1、第二章电性功能材料电性功能材料电性功能材料电性功能材料第二章电性功能材料电性功能材料欧姆定律欧姆定律 iE或或Ei1/(为电阻率为电阻率)物质的导电性用物质的导电性用电导率电导率来表征来表征电导率的大小决定了固态物质的导电性能电导率的大小决定了固态物质的导电性能i i为金属中的电为金属中的电流密度，流密度，为金为金属的电导率，属的电导率，E E为施加在金属上为施加在金属上的电场强度。的电场强度。固体的导电性固体的导电性LRS=第二章电性功能材料电性功能材料根据固体在室温根据固体在室温下的电导率下的电导率 导电功能材料的分类导电功能材料的分类导体导体(10106 610108 8S/m)S/m)
2、半导体半导体(1010-9-910105 5S/m)S/m)绝缘体绝缘体(1010-20-2010S/m)10S/m)S?10-710-610-510-410-310-210-1100101102103104105106电导率 S/m绝缘体绝缘体半导体半导体导体导体超导体：超导体：第二章电性功能材料电性功能材料金属导电材料、高分子导电材料金属导电材料、高分子导电材料半导体材料半导体材料电阻材料、介电与绝缘体材料电阻材料、介电与绝缘体材料非金属导电材料、超导材料非金属导电材料、超导材料 导电功能材料的分类导电功能材料的分类根据材料的根据材料的综合性质、综合性质、功能与作用功能与作用第二章电性功能
3、材料电性功能材料第一节第一节 导电功能材料导电功能材料 金属导电材料金属导电材料 非金属导电材料非金属导电材料 超导材料超导材料第二节第二节 电阻材料电阻材料第三节第三节 半导体材料半导体材料本本 章章 内内 容容 第二章电性功能材料电性功能材料 第一节、导电功能材料第一节、导电功能材料按按导电机理导电机理导电功能材料可分导电功能材料可分为：为：电子导电材料和离子导电电子导电材料和离子导电材料材料两大类。两大类。电子导电材料电子导电材料包括导体、超导包括导体、超导体和半导体。体和半导体。第二章电性功能材料电性功能材料 第一节、导电功能材料第一节、导电功能材料金属导电材料金属导电材料非金属导电材
4、料非金属导电材料超导材料超导材料第二章电性功能材料电性功能材料金属材料的导电性能的解释分别金属材料的导电性能的解释分别采用以下三个理论：采用以下三个理论：一一.自由电子理论自由电子理论二二.能带理论能带理论三三.近代电导理论近代电导理论固体的导电性质固体的导电性质第二章电性功能材料电性功能材料导电材料，是指用以传送电流而导电材料，是指用以传送电流而无或只有很小电能损失的材料。无或只有很小电能损失的材料。金属导电材料金属导电材料布线材料布线材料导电引线材料导电引线材料金属导电材料金属导电材料 第二章电性功能材料电性功能材料高的导电性高的导电性足够的机械强度足够的机械强度不易氧化不易氧化可焊接可焊
5、接易加工易加工不易腐蚀不易腐蚀 电导率电导率以以铜、铝及其合金铜、铝及其合金为主，重视材料的阻抗损失为主，重视材料的阻抗损失分类分类 导电引线材料导电引线材料金属导电材料金属导电材料 导导电电引引线线材材料料第二章电性功能材料电性功能材料 常用电解铜的纯度为常用电解铜的纯度为(99.9799.98)wt，含少，含少量金属杂质和氧。量金属杂质和氧。电导率为电导率为(9899)称为称为半硬铜半硬铜，而电导率为，而电导率为(9698)%称为称为硬铜硬铜。铜中的杂质将降低电导率，特别是氧，会使铜中的杂质将降低电导率，特别是氧，会使产品性能大大下降。产品性能大大下降。（1）铜）铜 无氧铜无氧铜(OFHC
6、C)具有具有性能稳定性能稳定、抗腐蚀抗腐蚀、延展性延展性好好、抗疲劳抗疲劳、高导电率高导电率的特性。的特性。一般拉成细丝，用于一般拉成细丝，用于海底同轴电缆的外部软线海底同轴电缆的外部软线、太阳能电池太阳能电池、高温抗氧化电极高温抗氧化电极等。等。金属导电材料金属导电材料导电引线材料导电引线材料第二章电性功能材料电性功能材料（2）铝）铝 铝的纯度为铝的纯度为(99.699.8)wt%，电导率为，电导率为61(仅仅次于次于Ag、Cu、Au)，相对密度只有铜的，相对密度只有铜的1/3。因此。因此它可以代替铜导线制成高压配电线。它可以代替铜导线制成高压配电线。如如160KV以上用的钢丝增强铝电缆以上
