電工材料基礎(chǔ)課件

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電工材料物理基礎(chǔ)*第一節(jié)概述材料所表現(xiàn)的性能是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)所決定的，即材料的性能與原子結(jié)構(gòu)（電子的排列情況，特別是外層電子的排列情況）有很大關(guān)系。組成物質(zhì)的原子是怎樣結(jié)合的？為什么有的物質(zhì)容易通過(guò)電流？為什么炭元素既能形成絕緣體又能形成導(dǎo)體？金屬導(dǎo)電形成電流的是電子，這些電子又是從哪里來(lái)的？影響電流大小的因素又有哪些？只有了解了物質(zhì)內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，才能夠從根本上回答上述疑問(wèn)，物質(zhì)內(nèi)部可能的微觀結(jié)構(gòu)就是電工材料學(xué)科的基礎(chǔ)。*第二節(jié)原子結(jié)構(gòu)原子核原子是由位于原子中心帶正電的原子核和核外帶負(fù)電的電子所組成。原子簽核則由質(zhì)子和中子組成，中子不帶電，每個(gè)質(zhì)子帶一個(gè)單位正電荷。原子核所帶正電荷和核外所有電子所帶的負(fù)電荷之和相等，所以整個(gè)原于呈電中性。電子質(zhì)量很輕僅為9.1096

10-81kg，質(zhì)子的質(zhì)量為1．6726

10-27kg，約為電子質(zhì)量的1836倍，中子的質(zhì)量與質(zhì)子相同。*第二節(jié)原子結(jié)構(gòu)有的原子的質(zhì)子相同而它們的中子數(shù)不同。例如，氫元素的原子都含一個(gè)質(zhì)子，但有的原子中不含中子，這種氫原于就是普通的氫；含一個(gè)中子的氫原子叫氘，即重氫，如含兩個(gè)中子的氫原子就叫氚，即超重氫。在金屬學(xué)上，凡是原子內(nèi)含相同的質(zhì)子數(shù)而中子數(shù)不同的同—元素稱為同位素。*第二節(jié)原子結(jié)構(gòu)核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

1.電子云按經(jīng)典理論，電子在核外繞原子核做高速運(yùn)動(dòng)，這種狀態(tài)只能用量子力學(xué)，用統(tǒng)計(jì)的觀點(diǎn)去描述電子在核外空間某個(gè)區(qū)域出現(xiàn)的概率。以氫原子為例，它的核外只有一個(gè)電子，這個(gè)電子在核外空間各處都有出現(xiàn)的可能，但在各處出現(xiàn)的概率不同，電子在核外空間出現(xiàn)的概率分布稱為電子云。電子出現(xiàn)概率最大的地方是在離核0.53

10-10米的球面上，該距離用α0表示，這就是氫原子的波爾半徑。*第二節(jié)原子結(jié)構(gòu)

2.四個(gè)量子數(shù)量子力學(xué)用四個(gè)量子數(shù)描述核外電子的狀態(tài)1）主量子數(shù)電子在核外有規(guī)則地按離核的遠(yuǎn)近分層分布，即電子殼層，這是決定電子的能量的主要因素，用主量子數(shù)n表示。n越小，表示電子離核越近，電子能量也越小。通常也用K、L、M、N……表示，分別稱為K、L、M、N……層。*第二節(jié)原子結(jié)構(gòu)

2）角量子數(shù)同一殼層的電子，其能量并不完全相同，角量子數(shù)就表示這種差異，角量子數(shù)用l表示。主量子數(shù)和角量子數(shù)相同的電子，其能量相同，這樣的電子稱為處于同一亞層中的電子。圖1－3角量子數(shù)p電子云角量子數(shù)l表征著電子云的形狀。l

不同，電子云的形狀不同，一般用s、p、d、f……表示。角量子數(shù)為s的電子云是以原子核為球心的球形，角量子數(shù)為p的電子云形狀是啞鈴形，有三個(gè)伸展方向，角量子數(shù)為d的電子云形狀是花瓣形，*第二節(jié)原子結(jié)構(gòu)*第二節(jié)原子結(jié)構(gòu)

3）磁量子數(shù)同一亞層的電子，具有相同的能量，其不同之處是電子云的伸展方向不同。量子力學(xué)用磁量子數(shù)mt來(lái)表征這種不同。電子云的一個(gè)伸展方向代表同一殼層的一個(gè)運(yùn)動(dòng)軌道，所以磁量子數(shù)也表征著亞層電子的運(yùn)動(dòng)軌道數(shù)目，其可能取值是所有整數(shù)，包括零。同一殼層的電子可能具有的最多軌道數(shù)為n2。*第二節(jié)原子結(jié)構(gòu)

4）自旋量子數(shù)核外電子在繞原子核高速運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，也做自選運(yùn)動(dòng)。自選量子數(shù)表征的就是電子的自選運(yùn)動(dòng)形式，用ms表示。

3.多電子原子中的電子分布

1）泡利不相容原理：同一原子中不可能有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)完全相同的兩個(gè)電子，即不會(huì)有四個(gè)量子數(shù)完全相同的兩個(gè)電子存在。這就叫不相容原理。同一軌道上只能有兩個(gè)自選方向相反的電子存在。*第二節(jié)原子結(jié)構(gòu)

2）能量最低原理：能量越低，電子越穩(wěn)定。所以，一般情況下，核外電子總是首先占有能量最低的軌道，低能量軌道占滿后，電子才依次分布到能量逐個(gè)升高的軌道。這就是能量最低原理。

3）最多軌道規(guī)則在相同能量的軌道上，電子分布盡可能占據(jù)不同的軌道，即電子云盡可能有不同的伸展方向（磁量子數(shù)），并且自選方向相同，這個(gè)規(guī)則稱為最多軌道準(zhǔn)則，又稱洪特規(guī)則。洪特規(guī)則的一個(gè)特例是：同一亞層上電子分布為全充滿、半充滿或全空時(shí)，原子是比較穩(wěn)定的。*第三節(jié)化學(xué)鍵與分子一、分子的形成原子（離子）都是由帶正電的原子核和繞核運(yùn)動(dòng)的電子組成。原子相距較遠(yuǎn)時(shí)相互之間呈現(xiàn)吸引力，相距較近時(shí)呈現(xiàn)排斥力。在某一適當(dāng)?shù)木嚯x下，吸引力和排斥力平衡，便形成了穩(wěn)定的分子。圖1－5a是原子相互作用勢(shì)能與原子間距離的關(guān)系，圖b是原子間作用力F與原子間距離的關(guān)系。在距離a0處原子間作用力為零，這就是平衡時(shí)的原子間隙，此時(shí)固體具有最小的勢(shì)能－E0，即結(jié)合能，也就是把固體離解時(shí)所需要的最小能量。*第三節(jié)化學(xué)鍵與分子二、原子間的相互作用力和化學(xué)鍵

1.波恩斥力當(dāng)原子間距離小于a0時(shí)，兩個(gè)原子的內(nèi)層（滿電子殼層）電子會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的斥力，原子間作用力勢(shì)能就會(huì)急劇上升。根據(jù)泡利不相容原理，對(duì)滿殼層電子重合時(shí)，多余的電子就會(huì)被推到能量較高的狀態(tài)。原子間距離進(jìn)一步縮小時(shí)，原子核之間和電子之間的庫(kù)倫斥力也會(huì)迅速增大，這些力統(tǒng)稱為波恩斥力。*第三節(jié)化學(xué)鍵與分子

2.化學(xué)鍵原子互相結(jié)合成穩(wěn)定的分子后，原子間有強(qiáng)烈的相互作用力，即波恩斥力和吸引力。在化學(xué)上，分子中相鄰的兩個(gè)或多個(gè)原子間之間的這種強(qiáng)烈相互作用稱為化學(xué)鍵.化學(xué)鍵的強(qiáng)度用鍵能表示，鍵能是表示將1mol物質(zhì)的化學(xué)鍵全部析離而分解成中性氣態(tài)原子所需要的能量。鍵能越大，分子越穩(wěn)定。不同原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，在組成分子時(shí)原子間的相互作用情況也不相同，形成了不同類型的化學(xué)鍵。*第三節(jié)化學(xué)鍵與分子

1)離子鍵原子間相互作用，產(chǎn)生電子的轉(zhuǎn)移而形成正負(fù)離子，依靠正負(fù)離子的靜電作用使離子間吸力和斥力達(dá)到平衡所形成的化學(xué)鍵，稱為離子鍵，形成的化合物稱為離子化合物。例如NaCl。離子型化合物的離子鍵鍵能較大，一般密度高，硬度高，難于壓縮，不易揮發(fā)，并有較高的熔點(diǎn)。*第三節(jié)化學(xué)鍵與分子

2)共價(jià)鍵相同或不同元素的原子，由于電子云的重疊而形成的化學(xué)鍵稱為共價(jià)鍵，所形成的化合物稱為共價(jià)化合物。由于非s電子云有取向，所以共價(jià)鍵有方向性，而且不同元素的原子形成共價(jià)鍵時(shí)電荷不對(duì)稱，形成極性分子*第三節(jié)化學(xué)鍵與分子3）金屬鍵在金屬中，自由電子在金屬陽(yáng)離子之間不停地運(yùn)動(dòng)，自由電子與金屬陽(yáng)離子之間形成的相互作用形成的化學(xué)鍵稱為金屬鍵。金屬原子的外層電子與核間的相互作用較小，容易丟失電子而形成陽(yáng)離子，這些電子在金屬晶體中自由運(yùn)動(dòng)，故稱為自由電子。在外電場(chǎng)作用下，自由電子做定向運(yùn)動(dòng)形成電流，這就是金屬能夠?qū)щ姷脑颉?第三節(jié)化學(xué)鍵與分子

4）當(dāng)氫原子和非金屬性強(qiáng)的原子如氟以共價(jià)鍵形式結(jié)合形成HF時(shí)，由于氟原子的負(fù)電荷密度比氫大很多，所以它們的共用電子對(duì)就強(qiáng)烈地偏向氟原子，使得氫原子成了幾乎裸露的質(zhì)子，它對(duì)臨近的電子有很強(qiáng)的吸引作用。當(dāng)兩個(gè)HF分子互相接近到一定距離時(shí)，幾乎裸露的質(zhì)子和另一個(gè)分子中負(fù)電荷密度很大的氟原子產(chǎn)生明顯的吸引力，使得幾乎裸露的質(zhì)子滲入到氟原子價(jià)電子云中去，這樣形成的吸引力稱為氫鍵。分子間氫鍵形成是物質(zhì)的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)提高，因?yàn)橐蛊淙刍驓饣?，不僅要克服分子間作用力，還要額外消耗能量克服分子間的氫鍵。因此這類氫化物的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)較高。*第三節(jié)化學(xué)鍵與分子三、分之間的作用力分子型物質(zhì)無(wú)論是固態(tài)，液態(tài)或氣態(tài)，都是由許多分子組成的，即總是以分子的形式組成物質(zhì)。分子之間也有作用力，比化學(xué)鍵作用力小1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，稱為范德華力。分子間的作用力有以下三種：

