《材料物理性能》全套PPT課件

《材料物理性能》全套PPT課件,材料物理性能,材料,物理性能,全套,PPT,課件 材料物理性能PhysicalPropertiesofMaterials緒言背景本課程的特點：本課程的內(nèi)容：教學安排：學習本課程的要求：教材及參考文獻：材料是社會進步的物質(zhì)基礎與先導材料是社會進步的物質(zhì)基礎與先導人類的歷史曾以使用的主要材料來加以劃分，如石器時代、青銅器時代、鐵器(鋼鐵)時代、.背景材料、信息和能源當今世界的三大支柱。材料：概念廣泛而抽象，在實際生活中則是具體而生動的，往往體現(xiàn)在每一應用典范上，以某一特定性能呈現(xiàn)在人們面前。材料無處不在材料無處不在傳感器件半導體芯片半導體技術液晶材料光學材料金屬材料磁性材料移動通訊數(shù)碼拍照拍照功能顯示功能金屬外殼信號接受對話功能電子線路照片存儲功能材料介電材料材料種類繁多材料種類繁多能源材料金屬材料無機非金屬材料光電材料有機高分子材料智能材料生物材料生態(tài)環(huán)境材料復合材料單晶多晶非晶液晶建筑材料航空航天材料結(jié)構材料功能材料信息材料準準晶晶材料的分類材料的分類 按狀態(tài)分，按狀態(tài)分，材料可分為材料可分為單晶、多晶、非晶、準晶和單晶、多晶、非晶、準晶和液晶液晶 從成分的角度從成分的角度，材料則可分為，材料則可分為無機材料與有機材料無機材料與有機材料從應用來看，從應用來看，材料可分為材料可分為信息材料、能源材料、生物材料、建筑信息材料、能源材料、生物材料、建筑材料、航空航天材料材料、航空航天材料等。等。根據(jù)材料的用途，根據(jù)材料的用途，材料可分為材料可分為結(jié)構材料和功能材料結(jié)構材料和功能材料根據(jù)材料的用途，材料有共通性材料有共通性制備、使用過程中現(xiàn)象、概念、轉(zhuǎn)變相似。單晶多晶非晶準晶結(jié)構、缺陷行為平衡熱力學擴散、界面結(jié)構與行為材料相變機理電子遷移及電性能從物理學的角度，從微觀的角度來闡述材料中的種種規(guī)律是很重要的。學科體系學科體系 材料物理與化學材料物理與化學 凝聚態(tài)物理、基礎化學與材料學的交叉，研究材料的合凝聚態(tài)物理、基礎化學與材料學的交叉，研究材料的合成路徑、微觀結(jié)構和宏觀性質(zhì)的形成機理；成路徑、微觀結(jié)構和宏觀性質(zhì)的形成機理；正確理解正確理解 材料學材料學 采用科學的方法，觀察材料的組織、結(jié)構，檢測材料的采用科學的方法，觀察材料的組織、結(jié)構，檢測材料的力學、物理和化學性能，合理評價材料的使用性能；在金力學、物理和化學性能，合理評價材料的使用性能；在金相尺度上，初步探討結(jié)構性能的關系；相尺度上，初步探討結(jié)構性能的關系；科學評價科學評價 材料加工材料加工 制定合適的方法和工藝，合成、制備具有期望性能的材制定合適的方法和工藝，合成、制備具有期望性能的材料；料；高效制備高效制備 材料物理性能課程特點v材料物理性能涉及到材料科學和工程兩個部材料物理性能涉及到材料科學和工程兩個部分。性能的物理本質(zhì)部分告訴我們分。性能的物理本質(zhì)部分告訴我們“為什么為什么”，工藝，工藝結(jié)構、性能及其測試分析技術告結(jié)構、性能及其測試分析技術告訴我們訴我們“如何做如何做”，其載體和橋梁就是具體，其載體和橋梁就是具體的功能材料。的功能材料。物理本質(zhì)物理本質(zhì)材料科學材料科學工程工程是什么？是什么？為什么？為什么？如何做如何做？功能材料功能材料物理物理科學科學材料科學材料物理物理學概念、原理等物理學模型材料性能從物理學的一些基本概念、基本原理、基本定律出發(fā)，并建立相應的物理模型，力圖闡述材料本身的結(jié)構、性質(zhì)和它們在各種外界條件下發(fā)生的變化及其變化規(guī)律，得出結(jié)論，進而指導材料的生產(chǎn)和科學研究。材料物理學的定義材料物理學的定義 材料物理是物理學和材料學之間的交叉材料物理是物理學和材料學之間的交叉學科。學科。材料物理學的特點材料物理學的特點.它它 旨在利用物理中的一些學科的成果來闡旨在利用物理中的一些學科的成果來闡明材料中的種種規(guī)律和轉(zhuǎn)變過程明材料中的種種規(guī)律和轉(zhuǎn)變過程。材料物理是研究物質(zhì)的材料物理是研究物質(zhì)的微觀結(jié)構、組織形式、微觀結(jié)構、組織形式、運動狀態(tài)、物理性能、化學成分運動狀態(tài)、物理性能、化學成分以及它們以及它們之間相互關系的學科。之間相互關系的學科。1.2材料物理學的特點材料物理和材料科學的關系材料物理和材料科學的關系3.材料物理的基本研究指導材料的生產(chǎn)應用。1.息息相關、相互促進和共同發(fā)展2.材料物理研究課題來源于材料、對象也是材料，都是生產(chǎn)、科研中提出來的新問題。一方面，材料物理所研究的一些主要課題往往是從生產(chǎn)實踐中提出來的 舉例1：金屬材料：強度、范性低維材料，薄膜材料（2維）、納米線（1維）納米點（0維），尺寸效應。陶瓷：燒結(jié)體，燒結(jié)技術，微結(jié)構舉例舉例2 2：由于工藝上的突破并實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)的“金屬玻璃”，因而金屬玻璃的力學性質(zhì)、磁性、超導電性等實際問題的研究也就隨之提出；由于電子技術、激光、紅外技術的需要，研究電介質(zhì)材料就由研究絕緣體的四大參數(shù)逐步擴展到研究物質(zhì)的電極化過程；為了發(fā)展耐高溫的材料，推動了對于金屬或陶瓷的高溫強度、高溫蠕變、氧化及擴散的研究等等。另一方面，將材料物理的基本研究成果應用到生產(chǎn)實踐中去，也會發(fā)揮很大的作用 再結(jié)晶結(jié)構的研究顯著地改進了硅鋼片的質(zhì)量利用非晶硒的光導特性的研究成果，發(fā)展了新的靜電復印技術；集成鐵電學的研究，促進了鐵電存儲器的實際應用開發(fā)。舉例：材料的性能本質(zhì)材料的性能本質(zhì)性能本質(zhì)性能本質(zhì)：外界因素（作用物理量）作用于某一物體，外界因素（作用物理量）作用于某一物體，如：外力、溫度梯度、外加電場磁場、光照如：外力、溫度梯度、外加電場磁場、光照等，引起原子、分子或離子及電子的微觀運等，引起原子、分子或離子及電子的微觀運動，在宏觀上表現(xiàn)為感應物理量，動，在宏觀上表現(xiàn)為感應物理量，感應物理感應物理量與作用物理量呈一定的關系，其中有一與量與作用物理量呈一定的關系，其中有一與材料本質(zhì)有關的常數(shù)材料本質(zhì)有關的常數(shù)材料的性能。