本帖最后由 vic0561 于 2023-6-13 22:28 编辑
来，看看。
金属材料的导电性能
一、导电性能的表征 1、电导率 表征材料导电性的宏观可测参数是电导率 当施加的电场产生电流时，电流密度 J 正比于电场强度 E，其比例常数 σ即为电导率。 也就是 J=σE 工程中，也用相对电导率表征材料的导电性能。 导体材料的电导率（ ℃，20℃，0.01725 Ω·mm2/m ）与国际标准软纯铜的电导率相比的百分数为该导体的相对电导率。 电阻率是电导率的倒数，也是表征材料导电性能的重要参数。 2、迁移数 电流是电荷的定向移动所导致的，必然伴随着电荷的输运过程。 电荷运输的载体被称为载流子，包括电子、空穴、正负离子等。 表征材料导电性的微观参数是迁移数 tx=σxσT ，它表示不同种类的载流子对总电导率的贡献。 σT 代表各种载流子输运电荷形成的总电导率。 σx 代表各种载流子输运电荷的电导率。 tx 表示某种载流子输运电荷占全部电导率的分数。 二、电子类载流子导电——以金属为例 1、三种理论对金属导电机制的解释 在之前的内容中我们初步介绍过描述材料中电子状态的三个理论——经典自由电子理论、量子自由电子理论以及能带理论，接下来我们会使用这些理论对金属的导电机制进行解释。 （1）经典自由电子理论：假设所有自由电子均对电导率做出贡献，设自由电子数密度为 n ，电子定向运动的平均速度为 vˉ ，电子质量为 m ，电子电量为 e ， l 为电子的平均自由程。 那么我们有电导率 σ=JE=nedldtmdvdte=ne2mdldv=ne2mlvˉ （2）量子自由电子理论：只有在费米面附近的能级电子才能够对导电做出贡献。上式中的 、l、vˉ定义应该作出修改，变成费米能级附近的电子自由程及速度 、lF、vF σ=ne2mlFvF （3）能带理论：此时我们分析的是准自由电子的运动，这时我们需要对表达式中的电子质量做进一步修正，得到 σ=ne2m∗lFvF ， m∗ 为等效质量。 2、电阻产生的原因与马西森定律 当电子波通过一个0 K时的理想晶体点阵时将不被散射，只有在晶体点阵完整性遭到破坏的地方，电子才受到散射（非相干散射），即产生电阻。 根据能带理论得到的公式 σ=ne2m∗lFvF 我们有 ρ=m∗vFne2lF 记散射系数 μ=1lF ，则有 ρ=m∗vFne2μ 由于温度引起离子运动（热振动）振幅发生变化，电子波被散射，散射系数 μ在不太低的温度下与温度成正比。 晶体中异类原子、位错、点缺陷等均使理想晶体点阵的周期性遭到破坏，电子波在这些地方被散射。也就是说，金属中若含有少量杂质，杂质原子使金属正常的结构发生畸变，它对电子波的作用也同空气中的尘埃对光传播的影响，引起额外的散射使电阻率进一步升高。 根据上述关系，散射系数由两部分组成 μ=μT+Δμ __ 与温度正相关 ∆与杂质浓度正相关，但是与温度无关 因此我们可以得到马西森定律：总的电阻率包括金属的基本电阻率 ρL(T) 和杂质、点缺陷、位错引起的电阻率 ρ′ 。 总电阻 ρ=ρ′+ρL(T) 高温时 ρL(T) 起主要作用，低温时 ρ′ 起主要作用。 在极低温度下测得的金属电阻率被称为金属剩余电阻，用于衡量金属的纯度与缺陷。 3、不同参数对电阻率的影响 （1）温度：正常情况下温度升高电阻率上升 ① 工程应用上：温度高于室温时大多数金属电阻率满足 ρt=ρ0(1+aˉT) 其中 aˉ 为 0 °C～T °C 下的平均电阻温度系数，注意由于该线性关系只在温度相对高时成立，这里的单位是摄氏度不是开尔文。 一般的纯金属电阻温度系数 aˉ约为 4×10−3 °C−1 。而过渡金属，特别是铁磁性金属具有较高的aˉ。 ② 微观机制上 这里还有一个需要注意的例子：铁磁性金属在居里点以下由于其内部 d 层电子与 s 层电子的相互作用 （2）压力：正常情况下压力增大电阻率下降 在流体静压力下，金属的电阻率可以表示为 ρp=ρ0(1+φp) ρ0 为真空条件下的电阻率，p 为压力， φ 为压力系数（一般为负值） 对于正常金属，随压力增大电阻率一般下降 但部分碱土金属和稀土金属随压力增大电阻率增加。 （3）冷加工和缺陷 冷加工一般引起金属电阻率增加，主要体现在对剩余电阻率的影响。这是因为 ① 冷加工引起金属晶格畸变，从而增加电子散射几率。 ② 冷加工引起金属晶体原子间键合的改变，使原子间距发生改变。 缺陷可以同时造成空位、位错的影响，其中点缺陷引起的剩余电阻率远比线缺陷的影响大。 下面的范比伦表达式对许多面心立方和体心立方过渡族金属都成立 空位位错Δρ=Δρ空位+Δρ位错=Aεn+Bεm 空位引起的电阻率增加 空位Δρ空位 在退火到空位扩散时可以消失，位错引起的电阻率增加 位错Δρ位错 需要退火到再结晶温度才能够发生变化。 研究晶体缺陷对金属电阻率的影响，对于评估单晶体结构完整性有重要的意义。 （4）固溶体：固溶/有序 一句话概括，形成固溶体时，合金的导电性能降低。 这是因为 ① 在溶剂晶体中溶入溶质原子时，溶剂的晶格发生了扭曲畸变，破坏了晶格势场的周期性，从而增加了电子散射几率，从而使得电阻率增高。 ② 固溶体组元的化学相互作用也会导致合金的导电性能降低 对于连续固溶体，其成分距离纯组元越远，电阻率就越高。如下图所示 但需要注意的是，铁磁性金属组成的固溶体不同，其最大电阻率一般不在成分的最大偏移 (50%)处。 此处也可以应用马西森定律来估计固溶体的电阻率 除过渡族金属外，在同一溶剂中溶入 1% 原子溶质金属所引起的电阻率增加也由溶质和溶剂金属的价数差决定， 其价数差 ΔZ 越大，增加的电阻率越大。 此规律大致符合诺伯里-林德法则： Δρ=a+b(ΔZ)2 有些合金元素中含有过渡族金属时，在回火过程中发现合金的电阻有反常升高（其它物理性能，如热膨胀效应、比热容、弹性、内耗等也有明显变化），而冷加工时合金的电阻率却明显降低。这是由于形成了不均匀的固溶体。 （5）有序合金化 合金有序化对其电阻率的影响有两种竞争机制 ① 合金组元化学作用加强，电子的结合比在无序状态更强,使导电电子数减少而合金的剩余电阻率增加。 ② 晶体离子势场在有序化时更为对称，使电子散射机率大大降低，使有序合金的剩余电阻率减小。 一般而言后者占优势，因此多数情况下退火得到的有序化合金比淬火得到的固溶体合金相比电阻率降低
| 
楼主: xibocui
[复制链接]
京公网安备 11010602010207号
( 京ICP证041102号，京ICP备09075138号-9 )
狗仔卡
发表于 2023-6-12 18:55
楼主