1.取向力極性分子靠近時(shí)，由于同極相斥異極相吸，分子必然會(huì)有一個(gè)取向，使得異極相對(duì)，同極盡量遠(yuǎn)離。取向力與分子極性的強(qiáng)弱有關(guān)，極性強(qiáng)，取向力就大。同時(shí)，溫度越高，熱運(yùn)動(dòng)加劇，不利于分子的取向。*第三節(jié)化學(xué)鍵與分子2.誘導(dǎo)力極性分子和非極性分子靠近時(shí)，極性分子的偶極子電場(chǎng)使非極性分子極化，非極性分子出現(xiàn)正負(fù)電荷中心不重合，非極性分子靠暫時(shí)的極性和極性分子之間形成誘導(dǎo)力。誘導(dǎo)力一般較小。3.色散力非極性分子靠近時(shí)存在的一種作用力。非極性分子內(nèi)部的原子核和電子都在不停地運(yùn)動(dòng)，某一瞬間，分子的正負(fù)電荷中心可能會(huì)不重合，如果相鄰分子在同一時(shí)刻也出現(xiàn)正負(fù)電荷中心不重合，它們之間就會(huì)因取向而產(chǎn)生作用力。因?yàn)樗哪芰抗胶凸獾纳⒐较嗨疲史Q之為色散力。*第四節(jié)晶體一、固體結(jié)構(gòu)分類固態(tài)物體按其微觀結(jié)構(gòu)排列的有序性可以分為晶體、非晶體和準(zhǔn)晶體。如果構(gòu)成固體的原子、分子在微米數(shù)量級(jí)上排列是有序的，則稱為晶體，否則稱為非晶體。準(zhǔn)晶體既不同于晶體也不同于準(zhǔn)晶體，它是固體物理結(jié)構(gòu)研究的一個(gè)新領(lǐng)域。晶體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)可以看成是由相同結(jié)構(gòu)單元在空間做周期性排列形成的，這種相同結(jié)構(gòu)的單元，稱之為基元?？梢园岩粋€(gè)理想的晶體內(nèi)部看作一系列周期重復(fù)的點(diǎn)的無(wú)限分布，即晶體點(diǎn)陣（晶格），點(diǎn)陣中的每個(gè)點(diǎn)都放上相同的基元，就構(gòu)成了晶體。*第四節(jié)晶體二、晶體點(diǎn)陣的類型*第四節(jié)晶體三、晶體中粒子的結(jié)合類型組成品體的粒子(原子、分子、離子)在空間作有規(guī)則的周期性排列，形成晶體，這些粒子之間同樣存在相互作用，即吸引和排斥作用。離子鍵結(jié)合共價(jià)鍵結(jié)合金屬鍵結(jié)合范德瓦斯結(jié)合*第四節(jié)晶體四、晶體的結(jié)合能把原于(離子或分子)結(jié)合起來(lái)形成晶體體，晶體要比分散的原子(離子或分子)有更低的能量，這部分能量在結(jié)合成晶體的過(guò)程中被釋放出來(lái)，我們稱之為結(jié)合能。*第五節(jié)固體能帶理論固體（晶體）是由數(shù)目巨大的原子（或分子）組成的，而每個(gè)原子又包含原子核及其核外電子，這些原子（或分子）做有規(guī)則的周期性排列，形成空間點(diǎn)陣。原子的核外電子多數(shù)仍和孤立原子那樣局域在原子核的周圍，而有的電子則是非局域性的（即價(jià)電子），能在整個(gè)晶格中巡行。這些非局域性的電子的狀態(tài)決定了整個(gè)晶體的物理性質(zhì)和物理效應(yīng)。晶格中的巡行電子一方面受到晶格的作用，另一方面受到其它電子的作用，同時(shí)，晶格點(diǎn)上的原子自身也在運(yùn)動(dòng)。研究巡行電子的狀態(tài)是一個(gè)典型的多體問(wèn)題，整個(gè)系統(tǒng)有1023數(shù)量級(jí)的關(guān)聯(lián)變量，直接求解巡行電子的狀態(tài)幾乎是不可能的。為此，慣用的辦法是合理的做出近似（假設(shè)）。*第五節(jié)固體能帶理論玻恩－奧本海近似玻恩－奧本海近似也稱絕熱近似。這個(gè)假設(shè)的出發(fā)點(diǎn)是，考慮到電子和原子核的質(zhì)量相差很大，求解巡行電子的狀態(tài)時(shí)，近似認(rèn)為原子核是靜止不動(dòng)的，這樣的話，多體問(wèn)題就變成了一個(gè)多電子體系的求解。*第五節(jié)固體能帶理論平均場(chǎng)近似多電子體系問(wèn)題的數(shù)學(xué)描述是薛定諤方程，但仍無(wú)法直接求解，因?yàn)槊總€(gè)電子的運(yùn)動(dòng)不僅與自己的位置有關(guān)，還與其它電子的位子有關(guān)。為此，用一種平均場(chǎng)（自恰場(chǎng)）來(lái)代替價(jià)電子間的相互作用，即認(rèn)為每個(gè)電子所處的勢(shì)場(chǎng)都相同，電子間的相互作用勢(shì)能僅與自己的位置有關(guān)。*第五節(jié)固體能帶理論周期性勢(shì)場(chǎng)認(rèn)為核和電子的平均場(chǎng)是周期性勢(shì)場(chǎng)。在上述條件下，把復(fù)雜的多體問(wèn)題簡(jiǎn)化為單電子在周期勢(shì)場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題。在上述近似和假設(shè)的基礎(chǔ)上的固體電子理論就是能帶理論。*第一節(jié)概述一般情況下，電阻率在10-7～10-4歐姆米的材料稱為導(dǎo)電材料。導(dǎo)電材料的導(dǎo)電機(jī)理主要是自由電子導(dǎo)電。酸、堿及鹽類的溶液和熔融狀態(tài)的鹽，在電壓作用下也能導(dǎo)電，它們主要是離子電導(dǎo)，而且導(dǎo)電時(shí)常伴有化學(xué)變化――電解物的產(chǎn)生，電工行業(yè)很少用它們做導(dǎo)電材料。本章主要介紹自由電子導(dǎo)電的材料。金屬導(dǎo)電材料分為兩類，一類是高電導(dǎo)率金屬材料，主要用于傳輸電能，如電纜的芯線和電機(jī)的線圈等；另一類是高電阻率金屬材料，主要用于發(fā)熱和制作電阻元件，如電燈、電熱器和變阻器等。*第二節(jié)金屬導(dǎo)電機(jī)理一、經(jīng)典電子理論固態(tài)金屬導(dǎo)體是離子結(jié)晶體，自由電子在金屬陽(yáng)離子之間不停地五規(guī)則運(yùn)動(dòng)，各向同性，如圖2－1。施加外電場(chǎng)后，電子除本身的熱運(yùn)動(dòng)外，沿電場(chǎng)反方向做定向運(yùn)動(dòng)，定向運(yùn)動(dòng)平均速度為：*第二節(jié)金屬導(dǎo)電機(jī)理由上式推出電流密度為:每個(gè)電子的平均動(dòng)能為:式中：k－玻爾茲曼常數(shù)，1.38

10-23J/Km－電子質(zhì)量

T－電子熱力學(xué)溫度

c－電子的熱運(yùn)動(dòng)速度*第二節(jié)金屬導(dǎo)電機(jī)理根據(jù)經(jīng)典電子理論可以解釋金屬導(dǎo)電的很多問(wèn)題，但還有許多問(wèn)題不能解決。當(dāng)溫度T＝0時(shí)，電子的平均動(dòng)能也為零，這是錯(cuò)誤的，因?yàn)榧词乖赥＝0K時(shí)，電子還是在運(yùn)功的，動(dòng)能不能為零。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，近代出現(xiàn)量子力學(xué)觀點(diǎn)能解釋上述問(wèn)題，但在量子力學(xué)中所用數(shù)學(xué)非常復(fù)雜，在這里不作具體介紹，只簡(jiǎn)單介紹一下它的基本要點(diǎn)。*第二節(jié)金屬導(dǎo)電機(jī)理二、近代量子量子理論近代量子力學(xué)的理淪認(rèn)為電子在金屬內(nèi)的運(yùn)動(dòng)可用波動(dòng)力學(xué)來(lái)解釋。在外電場(chǎng)作用下，這種電子波沿著金屬的結(jié)晶格子傳播時(shí)，碰到晶格骨架的障礙，將它本身的一部分能量交給了骨架——金屬，引起晶格骨架振動(dòng)，因而導(dǎo)體在通過(guò)電流時(shí)要發(fā)熱。當(dāng)溫度升高，金屬離子晶格振動(dòng)加劇，使其原來(lái)排列整升的晶格的規(guī)律性遭到破壞，由于振動(dòng)而使離子間距離時(shí)大時(shí)小。因而電子波在其中傳播時(shí)受到的阻力加強(qiáng)，導(dǎo)致電阻增加。*第二節(jié)金屬導(dǎo)電機(jī)理如果金屬中含有雜質(zhì)，會(huì)使金屬晶格發(fā)生畸變而破壞原來(lái)的規(guī)律性，這樣也使電阻增加，故合金的電阻總比純金屬的大。當(dāng)溫度降低時(shí)，晶格振動(dòng)減弱，電子波運(yùn)動(dòng)所受阻力減小，因此電阻也下降。當(dāng)溫度相當(dāng)?shù)蜁r(shí)(＜10K)，因晶格振動(dòng)很弱，由它所引起的阻力已很小，這時(shí)的電阻主要由晶格缺陷所決定，故合金和有晶格缺陷的金屬，即使在0K時(shí)也仍有一定電阻。而對(duì)一些晶格規(guī)則排列的純金屬，從理論上來(lái)說(shuō)，在溫度0K時(shí)應(yīng)沒(méi)有電阻了。還有一些金屬、合金或化合物，在低溫2～9K某一值附電阻會(huì)忽然消失，這稱之為超導(dǎo)電現(xiàn)象，這種材料稱為超導(dǎo)電材料。*第二節(jié)金屬導(dǎo)電機(jī)理三、導(dǎo)電材料的主要特性參數(shù)1.電阻率（電導(dǎo)率）在交流情況下，由于導(dǎo)體中產(chǎn)：生交變磁場(chǎng)，電流不是均勻地分布在導(dǎo)體的整個(gè)截面上。越近導(dǎo)體炭面電流就越大，這稱為趨膚效應(yīng)(集膚效應(yīng))。其結(jié)果相當(dāng)于減少了傳導(dǎo)電流的截面，因此交流電阻大于直流電阻。電流透入圓導(dǎo)線表面的深度Z可由下式求出：*第二節(jié)金屬導(dǎo)電機(jī)理導(dǎo)電金屬的交流電阻和直流電阻之比為：*第二節(jié)金屬導(dǎo)電機(jī)理影響金屬電阻率的因素