7、用的钢丝增强铝电缆ACSR、合、合金增强导线金增强导线ACAR、全铝合金导线、全铝合金导线AAAC等。等。国际上通用的硬铝线国际上通用的硬铝线HAl则主要用于则主要用于送、配电送、配电线线，它只能在，它只能在90以下连续使用。大容量高压输电以下连续使用。大容量高压输电导线要在导线要在150下连续工作，需用下连续工作，需用含含Zr等耐热铝合等耐热铝合金金TAl；而变电所用的母线则要在；而变电所用的母线则要在200下连续工作，下连续工作，必须使用必须使用超耐热铝合金超耐热铝合金STAl。金属导电材料金属导电材料导电引线材料导电引线材料问题问题：说明电：说明电导率单位的导率单位的意义？意义？第二章电
8、性功能材料电性功能材料主要采用主要采用Au、Ag、Cu、Al等电导率高的材料，有等电导率高的材料，有时也使用时也使用金属粉和石墨粉与非金属材料混合金属粉和石墨粉与非金属材料混合的的复合复合导电材料导电材料，其电阻率通常比强电用材料的电阻率高，其电阻率通常比强电用材料的电阻率高的多，并有的多，并有厚膜和薄膜厚膜和薄膜之分。之分。导体布线材料导体布线材料金属导电材料金属导电材料导电布线材料导电布线材料电子工业用的导体布线材料应具有膜电阻小、电子工业用的导体布线材料应具有膜电阻小、附着力强、可焊性和抗焊熔性好等优点附着力强、可焊性和抗焊熔性好等优点第二章电性功能材料电性功能材料厚膜布线导体厚膜布线导
9、体新型新型的的CuCu等贱等贱金属金属厚膜厚膜导体导体材料价格低廉材料价格低廉膜电阻小膜电阻小可焊性和抗焊熔性好可焊性和抗焊熔性好无离子迁移无离子迁移优点优点缺点缺点工艺要求较高工艺要求较高老化性能尚不如贵金属厚膜导体好老化性能尚不如贵金属厚膜导体好金属导电材料金属导电材料导电布线材料导电布线材料贱金属系：贱金属系：Cu、Ni、Al、Cr等等贵金属系：贵金属系：Au、Ag、Pt、Pd等等第二章电性功能材料电性功能材料特点特点贵贵金金属属厚厚膜膜导导体体制作方法制作方法导体浆料丝网印刷后烧结而成导体浆料丝网印刷后烧结而成膜层致密膜层致密附着力强附着力强可用非活性焊接剂焊接可用非活性焊接剂焊接抗焊
10、熔性均好抗焊熔性均好丝网印刷性能好丝网印刷性能好与多种电阻及介质材料兼容与多种电阻及介质材料兼容金属导电材料金属导电材料导电布线材料导电布线材料第二章电性功能材料电性功能材料要求要求金属导电材料金属导电材料导电布线材料导电布线材料薄膜布线导体薄膜布线导体分为单元膜和复合膜两大类分为单元膜和复合膜两大类具有导电性好、附着力强、具有导电性好、附着力强、化学稳定性高、可焊性和耐化学稳定性高、可焊性和耐焊性均好、成本低等特点。焊性均好、成本低等特点。单元膜单元膜指用单种金属形成的单层薄膜导体，如指用单种金属形成的单层薄膜导体，如Al膜膜良好的导电性，易于成膜，良好的附着性、可焊性、成本低良好的导电性，
11、易于成膜，良好的附着性、可焊性、成本低优点优点薄膜表面的氧化层给锡焊造成困难，与金属形成的薄膜表面的氧化层给锡焊造成困难，与金属形成的脆性金属化合物造成焊点脱开，抗电迁移能力弱。脆性金属化合物造成焊点脱开，抗电迁移能力弱。缺点缺点第二章电性功能材料电性功能材料底层是使顶层导体膜牢固地附着在基片上底层是使顶层导体膜牢固地附着在基片上顶层起导电和焊接作用顶层起导电和焊接作用高温薄膜导体高温薄膜导体贱金属薄膜导体贱金属薄膜导体金属导电材料金属导电材料导电布线材料导电布线材料复合膜复合膜用不同金属膜所构成的多层薄膜用不同金属膜所构成的多层薄膜导体，如导体，如CrAu膜、膜、TiPdAu膜等膜等复合薄膜
12、导体的结构一般包括复合薄膜导体的结构一般包括底层和顶层底层和顶层两部分两部分应用最广应用最广!薄膜导体材料薄膜导体材料的发展方向的发展方向第二章电性功能材料电性功能材料非金属导电材料非金属导电材料 非金属导电材料非金属导电材料介电材料介电材料快离子导电陶瓷快离子导电陶瓷高分子导电材料高分子导电材料第二章电性功能材料电性功能材料非金属导电材料非金属导电材料快离子导体陶瓷材料快离子导体陶瓷材料快离子导体陶瓷材料快离子导体陶瓷材料电导率可以和液体电解质或熔盐相比拟的固态离电导率可以和液体电解质或熔盐相比拟的固态离子导体陶瓷，又称电解质陶瓷。子导体陶瓷，又称电解质陶瓷。快离子导体的离子电导率可达快离子
13、导体的离子电导率可达10-110-2 S/cm，活化能低至活化能低至0.10.2eV。在已发现的快离子导体。在已发现的快离子导体中，绝大多数是快离子导体陶瓷。中，绝大多数是快离子导体陶瓷。快离子导体快离子导体(离子导电陶瓷离子导电陶瓷)在一定的温度条件下具在一定的温度条件下具有和强电解质液体相似的离子电导特性。许多陶瓷有和强电解质液体相似的离子电导特性。许多陶瓷都是离子晶体，离子晶体电导主要为离子电导。都是离子晶体，离子晶体电导主要为离子电导。第二章电性功能材料电性功能材料常见的快离子导体陶瓷材料常见的快离子导体陶瓷材料非金属导电材料非金属导电材料快离子导体陶瓷材料快离子导体陶瓷材料银、铜的卤
