第二章--导电功能材料

1功能材料2导电功能材料是指那些具有导电特性的物质，它包括电阻材料、电热与电光材料、导电与超导材料、半导体材料、介电材料、离子导体和导电高分子材料等。第二章导电功能材料3一、固体导电理论自由电子理论（量子自由电子理论）能带理论近代电导理论第一节固体的导电性4二、导电功能材料的分类导体(电导率106～108S/m)绝缘体(电导率10－20～10S/m)半导体(电导率10－9～105S/m)5第二节金属导电材料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。它包括：1.电力工业用的电线、电缆等强电用的导电引线材料2.电子工业中传送弱电流的导体布线材料、导电涂料、导电粘接剂及导电透明材料。6导电引线材料要求：高的导电性、足够的机械强度、不易氧化、不易腐蚀、易加工、可焊接。Ａ、导电引线材料7要求：膜电阻小、附着力强、可焊性和抗焊熔性好等。材料：Au、Ag、Cu、Al等电导率高的材料；或使用金属粉和石墨粉与非金属混合的复合导电材料。其电阻率通常比强电用材料高得多，并有厚膜和薄膜之分。Ｂ、导体布线材料8厚膜布线导体可分为如下二类：①Au、Ag、Pt、Pd等贵金属系采用导体浆料丝网印刷后烧结而成，膜层致密，附着力强，可用非活性焊剂焊接，抗焊熔性好，丝网印刷性好，与多种电阻及介质材料兼容。②Cu、Ni、Al、Cr等贱金属系价格低廉，膜电阻小、可焊性和抗焊熔性好、无离子迁移；但工艺要求高，老化性能较差。9薄膜布线导体也可分为二类：①单种金属形成的单层薄膜导体（单元膜）有良好的导电性，易于成膜，无需其它金属做底层就可具有良好的附着力、可超声焊和热压焊、成本低，薄膜表面生成的氧化层有利提高多层布线的绝缘性。缺点：铝薄膜表面的氧化层造成焊接困难，焊点易脱开，抗电迁移能力弱。10②不同金属膜所构成的多层薄膜导体（复合膜）一般包括底层和顶层：底层主要作用是使顶层导体膜牢固附在基片上。常见有Cr、NiCr、Ti等易氧化的金属，以便与基片中的氧形成共价键，厚度约20～50nm；顶层通常为导电性好、抗电迁移能力强、化学稳定性高、可焊性好的Au膜，厚度1000nm；有时为阻止底层和顶层间的互扩散，提高稳定性和抗蚀能力，加入100～300nm阻挡层（如Cu）。11第三节电阻材料凡利用物质的固有电阻特性来制造不同功能元件的材料都称为电阻材料。它包括：1.调节器、电位器、精密仪器仪表用的精密电阻合金2.加热器用的电阻材料。3.传感器用的电阻合金4.电子工业用的膜电阻材料12电阻系数,又叫电阻率,是指电热体当温度在20℃,1m长度的电热体1mm2端面所具有的电阻值,其单位：Ω•mm2/m。电热体的电阻随着温度变化而变化，衡量这个变化程度的叫电阻温度系数。可按下式计算：式中20为电热元件在20℃的电阻率；为电阻温度系数，℃-1；t为电热元件的工作温度，℃。20(1)tt13特点：①在尽可能宽的温度范围内具有低的电阻温度系数TCR及二次电阻温度系数；②电阻值均匀性好；③良好的加工工艺性能和力学性能；④耐磨性和抗氧化性好。材料：包括锰铜合金、镍铜合金、改良型镍铬电阻合金、贵金属精密电阻合金以及改良型铁铬铝等其它系列精密电阻合金等。一、精密电阻合金14包括工作在1350C以下的普通中低温电热合金和在1350C以上使用的贵金属电热合金及陶瓷电热材料。特点：①在高温下具有良好的抗氧化性及稳定性；②具有高的电阻率和低的电阻温度系数；③良好的加工工艺性能；④足够的高温强度；⑤价格低廉。