1）溫度（溫度系數(shù)αR）當(dāng)溫度變化不太大時(shí)，電阻與溫度的關(guān)系呈線性。一般取20℃的電阻率做為計(jì)算值。*第二節(jié)金屬導(dǎo)電機(jī)理

2）合余元素及雜質(zhì)對(duì)電阻的影響合金元素和雜質(zhì)畸變晶格，導(dǎo)致電阻的增加。

ρ0是接近0K時(shí)的剩余電阻率，它與所含合金元素和雜質(zhì)有關(guān)，ρ(T)是隨溫度變化的電阻率。*第二節(jié)金屬導(dǎo)電機(jī)理

3）冷變形對(duì)電阻的影響打擊、彎曲、軋制、拉絲等冷加工時(shí)，也會(huì)使晶格發(fā)生畸變，造成電子散射而使電阻增加。但一股冷變形引起的電阻增加不會(huì)超過(guò)4%4）熱處理對(duì)電阻的影響當(dāng)導(dǎo)體進(jìn)行冷加工之后，強(qiáng)度和硬度增加了，但是電導(dǎo)率和塑性降低了。為了恢復(fù)冷加工前性能，通常可以通過(guò)熱處理，即將金屬加熱至一定溫度，然后慢慢冷卻，使之再結(jié)晶而導(dǎo)致晶格恢有規(guī)律的排列，因此導(dǎo)電率又可提高，這種熱處理稱之為退火或韌煉，在電線電纜工業(yè)中使用用較多的銅錠、鋁錠，均要通過(guò)軋制、拉絲等加工后拉成所需直徑的細(xì)絲，往往直徑達(dá)到了要求而電阻率卻大大提高了，所以生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)過(guò)幾道拉過(guò)后就要退一次火，往往要反復(fù)進(jìn)行幾次的拉絲與退火過(guò)程，而最終才能使線徑和電導(dǎo)率均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。*第二節(jié)金屬導(dǎo)電機(jī)理2.熱導(dǎo)率導(dǎo)電材料的熱導(dǎo)率，對(duì)于電機(jī)、電纜及一些電工設(shè)備的熱性能計(jì)算非常重要。如電纜線芯的熱導(dǎo)率大，則溫升低，同樣截面的金屬線芯，熱導(dǎo)率大可以傳輸更大的電流。一般電導(dǎo)率高的材料熱導(dǎo)率也高。根據(jù)電于理淪，認(rèn)為金屬的熱導(dǎo)也是出電子傳導(dǎo)引起的，熱運(yùn)動(dòng)使電子在溫區(qū)獲得的能量帶給低溫區(qū)的離子，使低溫區(qū)的溫度升高，故高電導(dǎo)金屬一般也是高熱金屬。*第二節(jié)金屬導(dǎo)電機(jī)理

3）接觸電位差和熱電勢(shì)當(dāng)兩種不同的金屬互相接觸時(shí)在接觸處產(chǎn)生電位差。這是由于在不同的金屬內(nèi)，其自由電子密度不相同所致。當(dāng)兩種金屬接觸時(shí)，電子會(huì)由密度高的金屬擴(kuò)散到密度低的金屬中去。這樣，電子減少的金屬帶正電，而另一種金屬因電子的增多而帶負(fù)電。產(chǎn)生的電位差，即稱接觸電位差。兩種金屬的接觸電位差一般在0.1～幾伏之間。*

一、銅和銅合金

1.銅銅作為導(dǎo)電材料，有高電導(dǎo)率、足夠的抗拉強(qiáng)度、焊接性好、加工方便、較好的耐腐蝕性、價(jià)格適中等有點(diǎn)，在電氣行業(yè)中應(yīng)用很廣泛。純銅的顏色是紫紅色，又稱紫銅。物理性能：密度8.9g/cm3，熔點(diǎn)1083℃，電阻率0.017241Ω?mm2/m（標(biāo)準(zhǔn)純銅100%IACS）。（IACS－－國(guó)際退火工業(yè)純銅標(biāo)準(zhǔn)）導(dǎo)電用銅的含銅量要求不小于99.90%。**銅的“氫病”－－含氧量>0.03%的銅在氫或含氫的還原氣體中高溫加熱時(shí)，氫會(huì)滲入銅中與氧化銅作用，產(chǎn)生高壓水蒸氣，在銅中形成微小汽泡或微裂紋，對(duì)銅進(jìn)行壓力加工時(shí)會(huì)使銅開(kāi)裂，這稱為銅的“氫病”。所以為了防止開(kāi)裂，應(yīng)對(duì)銅在水蒸氣、氮?dú)?、二氧化碳中退火或加工?銅分為普通純銅和無(wú)氧銅兩類普通純銅：一號(hào)銅T1，純度不小于99.95%

二號(hào)銅T2，純度不小于99.90%無(wú)氧銅：一號(hào)無(wú)氧銅T01，純度不小于99.97%

二號(hào)無(wú)氧銅T02，純度不小于99.95%

普通純銅用于電線電纜和一般導(dǎo)電零件，無(wú)氧銅用于真空器件、電子儀器零件、耐高溫導(dǎo)體、真空開(kāi)關(guān)觸頭等*冷加工變形度對(duì)抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和電導(dǎo)的影響溫度對(duì)銅的力學(xué)性能的影響*退火溫度對(duì)銅的電導(dǎo)率和力學(xué)性能的影響*銅在300℃以下氧化比較緩慢，超過(guò)100℃時(shí)，銅表面會(huì)生成黑色的氧化銅膜CuO，300℃以上會(huì)氧化速度加快，且生成氧化亞銅Cu2O膜。溫度對(duì)銅的機(jī)械性能有較大的影響，所以銅的長(zhǎng)期工作溫度不宜超過(guò)110℃，短時(shí)工作溫度不宜超過(guò)300℃。*

2.銅合金在銅中加入少量的錫、鋅、硅、鉻、鎂等制成合金，滿足一些特殊場(chǎng)合的需要。這些合金的力學(xué)強(qiáng)度高，電阻率也比純銅高，用于高強(qiáng)度絕緣線芯、通信線和滑接線等。青銅，即錫銅合金，具有特別高的機(jī)械強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度達(dá)700～900MPa。黃銅，即鋅銅合金，機(jī)械強(qiáng)度比純銅高，而電導(dǎo)率降低不大，可用作各種導(dǎo)電零件。銅中加入0.2%銀，可將銅的軟化溫度從150提高到280℃，而電導(dǎo)率幾乎不變，但價(jià)格昂貴，只在用量不大的特殊場(chǎng)合使用。*二、鋁及鋁合金

1.鋁鋁具有良好的導(dǎo)電性，ρ＝0.029Ω·mm2/m，其機(jī)械強(qiáng)度比銅低，抗拉強(qiáng)度為70～95MPa，不易腐蝕。在空氣中氧化生成A1203膜，它能阻止鋁的進(jìn)一步氧化，因此A1203層起了保護(hù)里面鋁的作用。鋁的延展性、可塑性好，可拉稱成絲或輾成鋁箔，其密度較小，2.7g/cm3。鋁的缺點(diǎn)：因?yàn)楸砻嬗蠥1203層，故不易焊接，現(xiàn)已研究了多種焊接方法，但不夠理想。國(guó)內(nèi)鋁資源比較豐富，但冶煉過(guò)程需要消耗很大的電能，上世紀(jì)50年代后期，導(dǎo)電用鋁在我國(guó)開(kāi)始得到很快發(fā)展。*導(dǎo)電用鋁和銅的經(jīng)濟(jì)比較如果要求在相同的長(zhǎng)度下保證電阻(輸送同樣的電能，損耗相同)不變(輸送同樣的電能，損耗相同)，那么鋁和銅的截面比為：1.68

鋁和銅的直徑比為：1.3

鋁和銅的質(zhì)量比為：0.51

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，綜合考慮其它因素，可以估計(jì)采用鋁和銅時(shí)的經(jīng)濟(jì)投入。導(dǎo)電用鋁的純度要求：≥99.5%*導(dǎo)電用鋁的型號(hào)和成份一般情況下采用特二號(hào)鋁和一號(hào)鋁。*雜質(zhì)對(duì)鋁電導(dǎo)率的影響*冷變形對(duì)鋁機(jī)械強(qiáng)度的影響*鋁在熔點(diǎn)以下時(shí)，電阻與溫度基本上呈線性關(guān)系。冷加工變形后的鋁線經(jīng)退火后電導(dǎo)率也能恢復(fù)，一般退火溫度為400℃左右，溫度過(guò)高會(huì)引起晶粒粗大，塑性變壞。鋁的長(zhǎng)期工作溫度不宜超過(guò)90℃，短時(shí)工作溫度不宜超過(guò)120℃。鋁在空氣中除生成氧化鋁膜外，在有大量二氧化硫、硫化氫等酸堿氣體和潮濕環(huán)境下，表面的電解液易產(chǎn)引起電化學(xué)腐蝕，所以鋁表面要采用涂漆的辦法加以保護(hù)。*

2.鋁合金實(shí)際使用的細(xì)鋁導(dǎo)線是在鋁中加入了硅和鎂，形成鋁硅鎂合金，經(jīng)過(guò)特殊加工制成鋁絲，其機(jī)械強(qiáng)度和耐熱性提高很多，而電導(dǎo)率和密度幾乎不變。鋁和鋁合金在使用過(guò)程中最大缺陷就是因?yàn)檠趸X膜的存在而不易焊接，需要采用特殊的手段對(duì)氧化鋁膜進(jìn)行處理，焊接過(guò)程中也要防止鋁的再氧化。*三、其它導(dǎo)電材料鐵和鋼鐵的電阻率高，約為銅的五倍多，而且化學(xué)穩(wěn)定性低易氧化，在頻率較高時(shí)集膚效應(yīng)明顯，所以很少用作導(dǎo)電材料。但是在裸的架空線中，由于要求能承受強(qiáng)大的機(jī)械應(yīng)力，而銅及鋁線強(qiáng)度不夠，因而經(jīng)常以鋼作為中間的芯線制成鋼芯鋁鉸線，這樣既有高的機(jī)械強(qiáng)度，又有足夠的電率。其它如農(nóng)村用的廣播線，也有將鍍鋅軟鋼線裸露使用或外面包以絕緣后應(yīng)用，這種線價(jià)格較低。電工中用的鋼線是低炭鋼（含炭0.1~0.15%）*復(fù)合金屬導(dǎo)電材料復(fù)合金屬導(dǎo)電材料有線、棒、帶、板、片和管裝等各種型材。用于各種特出場(chǎng)合。鎳包銅線具有耐高溫的性能。鎳包銀線既有耐高溫性能，又有低的電阻率。不銹鋼覆銅有良好的耐腐蝕性，電導(dǎo)率也高。鍍錫銅線耐腐蝕性和焊接性好，在橡皮絕緣的電線中可以防止橡皮中的游離硫?qū)︺~的作用。在彈簧鋼上覆銅可應(yīng)用于導(dǎo)電彈簧和彈片。高分子物理基礎(chǔ)

