影響材料導(dǎo)電率的因素

影響電接觸過程中的導(dǎo)電性能的因素報(bào)告人:SDEM一、目錄1.金屬導(dǎo)電的機(jī)理2.影響金屬基體導(dǎo)電率的因素3.金屬的接觸電阻影響材料導(dǎo)電率的因素(1)SDEM1、金屬導(dǎo)電的機(jī)理經(jīng)典電子論認(rèn)為金屬的電阻是由于電子和晶格碰撞的結(jié)果,得出金屬的電導(dǎo)率，(γ=1/ρ），式中τ代表電子的平均自由程，n為金屬中自由電子的平均密度，e為電子電量，m為電子平均質(zhì)量，V為電子的運(yùn)動(dòng)速度,+++++++++影響材料導(dǎo)電率的因素(1)從金屬的電子理論導(dǎo)出歐姆定律的微分形式設(shè)導(dǎo)體內(nèi)的恒定場(chǎng)強(qiáng)為，則電子的加速度為

①電子兩次碰撞的時(shí)間間隔為t

，上次碰撞后的初速度為，則

②統(tǒng)計(jì)平均后，初速度的平均值為零，則

③平均時(shí)間間隔等于平均自由程除以平均速率

④1、金屬導(dǎo)電的機(jī)理則由③和④得平均漂移速度⑤電流密度為

⑥

⑦

⑧

⑨⑩

其中，電導(dǎo)率為1、金屬導(dǎo)電的機(jī)理影響材料導(dǎo)電率的因素(1)SDEM3.金屬的接觸電阻從電導(dǎo)率表達(dá)式知：電導(dǎo)率與自由電子的密度成正比，與電子的平均自由程成正比；還定性地說明了溫度升高，電導(dǎo)率下降的原因。1、金屬電阻產(chǎn)生的機(jī)理影響材料導(dǎo)電率的因素(1)SDEM2.影響金屬基體導(dǎo)電率的因素1、不同的金屬具有不同的電子密度。2、溫度和金屬的結(jié)構(gòu)缺陷會(huì)降低電子平均自由程。影響材料導(dǎo)電率的因素(1)SDEM2.1自由電子密度不同的金屬導(dǎo)電狀況++++++++++++++++++++電場(chǎng)方向++++++++++++AgAl影響材料導(dǎo)電率的因素(1)SDEM2.1自由電子密度不同的金屬導(dǎo)電狀況電子密度，其中ρm是元素質(zhì)量密度

，A是元素相對(duì)原子量，Z是單個(gè)原子提供的自由電子數(shù)，與最外層電子數(shù)相關(guān)。幾種元素的自由電子密度元素自由電子密度/cm3電阻率/（Ω·m）Fe1.69x10^2310Cu0.84x10^231.75Al0.6x10^232.9Ag0.58x10^231.65自由電子密度/cm3影響材料導(dǎo)電率的因素(1)SDEM2.2常見金屬的電子平均自由程金屬電子平均自由程/nm電阻率/（Ω·m）Ag52.71.65Cu39.31.75Au35.52.3Al14.92.9W14.25.5電子平均自由程/nm影響材料導(dǎo)電率的因素(1)SDEM2.2.1缺陷量不同的金屬導(dǎo)電狀況的對(duì)比++++++++++++++++++++電場(chǎng)方向++++++++++++++++++++退火態(tài)鋼淬火態(tài)鋼影響材料導(dǎo)電率的因素(1)SDEM2.2.1缺陷量不同的金屬導(dǎo)電狀況的對(duì)比時(shí)效處理對(duì)CuCr25合金導(dǎo)電率的影響影響材料導(dǎo)電率的因素(1)SDEM2.2.2不同溫度下金屬導(dǎo)電狀況的對(duì)比++++++++++++++++++++電場(chǎng)方向++++++++++++++++++++AgAl影響材料導(dǎo)電率的因素(1)SDEM2.2.2不同溫度下金屬導(dǎo)電狀況的對(duì)比影響材料導(dǎo)電率的因素(1)SDEM2.影響金屬基體導(dǎo)電率的因素（1）溫度溫度對(duì)金屬電阻的影響是由于溫度引起離子晶格熱振動(dòng)造成對(duì)電子波的散射，溫度升高會(huì)使離子振動(dòng)加劇、熱振動(dòng)振幅加大，原子的無序度增加，而使電阻率隨溫度的升高而增加。（2）金屬中的缺陷