材料的性能。作用物理作用物理量量 感應感應 物理量物理量公式公式材料內(nèi)部的材料內(nèi)部的 變化變化 材料材料 性性 能能性能的性能的 種類種類應力應力 形變形變 =S 原子發(fā)生相原子發(fā)生相對位移對位移柔性系數(shù)柔性系數(shù)力學性能力學性能表面電荷表面電荷密度密度DD=C 原子發(fā)生相原子發(fā)生相對位移引起對位移引起偶極矩的變偶極矩的變化化壓電常數(shù)壓電常數(shù)壓電性能壓電性能溫差溫差t形變形變 =t原子發(fā)生位原子發(fā)生位移移熱膨脹系熱膨脹系數(shù)數(shù)熱學性能熱學性能熱量熱量QQ=Ct原子振動加原子振動加強強熱容熱容熱學性能熱學性能溫差電動溫差電動勢勢V=t載流子的定載流子的定向運動向運動溫差電動溫差電動勢系數(shù)勢系數(shù)導電性能導電性能溫度溫度梯度梯度dt/dx熱流密熱流密度度qq=kdt/dx原子熱振動的相互原子熱振動的相互作用作用熱導率熱導率熱學熱學性能性能 電電 場場 E電流電流密度密度JJ=E荷電離子遠距離的荷電離子遠距離的移動移動電導率電導率導電導電性能性能極化強極化強度度PP=0E宏宏觀電場觀電場荷電離子短距離的荷電離子短距離的移動移動介質(zhì)電極化介質(zhì)電極化率率介電介電性能性能離子的離子的偶極矩偶極矩 =E局部電場局部電場原子核與周圍電子原子核與周圍電子發(fā)生短距離的移動發(fā)生短距離的移動離子的極化離子的極化率率介電介電性能性能材料的材料的形變形變 =d E偶極矩的變化偶極矩的變化壓電常數(shù)壓電常數(shù)壓電壓電性能性能v研究內(nèi)容研究內(nèi)容物理性能與材料的成分、結(jié)物理性能與材料的成分、結(jié) 構、工藝過程的關系及其變化規(guī)律。構、工藝過程的關系及其變化規(guī)律。v“物性物性”還隨材料的使用（或?qū)嶒灒┉h(huán)境變還隨材料的使用（或?qū)嶒灒┉h(huán)境變化的。這些環(huán)境包括溫度、壓力、電場、磁化的。這些環(huán)境包括溫度、壓力、電場、磁場、輻照、化學介質(zhì)、力場等等。場、輻照、化學介質(zhì)、力場等等。熱學熱學性能性能電學電學性能性能光學光學性能性能 材料物理性能材料物理性能磁學磁學性能性能聲學聲學性能性能前景高技術發(fā)展對材料的性能要求不斷提高；材料設計技術正在興起智能材料；材料研究的一種方法揭示材料物理性能的物理本質(zhì)，物理性能與材料成分、結(jié)構工藝過程的關系及環(huán)境穩(wěn)定性?！靶虏牧闲虏牧稀迸c與“高技術高技術”所謂所謂“新材料新材料”，就是那些新出現(xiàn)或已在發(fā)展中的，就是那些新出現(xiàn)或已在發(fā)展中的，在成分、組織、結(jié)構、形態(tài)等方面不同于普通材料，在成分、組織、結(jié)構、形態(tài)等方面不同于普通材料，具有傳統(tǒng)材料所不具備的優(yōu)異性能和特殊功能的材料。具有傳統(tǒng)材料所不具備的優(yōu)異性能和特殊功能的材料。所謂所謂“高技術高技術”，就是采用新材料、新工藝，產(chǎn)生更就是采用新材料、新工藝，產(chǎn)生更高效益，能促進人類社會更快進步的技術高效益，能促進人類社會更快進步的技術。高技術引入大量新材料，二者相輔相成。其中一個最突高技術引入大量新材料，二者相輔相成。其中一個最突出的例子是：半導體材料及大規(guī)模集成電路技術的不出的例子是：半導體材料及大規(guī)模集成電路技術的不斷突破，使電子計算機的體積越來越小，能力卻成千斷突破，使電子計算機的體積越來越小，能力卻成千上萬倍地提高。上萬倍地提高。材料物理性能課程內(nèi)容初步介紹材料的電學、磁學、光學、熱學及彈性和內(nèi)耗性能的物理本質(zhì)；描述這些性能與材料的成分、組織結(jié)構、工藝過程的關系及變化規(guī)律；介紹與物理性能相關的特殊材料；介紹與這些物理性能相關的測試技術與分析方法。v本課程的內(nèi)容龐雜，每章都自成體系。從四本課程的內(nèi)容龐雜，每章都自成體系。從四個方面進行學習：個方面進行學習：基本概念基本概念、物理本質(zhì)物理本質(zhì)、影影響因素響因素和和分析應用分析應用。v學習要求學習要求：v1 1、掌握基本概念、掌握基本概念v2 2、定性了解各種物理性能的物理本質(zhì)、定性了解各種物理性能的物理本質(zhì)v3 3、會分析實驗結(jié)果會分析實驗結(jié)果建議先修課程：普通物理、物理化學、固體物理(或材料物理)及相關數(shù)學知識（張量、矩陣）本課程：掌握材料物理性能的基本參數(shù)的物理意義及其本質(zhì)；熟練掌握材料物理參數(shù)與成分、結(jié)構的關系及影響因素，為設計新材料和材料改性打下一定基礎；熟練掌握材料物理性能的測量方法及其分析方法。材料物理性能教材及參考資料教材及參考資料：1材料物理性能，田蒔主編，北京：北京航空航天大學出版社，2004年2無機材料物理性能，關振鐸，張中太，焦金生，清華大學出版社3晶體的物理性質(zhì)，J.F.Nye，孟中巖等譯，西安交通大學出版社，1994年3PropertiesofMaterials,MaryAnneWhite,OxfordUniversityPress4功能材料學，周馨娥，北京理工大學出版社5半導體物理學，李名復等，科學出版社6電介質(zhì)物理學，殷之文，科學出版社7鐵電體物理學，鐘維烈，科學出版社8鐵電與壓電材料，許煜寰，科學出版社9鐵磁學，戴道生，錢昆明，科學出版社杜克大學教授戴維史密斯等人說，要制造這種扭曲光波的材料，關鍵是材料的晶格結(jié)構特性，而不是其物質(zhì)構成。他們從麥克斯韋方程出發(fā)，推導出了決定材料結(jié)構的一套方程式，人們可以按這套方程式來制造隱身材料。視覺隱身材料可以用于軍事領域，讓軍事設施、部隊等從敵人眼前“徹底消失”。由于光波屬于電磁波的一種，按他們的方程式也可以設計出能讓其他波段電磁波“扭曲”的材料。比如，能讓微波扭曲的材料如果用于無線電通信，就可以減少某些物體對通信的阻礙。其他科學家在同一期雜志上評論說，所謂“隱身”，實際上躲不過多波段電磁波的探測，能扭曲一種波的材料，對其他波長的電磁波就無效了。但通過一些改進，可以將視覺隱身的效果提高。