高分子聚合物即高分子材料，簡(jiǎn)稱高聚物。它是由許多相同的結(jié)構(gòu)單元組成的，這些結(jié)構(gòu)單元內(nèi)部可以相同也可以不同。[聚合度]

高聚物在聚合過(guò)程中會(huì)形成線型分子、支化型分子和網(wǎng)狀分子。前兩者一般是熱塑性的，而網(wǎng)狀分子則是熱固性的。高聚物的聚集態(tài)分為晶態(tài)和非晶態(tài)。高聚物的”老化”

高分子聚合物在加工、貯存、運(yùn)輸和使用過(guò)程中,由于受各種因素(熱、紫外線、各種射線、電、機(jī)械、化學(xué)、氧、臭氧、水、微生物等)的作用，性能逐漸下降，直至最后完全喪失使用價(jià)值。老化是一種不可逆變化。固體絕緣材料一、有機(jī)絕緣材料塑料熱塑性的有聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯等。熱固性塑料常用的有酚醛樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂、脲甲醛、三聚氰胺甲醛等樹(shù)脂橡膠有天然橡膠及合成橡膠兩大類。天然橡膠目前只有一種；合成橡膠中有氯丁橡膠、丁苯橡膠、丁腈橡膠、硅橡膠及乙丙橡膠等纖維可分天然纖維與合成纖維兩種，天然纖維包括棉、麻、蠶絲、紙等；合成纖維包括聚酰胺纖維、聚酯纖維等。還有人造纖維絕緣漆有天然與合成兩種，天然絕緣漆包括亞麻油、桐油為漆基的漆；合成絕緣漆有環(huán)氧樹(shù)脂、聚酯、有機(jī)硅、聚酰胺酰亞胺漆等。固體絕緣材料二、無(wú)機(jī)絕緣材料常用的有玻璃、陶瓷、云母、石棉、氧化膜絕緣等。人造云母也有應(yīng)用電工中常用的有機(jī)絕緣材料一、熱塑性塑料

它的特點(diǎn)是受熱后能熔化，在適當(dāng)?shù)娜軇┲心苋芙猓ㄒ唬┚垡蚁?-CH2-CH2)n（二）聚氯乙烯(-CH2-CHCl)n（三）聚丙烯(-CH2-CH)n

︱

CH3（四）聚四氟乙烯

(-CF2-CF2)n（五）其他高聚物：聚酯，聚苯乙烯，聚酰胺（尼龍）。。。電工中常用的有機(jī)絕緣材料二、熱固性塑料這類塑料的特點(diǎn)是具有體型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高分子聚合物。在溶劑中不溶解，最多能溶脹；受熱后性能變化，但不會(huì)變軟，溫度再高也不熔化只會(huì)分解；當(dāng)高溫降到低溫時(shí)，性能變化不可逆。（一）酚醛樹(shù)脂（二）環(huán)氧樹(shù)脂（三）三聚氰胺甲醛樹(shù)脂（四）聚酰亞胺電工中常用的有機(jī)絕緣材料三、橡膠橡膠的最大特點(diǎn)是具有很高的彈性，但是生橡膠由于彈性很大，缺乏塑性而不能成形，需加入各種添加劑進(jìn)行硫化。經(jīng)過(guò)硫化后的橡皮為不溶不熔的熱固性材料，機(jī)械強(qiáng)度好。硅橡膠（SI）由于Si-C鍵能高為426kJ/mol，且Si是不燃元素具有無(wú)機(jī)材料的特點(diǎn)，所以它的耐熱性很好，工作溫度可達(dá)180~200℃，故又稱耐熱橡皮。它沒(méi)有雙鍵，所以有優(yōu)異的耐熱老化、臭氧老化和大氣老化性。電工中常用的有機(jī)絕緣材料四、纖維絕緣紙：重要參量——含水量，密度，透氣度，tgδ，電容器紙和高壓電纜紙要求tgδ較小。除此外，電容器紙要求絕對(duì)介電常數(shù)高，所以紙的密度高，為（1~1.2）×103kg/m3，且非常薄高壓電纜紙規(guī)定tgδ≦0.03，而機(jī)械強(qiáng)度比電容器紙高，且厚度較厚。供膠板紙或膠紙管用的浸漬絕緣紙，除滿足一般要求外，希望浸漬性能要好，所以紙的密度要小些。電工中常用的有機(jī)絕緣材料五、絕緣漆、膠及熔敷粉末（一）浸漬漆（二）漆包線漆（三）覆蓋漆（四）防電暈漆（五）絕緣膠電工中常用的無(wú)機(jī)絕緣材料無(wú)機(jī)絕緣材料的主要特點(diǎn)為：（1）耐熱性高工作溫度一般大于180℃，這是由于它們的離子間或原子間的結(jié)合力很強(qiáng)，結(jié)晶相的熔點(diǎn)很高所致。（2）穩(wěn)定性好耐大氣老化，耐化學(xué)藥品性好，長(zhǎng)期在電場(chǎng)作用下也很少老化（3）脆性無(wú)機(jī)材料多數(shù)是由離子鍵或極性共價(jià)鍵組成，受力后不像高分子材料那樣分子鏈相互可以移動(dòng)，也不像金屬材料那樣會(huì)發(fā)生塑性變形。故其抗拉強(qiáng)度低，耐沖擊強(qiáng)度低，但耐壓強(qiáng)度很高，可為抗拉強(qiáng)度的十倍以上。（4）工藝性差往往要經(jīng)過(guò)高溫?zé)崽幚砗蟛拍艹尚尾Ａ?/p>

它是透明的無(wú)定形物質(zhì)，其化學(xué)組成一般是各種氧化物的復(fù)合物。一類是本身能形成玻璃的氧化物，如二氧化硅、三氧化二硼、五氧化二磷等；另一類是在二氧化硅中加入堿金屬及堿土金屬氧化物作為添加劑，如氧化鈣、氧化鋇、氧化鎂、氧化鉛、氧化鋯、三氧化二鋁等。玻璃的介電性能玻璃的力學(xué)性能玻璃的熱性能玻璃的其他性能電工陶瓷

電瓷具有較高的耐電強(qiáng)度、良好的機(jī)械強(qiáng)度、耐熱性、耐大氣腐蝕和耐電暈性好，不易老化，所以應(yīng)用很廣。高壓電瓷供高壓線路上的絕緣子、套管及各種絕緣零件用低壓電瓷供500V以下工頻交流設(shè)備用的絕緣子和絕緣零部件用無(wú)線電電瓷制造各種高頻電瓷用

陶瓷材料的特點(diǎn)：高熔點(diǎn)、高硬度、高剛度、高化學(xué)穩(wěn)定性、高絕緣絕熱性能、熱導(dǎo)率低、熱膨脹系數(shù)小、摩擦系數(shù)小、無(wú)延展性等鮮明的特性。

陶瓷材料的弱點(diǎn)：:塑性變形差，抗熱震和抗疲勞性能差，對(duì)應(yīng)力集中和裂紋敏感、質(zhì)脆以及在高溫環(huán)境中其強(qiáng)度、抗氧化性能等明顯降低等。表面改性技術(shù)的目的就是克服陶瓷的上述弱點(diǎn)，使陶瓷材料能夠以其優(yōu)良的物理、化學(xué)性能,在航天、航空、電力、電子、冶金、機(jī)械等工業(yè),甚至現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)中得到廣泛的應(yīng)用。表面改性的主要技術(shù)：

傳統(tǒng)的表面改性技術(shù)有滲氮、陽(yáng)極氧化、化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積、離子束濺射沉積等。

表面改性的新技術(shù)：利用激光束或離子束的高能量在短時(shí)間內(nèi)加熱和熔化表面區(qū)域,從而形成一些異常的亞穩(wěn)表面;離子注入或離子束混合技術(shù)把原子直接引進(jìn)表面層中。具體有：

:金屬蒸汽真空弧離子源離子注入、離子束增強(qiáng)/輔助沉積、等離子源離子注入激光表面合金化激光化學(xué)氣相沉積等離子體輔助化學(xué)氣相沉積雙層輝光等離子體表面合金化脈沖高能量等離子體表面改性技術(shù)云母

云母呈片狀結(jié)構(gòu)，有很強(qiáng)的理解性，所以很容易劈成薄片，具有耐熱、不易腐蝕且有一定彈性、不燃燒、耐電暈等特性。天然云母白云母/金云母粉云母人造云母云母帶、云母板、云母箔、云母玻璃等液體絕緣材料工程上對(duì)液體電介質(zhì)的要求：（1）電氣性能好，擊穿場(chǎng)強(qiáng)和電阻率要高，tgδ和要?。娙萜饔蛣t要求高），而且隨溫度變化也?。?）無(wú)毒。（重要?。?）在高溫、高電場(chǎng)、氧氣的作用下性能穩(wěn)定，不易分解或放出各種氣體而使液體介質(zhì)本身被破壞或是腐蝕其他材料（4）閃點(diǎn)要高，凝固點(diǎn)要低（5）在油開(kāi)關(guān)中使用時(shí)要求滅弧性能好，在電弧作用下分解出的碳粒少（6）價(jià)格低廉，來(lái)源廣天然油一、礦物油它的主要成分是各種碳?xì)浠衔?，少量的芳香烴、烷烴、烯烴、炔烴和S，O2，N2等多種物質(zhì)元素。從油礦開(kāi)采的石油，在150~160℃范圍分餾得汽油；溫度上升至160~300℃分餾得煤油；在300~350℃下分餾得重油，這就是絕緣油的原油。重油再經(jīng)分餾、精制，并加入適當(dāng)?shù)奶砑觿┚涂傻玫礁鞣N絕緣油。二、植物油絕緣油絕緣油的精制：1）精制不足的油呈深黃色，這種油雜質(zhì)含量太多，性能差，不能使用；2）精制適當(dāng)?shù)挠统实S色，雜質(zhì)少，性能好，長(zhǎng)期使用不易老化；3）精制過(guò)度的油呈透明無(wú)色，新油性能很好，但使用后極易老化，這是因?yàn)榘涯芷鹂寡踝饔玫姆枷銦N清楚太徹底所致，所以也不合適。絕緣油的再生處理：壓力過(guò)濾法——真空噴霧法——電凈化法——白土硅膠再生法合成油通過(guò)人工用化學(xué)方法合成的絕緣油。常用的有：十二烷基苯、硅油、聚異丁二烯氣體絕緣材料工程上對(duì)氣體介質(zhì)的要求:工作場(chǎng)強(qiáng)和電離起始場(chǎng)強(qiáng)要高.這樣可以縮小電工設(shè)備的體積,減輕重量,同時(shí)要求擊穿后能迅速恢復(fù)絕緣性能.對(duì)人體無(wú)害,不污染環(huán)境.這點(diǎn)對(duì)制造廠和使用單位均很重要.化學(xué)穩(wěn)定性好,惰性大,對(duì)結(jié)構(gòu)材料不起腐蝕作用不燃,不爆,不老化.不易因放電而分解熱穩(wěn)定性、導(dǎo)熱性要好，熱容量大沸點(diǎn)要低，流動(dòng)性要好，不致因環(huán)境溫度的變化（下降）而液化制備方便，來(lái)源廣，成本低空氣/氮?dú)?/p>