14、族和硫族化合物：金属原银、铜的卤族和硫族化合物：金属原子在化合物中键合位置相对随意；子在化合物中键合位置相对随意；具有具有氧化铝结构的高迁移率单价氧化铝结构的高迁移率单价阳离子氧化物；阳离子氧化物；具有氟化钙具有氟化钙(CaF2)结构的高浓度缺陷结构的高浓度缺陷的氧化物。的氧化物。第二章电性功能材料电性功能材料一些快离子导体导电率和激活能一些快离子导体导电率和激活能 材料材料 电导率电导率（-1cm-1）激活能激活能Hd(ev)熵熵变变注释注释 阳离子导电阳离子导电-AgI(146555)1(150)0.05 0.15Bcc碘构架三维导电碘构架三维导电CuS(91)0.2(400)0.25 5
15、.75Cu缺陷缺陷氧化铝氧化铝0.35(300)0.01 0.23有效公式有效公式11Al2O3(1+x)M2ONa3Zr2Si2PO120.2(25)0.27 6.21交叉隧道的三维结构交叉隧道的三维结构K2MgxTi6-xO160.02(25)0.22 5.06隧道结构隧道结构 阴离子导电阴离子导电ZrO210%Sc2O30.25(1000)0.65 14.959的萤石面心立方结构的萤石面心立方结构Bi2O325%Y2O30.16(700)0.60 13.80第二章电性功能材料电性功能材料纯的氧化锆是从纯的氧化锆是从ZrSiO4锆矿中以化学方法提取的锆矿中以化学方法提取的具有三种晶体结构：
16、单斜、四方和立方结构具有三种晶体结构：单斜、四方和立方结构 非金属导电材料非金属导电材料快离子导体陶瓷材料快离子导体陶瓷材料 常见快离子导体材料常见快离子导体材料1 1立方稳定的氧化锆立方稳定的氧化锆(CSZ)通过加入低价离子代替部分锆可以把立方晶体结构稳定到室温通过加入低价离子代替部分锆可以把立方晶体结构稳定到室温单斜晶体结构：单斜晶体结构：1170以下稳定的；以下稳定的；四方晶体结构：四方晶体结构：1170-2370稳定；稳定；立方晶体结构：立方晶体结构：2370到熔点到熔点2680是稳定的。是稳定的。第二章电性功能材料电性功能材料低价位元素取代高价位元素低价位元素取代高价位元素:ZrO2
17、(Y2 O3)非金属导电材料非金属导电材料快离子导体陶瓷材料快离子导体陶瓷材料 立方立方ZrO2具有萤具有萤石的结构，石的结构，O2-离子排离子排成简单立方。在点阵成简单立方。在点阵的的12处占据着处占据着Zr4+间隙原子。低价阳离间隙原子。低价阳离子置换子置换Zr4+导致导致O2-离离子空位的形成。空位子空位的形成。空位稳定了结构，同样导稳定了结构，同样导致在氧的亚晶格中高致在氧的亚晶格中高的迁移率。的迁移率。第二章电性功能材料电性功能材料非金属导电材料非金属导电材料快离子导体陶瓷材料快离子导体陶瓷材料 稳定氧化锆立方结构的元素稳定氧化锆立方结构的元素:La、Sc、Ir、Mg、Ca、Mn和和
18、In。其主要。其主要条件是离子半径接近条件是离子半径接近Zr4+的离子半径的离子半径(r84pm)。第二章电性功能材料电性功能材料是一类非化学计量、通式为是一类非化学计量、通式为(M+=Na+、K+、Li+、Rb+、Ag+、Cu+、Ga+、Tl+、H3O+、NH4+、H+等；等；A3+=A13+、Ga3+、Fe3+)的的，其中，其中x可以是可以是5-11之间的各种数值，当之间的各种数值，当x不同时，可有不同结构。不同时，可有不同结构。非金属导电材料非金属导电材料快离子导体陶瓷材料快离子导体陶瓷材料 常见快离子导体材料常见快离子导体材料2 2 -氧化铝氧化铝第二章电性功能材料电性功能材料研究最多
19、的两种结构是研究最多的两种结构是：-A12O3()和和-A12O3()。由于由于M+在在中扩散，产生中扩散，产生，使，使 成为快成为快离子导体中一组重要的材料。离子导体中一组重要的材料。非金属导电材料非金属导电材料快离子导体陶瓷材料快离子导体陶瓷材料 常见快离子导体材料常见快离子导体材料2 2 -氧化铝氧化铝第二章电性功能材料电性功能材料二、导电高分子材料二、导电高分子材料 继继19771977年发现了掺杂型聚乙炔具有类似年发现了掺杂型聚乙炔具有类似金属的电导率之后，开始了对导电高分子材金属的电导率之后，开始了对导电高分子材料的研究。料的研究。与金属相比，导电高分子材料具有重与金属相比，导电高