設計簡單，12層結(jié)構，5種材料：空氣、鋁、聚乙烯(PE)、PMMA有機玻璃和聚偏氟乙烯(PVDF)，TM高斯波入射Wanli Lu,JunFeng Jin,Huanyang Chen,and Zhifang Lin,(2010)J Appl Phys,108,064517COMSOLMultiphysics人造光學黑洞airair,0,加速度狹窄空隙間中的氣隙阻尼現(xiàn)象COMSOLMultiphysics的傳感器仿真From:UniversityofManitobaCOMSOL的梳妝驅(qū)動器仿真?zhèn)鞲衅魇釥铗?qū)動器靜電、結(jié)構微米鉗子（頂部）和梳狀驅(qū)動機制(底部)微型平面電機散熱及溫度控制COMSOL的微系統(tǒng)散熱仿真該平面電機的功率為600W工作在強磁場環(huán)境中要求表面溫升不超過1且散熱空間只有306*306*14mm的范圍導體中的缺陷控制方程：涉及到：電學傳熱學材料學模型簡圖導體缺陷電壓接地電絕緣/熱絕緣相變模擬相區(qū)分模型簡化，沒有考慮液化潛熱，以及相變對電場的影響邏輯表達式：仿真結(jié)果時溫度分布電流分布仿真結(jié)果相變黃銅棒連鑄目的：模擬黃銅棒連鑄過程中溫度分布以及相變情況傳熱分析流速分析組份變化問題分析溫度變化描述：相變前：考慮相變：為高斯曲線曲線流場分析式中F為源項：組份模擬控制方程：結(jié)果分析速度分布圖熱通量曲線流場分布圖自適應網(wǎng)格電學相關仿真高斯定理高斯定理高斯高斯定理定理庫侖定律庫侖定律電場強度疊加原理電場強度疊加原理在真空中靜電場，穿過任一在真空中靜電場，穿過任一閉合曲面閉合曲面的電場強度通量，等于該曲面的電場強度通量，等于該曲面所包圍的所有電荷的代數(shù)和除以所包圍的所有電荷的代數(shù)和除以 .高斯定理高斯定理+有電介質(zhì)時的高斯定理有電介質(zhì)時的高斯定理電電介介質(zhì)質(zhì)q0q q內(nèi)內(nèi)q0內(nèi)內(nèi)S電介質(zhì)：通常說要的絕緣體，電子被原子核束縛麥克斯韋方程組麥克斯韋方程組電場強度 E E，電位移矢量（電通量密度，或電感應強度）D D，磁場強度 H H，磁通量密度（磁感應強度）B B，電流密度J J，電荷密度連續(xù)方程：磁矢勢，A電勢，V磁標勢，Vm勢：磁化強度矢量，M本構關系：=組織分布對電場影響模型1方形結(jié)構為鋁，內(nèi)部圓球為銅模型2相圖仿真模型0.1V電壓接地其余邊界為電絕緣控制方程銅電導率：5.998e7S/m鋁電導率：3.774e7S/m仿真結(jié)果模型1電流密度與電勢分布模型2電流密度與電勢分布仿真結(jié)果模型1中線處電流密度與電勢分布模型2中線處電流密度與電勢分布無銅球時電流密度分布y坐標3-4cm之間的電勢差1、0.075-0.0667522、0.07452-0.06674電阻抗傳感器本模型模擬導包含一個圓柱空腔的導電黑箱的阻抗分析分析顯示了空腔橫向位置對測量阻抗的影響，這可在后處理步驟中計算得到?？刂品匠毯瓦吔鐥l件傳導電流和位移電流的連續(xù)性方程變?yōu)椋寒敽雎愿袘獣r，電場無旋度，能被表示為標量勢V。電場E和電位移D可從V的梯度獲得：求解域的底部和垂直邊為接地邊界條件。上邊除電極外為絕緣，電極上施加1A的均勻分布電流源。黑箱相對介電常數(shù)：5電導率為：1mS/m結(jié)果與討論右圖為算出的阻抗和其相位角與空氣腔坐標的函數(shù)關系。當腔體在電極下經(jīng)過時，阻抗值出現(xiàn)一個尖銳的峰。下圖為電流密度分布：阻抗曲線電阻抗測量技術電阻抗測量被用于成像和探測，應用范圍包括無損傷測試、地球物理成像和醫(yī)學成像等電阻抗測量成像半導體二極管一個半導體二極管由兩個不同的摻雜區(qū)組成：一個空穴濃度占優(yōu)勢的p型區(qū)域和一個電子濃度占優(yōu)勢的n型區(qū)域。陽極與p型區(qū)域相連，陰極與n型區(qū)域相連二級管模型問題分析仿真的模型有三個因變量：，n和p。盡管這已經(jīng)是最簡化的模型了，但是仍然具有相當強的非線性。求解域方程為：式中：為靜電勢q為元電荷p和n分別為空穴和電子濃度N為電離施主濃度Shockley-Read-Hall復合正極外加電壓01V負極問題分析電離施主濃度表達式為：問題分析邊界電勢n，p初始濃度計算結(jié)果外加0V電壓時空穴濃度分布外加0V電壓時電子濃度分布外加1V電壓時電子濃度分布外加1V電壓時空穴濃度分布歐司朗LED芯片電流分布仿真在LED設計中，通常希望電流的分布比較均勻，而且不產(chǎn)生電擁擠。這個仿真的目的在于分析不同的PN觸點對LED芯片電流分布的影響芯片結(jié)構及PN接觸點位置仿真過程在COMSOL可以很方便的定義LED芯片各組成部分的結(jié)構、形狀以及性質(zhì)等二極管電流方程三維模型N觸點網(wǎng)格與N層電流方程仿真模型結(jié)果分析芯片電壓分布不同PN觸點形狀下電流密度分布結(jié)果分析不同N接觸點面積下芯片電流分布分分類示意示意圖電介介質(zhì)材料材料電容器模擬模擬了在一個靜電可調(diào)式平行板電容，通過彈簧可以調(diào)節(jié)電容器兩板間的距離，或者改變板間電介質(zhì)的相對介電常數(shù)可以改變電容器的電容值。本模型分析電容器的電勢分布以及電容的大小的物理量。電容器幾何模型相關理論標量電位滿足V滿足：其中是自由空間的介電常數(shù)，是相對介電常數(shù)，是空間電荷密度。電場E和電位移D可由V的梯度得到:電容:計算機仿真邊界：-上平板和連桿施加電勢1V-下平板始終為接地電勢電容器間材料：相對介質(zhì)常數(shù)4.2仿真結(jié)果電容器電勢分布電容計算結(jié)果：電場分布8.87517e-14F壓電材料壓電材料：受到壓力作用時會在兩端面間出現(xiàn)電壓的晶體材料壓電效應：應力與電場耦合p正壓電效應：機械能轉(zhuǎn)化為電能p逆壓電效應：電能轉(zhuǎn)化為機械能壓電石英晶體材壓電石英晶體材料料壓電材料的應用壓電材料的應用領域換能器各類傳感器電聲換能器水聲換能器超聲波換能器壓電式壓力傳感器加速度傳感器.超聲波換能器一種能把高頻電能轉(zhuǎn)化為機械能的一種裝置超聲波探頭起始波起始波 缺陷缺陷反射波反射波 底波底波工件工件缺陷缺陷無損檢測點火裝置傳感器跳舞機揚聲器壓電驅(qū)動梁模型由一個長為100mm的夾層懸臂梁組成；夾層中心為一個厚度為2mm的泡沫核心，兩側(cè)為8mm厚的鋁制層。