空氣由于液化溫度低（-192℃），擊穿后有自愈性，電氣物理化學(xué)性能穩(wěn)定，來(lái)源豐富，所以在開(kāi)關(guān)中廣泛用空氣來(lái)作為絕緣。氮?dú)庖夯瘻囟葹?195.8℃,化學(xué)穩(wěn)定性較空氣好，又是呈惰性，且不助燃，所以在電工設(shè)備中經(jīng)常用壓縮氮?dú)庾鳛殡娊橘|(zhì)。由于不含氧，它還可保護(hù)其他材料不受氧化。六氟化硫

六氟化硫是一種無(wú)色無(wú)臭和不燃不爆的電負(fù)性很強(qiáng)的惰性氣體。

凡是與鹵素元素F、Cl、Br、I結(jié)合的氣體鹵化物，統(tǒng)稱為電負(fù)性氣體。SF6特性：擊穿場(chǎng)強(qiáng)高滅弧性能好無(wú)毒性及好的化學(xué)穩(wěn)定性密度大并有窒息性其他氣體氟里昂混合氣體。。。

超導(dǎo)體:大于106(cm)-1

導(dǎo)體:106~104(cm)-1

半導(dǎo)體:104~10-10(cm)-1

絕緣體:小于10-10(cm)-1什么是半導(dǎo)體？從導(dǎo)電特性和機(jī)制來(lái)分：不同電阻特性不同輸運(yùn)機(jī)制1.半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)原子結(jié)合形式：共價(jià)鍵形成的晶體結(jié)構(gòu)：構(gòu)成一個(gè)正四面體，具有金剛石晶體結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的結(jié)合和晶體結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu)

半導(dǎo)體有元素半導(dǎo)體，如：Si、Ge

化合物半導(dǎo)體，如：GaAs、InP、ZnS2.半導(dǎo)體中的載流子：能夠?qū)щ姷淖杂闪Ｗ颖菊靼雽?dǎo)體：n=p=ni電子：Electron，帶負(fù)電的導(dǎo)電載流子，是價(jià)電子脫離原子束縛后形成的自由電子，對(duì)應(yīng)于導(dǎo)帶中占據(jù)的電子空穴：Hole，帶正電的導(dǎo)電載流子，是價(jià)電子脫離原子束縛后形成的電子空位，對(duì)應(yīng)于價(jià)帶中的電子空位3.半導(dǎo)體的能帶

(價(jià)帶、導(dǎo)帶和帶隙)量子態(tài)和能級(jí)固體的能帶結(jié)構(gòu)

原子能級(jí)能帶共價(jià)鍵固體中價(jià)電子的量子態(tài)和能級(jí)共價(jià)鍵固體：成鍵態(tài)、反鍵態(tài)

原子能級(jí)

反成鍵態(tài)

成鍵態(tài)價(jià)帶：0K條件下被電子填充的能量最高的能帶導(dǎo)帶：0K條件下未被電子填充的能量最低的能帶禁帶：導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂之間能帶帶隙：導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂之間的能量差半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)導(dǎo)帶價(jià)帶Eg金屬、絕緣體、半導(dǎo)體的能帶特征EgEg金屬絕緣體半導(dǎo)體價(jià)帶導(dǎo)帶半導(dǎo)體中載流子的行為可以等效為自由粒子，但與真空中的自由粒子不同，考慮了晶格作用后的等效粒子有效質(zhì)量可正、可負(fù)，取決于與晶格的作用電子和空穴的有效質(zhì)量m*4.半導(dǎo)體的摻雜BAs

受主摻雜

施主摻雜施主和受主濃度：ND、NA施主：Donor，摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子向半導(dǎo)體中提供導(dǎo)電的電子，并成為帶正電的離子。如

Si中摻的P和As受主：Acceptor，摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子向半導(dǎo)體中提供導(dǎo)電的空穴，并成為帶負(fù)電的離子。如

Si中摻的B施主能級(jí)受主能級(jí)雜質(zhì)能級(jí)：雜質(zhì)可以使電子在其周圍運(yùn)動(dòng)形成量子態(tài)本征載流子濃度：n=p=ninp=ni2

ni與禁帶寬度和溫度有關(guān)5.本征載流子本征半導(dǎo)體：沒(méi)有摻雜的半導(dǎo)體本征載流子：本征半導(dǎo)體中的載流子載流子濃度

電子濃度n,

空穴濃度p6.非本征半導(dǎo)體的載流子在非本征情形:

熱平衡時(shí):N型半導(dǎo)體：n大于pP型半導(dǎo)體：p大于n多子：多數(shù)載流子

n型半導(dǎo)體：電子

p型半導(dǎo)體：空穴少子：少數(shù)載流子

n型半導(dǎo)體：空穴

p型半導(dǎo)體：電子7.電中性條件:正負(fù)電荷之和為0p+Nd–n–Na=0施主和受主可以相互補(bǔ)償p=n+Na–Ndn=p+Nd–Nan型半導(dǎo)體：電子nNd

空穴pni2/Ndp型半導(dǎo)體：空穴pNa

電子nni2/Na8.過(guò)剩載流子

由于受外界因素如光、電的作用，半導(dǎo)體中載流子的分布偏離了平衡態(tài)分布，稱這些偏離平衡分布的載流子為過(guò)剩載流子公式不成立載流子的產(chǎn)生和復(fù)合：電子和空穴增加和消失的過(guò)程電子空穴對(duì)：電子和空穴成對(duì)產(chǎn)生或復(fù)合9.載流子的輸運(yùn)漂移電流遷移率

電阻率

單位電場(chǎng)作用下載流子獲得平均速度反映了載流子在電場(chǎng)作用下輸運(yùn)能力

載流子的漂移運(yùn)動(dòng)：載流子在電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)

引入遷移率的概念

影響遷移率的因素影響遷移率的因素：有效質(zhì)量平均弛豫時(shí)間（散射〕體現(xiàn)在：溫度和摻雜濃度半導(dǎo)體中載流子的散射機(jī)制：晶格散射（熱運(yùn)動(dòng)引起）電離雜質(zhì)散射擴(kuò)散電流電子擴(kuò)散電流：空穴擴(kuò)散電流：愛(ài)因斯坦關(guān)系:載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：載流子在化學(xué)勢(shì)作用下運(yùn)動(dòng)過(guò)剩載流子的擴(kuò)散和復(fù)合過(guò)剩載流子的復(fù)合機(jī)制：直接復(fù)合、間接復(fù)合、表面復(fù)合、俄歇復(fù)合過(guò)剩載流子的擴(kuò)散過(guò)程擴(kuò)散長(zhǎng)度Ln和Lp:L=(D)1/2p-n結(jié)平衡能帶結(jié)構(gòu)重點(diǎn)半導(dǎo)體、N型半導(dǎo)體、P型半導(dǎo)體、本征半導(dǎo)體、非本征半導(dǎo)體載流子、電子、空穴、平衡載流子、非平衡載流子、過(guò)剩載流子能帶、導(dǎo)帶、價(jià)帶、禁帶摻雜、施主、受主輸運(yùn)、漂移、擴(kuò)散、產(chǎn)生、復(fù)合鍺、硅半導(dǎo)體Ge、Si的物理性質(zhì)鍺、硅半導(dǎo)體Ge、Si的晶體結(jié)構(gòu)鍺、硅半導(dǎo)體Ge、Si的能帶結(jié)構(gòu)鍺、硅半導(dǎo)體Ge、Si單晶中的雜質(zhì)Ⅲ、Ⅳ族雜質(zhì)：受主或施主其它雜質(zhì)：復(fù)合中心或陷井，對(duì)導(dǎo)電性影響不大GaAs半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)Ⅲ、Ⅳ族化合物半導(dǎo)體半導(dǎo)體材料(1)以硅為基礎(chǔ)的微電子技術(shù)仍將占十分重要位置。芯片特征尺寸以每三年縮小計(jì),到2010年可能到極限(0.07μm)（量子效應(yīng)、磁場(chǎng)及熱效應(yīng)、制作困難、投資大）。但不同檔次的硅芯片在21世紀(jì)仍大量存在，并將有所發(fā)展。

*在絕緣襯底上的硅（SOI，SiOnInsulator):功能低、低漏電、集成度高、高速度、工藝簡(jiǎn)單等。SOI器件用于便攜式通信系統(tǒng)，既耐高溫又抗輻照。

*集成系統(tǒng)（IS，IntegratedSystem)：在單個(gè)芯片上完成整系統(tǒng)的功能，集處理器、存儲(chǔ)器直到器件設(shè)計(jì)于一個(gè)芯片(SystemonaChip)。

*集成電路的總發(fā)展趨勢(shì)：高集成度、微型化、高速度、低功耗、高靈敏度、低噪聲、高可靠、長(zhǎng)壽命、多功能。為了達(dá)到上述目標(biāo)，有賴于外延技術(shù)（VPE，LPE，MOCVD及MBE）的發(fā)展，同時(shí)對(duì)硅單晶的要求也愈來(lái)愈高。表1為集成電路的發(fā)展對(duì)材料質(zhì)量的要求。集成電路發(fā)展對(duì)材料質(zhì)量的要求首批產(chǎn)品出現(xiàn)年代1999200220052008工藝水平（

m)0.180.130.100.07

DRAM256M1G4G16G硅片直徑(mm)200300300450表面關(guān)鍵雜質(zhì)(At/cm2)(109)

13

7.5

5

2.5局部平坦度（nm)

180

130

100

100光散射缺陷(個(gè)/cm2)

