的絲網(wǎng)印刷性能。

電阻材料

厚膜電阻材料被廣泛用滅制造電阻網(wǎng)絡(luò)、阻容功能模塊、混合集成電路等各種元器件。

成分配比范圍(重量％)

導(dǎo)體粉料10～5060～90

玻璃粉料90～50有機(jī)載體溶劑80～9540～10增稠劑及其它20～5厚膜電阻漿料各成分配比范圍

電阻材料(二).薄膜電阻材料

薄膜電阻材料分為(鎳鉻系及鉭系)金屬薄膜電阻和金屬陶瓷系氧化物薄膜電阻兩大類。

薄膜電阻材料通常采用真空鍍膜工藝(蒸發(fā)、濺射等)制成，它相對于塊狀電阻材料，其電阻率更高、電阻溫度系數(shù)可以控制得更小，膜層性能與其制作工藝和結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。

電阻材料

金屬薄膜電阻通常是把Cr、Ni、Ti、Pd、Ta、W等純金屬或它們的合金蒸鍍沉積在玻璃或陶瓷基片上而成，分為Ni－Cr系或Ta系，厚度在10nm以下。Ni－Cr的電阻溫度系數(shù)小、穩(wěn)定性好、噪聲系數(shù)小、制造工藝簡單，特別適合制作中阻值的精密薄膜電阻。Ta系具有自鈍化性、可用陽極法調(diào)整阻值、能用同種材料制作薄膜電阻和電容使二者的溫度系數(shù)互相補(bǔ)償?shù)饶銉?yōu)點(diǎn)。

電阻材料電阻材料的發(fā)展方向①普遍使用的高精度、高可靠性、在大溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定的高電阻；②數(shù)控和數(shù)字顯示用的高頻特性好、電阻溫度系數(shù)小的膜電阻；③宇航、軍事、科研等極低溫下用的電阻材料；④把電阻材料的發(fā)展與電阻元件的制造工藝融為一體的技術(shù)；⑤非晶態(tài)電阻材料。BACK

電阻材料

第三節(jié)、半導(dǎo)體材料

晶體中導(dǎo)電載體p型半導(dǎo)體占主導(dǎo)作用空穴n型半導(dǎo)體占主導(dǎo)作用電子

本征半導(dǎo)體中電子和空穴的數(shù)目很接近，其行為僅僅由固有性質(zhì)所決定。雜質(zhì)與缺陷影響半導(dǎo)體的性能摻雜決定性作用半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型及其特性

半導(dǎo)體材料

半導(dǎo)體材料元素半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體有機(jī)物半導(dǎo)體玻璃半導(dǎo)體非晶半導(dǎo)體半導(dǎo)體陶瓷按照組成

半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料分類156系列單晶硅太陽電池組件

半導(dǎo)體材料一.元素半導(dǎo)體如B、C(金剛石)、Si、Ge、α－Sn、P、As等。但是其中有些的性能不穩(wěn)定，只有Se、Ge和Si才真正用于半導(dǎo)體器件的制作，Si和Ge成為當(dāng)前的主要元素半導(dǎo)體。

實(shí)際用的Si、Ge元素半導(dǎo)體大多數(shù)為摻雜后的非本征半導(dǎo)體，它們通常是摻入少量的ⅢA或ⅤA族元素后變成p型或n型半導(dǎo)體。分子束外延

金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積

兩種不同摻雜