另外，泡沫中心增加了一個10mm長的壓電驅(qū)動器，坐標為z=55mm和z=65mm之間壓電驅(qū)動梁模型壓電驅(qū)動梁材料屬性壓電材料為PZT-5H材料多為各向異性壓電耦合矩陣：彈性矩陣：絕對介電常數(shù)矩陣：控制方程：力學電學仿真邊界（1）該模型的結(jié)構力學邊界條件為懸臂梁在x=0處的邊界 被約束，其他表面均為自由。（2）該模型的靜電邊界條件為壓電材料區(qū)域的上下邊界之 間施加了20V的電勢。這也使得在垂直于x軸的方向上 建立了一個電場，因此在壓電材料內(nèi)部產(chǎn)生了應變。仿真結(jié)果位移結(jié)果壓電材料電勢分布壓電聲學換能器電場電場 壓力場壓力場 聲波場聲波場壓電材料模型壓電材料模型+聲場模型聲場模型V1=100V，V2=0f=200KHZ邊界條件壓電設備壓電設備 選擇下邊界：輥支撐，電勢接地；上邊界：邊界載荷（聲壓載荷），電勢100V聲壓設備聲壓設備 上邊界：法向加速度（固體應力），完美匹配層上邊界下邊界仿真結(jié)果聲壓分布上邊界應力與聲壓分布第一章材料的電學性能材料物理性能材料的電學性能n材料的導電性n半導體的電學性能n絕緣體的電學性能n超導電性n導電性的測量引言一、載流子電流是電荷的定向運動，電荷的載體稱為載流子。載流子電子、空穴正離子、負離子、空位二、遷移數(shù)表征材料導電載流子種類對導電貢獻的參數(shù)，用tx表示。ti+、ti-、te-、th+離子遷移數(shù)ti0.99的導體為離子導體；ti0.99的導體為混合導體。某種載流子輸運電荷的電導率各載流子輸運電荷的總電導率某一種載流子輸運電荷占全部電導率的分數(shù)第一節(jié) 材料的導電性一、電阻率和電導率歐姆定律：U=RIR表示導體的電阻，不僅與導體材料本身的性質(zhì)有關，而且還與其長度l及截面積S有關，其值Rl/S，式中 稱為電阻率或比電阻。電阻率只與材料特性有關，而與導體的幾何尺寸無關，因此評定材料導電性的基本參數(shù)是電阻率或電導率，電阻率的單 位為m,cm,cm。當施加的電場產(chǎn)生電流時，電流密度J正比于電場強度E，其比例常數(shù)即為電導率：電阻率的倒數(shù)即為電導率，即=1/，電導率的單位為S/m或-1m-1。工程上用相對電導率IACS%=/Cu%表征導體材料的導電性能。國際標準軟純銅電導率導體：108cm；半導體：值介于10-3108cm之間。材料物理性能材料的電學性能二、金屬導電理論二、金屬導電理論經(jīng)典自由電子論1900年特魯?shù)?洛倫茲1.經(jīng)典自由電子理論（量子理論發(fā)展前）霍耳效應當金屬導體處于與電流方向相垂直的磁場內(nèi)時，則在?？鐦悠返膬擅娈a(chǎn)生一個與電流和磁場都垂直的電場，此現(xiàn)象稱為霍耳效應。表征霍耳場的物理參數(shù)：霍耳系數(shù) 又因可得由式可見，霍爾系數(shù)只與金屬中的自由電子密度有關。霍爾效應證明了金屬中存在自由電子，理論計算與實驗測定結(jié)果對典型金屬相一致。電導率：經(jīng)典電子論的局限性經(jīng)典電子論模型成功地說明了歐姆定律，導電與導熱的關系。但在說明以下問題遇到困難：n實際測量的電子自由程比經(jīng)典理論估計值大許多；n電子比熱容測量值只是經(jīng)典理論值的百分之一；n霍爾系數(shù)按經(jīng)典自由電子理論只能為負，但在某些金屬中發(fā)現(xiàn)有正值；n無法解釋半導體，絕緣體導電性與金屬的巨大差異。這些都表明經(jīng)典電子論的不完善，其主要原因在于它機械地搬用經(jīng)典力學去處理微觀質(zhì)點的運動，因而不能正確反映微觀質(zhì)點的運動規(guī)律。2.量子自由電子理論量子理論的一些法則電子具有波、粒兩相性，運動著的電子作為物質(zhì)波，在一價金屬中，自由電子的動能E等mv2/2.有電場時的E-K曲線量子自由電子理論的電阻率表達式lF為費米面附近電子平均自由程；vF為費米面附近電子平均運動速度。3.能帶理論由于周期由于周期勢場的存在，的存在，自由自由電子的能子的能級發(fā)生生分裂，出分裂，出現(xiàn)允允帶和禁和禁帶。周期周期場中中電子運子運動的的E-K曲曲線及能及能帶電阻率n nef ef為單位體積內(nèi)實際參與傳導過程的電子數(shù)，稱為有效自由電子數(shù)。不同材料n nef ef 不同。一價金屬的n nef ef比二、三價金屬多，因此它們的導電性較好。m*m*表示電子的有效質(zhì)量，它是考慮晶體點陣對電場作用的結(jié)果。為散射系數(shù)，1/1/l l當電子波通過理想晶體點陣(0K)時,不受散射；只有晶體在點陣完整性遭到破壞的地方，電子波受到散射，這就是金屬產(chǎn)生電阻的根本原因。金屬產(chǎn)生電阻的根本原因。若金屬中含有少量雜質(zhì)，雜質(zhì)原子使金屬正常的結(jié)構發(fā)生畸變，對電子波引起額外散射。此時散射系數(shù)與溫度成正比與雜質(zhì)濃度成正比與溫度無關此時，總電阻包括金屬的基本電阻和溶質(zhì)濃度引起的電阻。電阻率遵循馬西森定律：當處于高溫時，金屬電阻主要由(T)主導；在低溫時，是主要的。在極低溫度下（4.2K)測得的金屬電阻率稱為金屬剩余電阻金屬剩余電阻率率，可作為衡量金屬純度的重要指標。(T)與溫度有關的電阻率與雜質(zhì)濃度、點缺陷、位錯有關電子類載流子導電金屬導電性主要以電子、空穴作為載流子導電的材料，可以是金屬或半導體。q導電機制由經(jīng)典自由電子理論得到：由能帶理論得到：為考慮晶體點陣對電場作用后電子的有效質(zhì)量為Fermi面附近電子的平均自由程材料物理性能材料的電學性能當電子波通過完整晶體點陣時(0K)，將不受散射，電阻為0；為無窮大；在晶體點陣完整性遭到破壞的地方，電子才受到散射，形成金屬的電阻?？啥x為散射系數(shù)，記為因此電阻率為與溫度成正比；雜質(zhì)原子使晶體點陣的周期性破壞，增加散射系數(shù)的值；材料物理性能材料的電學性能散射系數(shù)可分成兩部分：因此，電阻率記為此即為Matthiessen定律?；倦娮瑁唤饘偈Ｓ嚯娮?。根據(jù)Matthiessen定律可以測定金屬晶體的純度電學純度。指標為：材料物理性能材料的電學性能q電阻率與溫度的關系理想金屬在0K時電阻為0，當溫度升高時，電阻隨溫度單調(diào)增加；當有雜質(zhì)和結(jié)構缺陷時，電阻與溫度的關系曲線發(fā)生變化。金屬的電阻率隨溫度升高而增大。在不同溫度區(qū)間，電子散射的機制不同，因此電阻與溫度的關系不同。