0.29

0.14

0.06

0.03(2)第二代半導(dǎo)體材料是Ⅲ-Ⅴ族化合物

GaAs電子遷移率是Si的6倍（高速），禁帶寬（高溫）廣泛用于高速、高頻、大功率、低噪音、耐高溫、抗輻射器件。

GaAs用于集成電路其處理容量大100倍，能力強(qiáng)10倍，抗輻射能力強(qiáng)2個(gè)量級(jí)，是攜帶電話的主要材料。InP的性能比GaAs性能更優(yōu)越，用于光纖通訊、微波、毫米波器件。（3）第三代半導(dǎo)體材料是禁帶更寬的SiC、GaN及金剛石。（4）下一代集成電路的探索

光集成原子操縱功能材料

一、概述（一）功能材料的概念

功能材料是指具有特殊的電、磁、光、熱、聲、力、化學(xué)性能和生物性能及其轉(zhuǎn)化的功能，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)信息和能量的感受、計(jì)測(cè)、顯示控制和轉(zhuǎn)化為主要的非結(jié)構(gòu)性高新材料。

（二）功能材料的特點(diǎn)

1.多功能化

如NiTi合金，既具有形狀記憶功能，又具有結(jié)構(gòu)材料的超彈性性能。

2.材料形態(tài)的多樣性

同一成分的材料形態(tài)不同時(shí)，常會(huì)呈現(xiàn)不同的功能。如Al2O3陶瓷材料，拉成單晶時(shí)為人造寶石；燒結(jié)成多晶時(shí)常用作集成電路基板材料、透光陶瓷等；多孔質(zhì)化時(shí)是催化劑的良好載體與過(guò)濾材料；纖維化時(shí)為良好的絕熱保溫材料。

3.材料與元件一體化

結(jié)構(gòu)材料常以結(jié)構(gòu)形式為最終產(chǎn)品，而功能材料則以元件形式為最終產(chǎn)品。

4.制造與應(yīng)用的高技術(shù)性，性能與質(zhì)量的高精密性及高穩(wěn)定性

為了賦予材料與元件的特定性能，需要嚴(yán)格控制材料成分（如高純度或超高純度要求、微量元素或特種添加劑含量等）和內(nèi)部結(jié)構(gòu)及表面質(zhì)量，這往往需進(jìn)行特殊制備與處理工藝。

（三）功能材料的分類

材料的鐵電性

當(dāng)正向電場(chǎng)逐漸減小至0時(shí)，仍存在不為零的極化強(qiáng)度，稱剩余極化強(qiáng)度Pr。同樣，當(dāng)反向電場(chǎng)逐漸減小至0時(shí)，也存在不為零的剩余極化強(qiáng)度（-Pr）。

一、鐵電性的基本特征

1、鐵電材料在電極化中存在電滯回線形式的宏觀特性右圖是單晶鐵電體的電滯回線。電滯回線B-C線性部分反向外推至E＝0在縱軸P上的截距稱為飽和極化強(qiáng)度Ps。當(dāng)電場(chǎng)反向達(dá)到ＥF時(shí)，剩余極化才全部消失。反向電場(chǎng)繼續(xù)增大，極化強(qiáng)度才開(kāi)始反向。EF常稱為矯頑電場(chǎng)強(qiáng)度。

2、晶體結(jié)構(gòu)是非中心對(duì)稱的.

晶體的對(duì)稱性決定著晶體的很多物理性質(zhì)，在描述晶體對(duì)稱性的32種點(diǎn)群中，有20種是非中心對(duì)稱點(diǎn)群。在非中心對(duì)稱點(diǎn)群晶體中可能出現(xiàn)一些特殊的物理性質(zhì)。

幾種與晶體對(duì)稱性相關(guān)的重要物理性質(zhì)：A：對(duì)映體現(xiàn)象，B：旋光性，C：熱釋電效應(yīng)D：鐵電效應(yīng)，E：壓電效應(yīng)，F(xiàn)：二次諧波倍頻效應(yīng)

3、晶胞具有大小相等的自發(fā)非零電偶極矩。

如鈦酸鋇晶體

高溫時(shí)為立方相，有對(duì)稱中心，沒(méi)有電偶極矩。當(dāng)溫度降低到120度時(shí)，TiO6八面體基團(tuán)發(fā)生畸變，基團(tuán)中的Ti沿4次軸相對(duì)O原子移動(dòng)12pm，Ba也在同方向移動(dòng)6pm，O原子也偏離了正八面體。此時(shí)晶體轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆骄?，沒(méi)有對(duì)稱中心，每個(gè)晶包就具有自發(fā)非零電偶極矩，晶體也就變成了鐵電體。4、晶體中存在電疇形式的微結(jié)構(gòu)

5、在外加電場(chǎng)下，晶體中的電矩可轉(zhuǎn)變方向。

6、存在一個(gè)居里溫度Tc(常稱居里點(diǎn))，當(dāng)T>Tc時(shí)，材料由鐵電相轉(zhuǎn)變?yōu)轫橂娤?，極化時(shí)電滯回線特性消失，P與E一般呈現(xiàn)線性關(guān)系，并且介電常數(shù)隨溫度的變化服從居里-外斯定律：式中C為居里-外斯常數(shù)，T0為居里-外斯溫度。對(duì)連續(xù)相變，T0=Tc；對(duì)一級(jí)相變，T0<Tc。二、鐵電晶體的分類迄今為止，已發(fā)現(xiàn)的具有鐵電性的材料，就有一千多種，它們可以按不同方法進(jìn)行分類。雙氧化物鐵電體：如BaTiO3（BaO－TiO2）、KNbO3（K2O-Nb2O5）、LiNbO3

（Li2O－Nb2O5）等，這類晶體是從高溫熔體或熔鹽中生長(zhǎng)出來(lái)的，又稱為硬鐵電體．它們可以歸結(jié)為ABO3型，Ba2+，K+、Na+離子處于A位置，而Ti4+、Nb6+、Ta6+離子則處于B位置。1．按結(jié)晶化學(xué)分類：根據(jù)鐵電晶體的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)特征，可分為

含有氫鍵的鐵電體：磷酸二氫鉀（KDP）、三甘氨酸硫酸鹽（TGS）、羅息鹽（RS）等。這類晶體通常是從水溶液中生長(zhǎng)出來(lái)的，故常被稱為水溶性鐵電體，又叫軟鐵電體；

2．按極化軸多少分類

3、按在高溫順電相時(shí)有無(wú)對(duì)稱中心分類

單軸鐵電體：沿一個(gè)晶軸方向極化的鐵電體，如羅息鹽（RS）、KDP等；

多軸鐵電體：沿幾個(gè)晶軸方向極化的鐵電晶體：BaTiO3、Cd2Nb2O7等。

無(wú)對(duì)稱中心：鉭鈮酸鉀（KTN）和磷酸二氫鉀（KDP）族的晶體。由于無(wú)對(duì)稱中心的晶體一般是壓電晶體，故它們都是具有壓電效應(yīng)的晶體；有對(duì)稱中心：不具有壓電效應(yīng)，如BaTiO3、TGS（硫酸三甘肽）以及與它們具有相同類型的晶體。

4、按相轉(zhuǎn)變的微觀機(jī)構(gòu)分類

有序一無(wú)序型轉(zhuǎn)變的鐵電體：其轉(zhuǎn)變是同離子個(gè)體的有序化相聯(lián)系的．有序一無(wú)序型鐵電體包含有氫鍵的晶體，這類晶體中質(zhì)子的運(yùn)動(dòng)與鐵電性有密切關(guān)系。如磷酸二氫鉀（KDP）及其同型鹽就是如此。

位移型轉(zhuǎn)變的鐵電體：這類鐵電晶體的轉(zhuǎn)變是與一類離子的亞點(diǎn)陣相對(duì)于另一亞點(diǎn)陣的整體位移相聯(lián)系。屬于位移型鐵電晶體的有BaTiO3、LiNbO3等含氧的八面體結(jié)構(gòu)的雙氧化物；5．按極化反轉(zhuǎn)時(shí)原子位移的維數(shù)分類（“維度模型”分類）

二維型：鐵電體極性反轉(zhuǎn)時(shí)，各原子的位移處于包含極軸的平面內(nèi)，如NaNO2；

一維型：鐵電體極性反轉(zhuǎn)時(shí)，其每一個(gè)原子的位移平行于極軸，如BaTiO3；

三維型：鐵電體極性反轉(zhuǎn)時(shí)在所有三維方向具有大小相近的位移，如NaKC4H4O6·4H2O。

第三類鐵電體：C值大約在10K數(shù)量級(jí)。它們是非本征鐵電體，其鐵電性起因于壓電性與彈性不穩(wěn)定性的藕合，如Gd3(MoO4)2等。

6、按居里-外斯常數(shù)的大小分類第二類鐵電體：C值大約在103K數(shù)量級(jí)。它們的相變大多屬于有序-無(wú)序型，具有氫鍵或亞硝酸鈉離子有關(guān)的分子基團(tuán)。第一類鐵電體：C值大約在105K數(shù)量級(jí)。它們的相變大多屬于位移型，以雙氧化物居多。

有一物類體在轉(zhuǎn)變溫度以下，鄰近的晶胞彼此沿反平行方向自發(fā)極化。這類晶體叫反鐵電體。四、反鐵電體反鐵電體一般宏觀無(wú)剩余極化強(qiáng)度，但在很強(qiáng)的外電場(chǎng)作用下，可以誘導(dǎo)成鐵電相，其P－E呈雙電滯回線。如鋯酸鉛（ＰbZrＯ３）反鐵電體，在Ｅ較小時(shí)，無(wú)電滯回線，當(dāng)Ｅ很大時(shí)，出現(xiàn)了雙電滯回線（如圖）。反鐵電體也具有臨界溫度----反鐵電居里溫度。在居里溫度附近，也具有介電反常特性。1、傳統(tǒng)電存儲(chǔ)器的問(wèn)題：存儲(chǔ)器有兩大類：易失存儲(chǔ)器（volatilememory）和非易失存儲(chǔ)器（non-volatilememory）。五、鐵電性的主要應(yīng)用：鐵電存儲(chǔ)非易失性存儲(chǔ)器（如EPROM、E2ROM和Flash）能在斷電后保存數(shù)據(jù)不變，但由于所有這些存儲(chǔ)器均起源只讀存儲(chǔ)器（ROM）技術(shù)，因此它們都有寫(xiě)入速度慢，寫(xiě)入次數(shù)有限和使用時(shí)功耗大等缺點(diǎn)。易失性存儲(chǔ)器（如SRAM和DRAM存儲(chǔ)器）在沒(méi)有電源的情況下都不能保存數(shù)據(jù)，但這種存儲(chǔ)器擁有高性能，存取速度快和很高的寫(xiě)入次數(shù)，易用等優(yōu)點(diǎn)。2、傳統(tǒng)RAM的情況：多為MOS型半導(dǎo)體電路，分為動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（DRAM）和靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（SRAM）兩種。RAM還應(yīng)用于顯卡、聲卡及CMOS等設(shè)備中，用于充當(dāng)設(shè)備緩存或保存固定的程序及數(shù)據(jù)。