二、电热器用电阻材料152.1电热合金康铜(Cu-Ni)合金，使用温度500C以下，具有不大的电阻温度系数和较高的电阻率。Ni基或Fe基电热合金，使用温度900～1300C。Ni基合金随Cr含量不同，其抗氧化能力不同，w(Cr)为15％以上，其性能良好，Ni80Cr20合金综合性能最好；Fe基合金的耐热性随Al和Cr的含量增加而增高，且长时间使用永久伸长率较大。16Ni基及Fe基合金在1000~1300℃范围内，空气中使用最多。它们抗氧化、价格便宜、易加工、电阻大和电阻温度系数小。注意：它们抗氧化因为在高温下由于空气的氧化能生成(致密的）Cr2O3或NiCrO4，阻止进一步氧化。①纯金属电热体钨、钼、钽（Mo、W、Ta）共性：在真空或适当气氛下获得更高的温度；电阻系数大，熔点高，抗氧化差(不能在空气中使用)钼：常用温度1600～1700℃钨：2200～2400℃,熔点3400℃钽：2000～2100℃，熔点2900℃高纯氢,氨分解气,无水酒精蒸汽,真空∵钼在氧化气氛下生成氧化钼升华，易渗碳变脆，最高使用温度2500℃使用气氛真空、高纯氢气或惰性气体真空和惰性保护气氛（注意：氮气中不能用)最高使用温度2200℃注意:不能处渗碳气氛中2.2电热贵金属18②铂和铂铑合金(Pt,Pt-Rh)铂：多用于微型电热炉中,如卧式显微镜的微型加热炉,测定冶金熔体熔点的小型电炉及标定热电偶的小型电路中；使用温度为1300~1400℃,铂铑合金丝可用到1600℃。铂电热体优点，。能经受氧化气氛电阻系数小升温导热快电热性能稳定缺点不能经受还原性气氛及硅、铁、硫、碳元素的侵蚀价格十分昂贵192.3电热陶瓷①碳化硅(SiC)②二硅化钼(MoSi2)③铬酸镧（LaCrO3）④二氧化锡（SnO2）20①碳化硅（SiC）碳化硅是通过键能很高的共价键结合的晶体。碳化硅是用石英沙(SiO2)加焦碳直接加热至高温还原而成：SiO2+3C→SiC+2CO。碳化硅的烧结工艺也有热压和反应烧结两种。由于碳化硅表面有一层薄氧化膜，因此很难烧结，需添加烧结助剂促进烧结，常加的助剂有硼、碳、铝等。21碳化硅的最大特点是高温强度高，有很好的耐磨损、耐腐蚀、抗蠕变性能，其热传导能力很强，仅次于氧化铍陶瓷。碳化硅陶瓷用于制造火箭喷嘴、浇注金属的喉管、热电偶套管、炉管、燃气轮机叶片及轴承，泵的密封圈、拉丝成型模具等。SiC轴承碳化硅陶瓷坩埚22形状:常为棒状或管状，也有U型及W型。耐温度骤变性好，化学性能稳定，不与酸性材料反应；耐高温，在空气中常用温度为1450℃。注意:SiC电热体不能在真空和氢气气氛中使用;可以在1300℃将它浸于B2O3中并升温至1500℃，则其表面形成硼化膜，增加其使用寿命。在使用过程中电阻率缓慢增大—老化如何延长其使用寿命?优点23②二硅化钼特性：熔点较高(2030℃)；密度适中(6.24g/cm3)；抗氧化性优良；导电导热性好；热膨胀系数较低。24发热元件2526适用于空气，可用于氮气、惰性气体中;使用到1200～1650℃;没有“老化”现象,在空气中长时间使用而电阻率不变MoSi2特有的优点注意:①不能用于还原性气氛和真空中“MoSi2疫”低温(500～700℃)空气中使用时，Mo被大量氧化，而又不能形成保护膜。MoSi2疫②避免低温空气中使用为何MoSi2电热体可以在高温下，氧化性气氛中使用？在高温下，发热体表面生成MoO3挥发出去，从而在发热体表面形成致密的SiO2保护膜，阻止其进一步受到氧化。27③铬酸镧（LaCrO3）铬酸镧发热元件是以铬酸镧为主要成分，在高温氧化气氛电炉中使用的电阻发热元件；其耗能少，可以精确控制温度。