在低溫下，“電子電子”散射對電阻的貢獻較為顯著；所有溫度條件下，大多數(shù)金屬的電阻都取決于“電子聲子”散射。材料物理性能材料的電學性能原子熱振動在兩個溫度區(qū)域（以德拜溫度為臨界點）存在本質(zhì)差別。其電阻與溫度變化規(guī)律如下：根據(jù)數(shù)學知識，溫度T時的電阻率可以展開為：對于普通的非過渡族金屬，德拜溫度一般不超過500K，當時，線性關系足夠正確：材料物理性能材料的電學性能式中，為電阻溫度系數(shù)真電阻溫度系數(shù)則為：金屬熔化時電阻發(fā)生顯著變化：材料物理性能材料的電學性能發(fā)生磁性轉(zhuǎn)變時，電阻率也表現(xiàn)顯著變化：材料物理性能材料的電學性能q電阻率與壓力的關系在流體靜壓力壓縮時，金屬原子間距縮小，內(nèi)部缺陷形態(tài)、電子結(jié)構、費密能和能帶結(jié)構都將發(fā)生變化，因而影響金屬的導電性能。在流體靜壓下，金屬的電阻率計算：按壓力對金屬導電性的影響，金屬分為：正常金屬：隨壓力增大，電阻率下降；反常金屬：隨壓力增大，電阻率上升；大多為堿金屬和稀土金屬材料物理性能材料的電學性能高的可以使很多物質(zhì)由半導體、絕緣體變?yōu)榻饘伲翰牧衔锢硇阅懿牧系碾妼W性能q冷加工和缺陷對電阻率的影響冷加工引起晶格畸變，增加電子散射幾率，導致金屬電阻率增加。冷加工金屬的電阻率可由Matthisessen定律表達：冷加工金屬退火后，電阻率可恢復材料物理性能材料的電學性能q冷加工和缺陷對電阻率的影響冷加工引起晶格畸變，增加電子散射幾率，導致金屬電阻率增加。冷加工金屬的電阻率可由Matthisessen定律表達：冷加工金屬退火后，電阻率可恢復材料物理性能材料的電學性能q電阻率的尺寸效應導體的導電機制，為Fermi面附近電子的平均自由程材料物理性能材料的電學性能q電阻率的各向異性對稱性高的金屬的電阻表現(xiàn)為各向同性；對稱性差的晶體，其導電性表現(xiàn)為各向異性。材料物理性能材料的電學性能q固溶體的電阻率一般來說，固溶體形成時，晶格勢場的周期性被破壞，合金的導電性能降低。在連續(xù)固溶體中合金成分距組元越遠，電阻率越高。鐵磁性及強順磁性金屬固溶體的電阻率變化有異常。低濃度固溶體電阻率也可由Matthiessen定律表示為：材料物理性能材料的電學性能q化合物、中間相、多相合金的電阻率材料物理性能材料的電學性能有序轉(zhuǎn)變時，電阻率也發(fā)生變化：材料物理性能材料的電學性能導體中的缺陷控制方程：涉及到：電學傳熱學材料學模型簡圖導體缺陷電壓接地電絕緣/熱絕緣相變模擬相區(qū)分模型簡化，沒有考慮液化潛熱，以及相變對電場的影響邏輯表達式：仿真結(jié)果時溫度分布電流分布仿真結(jié)果相變?nèi)?、無機非金屬材料的導電機理離子電導是帶電荷的離子載流子在電場作用下的定向運動。電荷載流子一定是材料中最易移動的離子。離子型晶體可分為兩類：材料物理性能材料的電學性能離子型晶體的導電機理第一類離子電導第一類離子電導源于晶體點陣中基本離子基本離子的運動，稱為離子固有電導或本征電導。本征電導在高溫高溫下為導電主要表現(xiàn)。這種離子隨著熱振動的加劇而離開晶格陣點，形成熱缺陷。這種熱缺陷無論是離子或者空位均帶電，可作為載流子，參加導電。第二類離子電導第二類離子電導是結(jié)合力比較弱的離子運動造成的，這些離子主要是雜質(zhì)離子雜質(zhì)離子，因而稱為雜質(zhì)電導。在低溫低溫下，離子晶體的電導主要由雜質(zhì)載流子濃度決定。由雜質(zhì)引起的電導率可以用下式表示，即當材料中存在多種載流子時，材料的總電導率是各種電導率的總和，可表示為：A、B為材料常數(shù)q離子電導理論離子導電性可以認為是離子電荷載流子在電場作用下，通過材料的長距離的遷移。因此，電荷載流子一定是材料中最易移動的離子?？紤]離子在一維平行于x方向上移動，那么越過能壘V的幾率P為：為與不可逆跳躍相關的適應系數(shù)為離子在勢阱中振動頻率。當加上電場后，沿電場方向位壘降低，而反電場方向位壘將提高。材料物理性能材料的電學性能如果勢阱之間距離為b，那么，向右的勢能降低：F是作用在離子價為z的離子上的電場力。因此，向右運動的幾率為：向左運動的幾率為：正的遷移次數(shù)多于負的，因此，在電場方向上存在一平均漂移速度：材料物理性能材料的電學性能只要電場強度足夠低，那么在足夠強大的電場作用下，電流密度j為：代入P,并令材料物理性能材料的電學性能電阻率為，經(jīng)驗公式則為，材料物理性能材料的電學性能材料物理性能材料的電學性能由熱力學第二定律得根據(jù)此式，可由實驗測定直流電導率得到的自由能變化研究過程的焓變和熵變。材料物理性能材料的電學性能離子電導與擴散離子的尺寸和質(zhì)量都比電子大很多，其運動方式是從一個平衡位置跳躍到另一平衡位置，因此，離子導電可以看成是離子在電場作用下的擴散現(xiàn)象。載流子離子濃度梯度所形成的電流密度為：當存在電場E作用時，其產(chǎn)生的電流密度可用歐姆定律的微分形式表示為：總電流密度則為：材料物理性能材料的電學性能根據(jù)波爾茲曼分布，在存在電場時則濃度表示為因此，濃度梯度為，在熱平衡下，可以認為，因此，可得到，此式即為能斯特愛因斯坦方程，建立了離子電導率和離子擴散系數(shù)D之間的關系。材料物理性能材料的電學性能能斯脫愛因斯坦方程：其中，D為擴散系數(shù)；n為載流子單位體積濃度；q為離子電荷電量。離子導電是離子在電場作用下的擴散現(xiàn)象，其擴散路徑暢通，離子擴散系數(shù)就高，導電率也就高。根據(jù)nq可得為離子遷移率；B為離子絕對遷移率，B/q離子電導率和離子擴散系數(shù)間建立聯(lián)系q離子導電的影響因素1)溫度的影響溫度以指數(shù)形式影響其電導率。隨著溫度從低溫向高溫增加，其電阻率的對數(shù)的斜率出現(xiàn)拐點，將整個區(qū)間分為高溫區(qū)的本征導電，低溫區(qū)的雜質(zhì)導電。材料物理性能材料的電學性能2)離子性質(zhì)、晶體結(jié)構的影響離子性質(zhì)、晶體結(jié)構對離子導電的影響是通過改變導電激活能實現(xiàn)的。熔點高的晶體，結(jié)合力大，相應的導電激活能也高，電導率就低；晶體結(jié)構的影響是提供利于離子移動的通路。材料物理性能材料的電學性能3)點缺陷的影響由于熱激活，在晶體中產(chǎn)生Shottky缺陷或Frenkel缺陷，影響晶體中的擴散系數(shù)，以至影響到固體電解質(zhì)的電導率。此外，環(huán)境氣氛變化，使離子型晶體的正負離子化學計量比發(fā)生變化，而生成晶格缺陷。