20、分子材料具有重量轻、易形成、电阻率可调节、可通过分子量轻、易形成、电阻率可调节、可通过分子设计合成出具有不同特性的导电性等特点。设计合成出具有不同特性的导电性等特点。非金属导电材料非金属导电材料导电高分子材料导电高分子材料第二章电性功能材料电性功能材料通过电子或离子导电使高分子本身结构显示导电性，它通过电子或离子导电使高分子本身结构显示导电性，它包括高分子经掺杂后具有导电功能的聚合物，如聚乙炔。包括高分子经掺杂后具有导电功能的聚合物，如聚乙炔。含具有吊挂结构或整体结构的聚合物离子导电体；线型含具有吊挂结构或整体结构的聚合物离子导电体；线型共扼聚乙炔等共扼聚合物、聚酞菁类金属螯合型聚合物共扼聚乙
21、炔等共扼聚合物、聚酞菁类金属螯合型聚合物和高分子电荷转移络合物等电子导电体。和高分子电荷转移络合物等电子导电体。结构型导电高分子材料多为半导体材料，由于结构特殊，结构型导电高分子材料多为半导体材料，由于结构特殊，制备与提纯困难而极少获得实际应用。制备与提纯困难而极少获得实际应用。非金属导电材料非金属导电材料导电高分子材料导电高分子材料根根据据导导电电原原理理 导电导电高分子高分子功能材料的分类功能材料的分类结构型结构型复合型复合型通过一般高分子与各种导电填料分散复合、层积复合，使其表通过一般高分子与各种导电填料分散复合、层积复合，使其表面形成导电膜等方法制成，它是靠填充在其中的导电粒子或纤面形
22、成导电膜等方法制成，它是靠填充在其中的导电粒子或纤维的相互作用紧密接触形成导电通路而导电的。维的相互作用紧密接触形成导电通路而导电的。根据应用又可分为根据应用又可分为导电塑料、导电纤维、导电橡胶、导电粘合导电塑料、导电纤维、导电橡胶、导电粘合剂和导电涂料剂和导电涂料等，它们在防静电、消除静电、电磁屏蔽、微波等，它们在防静电、消除静电、电磁屏蔽、微波吸收、电器元器件中的电极、按键开关、电子照相、记录材料、吸收、电器元器件中的电极、按键开关、电子照相、记录材料、面状发热体、净化室墙壁材料、管道等工业和民用的各个方面面状发热体、净化室墙壁材料、管道等工业和民用的各个方面已经得到了广泛的应用。已经得到
23、了广泛的应用。第二章电性功能材料电性功能材料 1.1.结构型导电高分子材料结构型导电高分子材料 结构型高分子导电材料结构型高分子导电材料中，至今只有聚氮化硫中，至今只有聚氮化硫(SNf(SNfn n)可算是纯粹的结构型导电高分子材料，其他可算是纯粹的结构型导电高分子材料，其他的许多几乎是用氧化还原、离子化或电化学方法进的许多几乎是用氧化还原、离子化或电化学方法进行掺杂后才具有较高的导电性。行掺杂后才具有较高的导电性。目前研究较多的是聚乙炔、聚苯胺、聚苯硫醚、目前研究较多的是聚乙炔、聚苯胺、聚苯硫醚、聚噻吩、聚吡咯等。聚噻吩、聚吡咯等。但是掺杂使得材料的稳定性变差，成膜性降但是掺杂使得材料的稳定
24、性变差，成膜性降低，所以通过分子设计形成稳定性好、易于成低，所以通过分子设计形成稳定性好、易于成形加工的材料。主要有形加工的材料。主要有蓄电池和微波吸收材料蓄电池和微波吸收材料。非金属导电材料非金属导电材料导电高分子材料导电高分子材料第二章电性功能材料电性功能材料uConducting polymer 2000 Nobel Prize in Chemistry pz orbitals perpendicular to the polymer backbone Hybridization between pz orbitals Formations of delocalized p p orbi
25、tal Electron conduction Semiconducting&Metallic(doping)nPAPPV 聚乙聚乙烯烯基基吡吡咯咯第二章电性功能材料电性功能材料Burroughes et al.Nature 347,539(1990)Cambridge groupTang et al.APL 51,923(1987)Kodak group第二章电性功能材料电性功能材料(1)蓄电池蓄电池 最有发展前途的是掺杂聚乙炔和掺杂聚苯硫醚。最有发展前途的是掺杂聚乙炔和掺杂聚苯硫醚。掺杂聚乙炔蓄电池的掺杂聚乙炔蓄电池的优点优点是重量轻、体积小、容是重量轻、体积小、容量大、能量密度高、不需维