SRAM是靠雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來(lái)記憶信息的，它常用于各種高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache）。DRAM是靠MOS電路中的柵極電容來(lái)記憶信息的。由于電容上的電荷會(huì)泄漏，需要定時(shí)給與補(bǔ)充，所以動(dòng)態(tài)RAM需要設(shè)置刷新電路。但動(dòng)態(tài)RAM比靜態(tài)RAM集成度高、功耗低，從而成本也低，適于作大容量存儲(chǔ)器。所以主內(nèi)存通常采用動(dòng)態(tài)RAM。3、傳統(tǒng)非易失性存儲(chǔ)技術(shù)：如EEPROM和FlashEPROM，都是基于電荷存儲(chǔ)技術(shù)原理來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。這些存儲(chǔ)器都是迫使電子通過(guò)半導(dǎo)體薄層，利用捕獲的電子來(lái)表示數(shù)據(jù)狀態(tài)。數(shù)據(jù)狀態(tài)由是否能捕獲到足夠的電子來(lái)決定。這些電子的運(yùn)動(dòng)最終要引起半導(dǎo)體薄層的擊穿，所以對(duì)大多數(shù)這樣的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，其可以擦除/重寫(xiě)的次數(shù)都不大于一百萬(wàn)次，指標(biāo)一般只有1萬(wàn)-10萬(wàn)次。在實(shí)際使用中，由于各種不同的原因，往往真正能可靠重寫(xiě)入的次數(shù)還要比這少很多。4、鐵電存儲(chǔ)器基本原理是基于電滯回線的極化反轉(zhuǎn)和剩余極化特性。鐵電存儲(chǔ)器的主要形式有

鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(FRAM)：直接利用鐵電薄膜的極化反轉(zhuǎn)，以薄膜的±Pr狀態(tài)分別代表二進(jìn)制的“0”和“1”。

鐵電動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（FDRAM）：DRAM是基于電荷積累的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，在FDRAM中，利用超小型鐵電薄膜電容器的高電容率使存儲(chǔ)量大幅度提高。

鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FFET)：在FFET中，鐵電薄膜作為源極和漏極之間的柵極，其極化狀態(tài)±Pr會(huì)改變?cè)础O之間的電流，可由該電流讀出所存儲(chǔ)的信息。

由于FRAM的鐵電材料本身就有固有的雙穩(wěn)特性，它并不需要用擊穿的方法強(qiáng)迫電子通過(guò)半導(dǎo)體薄層，所以其擦除/重寫(xiě)的次數(shù)比EEPROM和Flashmemory高得多，可達(dá)1014-1016次。

FRAM無(wú)限次快速擦寫(xiě)和非易性的特點(diǎn)，令它的系統(tǒng)工程師可以把現(xiàn)在在電路上分離的SRAM和E2ROM兩種存儲(chǔ)器整合到一個(gè)FRAM里，為整個(gè)系統(tǒng)節(jié)省了功耗，降低了成本，減小了體積，同時(shí)增加了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。鐵電存儲(chǔ)器的應(yīng)用

典型應(yīng)用包括：儀器儀表、工業(yè)控制、家用電器、復(fù)印機(jī)、打印機(jī)、機(jī)頂盒、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、游戲機(jī)、計(jì)算機(jī)等等。鐵電存儲(chǔ)器的優(yōu)點(diǎn)：同時(shí)擁有隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）和非易失性存儲(chǔ)器（EPROM、E2ROM、FLash）的特性。

FRAM的發(fā)展計(jì)劃

年200120022003200420052006200720102013技術(shù)130nm115nm100nm90nm80nm70nm65nm45nm32nm通用存儲(chǔ)器(位)1M4M16M64M64M128M256M1G2G混合存儲(chǔ)器(字節(jié))32K128K512K2M2M4M8M32M128M存取時(shí)間(ns)80655540303020108單元尺寸(μm154.91.50.5180.3240.3240.1690.080.039工作電壓(V)332.51.81.51.51.210.7讀寫(xiě)次數(shù)（以10的方次表示）121314151616以上16以上16以上16以上鐵電薄膜材料PZT.SBT/PZT,SBT,BLT,等鐵電薄膜材料形成法PVD,CSD/PVD,CSD

MOCVD,等六、關(guān)于鐵電性的研究動(dòng)態(tài)1、一些正在研究的問(wèn)題：①最佳材料組份。②最佳制膜技術(shù)。③鐵電薄膜與半導(dǎo)體的集成技術(shù)。④疲勞機(jī)制和改進(jìn)方法。⑤極化反轉(zhuǎn)的微觀過(guò)程及其控制。⑥電極材料的選用和電極制備方法。⑦界面（包括膜與基底或過(guò)渡層、膜與電極間的界面以及晶粒間界）的影響。⑧微結(jié)構(gòu)的控制。⑨空間電荷和電荷運(yùn)輸。⑩最佳厚度和最佳晶粒尺寸。2、鐵電薄膜材料處在多元化發(fā)展方向。開(kāi)始開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的是鈣鈦礦型鐵電薄膜，如PbTiO3,-----PTPb(Ti,Zr)O3，------PTZ(Pb,La)(Zr,Ti)O3------PLZT但它們存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，組分不易控制，疲勞特性差等弱點(diǎn)。

新發(fā)展出來(lái)的一些其他類型的鐵電材料，如(Ba,Sr)TiO3-------BST,SrBi2Ta2O9-------SBT,Bi4Ti3O12-------

BTO,PbScTaO3-------

PST,KNbO3-------KNO,Ba2LiNb5O15-------BLN,KTaNbO(KTN尤其是BST和SBT在介電特性，疲勞特性等方面優(yōu)于PLZT系列材料，可廣泛用于FRAM，電容器，紅外探測(cè)器等。3、有關(guān)鐵電薄膜的制備技術(shù)、表征方法和成膜機(jī)制的研究在不斷發(fā)展。

4、鐵電薄膜的諸種應(yīng)用，最終離不開(kāi)電信號(hào)的檢測(cè)與控制，因而制備良好的電極體系和在其上面制備優(yōu)良的鐵電薄膜是鐵電薄膜走向應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)。選擇電極體系主要是考慮如何有效的防止鐵電薄膜與襯底之間的相互擴(kuò)散，解決電極與鐵電薄膜的晶格匹配、歐姆接觸問(wèn)題；防止氧擴(kuò)散、鐵電薄膜與電極應(yīng)不互相反應(yīng)等。

材料的壓電性

一、壓電效應(yīng)

1880年J.居里和P.居里兄弟在α石英晶體上首次發(fā)現(xiàn)正壓電效應(yīng)。

居里兄弟發(fā)現(xiàn)壓電效應(yīng)后的第二年（即1881年），李普曼（Lippmann）依據(jù)熱力學(xué)方法，推知應(yīng)有逆壓電效應(yīng)存在，幾個(gè)月后，居里兄弟從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了這一點(diǎn)。

正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)統(tǒng)稱為壓電效應(yīng)。

1、正壓電效應(yīng)對(duì)晶體材料在一定方向上施加壓應(yīng)力時(shí)，在其兩端表面上會(huì)出現(xiàn)數(shù)量相等、符號(hào)相反的束縛電荷；如施加拉應(yīng)力，則表面荷電性質(zhì)反號(hào)。在一定范圍內(nèi)電荷密度與作用力大小成正比。下面的圖清楚地表明了這一點(diǎn)。

2、逆壓電效應(yīng)在一定方向的電場(chǎng)作用下，具有壓電效應(yīng)的晶體材料會(huì)產(chǎn)生外形尺寸的變化，在一定范圍內(nèi)，其形變與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比。這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。

二、壓電性與晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)系：

晶體的壓電性是與晶體的結(jié)構(gòu)對(duì)稱性決定的，具有對(duì)稱中心的晶體不可能具有壓電性。

在32種點(diǎn)群中，只有20種點(diǎn)群的晶體可能具有壓電性。壓電陶瓷材料的典型結(jié)構(gòu):

1、鈣鈦礦結(jié)構(gòu)：具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鐵電，壓電陶瓷屬于ABO3型氧八面體，其中A為一價(jià)或二價(jià)金屬離子，而B(niǎo)為四價(jià)或五價(jià)金屬。半徑較大的A正離子，半徑較小的B正離子和氧離子分別位于晶胞格子的頂角，體心和面心。如圖所示。這種結(jié)構(gòu)也可看成是一組BO6八面體按簡(jiǎn)立方圖樣排列而成，A正離子占據(jù)氧八面體之間的空隙，鈣鈦礦原胞是立方的，也可畸變成具有三角和四方對(duì)稱性。鈦酸鋇，鈦酸鉛，鋯鈦酸鉛和KxNa1-xNbO3等鐵電壓電陶瓷具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)

鈦酸鋇：由于它的機(jī)電耦合系數(shù)較高，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，有較大的工作溫度范圍因而應(yīng)用廣泛。早在40年代末已在拾音器、換能器、濾波器等方面得到應(yīng)用。鋯酸鉛：為反鐵電體，具有雙電滯回線。居里溫度230℃，居里點(diǎn)以下為斜方晶系。PbTiO3和PbZrO3的固溶體陶瓷具有優(yōu)良的壓電性能。鈦酸鉛：結(jié)構(gòu)與鈦酸鋇相類似，其居里溫度為495℃，居里溫度下為四方晶系，其壓電性能較低。純鈦酸鉛陶瓷很難燒結(jié)，當(dāng)冷卻通過(guò)居里點(diǎn)時(shí)，就會(huì)碎裂成為粉末，因此目前測(cè)量只能用不純的樣品。少量添加物可抑制開(kāi)裂，例如含Nb+54％（原子）的材料，d33可達(dá)40×10-12C／N。鋯鈦酸鉛（PZT）：為二元系壓電陶瓷，Pb（Ti，Zr）O3壓電陶瓷在四方晶相（富鈦邊）和菱形晶相（富鋯一邊）的相界附近，其耦合系數(shù)和介電常數(shù)是最高的。這是因?yàn)樵谙嘟绺浇鼧O化時(shí)更容易重新取向。相界大約在Pb（Ti0.465，Zr0.535）O3的地方，其機(jī)電耦合系數(shù)k33可到0.6，d33可到200×10-12C／N。在PZT中添加某些元素，可達(dá)到改性的目的，比如添加物L(fēng)a，Nd，Bi，Nb等，屬“軟性”添加物，可使陶瓷彈性柔順常數(shù)增高，矯頑場(chǎng)降低入，增大；添加物Fe，Co，Mn，Ni等“硬性”添加物，可使陶瓷性能向“硬”的方面變化，即矯頑場(chǎng)增大，kp下降，同時(shí)介質(zhì)損耗降低。為了進(jìn)一步改性，在PZT陶瓷中摻入鈮鎂酸鉛制成三元系壓電陶瓷（簡(jiǎn)稱PCM），具有可以廣泛調(diào)節(jié)壓電性能的特點(diǎn)。2、鎢青銅結(jié)構(gòu)具有鎢青銅結(jié)構(gòu)的鐵電，壓電陶瓷也屬于ABO3型氧八面體鐵電體，一個(gè)四方晶胞包含10個(gè)BO6八面體，它們由其頂角按一定方式聯(lián)結(jié)而成。