如ZrO2中，氧的脫離形成氧空位。材料物理性能材料的電學性能q快離子導體(FIC)具有離子導電的固體物質(zhì)稱為固體電解質(zhì)。快離子導體電導率比正常離子化合物的電導率高出幾個數(shù)量級的固體電解質(zhì)。常見的快離子導體分為三組：銀和銅的鹵族和硫族化合物金屬原子在這些化合物中鍵合位置相對隨意；具有-氧化鋁結(jié)構的高遷移率的單價陽離子氧化物；具有氟化鈣結(jié)構的高濃度缺陷氧化物；材料物理性能材料的電學性能快離子導體的電導率：材料物理性能材料的電學性能快離子導體的結(jié)構特征：1)晶體結(jié)構的主體是由一類占有特定位置的離子構成；2)具有大量的空位，這些空位數(shù)量遠膏腴可移動的離子數(shù)；3)亞晶格點陣之間具有近乎相等的能量和相對低的激活能；4)在點陣間總是存在通路，以至于沿著有利的路徑可以平移。材料物理性能材料的電學性能（二）玻璃的導電機理第二節(jié) 半導體的電學性能晶體結(jié)構：材料物理性能材料的電學性能材料物理性能材料的電學性能q半導體材料能帶結(jié)構材料物理性能材料的電學性能材料物理性能材料的電學性能材料物理性能材料的電學性能材料物理性能材料的電學性能直接帶隙與間接帶隙：材料物理性能材料的電學性能材料物理性能材料的電學性能材料物理性能材料的電學性能材料物理性能材料的電學性能材料物理性能材料的電學性能一.本征半導體在絕對零度和無外界影響的條件下，半導體的空帶中無運動的 電子。但當溫度升高或受光照射時，也就是半導體受到熱激發(fā)熱激發(fā)時，共價鍵中的價電子由于從外界獲得了能量，其中部分獲得了足夠大能量的價電子就可以掙脫束縛，離開原子而成為自由電子。本征半導體就是指純凈的無結(jié)構缺陷的半導體單晶。半導體硅The basic bond representation of intrinsic silicon.A broken bond at Position A,resulting in a conduction electron and a hole.（一）本征載流子濃度（二）本征半導體載流子遷移率在漂移過程中，載流子不斷地互相碰撞，使得大量載流子定向漂移運動的平均速度為一個恒定值，并與電場強度E E成正比。自由電子和空穴的定向平均漂移速度分別為遷移率（三）本征半導體的電阻率/電導率本征半導體在電場E作用下，空穴載流子將沿E方向作定向漂移運動，產(chǎn)生空穴電流ip；自由電子將逆電場方向作定向漂移運動，產(chǎn)生電子電流 in?？傠娏髅芏菾為：本征半導體的電阻率：本征電導率：1)1)本征激發(fā)成對產(chǎn)生自由電子和空穴，自由電子濃度與空穴濃度相等；2)2)禁帶寬度Eg Eg 越大，載流子濃度n ni i 越?。?)3)溫度升高時載流子濃度n ni i 增大。4)4)載流子濃度n ni i 與原子密度相比是極小的，所以本征半導 體的導電能力很微弱。本征半導體的電學特性二.雜質(zhì)半導體（一）n型半導體 雜質(zhì)原子電子成為導電電子所需能量10-2ev硅原子電子成為導電電子所需能量常溫下，每個摻入的五價元素原子的多余價電子都可以進入導帶成為自由電子，因而導帶中的自由電子數(shù)比本征半導體顯著地增多。n型半導體的電流密度：（二）p型半導體摻入三價雜質(zhì)元素（硼，鋁，鎵，銦）后，三價元素原子只有三個價電子，當其取代點陣中的硅原子并與周圍的硅原子形成共價鍵時，必然缺少一個價電子，形成一個空位置。雜質(zhì)原子接受的電子能量高于價帶頂部能量，但十分接近價帶。Ea是電子從價帶跳到雜質(zhì)原子能級所需能量，稱為受主能級；三價元素原子為受主雜質(zhì)。在常溫下，處于價帶中的價電子都可以進入受主能級。所以每一個三價雜質(zhì)元素的原子都能接受一個價電子，而在價帶中產(chǎn)生一個空穴。P P型半導體的電阻率為：型半導體的電阻率為：式中，式中，N NA A為受主雜質(zhì)濃度為受主雜質(zhì)濃度雜質(zhì)半導體特性1)1)摻雜濃度與原子密度相比雖很微小，但是卻能使載流子濃度極大地提高，因而導電能力也顯著地增強。摻雜濃度愈大，其導電能力也愈強。2)2)摻雜只是使一種載流子的濃度增加，因此雜質(zhì)半導體主要靠多子導電。當摻入五價元素(施主雜質(zhì))時，主要靠自由電子導電；當摻入三價元素(受主雜質(zhì))時，主要靠空穴導電。q半導體材料及應用材料物理性能材料的電學性能材料物理性能材料的電學性能IMPORTANTSEMICONDUCTORS:ELECTRONICS材料物理性能材料的電學性能IMPORTANTSEMICONDUCTORS:OPTOELECTRONICSCosiderations:Correctbandgap(Eg)forlightemission/detectionatappropriatewavelength.Substrateavailabilityforhighqualitygrowth.材料物理性能材料的電學性能材料物理性能材料的電學性能材料物理性能材料的電學性能材料物理性能材料的電學性能材料物理性能材料的電學性能q少數(shù)載流子的行為在熱平衡條件下，給定半導體中的電子和空穴共存，其數(shù)量達到穩(wěn)定狀態(tài)。當受到能量大于帶隙的光子的輻照時，價帶的電子吸收光子能量躍遷至導帶，而在價帶產(chǎn)生空穴，其數(shù)量均超過熱平衡，出現(xiàn)過剩載流子。當外界條件消除后。導帶中過剩載流子逐漸回到價帶中，即發(fā)生復合。一般來說，過剩載流子的濃度按指數(shù)規(guī)律衰減：材料物理性能材料的電學性能復合幾率P為：過剩少子的復合方式：直接復合：間接復合：經(jīng)過復合中心實現(xiàn)；由雜質(zhì)和缺陷充當復合中心。雜質(zhì)和缺陷還能起陷阱作用，延長過剩載流子壽命。材料物理性能材料的電學性能q半導體接觸金屬半導體結(jié)材料物理性能材料的電學性能材料物理性能材料的電學性能P-N結(jié)p型半導體與n半導體接觸，載流子發(fā)生擴散。材料物理性能材料的電學性能載流子發(fā)生擴散，建立起一電場V0，使得擴散過程達到平衡。接觸的pn結(jié)平衡的條件是：費米能級達到一致。V0的大小取決于帶隙的寬度、兩種半導體材料的濃度及材料的溫度。材料物理性能材料的電學性能材料的超導性材料的超導性超超導特性特性1.1.