26、修、加工简便等，而量大、能量密度高、不需维修、加工简便等，而其其缺点缺点是电极材料和电解液不稳定等。是电极材料和电解液不稳定等。(2)吸波材料吸波材料 作为吸波材料，可以对导电聚合物的厚度、密作为吸波材料，可以对导电聚合物的厚度、密度和导电性进行调整，从而可调整材料的微波反度和导电性进行调整，从而可调整材料的微波反射系数和吸收系数，吸收系数可达射系数和吸收系数，吸收系数可达105cm-1。导电。导电聚合物薄膜重量轻，柔性好，可作为包括飞机在聚合物薄膜重量轻，柔性好，可作为包括飞机在内的任何设备的蒙皮。内的任何设备的蒙皮。非金属导电材料非金属导电材料导电高分子材料导电高分子材料第二章电性功能材料
27、电性功能材料2.2.复合型导电高分子材料复合型导电高分子材料 复合型导电高分子材料是在通用树脂中加入导复合型导电高分子材料是在通用树脂中加入导电性填料、添加剂，采用一定的成形方法而制得的。电性填料、添加剂，采用一定的成形方法而制得的。通用树脂主要是聚烯烃，如聚丙稀、聚氯乙烯、通用树脂主要是聚烯烃，如聚丙稀、聚氯乙烯、ABSABS以及聚酯类、聚酰胺等。以及聚酯类、聚酰胺等。非金属导电材料非金属导电材料导电高分子材料导电高分子材料添加剂有抗氧剂、固化剂、溶剂、润滑剂等。添加剂有抗氧剂、固化剂、溶剂、润滑剂等。导电填料有金、银、铜、铝等金属粉，铝纤维、导电填料有金、银、铜、铝等金属粉，铝纤维、黄铜纤
28、维等金属纤维、金属氧化物等。黄铜纤维等金属纤维、金属氧化物等。第二章电性功能材料电性功能材料 影响复合型导电高分子材料导电性能的主要因素：影响复合型导电高分子材料导电性能的主要因素：填料种类、金属形状、树脂种类、填料分散状态以及填料种类、金属形状、树脂种类、填料分散状态以及导电填料的用量。导电填料的用量。一般为了使电阻率小且稳定，选用硬度大、热一般为了使电阻率小且稳定，选用硬度大、热变形温度高的树脂，并且在一定的温度范围内提高变形温度高的树脂，并且在一定的温度范围内提高固化温度，延长固化时间。固化温度，延长固化时间。复合型导电高分子材料有导电胶粘剂、导电塑复合型导电高分子材料有导电胶粘剂、导电
29、塑料、导电薄膜、导电涂料等。料、导电薄膜、导电涂料等。非金属导电材料非金属导电材料导电高分子材料导电高分子材料第二章电性功能材料电性功能材料非金属导电材料非金属导电材料导电高分子材料导电高分子材料导电薄膜导电薄膜一般是在普通塑料薄膜上形成导电层的复一般是在普通塑料薄膜上形成导电层的复合材料，具有透明性和可挠性、重量轻、易加工等合材料，具有透明性和可挠性、重量轻、易加工等优点，可作为电气零件、电子照相、电磁屏蔽等。优点，可作为电气零件、电子照相、电磁屏蔽等。导电塑料导电塑料包括以聚烯烃或其共聚物为基础，加入导包括以聚烯烃或其共聚物为基础，加入导电填料与抗氧剂及润滑剂等后经混炼加工而成，和电填料与
30、抗氧剂及润滑剂等后经混炼加工而成，和用于电线、泡沫塑料等的聚烯烃导电塑料以及导电用于电线、泡沫塑料等的聚烯烃导电塑料以及导电尼龙等。尼龙等。导电胶粘剂导电胶粘剂是兼有导电性和粘结性双重性能的胶粘是兼有导电性和粘结性双重性能的胶粘剂，它具有一定的导电性和良好的粘结性能，主要剂，它具有一定的导电性和良好的粘结性能，主要有环氧树脂、酚醛树脂导电胶和某些粘结性能较好有环氧树脂、酚醛树脂导电胶和某些粘结性能较好的热塑性树脂导电胶等。的热塑性树脂导电胶等。第二章电性功能材料电性功能材料介电性质介电性质 电容器的极板间充满电介质时的电容与极板间为电容器的极板间充满电介质时的电容与极板间为真空时的电容之比值称
31、为（相对）介电常数。真空时的电容之比值称为（相对）介电常数。非金属导电材料非金属导电材料介电材料介电材料电介质经常是绝缘体电介质经常是绝缘体：如陶瓷，云母，玻璃，塑料和各种金属氧化物等。如陶瓷，云母，玻璃，塑料和各种金属氧化物等。电介质有使空间比起实际尺寸变得更大或更小的电介质有使空间比起实际尺寸变得更大或更小的属性。例如，当一个电介质材料放在两个电荷之属性。例如，当一个电介质材料放在两个电荷之间，它会减少作用在它们之间的力，就像它们被间，它会减少作用在它们之间的力，就像它们被移远了一样。当电磁波穿过电介质，波的速度被移远了一样。当电磁波穿过电介质，波的速度被减小，使得它的行为象它有更短的波长