金屬中的各種缺陷，如雜質(zhì)原子、空位、內(nèi)部（晶界）的位錯(cuò)和外部的表面造成晶格畸變引起電子波散射，從而影響導(dǎo)電性。

。影響材料導(dǎo)電率的因素(1)SDEM2.4實(shí)際應(yīng)用冷加工使晶體點(diǎn)陣發(fā)生畸變和產(chǎn)生更多缺陷，從而增加了電子散射的幾率，因而電阻率升高。金屬冷加工變形后，若再進(jìn)行退火，則可使電阻降低，尤其當(dāng)溫度接近再結(jié)晶溫度（T再=0.4T熔）時(shí)，電阻可恢復(fù)到接近冷加工前的水平。但當(dāng)退火溫度高過再結(jié)晶溫度時(shí)電阻反而又增大了。這是再結(jié)晶后新晶粒的晶界阻礙了電子運(yùn)動(dòng)造成的。影響材料導(dǎo)電率的因素(1)17

3.1接觸電阻的理論和計(jì)算一、電接觸的定義和分類：

1、定義：電接觸是導(dǎo)體與導(dǎo)體的接觸處；也稱電接觸是2個(gè)或n個(gè)導(dǎo)體通過機(jī)械方式連接，使電流得以通過的狀態(tài)。電接觸內(nèi)表面物理圖景任何用肉眼看來磨得非常光滑的金屬表面，實(shí)際上都是粗糙不平的。如圖6-1所示，為幾種機(jī)械加工后鋼表面輪廓圖并與玻璃表面比較。由圖可知：不同材料、不同加工法、不同工藝過程所得到的表面微觀狀態(tài)不相同。影響材料導(dǎo)電率的因素(1)

§6-2接觸電阻的理論和計(jì)算電流通過兩導(dǎo)體電接觸處的主要現(xiàn)象是接觸處出現(xiàn)局部高溫。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是電接觸處存在一附加電阻，稱之為接觸電阻。Rj即為導(dǎo)體與導(dǎo)體接觸處產(chǎn)生的一附加電阻，這個(gè)電阻定義為接觸電阻。導(dǎo)體電阻比接觸電阻小得多，工程中可近似認(rèn)為：Rj=Rab’3.1接觸電阻的理論和計(jì)算影響材料導(dǎo)電率的因素(1)電接觸學(xué)科的奠基人霍爾姆(R.Holm)指出：任何用肉眼看來磨得非常光滑的金屬表面，實(shí)際上都是粗糙不平的，當(dāng)兩金屬表面互相接觸時(shí)，只有少數(shù)凸出的點(diǎn)(小面)發(fā)生了真正的接觸，其中僅僅是一小部分金屬接觸或準(zhǔn)金屬接觸的斑點(diǎn)才能導(dǎo)電.當(dāng)電流通過這些很小的導(dǎo)電斑點(diǎn)時(shí)，電流線必然會(huì)發(fā)生收縮現(xiàn)象，見下圖6-4的示意圖。

其次，由于金屬表面上有膜的存在，如果實(shí)際接觸面之間的薄膜能導(dǎo)電，則當(dāng)電流通過薄膜時(shí)將會(huì)受到一定阻礙而有另一附加電阻，稱膜電阻，它是構(gòu)成接觸電阻的另一個(gè)分量。。式中Rb：表面間膜電阻；Rs：收縮電阻。3.1接觸電阻的理論和計(jì)算影響材料導(dǎo)電率的因素(1)

3）金屬表面膜的形成：金屬表面膜的生長(zhǎng)與材料種類、環(huán)境介質(zhì)的情況，以及其它許多復(fù)雜的情況有關(guān)。以銅和銀為例說明金屬表面膜的形成：

a、以銀為例分析①空氣：銀不易氧化；

②臭氧：Ag2O，易清除，200℃即分解；③含H2S的空氣：在銀表面水膜中易生成Ag2S絕緣暗膜，干燥時(shí)不易侵蝕銀。Ag2S是半導(dǎo)體，近似于絕緣件。

b、以銅為例：空氣中，金屬材料表面由吸附膜發(fā)展成肉眼可見的氧化暗膜，生長(zhǎng)規(guī)律理論上由氧化速率的拋物線定律決定，但實(shí)際的生長(zhǎng)規(guī)律復(fù)雜。圖6-6示出幾種常見觸頭材料在某些條件下膜的生長(zhǎng)厚度與時(shí)間的關(guān)系。