完全抗磁性完全抗磁性當當超超導導體體冷冷卻卻到到臨臨界界溫溫度度以以下下而而轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變變?yōu)闉槌瑢B(tài)態(tài)后后，只只要要周周圍圍的的外外加加磁磁場場沒沒有有強強到到破破壞壞超超導導性性的的程程度度，超超導導體體就就會會把把穿穿透透到到體體內(nèi)內(nèi)的的磁磁力力線線完完全全排排斥斥出出體體外外，在在超超導導體體內(nèi)內(nèi)永永遠遠保保持持磁磁感感應應強強度度為為零零。超超導導體體的的這這種種特特殊殊性性質(zhì)質(zhì)被被稱稱為為“邁邁斯斯納納效效應應”。邁邁斯斯納納效效應應與與零零電電阻阻現(xiàn)現(xiàn)象象是是超超導導體體的的兩兩個個基基本本特特性性，它它們們既既互互相相獨獨立立，又又密密切聯(lián)系。切聯(lián)系。超超導特性特性2 2.超導態(tài)的臨界參數(shù)超導態(tài)的臨界參數(shù) 溫溫度度（T TC C）超超導導體體必必須須冷冷卻卻至至某某一臨界溫度以下才能保持其超導性。一臨界溫度以下才能保持其超導性。臨臨界界電電流流密密度度（J JC C）通通過過超超導導體體的的電電流流密密度度必必須須小小于于某某一一臨臨界界電電流流密密度度才能保持超導體的超導性。才能保持超導體的超導性。臨臨界界磁磁場場（H HC C）施施加加給給超超導導體體的的磁磁場場必必須須小小于于某某一一臨臨界界磁磁場場才才能能保保持持超超導體的超導性。導體的超導性。以以上上三三個個參參數(shù)數(shù)彼彼此此關關聯(lián)聯(lián)，其其相相互互關關系系如如右圖所示。右圖所示。超超導體分體分類目前已查明在常壓下具目前已查明在常壓下具有超導電性的元素金屬有超導電性的元素金屬有有3232種（如右圖元素周種（如右圖元素周期表中期表中青色方框青色方框所示），所示），而在高壓下或制成薄膜而在高壓下或制成薄膜狀時具有超導電性的元狀時具有超導電性的元素金屬有素金屬有1414種（如右圖種（如右圖元素周期表中元素周期表中綠色方框綠色方框所示所示）。）。第第I I類超導體類超導體第第I類超超導體體主要包括一些在常溫下具有良好主要包括一些在常溫下具有良好導電性的性的純金屬，如金屬，如鋁、鋅、鎵、鎘、鎘、錫、銦等，等，該類超超導體的溶點體的溶點較低、低、質(zhì)地地較軟，亦被稱作，亦被稱作“軟超超導體體”。其特征是由正常其特征是由正常態(tài)過渡到超渡到超導態(tài)時沒有中沒有中間態(tài)，并且具有完全抗磁性。，并且具有完全抗磁性。第第I類超超導體由于其體由于其臨界界電流密度和流密度和臨界磁界磁場較低，因而沒有很好的低，因而沒有很好的實用價用價值。超超導體分體分類超超導體分體分類第第IIII類超導體類超導體除除金金屬屬元元素素釩、锝和和鈮外外，第第II類超超導體體主主要要包包括括金金屬屬化化合合物物及及其其合合金金。第第II類超超導體和第體和第I類超超導體的區(qū)體的區(qū)別主要在于主要在于：1)1)第第II類超超導體由正常體由正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢B(tài)時有一個中有一個中間態(tài)（混合（混合態(tài)）第第II類超超導體的混合體的混合態(tài)中有磁通中有磁通線存在，而第存在，而第I類超超導體沒有；體沒有；第第II類超超導體比第體比第I類超超導體有更體有更好的好的實用價用價值第第II類超超導體根據(jù)其是否具有體根據(jù)其是否具有磁通磁通釘扎中心扎中心而分而分為理想第理想第II類超超導體和非理體和非理想第想第II類超超導體體。理想第理想第II類超超導體的體的晶體晶體結(jié)構比構比較完整完整，不存在磁通，不存在磁通釘扎中心，并且當磁通扎中心，并且當磁通線均勻排列均勻排列時，在磁通，在磁通線周周圍的的渦旋旋電流將彼此抵消，其體內(nèi)無流將彼此抵消，其體內(nèi)無電流通流通過，從而不具有高從而不具有高臨界界電流密度。流密度。非理想第非理想第II類超超導體的體的晶體晶體結(jié)構存在缺陷，構存在缺陷，并且存在磁通并且存在磁通釘扎中心，其體內(nèi)扎中心，其體內(nèi)的磁通的磁通線排列不均勻，體內(nèi)各排列不均勻，體內(nèi)各處的的渦旋旋電流不能完全抵消，出流不能完全抵消，出現(xiàn)體內(nèi)體內(nèi)電流，流，從而具有高從而具有高臨界界電流密度。在流密度。在實際上，真正適合于上，真正適合于實際應用的超用的超導材料是材料是非理想第非理想第II類超超導體。體。超超導體分體分類超導體超導體大多數(shù)高純金屬冷至接近大多數(shù)高純金屬冷至接近0 K時，其電阻時，其電阻漸漸降低而趨于一個較小的極限值。但有漸漸降低而趨于一個較小的極限值。但有少數(shù)材料降至一個很低的溫度時其電阻突少數(shù)材料降至一個很低的溫度時其電阻突降并趨近于零，這種材料就叫做超導體，降并趨近于零，這種材料就叫做超導體，此溫度就稱為臨界溫度此溫度就稱為臨界溫度Tc。約瑟夫遜器件 約瑟夫遜器件的I/V特性依照超導體對磁場的反應，可將其分為兩種類型。依照超導體對磁場的反應，可將其分為兩種類型。類超導體在超導狀態(tài)下是抗磁性的，即不被外界磁場類超導體在超導狀態(tài)下是抗磁性的，即不被外界磁場磁化。但是在低于臨界溫度磁化。但是在低于臨界溫度Tc時外磁場大于臨界磁場強時外磁場大于臨界磁場強度度Hc后，材料由超導狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌顟B(tài)，磁力線也由后，材料由超導狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌顟B(tài)，磁力線也由繞過物體到穿過物體。繞過物體到穿過物體。類超導體則在磁場大于類超導體則在磁場大于HC1后開始能被磁力線穿越，到后開始能被磁力線穿越，到HC2后則處于常到狀態(tài)，能完全被磁力先穿越。這類超導后則處于常到狀態(tài)，能完全被磁力先穿越。這類超導材料由于有較高的材料由于有較高的Tc，故更有實用意義一些。目前，以故更有實用意義一些。目前，以Nb合金為主，特別是合金為主，特別是Nb3Sn。近年來，研究工作者發(fā)現(xiàn)，原來是絕緣體的某幾種陶瓷材近年來，研究工作者發(fā)現(xiàn)，原來是絕緣體的某幾種陶瓷材料在較低的溫度下竟然成了導體，而且它們的臨界溫度料在較低的溫度下竟然成了導體，而且它們的臨界溫度Tc還高于普通的超導體，這類陶瓷就被稱為高溫超導體。如還高于普通的超導體，這類陶瓷就被稱為高溫超導體。