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1、第一章第一章 电功能金属材料电功能金属材料第一节第一节 概述概述 金属导电的物理本质金属导电的物理本质 影响金属导电的因素影响金属导电的因素第二节第二节 几种典型的电功能材料几种典型的电功能材料 导电材料导电材料 电阻材料电阻材料 电热材料电热材料 热电材料热电材料基本要求：基本要求：理解金属导电的物理本质及影响因素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、性能及应用掌握各种电功能材料的特点、种类、性能及应用第一节第一节 概述概述电功能金属材料电功能金属材料一、金属导电能力的表示方法一、金属导电能力的表示方法样品的长度为样品的长度为L L，横截面积为横截面积为S S，测出
2、电阻为测出电阻为R R电阻率为电阻率为 =RS/L=RS/L 单位单位m电导率为电导率为 =1/=1/导体：导体：1010-6-61010-12-12 m半导体：半导体：10102 210109 9 m绝缘体：绝缘体：10109 910101111 m电功能金属材料电功能金属材料固体固体电阻率电阻率/m固体固体电阻率电阻率/m金刚石金刚石10101212纯锗纯锗10104 4玻璃玻璃10101010镍铬电阻丝镍铬电阻丝1010-6-6纯硅纯硅10103 3铜铜1010-8-8表表1.1 1.1 室温下一些材料的电阻率室温下一些材料的电阻率第一节第一节 概述概述电功能金属材料电功能金属材料二、金
3、属导电的物理本质二、金属导电的物理本质自由电子论自由电子论:能带理论：能带理论：自由电子沿电场反方向运动，形成电流自由电子沿电场反方向运动，形成电流满带（价带）：被电子填满的能带满带（价带）：被电子填满的能带导带：被电子部分填充的能带导带：被电子部分填充的能带空带：没有电子填充的能带空带：没有电子填充的能带第一节第一节 概述概述电功能金属材料电功能金属材料三、影响金属导电的因素三、影响金属导电的因素1 1、温度的影响、温度的影响2 2、压力的影响、压力的影响在高温时在高温时ATAT在较低温度时在较低温度时 BT BT5 5 A A、B B为常数为常数=0 0(1+P)(1+P)为电阻压力系数为
4、电阻压力系数3 3、缺陷的影响、缺陷的影响第一节第一节 概述概述第二节第二节 几种典型的电功能材料几种典型的电功能材料电功能金属材料电功能金属材料一、导电材料一、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用于生产电气导线的金属材料具有以下特性：下特性：卓越的导电性能，从而使焦耳效应导卓越的导电性能，从而使焦耳效应导致的能量损失达到最小。致的能量损失达到最小。对恶劣的环境有良好的承受能力。对恶劣的环境有良好的承受能力。电气接
5、触的永久可靠性。电气接触的永久可靠性。便于使用和回收。便于使用和回收。1 1、铜及铜合金、铜及铜合金导电性和导热性好，塑性高，机械导电性和导热性好，塑性高，机械强度好，易加工和焊接，易提炼强度好，易加工和焊接，易提炼铍青铜铍青铜 超高纯铜超高纯铜主要用途：电弹簧、电刷、插头主要用途：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）。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。须增加镀层以改善材料
6、性能。因此，在进一步处理过程中（绝缘因此，在进一步处理过程中（绝缘），我们通），我们通过镀锡、银、镍等来改善某些性能，如可焊性、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。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）110n
7、常用于导体生产的铜材料：常用于导体生产的铜材料：nETP铜，或者铜，或者Cu-a1，含氧量在，含氧量在200到到300ppm之间。之间。nm无氧铜，无氧铜或者无氧铜，无氧铜或者Cu-c1，含氧量，含氧量极低（最多极低（最多20ppm），能够防止加热过），能够防止加热过程中的氢脆。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，分布、织构状态等，获得了具