32、一样。减小，使得它的行为象它有更短的波长一样。第二章电性功能材料电性功能材料介电陶瓷介电陶瓷 衡量介电材料的最主要的参数是介电常衡量介电材料的最主要的参数是介电常数数和损耗角和损耗角。非金属导电材料非金属导电材料介电陶瓷介电陶瓷介电陶瓷是最主要的介电材料，它在电容器、介电陶瓷是最主要的介电材料，它在电容器、红外探测器、空气和水的声音探测器等方面红外探测器、空气和水的声音探测器等方面有广泛的应用。有广泛的应用。介电材料的一个非常有用的性质就是它所含介电材料的一个非常有用的性质就是它所含有的电子、离子或是分子会因外加电场的介有的电子、离子或是分子会因外加电场的介入而极化，从而改变器件的电特性。入而
33、极化，从而改变器件的电特性。第二章电性功能材料电性功能材料(a)(a)第一类介电陶第一类介电陶瓷材料为具有低介瓷材料为具有低介电常数和中等介电电常数和中等介电常数的陶瓷材料，常数的陶瓷材料，其损耗因子小于其损耗因子小于0.0030.003，中等介电，中等介电常数的变化范围为常数的变化范围为1515500500，其稳态，其稳态介电常数的温度系介电常数的温度系数是数是+100+100-2000MK2000MK-1-1。(b)(b)第二类介电陶瓷材第二类介电陶瓷材料是以铁电材料为主的料是以铁电材料为主的高介电常数的陶瓷材料，高介电常数的陶瓷材料，介电常数的变化范围为介电常数的变化范围为2000200
34、02000020000，而且性，而且性能随温度、频率、场强能随温度、频率、场强的变化程度比第一类介的变化程度比第一类介电陶瓷大。其损耗因子电陶瓷大。其损耗因子一般低于一般低于0.030.03。这类材。这类材料的主要优点是具有高料的主要优点是具有高的体积因子。的体积因子。(c)(c)第三类介电陶第三类介电陶瓷材料的特点为组瓷材料的特点为组织中含有导电相。织中含有导电相。这种性质可以降低这种性质可以降低电容器中介电材料电容器中介电材料的厚度至少一个数的厚度至少一个数量级。它的其他特量级。它的其他特性与第二类相同。性与第二类相同。非金属导电材料非金属导电材料介电陶瓷介电陶瓷介电陶瓷材料有许多优越性能
35、，其相对介电常数变化范围很大，介电陶瓷材料有许多优越性能，其相对介电常数变化范围很大，可以从滑石的可以从滑石的6到复合铁电材料的到复合铁电材料的20000。按照介电材料的介。按照介电材料的介电常数变化范围，可以分为以下三类：电常数变化范围，可以分为以下三类：第二章电性功能材料电性功能材料(3)(3)介电陶瓷材料的实际应用介电陶瓷材料的实际应用主要应用在制造陶瓷电容器和微波介质元件方面主要应用在制造陶瓷电容器和微波介质元件方面(a)(a)温度补偿电容器介电陶瓷温度补偿电容器介电陶瓷:主要用于高频振荡主要用于高频振荡电路中作为补偿电容介质。电路中作为补偿电容介质。(b)(b)微波介质陶瓷微波介质陶
36、瓷:主要用于制作微波电路元件，主要用于制作微波电路元件，如如MgOMgOSiOSiO2 2系陶瓷、系陶瓷、MgOMgOCaOCaOTiOTiO2 2系陶瓷等。系陶瓷等。(c)(c)高介高压电容器陶瓷：主要有钛酸锶、钛酸钡高介高压电容器陶瓷：主要有钛酸锶、钛酸钡和铌酸铅镁陶瓷。应用在电视机、雷达高压电路、和铌酸铅镁陶瓷。应用在电视机、雷达高压电路、断路器等方面。断路器等方面。非金属导电材料非金属导电材料介电陶瓷介电陶瓷第二章电性功能材料电性功能材料超导材料超导材料超导的发现超导的发现1911年，荷兰物理学家年，荷兰物理学家为检验为检验金属金属电阻与温度之间的关系的理论公式电阻与温度之间的关系的理
37、论公式的正确性，的正确性，就用就用作试验。作试验。将水银冷却到将水银冷却到-40时，亮晶晶的液体水时，亮晶晶的液体水银变成了固体；然后，他把水银拉成细丝，并银变成了固体；然后，他把水银拉成细丝，并继续降低温度，同时测量不同温度下固体水银继续降低温度，同时测量不同温度下固体水银的电阻，当温度降低到的电阻，当温度降低到，水银的，水银的。超导现象超导现象第二章电性功能材料电性功能材料 Zero Resistance -No Power Loss Meissner Effect -Act as Magnet Critical Properties -Tc Jc,Hc Josephson Effects
38、 -Electron Tunnelling 超导材料超导材料具有超导特性的材料称为超导材料具有超导特性的材料称为超导材料第二章电性功能材料电性功能材料超导材料的基本特性超导材料的基本特性1零电阻效应零电阻效应当温度当温度T T下降至下降至以下时，超导以下时，超导体的电阻突然变为零，这就称为超导体的电阻突然变为零，这就称为超导体的体的，也称为，也称为。汞在液氦温度附近电阻的变化行为汞在液氦温度附近电阻的变化行为4.04.14.24.34.40.0000.0250.0500.0750.1000.1250.150 T/K10-1 Hg电阻电阻超导临界温度超导临界温度Tc虽然与样虽然与样品纯度无关品纯