如Yba2Cu3O7的的Tc在在90 K左右。高溫超導體的發(fā)現(xiàn)極大地鼓左右。高溫超導體的發(fā)現(xiàn)極大地鼓舞了超導體的應用研究，可以期望不久的將來高溫超導的舞了超導體的應用研究，可以期望不久的將來高溫超導的實際應用會愈加廣泛。下表中也列出了主要的高溫超導材實際應用會愈加廣泛。下表中也列出了主要的高溫超導材料的參數(shù)。料的參數(shù)。幾種常見超導體的臨界溫度和臨界磁感應強度幾種常見超導體的臨界溫度和臨界磁感應強度材料材料臨界溫度臨界溫度TC(K)臨界磁感應強度臨界磁感應強度 BC（特斯拉）特斯拉）Sn3.720.0305Pb7.190.0803Nb-Zr合金合金10.811Nb-Ti合金合金10.212Nb3Sn18.322Yba2Cu3O792Bi2Sr2Ca2Cu3O10110對于一種超導材料，當它處于一個低于臨界溫度對于一種超導材料，當它處于一個低于臨界溫度Tc的溫度的溫度T時，其臨界磁場強度時，其臨界磁場強度Hc(T)與溫度有關，具體關系如下：與溫度有關，具體關系如下：Hc(0)是是0K時的臨界磁場強度。時的臨界磁場強度。目前，超導材料已開始用于一些儀器設備上，作為低功耗目前，超導材料已開始用于一些儀器設備上，作為低功耗的強磁體器件，如醫(yī)療用磁共振圖象儀等。的強磁體器件，如醫(yī)療用磁共振圖象儀等。此外，利用超導材料可在超導體電機、磁懸浮列車等方面此外，利用超導材料可在超導體電機、磁懸浮列車等方面應用。應用。小結(jié)n1、超導特性超導特性:1.完全抗磁性在超導體內(nèi)永遠保持磁感應完全抗磁性在超導體內(nèi)永遠保持磁感應強度為零邁斯納效應與零電阻現(xiàn)象是超導體的兩個基本特強度為零邁斯納效應與零電阻現(xiàn)象是超導體的兩個基本特性性2.超超導導態(tài)態(tài)的的臨臨界界參參數(shù)數(shù)溫溫度度（TC），臨臨界界電電流流密密度度（JC）,臨臨界磁場（界磁場（HC）.3、超超導導體體分分類類:第第I類類超超導導體體主主要要包包括括一一些些在在常常溫溫下下具具有有良良好好導導電電性性的的純純金金屬屬,亦亦被被稱稱作作“軟軟超超導導體體”第第I類類超超導導體體由由于于其其臨臨界界電電流流密密度度和和臨臨界界磁磁場場較較低低，因因而而沒沒有有很很好好的的實實用用價價值值。第第II類類超超導導體體根根據(jù)據(jù)其其是是否否具具有有磁磁通通釘釘扎扎中中心心而而分分為為理理想想第第II類類超超導導體體和和非非理理想想第第II類類超超導導體體,理理想想第第II類類超超導導體體的的晶晶體體結(jié)結(jié)構構比比較較完完整整,非非理理想想第第II類類超超導導體體的的晶晶體體結(jié)結(jié)構構存存在在缺陷，缺陷，實際應用的超導材料是非理想第實際應用的超導材料是非理想第II類超導體。類超導體。4、高溫超導體。如高溫超導體。如Yba2Cu3O7的的Tc在在90 K左右。左右。第三節(jié) 絕緣體的電學性能絕緣體是指不善于傳導電流的物質(zhì)，又稱為電介質(zhì)。它們的電阻率極高。評價絕緣材料的主要電學性能指標：評價絕緣材料的主要電學性能指標：(1)(1)介電常數(shù)，(2)(2)耐電強度，(3)(3)損耗因數(shù)，(4)(4)體電阻率和表面電阻率，其中前三項屬介電性，后者屬于導電性。材料電性能測量及應用q材料電性能測量電阻的測量方法很多，一般都是根據(jù)測量的需要利具體的測試條件來選擇不同的測試方法。按測量的范圍或測量的準確度要求來分類：對107以上較大的電阻(俗稱高阻)，如材料的絕緣電阻的測量，粗測時，可選用兆歐表(俗稱搖表)；要求精測時，可選用沖擊檢流計測量。102106的中值電阻測量時，可選用萬用表擋、數(shù)字式歐姆表或伏安法測量，精測時可選用單電橋法測量；10-6102的電阻的測量，如金屬及其合金電阻的測量，必須采用較精確的測量，可選用雙電橋法或直流電位差計法測量；對半導體材料電阻的測量用直流四探針法。材料物理性能材料的電學性能導體電阻率測量因為金屬及合金的電阻率一般都很小，即使再紉再長的試樣電阻也不會超過106，故可采用單電橋法測量。無論是單臂電橋、雙臂電橋還是直流電位差計，都是屬于比較法測量，即把待測量與已知量(標準量)采用某種方式進行比較而獲得測量結(jié)果。雙電橋法：材料物理性能材料的電學性能導體電阻率測量雙電橋法：材料物理性能材料的電學性能電位差計法當一恒定直流電通過試樣和標準電阻時，測定試樣和標準電阻兩端的電壓降，材料物理性能材料的電學性能半導體電阻率測量材料物理性能材料的電學性能測量原理：點電流源周圍的電流分布：電場強度分布：任意一點的電勢：由2、3兩點之間的電位差可得：探針系數(shù)材料物理性能材料的電學性能若四探針處于同一平面的一條直線上，且間距均為S，則有：材料物理性能材料的電學性能絕緣體電阻率測量Cb為沖擊檢流計的沖擊常數(shù)為檢流計的最大偏移材料物理性能材料的電學性能q電阻法分析在材料研究中的應用通過測量材料電阻率變化來研究材料的內(nèi)部組織結(jié)構及缺陷的方法稱為電阻法。用電阻分析法來研究材料的成分、結(jié)構和組織變化的靈敏度很高，它能極敏感地反映出材料內(nèi)部的微弱變化。但由于影響電阻的因素較多，測量結(jié)果不太容易分析，故此法尚有一些不足，但由于很容易對材料的許多物理過程進行電阻的跟蹤測量，故此方法仍然是應用較廣的一種方法。電阻分析法可研究的問題較多。材料物理性能材料的電學性能測量固溶體溶解度曲線材料物理性能材料的電學性能對所有淬火溫度，作出電阻率成分關系曲線，找出相應的臨界點，即為相應的最大溶解度，將這些點在溫度一成分坐標中連接起來，就得到了溶解度曲線。材料物理性能材料的電學性能研究合金時效從固溶體電阻變化特性可知，隨溫度升高，固溶體溶解反增加。如果進行高溫淬火，使得到過飽和固溶體，其電阻也將升高。當進行時效處理時，從過飽和固溶體中析出新相，此時合金電阻率下降。這樣，便可根據(jù)電阻率變化特性研究合金時效過程，建立合金的時效動力學曲線。材料物理性能材料的電學性能研究馬氏體轉(zhuǎn)變對熱彈馬氏體相變研究表明，在降溫進行正馬氏體相變及升溫進行反馬氏體相變過程中，發(fā)現(xiàn)電阻有反常變化。一般來說形成馬氏體時，合金電阻急劇增加；馬氏體消失，電阻下降。因此從電阻變化的特點可以確定熱彈馬氏體相變的溫度范圍。材料物理性能材料的電學性能研究疲勞和裂紋擴展在一定條件下，試樣電阻變化是微裂紋擴展長度的函數(shù)，因此，用電阻法可以定量地確定微裂紋擴展深度。材料物理性能材料的電學性能