8、有超高强度和高导电性的纯铜样品，其拉伸强度高达其拉伸强度高达1068MPa（是普通纯铜的是普通纯铜的10倍以上，达到高强倍以上，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（铜相当（97%IACS）。）。这种超高强度和高导电性的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。年）周刊上。电功能金属材料电功能金属材料2 2、铝及铝合金、铝及铝合金资源丰富，价格便宜，质量小资源丰富，价格便宜，质量小主要用途
9、：送电线，配电线主要用途：送电线，配电线第二节第二节 几种典型的电功能材料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对于设计导体有用的物理性能如下表所示 物理性能物理性能铝铝密度密度2,7电电阻率阻率(mWmWcm)2,826导电导电率率(%IACS)61电电阻温度系数阻温度系数(K-1)0,004导热导热系数系数(W/m.K)220线线性膨性膨胀胀系数系数(K-1)23x10-6拉拉应应力（退火）力（退火）(MPa)60/80拉拉应应力（硬）力（硬）(MPa)150/200弹弹性模量性模量(MPa)66000硬度（退火）硬度（退火）20硬度（硬）硬度（硬）40用于用于导导体体产
10、产品的品的铝铝材料由材料由ENAW-1370以及以及ENAW-1350规规定，或者由定，或者由EAL99.7以及以及EAL99.5规规定。定。电功能金属材料电功能金属材料3 3、金及金合金、金及金合金良好的导电性，极强的抗蚀能力良好的导电性，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，半导体封装等布线，芯片粘结，半导体封装等4 4、银及银合金、银及银合金具有最高的电导率具有最高的电导率主要用途：触点材料主要用途：触点材料第二节第二节 几种典型的电功能材料几种典型的电功能材料电功能金属材料电功能金属材料二、电阻材料二、电阻
11、材料1 1、精密电阻材料、精密电阻材料 特点：特点：恒定的高电阻率，电阻温度系数小，电阻恒定的高电阻率，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。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的电阻器件（1 1）Cu-Mn系系锰铜：锰铜：Cu86Cu86、Mn12Mn12 Ni2 Ni2第二节第二节 几种典型的电功能材料几种典型的电功能材料Mn的作用：提高电阻率，降低电阻温度系数的作用：提高电阻率，降低电阻温度
12、系数电功能金属材料电功能金属材料第二节第二节 几种典型的电功能材料几种典型的电功能材料（2 2）Cu-Ni系系康铜：康铜：Cu60Cu60、Ni40Ni40Ni的作用：降低合金对铜的热电势，改善电阻的作用：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。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。而且耐腐蚀性，耐热性均比锰铜好。电功能金属材料电功能金属材料第二节第二节 几种典型的电功能材料几种典型的电功能材料（3 3）NiCr系
13、系改良型改良型（4 4）FeCrAlAl系合金系合金具有更宽的使用温度，电阻温度系数更小，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，耐热性良好，耐蚀性更佳，而且易于拉丝，但焊接困难。但焊接困难。Fe CrAlAl系精密电阻合金是在电热合金系精密电阻合金是在电热合金的基础上发展起来的，通过改变的基础上发展起来的，通过改变AlAl和和CrCr的的组成使电阻温度系数从正到负值之间变化。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。但加工性能差，焊接性能不好。表表1-21-2具有代表性精密电阻材料的成分与性能具有代表性精密电阻材料的成分与性能电功能
14、金属材料电功能金属材料第二节第二节 几种典型的电功能材料几种典型的电功能材料电功能金属材料电功能金属材料2 2、敏感电阻材料、敏感电阻材料（1 1）应变电阻材料应变电阻材料应变电阻效应应变电阻效应 经受外力作用（拉伸或压缩）经受外力作用（拉伸或压缩）的金属材料将会发生变形而使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，这种现的变形量是成比例的，这种现象称为应变电阻效应象称为应变电阻效应应变电阻材料的特点：应变电阻材料的特点：(a)a)具有高的、稳定的电阻率在工作温度范围内具有高的、稳定的电