偏鈮酸鉛和鈮酸鍶鋇等鐵電壓電陶瓷具有鎢青銅結(jié)構(gòu)。

3、鉍層狀結(jié)構(gòu)鉍層狀結(jié)構(gòu)可以看成是由其氧八面體類鈣鈦礦層與{Bi2O12}層交替疊成的。其中類鈣鈦礦層可以是一層{如Bi2WO6},二層{如PbBi2Nb3O9}，三層{如Bi4Ti8O12}以至五層。在類鈣鈦礦層中，其正離子可被許多離子取代。

4、焦綠石結(jié)構(gòu)焦綠石結(jié)構(gòu)是由共同頂角的{NbO6或TaO6}氧八面體組成，而較大的Cd2+{或Pb2+}離子位于氧八面體之間的間隙中。這種結(jié)構(gòu)的鐵電體僅出現(xiàn)在Cd2Nb2O2,Pb2Nb2O2和Cd2Ta2O7等有限幾種化合物中。壓電陶瓷的預(yù)極化:自然界中雖然具有壓電效應(yīng)的壓電晶體很多，但是成為陶瓷材料以后，往往不呈現(xiàn)出壓電性能，這是因?yàn)樘沾墒且环N多晶體，由于其中各細(xì)小晶體的紊亂取向，因而各晶粒間壓電效應(yīng)會(huì)互相抵消，宏觀不呈現(xiàn)壓電效應(yīng)。鐵電陶瓷中雖存在自發(fā)極化，但各晶粒間自發(fā)極化方向雜亂，因此宏觀無(wú)極性。若將鐵電陶瓷預(yù)先經(jīng)強(qiáng)直流電場(chǎng)作用，使各晶粒的自發(fā)極化方向都擇優(yōu)取向成為有規(guī)則的排列（這一過(guò)程稱為人工極化），當(dāng)直流電場(chǎng)去除后，陶瓷內(nèi)仍能保留相當(dāng)?shù)氖Ｓ鄻O化強(qiáng)度，則陶瓷材料宏觀具有極性，也就具有了壓電性能。因此鐵電陶瓷經(jīng)過(guò)預(yù)先極化處理，就會(huì)具有壓電性。影響極化效果的因素：極化電場(chǎng)，極化溫度，極化時(shí)間極化電場(chǎng)是極化諸條件中的主要因素。極化電場(chǎng)越高，促使電疇取向排列的作用越大，極化就越充分。以鋯鈦酸鉛為例，在四方相區(qū)，其矯頑場(chǎng)隨鋯鈦比的減小而變大。在極化電場(chǎng)和時(shí)間一定的條件下，極化溫度高，電疇取向排列較易，極化效果好。常用壓電陶瓷材料的極化溫度通常取320一420K。極化時(shí)間長(zhǎng)，電疇取向排列的程度高，極化效果較好。極化初期主要是180°電疇的反轉(zhuǎn)，以后的變化是90°電疇的轉(zhuǎn)向。90°電疇轉(zhuǎn)向由于內(nèi)應(yīng)力的阻礙而較難進(jìn)行，因而適當(dāng)延長(zhǎng)極化時(shí)間，可提高極化程度，一般極化時(shí)間從幾分鐘到幾十分鐘。用于電聲器件中的揚(yáng)聲器、送話器、拾聲器等；用于水下通訊和探測(cè)的水聲換能器和魚(yú)群探測(cè)器等；用于雷達(dá)中的陶瓷表面波器件；用于導(dǎo)航中的壓電加速度計(jì)和壓電陀螺等；用于通訊設(shè)備中的陶瓷濾波器、陶瓷鑒頻器等；用于精密測(cè)量中的陶瓷壓力計(jì)、壓電流量計(jì)、壓電厚度計(jì)等；用于紅外技術(shù)中的陶瓷紅外熱電探測(cè)器；用于超聲探傷、超聲清洗、超聲顯像中的陶瓷超聲換能器；用于高壓電源的陶瓷變壓器。壓電材料的應(yīng)用：壓電驅(qū)動(dòng)器當(dāng)把電能輸入到壓電驅(qū)動(dòng)器時(shí)，可由材料直接轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰苹蚱渌鼨C(jī)械能形式。自然，驅(qū)動(dòng)器的材料還包括磁致伸縮材料，光致伸縮材料以及形狀記憶合金等。但是由于壓電陶瓷和鐵電材料作用力大，響應(yīng)快，頻率范圍廣等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于精確定位系統(tǒng)。

利用鐵電陶瓷材料制造各種驅(qū)動(dòng)器是近10多年發(fā)展較快的領(lǐng)域。壓電/電致伸縮陶瓷已經(jīng)用在幾個(gè)新型器件上，例如，點(diǎn)—觸針式打印機(jī)，自動(dòng)聚焦相機(jī)和高分辨CCD成像傳感器等。阻尼、降噪應(yīng)用：阻尼和降噪的途徑主要有二種：一是選用粘彈性材料；另一是利用減振器。壓電陶瓷在縱向和剪切載荷時(shí)損耗因子可高達(dá)42.5%，橫向時(shí)可達(dá)8%，這種高損耗因子和高剛度（E=63Gpa）以及溫度穩(wěn)定性的結(jié)合，可以將壓電陶瓷視為一種粘彈性材料。把它貼在結(jié)構(gòu)上且并聯(lián)一無(wú)源電路可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減振。這是一種被動(dòng)式阻尼減振。目前，更多的研究集中在主動(dòng)控制，即利用壓電陶瓷傳感器和驅(qū)動(dòng)作用的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)壓電陶瓷的動(dòng)態(tài)柔度系數(shù)g33可調(diào)。利用這種剛度的自適應(yīng)，便可控制結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。壓電陶瓷微位移器：

壓電陶瓷微位移器是由多層壓電陶瓷薄片，經(jīng)過(guò)多層疊層技術(shù)制成的固態(tài)移動(dòng)器，它能直接將電能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能（機(jī)械位移）。

壓電陶瓷微位移器應(yīng)用范圍很廣，大多數(shù)應(yīng)用在高技術(shù)領(lǐng)域，如激光腔調(diào)諧，光纖光學(xué)定位，自適應(yīng)光學(xué)，生物工程細(xì)胞穿制，精密微定位，攝影，攝像器材快門控制，光纖熔接機(jī)等。

微位移器使用過(guò)程的優(yōu)點(diǎn)為：1、位移控制精度高，電源精度1%時(shí)，分辨率可達(dá)納米級(jí)。

比如10×5×30mm的微位移器工作電壓在0—200VDC范圍內(nèi)，最大位移量為20um，推力≥100N，拉力≤10N,工作溫度，-20---85℃。壓電點(diǎn)火材料在打火機(jī)、點(diǎn)火器、自動(dòng)煤氣灶等民用消費(fèi)類產(chǎn)品上的應(yīng)用極為普遍。點(diǎn)火元件要求在承受一定的壓力下能放出較長(zhǎng)的火花，并在至少一萬(wàn)次力的作用下不降低其發(fā)火能力，這就意味著在產(chǎn)品設(shè)計(jì)一定的情況下，壓電材料的綜合參數(shù)就對(duì)點(diǎn)火元件的著火力起一定的作用，壓電點(diǎn)火材料受力后產(chǎn)生的電壓與其壓電系數(shù)和介電系數(shù)有關(guān)。壓電電荷系數(shù)d33愈大，受力后產(chǎn)生的電壓愈大、電火花也會(huì)愈長(zhǎng)。但一般壓電材料在提高其d33的同時(shí)，常常會(huì)帶來(lái)∈33的增大、Qm降低，壓電元件就不能在承受多次力的作用后保持其發(fā)火力?！?3太高，就要降低壓電電壓。因而，如何使制備出的壓電點(diǎn)火材料能具有適中的d33、∈33和Qm是關(guān)鍵。在飛行器中的應(yīng)用

飛行器在使用過(guò)程中出現(xiàn)疲勞裂紋往往造成災(zāi)難性結(jié)果。VirginiaTech的研究者把壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器放在已知應(yīng)變集中的位置上，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)器可以抵抗來(lái)自附近的應(yīng)變，從而把疲勞壽命延長(zhǎng)一個(gè)數(shù)量級(jí)。實(shí)踐證明，壓電陶瓷誘發(fā)應(yīng)變驅(qū)動(dòng)器能夠主動(dòng)減少來(lái)自橫向裂紋，鄰近的孔和缺口等機(jī)械損傷或工程造成的應(yīng)變集中，延長(zhǎng)疲勞壽命。在氣動(dòng)彈性力學(xué)中的應(yīng)用

顫振是困擾空氣力學(xué)專家的難題。顫振使飛行器的性能受到影響，特別是對(duì)于具有雙垂尾的飛行器，顫振還可引起疲勞損坯，為此要經(jīng)常進(jìn)行裂紋檢驗(yàn)，因而極大提高飛行成本。為解決顫振問(wèn)題，美國(guó)NASALangley研究中心采用主動(dòng)控制壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，以F-18飛機(jī)1/6尺寸的模型在跨音風(fēng)洞中進(jìn)行了吹風(fēng)試驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在高達(dá)37℃攻角條件下，垂尾的第一彎曲模頻率的根部應(yīng)變功率譜密度減少60%;根部應(yīng)變的均方根減少19%，而且驅(qū)動(dòng)器使用的電壓只有2.4V（最高為10V）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)這條途徑的可行性，為此美國(guó)已決定進(jìn)行整機(jī)試驗(yàn)。

除了顫振以外，壓電陶瓷主動(dòng)控制驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)在控制坦克炮塔振動(dòng)方面也有報(bào)道，具體應(yīng)用示意見(jiàn)如圖我學(xué)者發(fā)現(xiàn)40倍于普通壓電效應(yīng)的鐵電材料

西安交通大學(xué)多學(xué)科材料研究中心主任、金屬材料強(qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)江學(xué)者講座教授任曉兵博士，通過(guò)多年研究