§6-2接觸電阻的理論和計(jì)算3.2膜電阻的生成與擊穿影響材料導(dǎo)電率的因素(1)

4、絕緣暗膜的擊穿：

1）半導(dǎo)體特征：如果施加一電壓于具有完整的絕緣暗膜的接觸面之間，當(dāng)電壓U由0升高，膜電阻由MΩ級(jí)下降（但一直保持絕緣狀態(tài)），但膜電阻隨電壓升高而下降；U下降，膜電阻上升。

2）U上升至某臨界值（如5伏），膜被擊穿，膜電阻突然消失，接觸面之間的電壓立即下降到零點(diǎn)幾伏的數(shù)量級(jí)。圖6-8表示絕緣膜的這種電擊穿過程絕緣暗膜的電擊穿過程：①實(shí)線：加壓或減壓時(shí)，膜處于完好絕緣狀態(tài)；②U0：臨界電壓。當(dāng)U≥U0，膜被擊穿，用虛線表示，并最終穩(wěn)定在終止點(diǎn)（Rz，Uz）?；魻柲钒涯さ膿舸┓Q之為膜的熔解。

§6-2接觸電阻的理論和計(jì)算3.2膜電阻的生成與擊穿影響材料導(dǎo)電率的因素(1)

5、絕緣暗膜擊穿的機(jī)理：

（1）電擊穿：電場(chǎng)內(nèi)部電子發(fā)射，形成電子云，使金屬表面局部加熱直至熔化，由于強(qiáng)大靜電力作用，液態(tài)金屬被吸入放電通道而橋接，最后形成金屬的電流通路。（2）熱擊穿：由于膜的不均勻性，使電流集中通過局部電導(dǎo)率較高的點(diǎn)，引起半導(dǎo)體膜的溫度升高，電導(dǎo)率增大，又使電流更加集中和加大，以致發(fā)生最終的熱擊穿，被熔化的金屬最后引入擊穿通道而橋接。

（3）機(jī)械擊穿：

在接觸元件上施加一定的外力，從而使實(shí)際接觸面微觀凸丘接觸處獲得極高的應(yīng)力。當(dāng)凸丘受壓變形時(shí)，膜亦隨之破裂?；蛘咴趦山佑|面受壓的同時(shí)，使兩表面作相對(duì)滾滑，將膜磨碎并剝離。膜的機(jī)械破壞要求實(shí)際接觸面上作用有很高的局部壓力，并且邊面膜比本體金屬應(yīng)具有大得多的硬度和脆性。為此需要接觸表面有一定的粗糙度，使接觸斑點(diǎn)有小的接觸面積，以獲得高的局部接觸壓力，同時(shí)選用適當(dāng)?shù)慕佑|材料和結(jié)構(gòu)。

§6-2接觸電阻的理論和計(jì)算3.2膜電阻的生成與擊穿影響材料導(dǎo)電率的因素(1)3.3、收縮電阻的影響因素當(dāng)理想球形與平面接觸時(shí)若呈彈塑性變形,則為：·P：壓力

r：球半徑

H：接觸材料的硬度(N/m2)；2023/6/27影響材料導(dǎo)電率的因素(1)23現(xiàn)象：當(dāng)接觸壓力P由小增大時(shí)，收縮電阻Rc減小；當(dāng)接觸壓力進(jìn)一步增大時(shí)，Rc的減小變得非常緩慢；當(dāng)接觸壓力由大減小時(shí)，Rc的增加極其緩慢。2023/6/27影響材料導(dǎo)電率的因素(1)243.3.1接觸壓力對(duì)收縮電阻的影響Au接觸表面的收縮電阻與接觸壓力P的關(guān)系材料的硬度越高，收縮電阻越大，但硬度提高有利于表面氧化膜的去除。接觸的壓力越大，收縮電阻越小，但會(huì)縮短斷路器彈簧機(jī)構(gòu)的疲勞壽命。Ag表面不易生成氧化膜，膜電阻??；本身導(dǎo)電率高；硬度低，收縮電阻小，是比較理想的電接觸材料。但其本身強(qiáng)度硬度不夠，導(dǎo)致在接觸時(shí)容易發(fā)生形變影響壽命，所以經(jīng)常與W、Ni、Fe