39、度无关,但是越均匀纯但是越均匀纯净的样品超导转变时的净的样品超导转变时的越尖锐。越尖锐。第二章电性功能材料电性功能材料即便是原来处在磁场中即便是原来处在磁场中的的样品，当温度样品，当温度下降使它变成下降使它变成时，时，也会把原来在体内的磁也会把原来在体内的磁场完全排出去，即场完全排出去，即。超导材料的基本特性超导材料的基本特性2超导体的完全抗磁性（迈斯纳效应）超导体的完全抗磁性（迈斯纳效应）迈斯纳效应迈斯纳效应和和零电阻性质零电阻性质是是超导态的超导态的，衡量一种材料是否具有，衡量一种材料是否具有超导电性必须看是否超导电性必须看是否零电阻零电阻和和迈斯纳效应迈斯纳效应。指超导体处于外界磁场中，
40、指超导体处于外界磁场中，无法穿透，超导体内无法穿透，超导体内的的为零。为零。磁悬浮现象磁悬浮现象磁悬浮列车磁悬浮列车应用应用第二章电性功能材料电性功能材料超导电性的超导电性的T-I-H临界面临界面3超导体的三个特征值超导体的三个特征值TcTc）、）、）和和 ）是是“约束约束”超导现超导现象的三大临界条件。象的三大临界条件。超导材料的基本特性超导材料的基本特性常导态转变为超导态、电常导态转变为超导态、电阻突然变为零时的温度阻突然变为零时的温度超导态允许超导态允许的最大电流的最大电流维持超导所维持超导所需的最大磁需的最大磁场强度场强度超导材料只有处在这些临超导材料只有处在这些临界值以下的状态时才显
41、示界值以下的状态时才显示超导性，所以超导性，所以，实用性就强，利用价值，实用性就强，利用价值就越高。就越高。第二章电性功能材料电性功能材料低温超导体：Low Temperature Superconductors(LTC)如 V V3 3Si(17.0K),NbSi(17.0K),Nb3 3Sn(18.2K),NbSn(18.2K),Nb3 3Ge(22.2K)Ge(22.2K)高温超导体：High Temperature Superconductors(HTS)氧化物陶瓷，如 YBCO,Bi2223中温超导体：Intermediate Temperature Superconductors
42、金属间化合物，MgB2 超导材料超导材料3超导材料的分类超导材料的分类在元素周期表相应位置的元素中，有的可由在元素周期表相应位置的元素中，有的可由制成超导材科，但绝大多数超导材料是由多制成超导材科，但绝大多数超导材料是由多种元素构成的种元素构成的、或或。第二章电性功能材料电性功能材料超导材料的超导材料的22 23 Ti V38 39 40 41 42 43 44Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru56 57-71 72 73 74 75 76 77Ba La-Lu系 Hf Ta W Re Os Ir90 91 92Th Pa U13 14 Al Si29 30 31 32Cu Zn Ga G
43、e48 49 50Cd In Sn80 81 82 83Hg Tl Pb Bi1H 4 Be 8 O16 S金属、类金属及非金属超导材料超导材料第二章电性功能材料电性功能材料 材料材料临界温度临界温度 Tc/K 临界磁场临界磁场Hc/(A.m-1)材料材料临界温度临界温度 Tc/K 临界磁场临界磁场Hc/(A.m-1)V5.31.0NbN15.713Pb7.20.8V3Ga16.522Nb9.22.0Nb3Sn18.322Nb-Ti9.312Nb3Al18.932Nb-Zr10.89.1Nb3Ga20.334PbMo6S815.660一些超导材料及一些超导材料及c值值超导材料超导材料第二章电性
44、功能材料电性功能材料提高超导转变温度（提高超导转变温度（Tc）的历史进程）的历史进程1910193019501970199020406080100120140160Transition temperature(K)HgPbNbNbCNbNV3SiNb3SnNb3GeLiquid Nitrogen (77K)Liquid Methane LNG (112K)HgBa2Ca2Cu3O9(under pressure)HgBa2Ca2Cu3O9TlBaCaCuOB2223-Bi2Sr2Ca2Cu3OYBCO-YBa2Cu3O7MgB2 Tl,Hg(138K)超导材料超导材料第二章电性功能材料电性功能