15、阻率在工作温度范围内具有低的、稳定的电阻温度系数，以及大的应变灵具有低的、稳定的电阻温度系数，以及大的应变灵敏度系数敏度系数K K（K KL/L)L/L)，并在较大范围内不随温度并在较大范围内不随温度变化；变化；第二节第二节 几种典型的电功能材料几种典型的电功能材料电功能金属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（或重量）位移，压力扭距，加速度等高温：高温：Fe-Cr-Al系和系和PtW系丝材系丝材中温及低温：康铜和中温及低温：康铜和NiCr改良型的箔材为主改良型的箔材为主(b)b)在拉伸或压缩时，在
16、拉伸或压缩时，K K值相向或相差很小，不氧值相向或相差很小，不氧化，线膨胀系数等于或略高于被测件的线膨胀系化，线膨胀系数等于或略高于被测件的线膨胀系数；数；(c)c)有良好的机械性能，强度高蠕变小，容易加有良好的机械性能，强度高蠕变小，容易加工和焊接等工和焊接等。第二节第二节 几种典型的电功能材料几种典型的电功能材料电阻应变计结构电阻应变计结构1 1、3 3粘结剂，粘结剂，2 2基底，基底，4 4盖层，盖层，5 5敏感栅，敏感栅，6 6引线引线电功能金属材料电功能金属材料第二节第二节 几种典型的电功能材料几种典型的电功能材料机械量机械量电量电量电阻应变片电阻应变片电功能金属材料电功能金属材料第
17、二节第二节 几种典型的电功能材料几种典型的电功能材料 丝栅式应变片丝栅式应变片标距：标距：0.2mm 200mm箔式应变片箔式应变片的金属箔片的金属箔片光刻腐蚀工艺光刻腐蚀工艺电功能金属材料电功能金属材料（2 2）热敏电阻材料热敏电阻材料要求：电阻率较小，电阻温度系数大，电要求：电阻率较小，电阻温度系数大，电阻温度曲线线性好，阻温度曲线线性好，抗氧化性、耐腐蚀和加工性能好。抗氧化性、耐腐蚀和加工性能好。常用纯金属有常用纯金属有FeFe、CoCo、Ni Ni 等等第二节第二节 几种典型的电功能材料几种典型的电功能材料电功能金属材料电功能金属材料三、电热材料三、电热材料要求：高的电阻率和低的电阻温
18、度系数，高温时具要求：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。有良好的抗氧化性，有足够的高温强度，易于拉丝。1 1、NiNiCrCr系合金系合金表表1-3 1-3 Ni-CrNi-Cr系电热合金的成分及特点系电热合金的成分及特点第二节第二节 几种典型的电功能材料几种典型的电功能材料电功能金属材料电功能金属材料2 2、Fe-Cr-Al系合金系合金表表1-4 Fe-Cr-Al1-4 Fe-Cr-Al系合金的成分与特点系合金的成分与特点第二节第二节 几种典型的电功能材料几种典型的电功能材料电功能金属材料电功能金属材料四、热电材料四、热电材料（又称温差电材料
19、）（又称温差电材料）赛贝克（赛贝克（seebeck)seebeck)效应效应T1 T2IAB 在两种固体材料（通常是金属材料在两种固体材料（通常是金属材料或半导体材料）或半导体材料）A A与与B B组成的回路中，组成的回路中，若使两个接触点的温度不同，如若使两个接触点的温度不同，如T T1 1 T T2 2，则在回路中讲出现热电流，这种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由于温差而产生的热电现象称为赛贝克（克（seebeck)seebeck)效应效应用途：金属热电偶材料用途：金属热电偶材料 要求：高的热电势高的电热温度系数，良好的高温抗氧要求：高的热电势高的电热温度系数
20、，良好的高温抗氧化性和抗环境介质的腐蚀性，容易加工，价格低化性和抗环境介质的腐蚀性，容易加工，价格低第二节第二节 几种典型的电功能材料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12341 1、对应变电阻材料有那些要求？试说明、对应变电阻材料有那些要求？试说明电阻应变计的原理。电阻应变计的原理。2 2、Cu-MnCu-Mn精密电阻材料有什么优缺点，精密电阻材料有什么优缺点，如何改善其缺点？如何改善其缺点？作业作业第一章第一章 电功能金属材料电功能金属材料