45、材料高温超导材料的发展高温超导材料的发展 二十世纪八十年代是超导电性探索与研究的黄金年代。二十世纪八十年代是超导电性探索与研究的黄金年代。19811981年合年合成了有机超导体，成了有机超导体，19861986年缪勒和柏诺兹发现了一种成分为钡、镧、铜、年缪勒和柏诺兹发现了一种成分为钡、镧、铜、氧的陶瓷性金属氧化物氧的陶瓷性金属氧化物LaBaCuOLaBaCuO4 4，其临界温度约为，其临界温度约为35K35K。由于陶瓷性金。由于陶瓷性金属氧化物一般来说是绝缘物质，因此这个发现意义非常重大，他们获属氧化物一般来说是绝缘物质，因此这个发现意义非常重大，他们获得了得了19871987年的诺贝尔物理学
46、奖。年的诺贝尔物理学奖。19871987年在超导材料的探索中又有新的突破，美国休斯顿大学物理年在超导材料的探索中又有新的突破，美国休斯顿大学物理学家朱经武小组与中国科学院物理研究所赵忠贤等人先后宣布制成临学家朱经武小组与中国科学院物理研究所赵忠贤等人先后宣布制成临界温度约为界温度约为90K90K的超导材料的超导材料YBCOYBCO。19881988年初日本宣布制成临界温度达年初日本宣布制成临界温度达110K110K的的Bi-Sr-Ca-Cu-OBi-Sr-Ca-Cu-O超导体。超导体。至此，人们终于实现了液氮温区超导体的梦想，实现了科学史上的重至此，人们终于实现了液氮温区超导体的梦想，实现了科
47、学史上的重大突破。大突破。20012001年，日本科学家秋光纯发现了临界温度为年，日本科学家秋光纯发现了临界温度为40K40K的超导体：的超导体：MgBMgB2 2。虽然现有的高温超导体还必须用液态氮来冷却虽然现有的高温超导体还必须用液态氮来冷却,这一发现仍被认这一发现仍被认作二十世纪科学史上最伟大的发现之一作二十世纪科学史上最伟大的发现之一.第二章电性功能材料电性功能材料YBCOBi2223MgB2材材 料料Bi2223Bi2223YBCOYBCOMgBMgB2 2各向异性参数各向异性参数50501001005 57 72 23 3超导材料的结构超导材料的结构第二章电性功能材料电性功能材料M
48、gBNagamatsu et al.Nature 410,63(2001)MgBMgB2 2超导体是符合电声子作用超导体是符合电声子作用 BCSBCS理论的第二类超导体理论的第二类超导体;临界转变温度临界转变温度 T Tc c40 K;40 K;具有双能隙结构具有双能隙结构;早在早在19541954年就已合成年就已合成,但是未发现但是未发现其超导电性其超导电性.超导材料超导材料MgB2第二章电性功能材料电性功能材料MgBMgB2 2超导材料的超导材料的特点特点:有希望部有希望部分替代分替代LTS&HTSLTS&HTSGenerators&MotorsJcE A/cm2B/Tesla106105
49、1041032640FaultCurrent LimitersCablesTrans-formersCurrent leads for magnetsBiSrCaCuOtapes 77KYBa2Cu3O7ribbons 77KSuper-conducting energy storageMgB2 20KDavid Caplin,Commercial Uses of Magnesium Diboride Superconductor in the Electric Power Industries.Cambridge 12th April 2002超导材料超导材料MgB2第二章电性功能材料电性功
50、能材料12临界温度临界温度Tc为传为传统超导体中最高统超导体中最高Jc、Hc较高较高组成、结构简组成、结构简单，密度小，单，密度小，易于加工和制易于加工和制作作3原料容易获得原料容易获得且价格低廉且价格低廉To be developedBi2223Y123MgB2Nb3Sn高温氧化物高温氧化物高温氧化物高温氧化物T Tc c 39K 39K T Tc c最低最低超导材料超导材料MgB2第二章电性功能材料电性功能材料Hyper Tech ResearchHyper TechHyper Tech公司公司Ex-situEx-situ法连续制备线带材技术法连续制备线带材技术60 meters,1.2