①能够在空气气氛表面温度允许1900℃，可获得1850℃的炉温；②能在氧化气氛下长期使用，③适合于高精度温度的自动化控制，其炉温稳定度可在1℃之内。优点28④二氧化锡（SnO2）二氧化锡主要用作高温导体、欧姆电阻器、透明薄膜电极和8气体敏感元件等。二氧化锡本身不能被烧结成致密的陶瓷，往往需要加入氧化锌和氧化铜等烧结剂并掺杂V族元素Sb和As以形成半导体，这样可以得到致密度为98%的SnO2。该陶瓷主要用于制作熔融特种玻璃电极。29⑤碳质电热体为防止高温氧化而烧毁，应在保护气氛中（氢气、氮气、二氧化碳、氩气）和真空中使用。以碳系发热体做热源的高温炉，常用温度1800～2200℃。最高使用温度可达3600℃30敏感陶瓷是某些传感器中的关键材料，用于制作敏感元件，敏感陶瓷多属于半导体陶瓷，是继单晶半导体材料之后，又一类新型多晶半导体电子陶瓷。敏感陶瓷是根据某些陶瓷的电阻率、电动势等物理量对热、湿、光、电压及某些气体，某种离子的变化特别敏感这一特性，按其相应的特性，可把这些材料分别称为热敏、湿敏、光敏、压敏、气敏及离子敏感陶瓷。三、热敏电阻材料31热敏陶瓷是半导体陶瓷材料中的一类，其电阻率约为10-4~107Ω.cm。陶瓷材料可以通过掺杂或者使化学计量比偏离而造成晶格缺陷等方法获得半导性。半导体陶瓷的共同特点是：它们的导电性随环境而变化，利用这一特性，可制成各种不同类型的陶瓷敏感器件，如热敏、气敏、湿敏、压敏、光敏器件等。32热敏陶瓷thermistorceramics热敏陶瓷是指对温度变化敏感的陶瓷材料。热敏陶瓷热敏电容热敏电阻热释电材料正温度系数热敏电阻（BaTiO3半导体瓷）负温度系数热敏电阻（MnCoNi半导体瓷）热敏电阻是一种电阻值随温度变化的电阻元件。电阻值随温度升高而增加的称为正温度系数（PTC）热敏电阻电阻值随温度升高而减小的称为负温度系数（NTC）热敏电阻33热敏半导体陶瓷材料就是利用它的电阻、磁性、介电性等性质随温度而变化，用它作成的器件可作为温度的测定、线路温度补偿及稳频等，且具有灵敏度高、稳定性好、制造工艺简单及价格便宜等特点。按照热敏陶瓷的电阻-温度特性，一般可分为三大类：1电阻随温度升高而增大的热敏电阻称为正温度系数热敏电阻，简称PTC热敏电阻；2电阻随温度的升高而减少的热敏电阻称为负温度系数热敏电阻，简称NTC热敏电阻；3电阻在某特定温度范围内急剧变化的热敏电阻，简称为CTR临界温度热敏电阻。34基本特性1、标准阻值（R）热敏电阻器在规定温度下（25℃），采用引起电阻值不超过0.1%的功率测得的电阻值，称为标准阻值。2、材料常数（B）表征热敏电阻材料物理特性的常数，与标准阻值的关系如下式：BTPPeARPTC热敏电阻NTC热敏电阻TBNTeAR212111TTLnRLnRBN2121TTLnRLnRBPAP、AN为与形状尺寸相关的常数353、耗散系数（H）表示热敏电阻温度升高1℃所消耗的功率，描述了热敏电阻工作时与外界环境进行热交换的大小。其中：W热敏电阻消耗的功率(mW)T热敏电阻的温度T0环境温度I在温度T时通过热敏电阻的电流（mA）R在温度T时热敏电阻的电阻值(Ω)364、时间常数（τ）热敏电阻在零功率状态下，当环境温度由一个特定温度向另一个特定温度突变时，热敏电阻阻值变化63.2%所需时间。起始温度：25℃～85℃或0℃～100℃5、温度系数（αT）当温度变化1℃时，热敏电阻阻值的变化率。dTdRRTTT1αT和RT对应于温度T（K）时的电阻温度系数和电阻值，在工作温度范围内，αT不是一个常数。37一、PTC热敏陶瓷1、PTC热敏电阻的基本特性（1）电阻—温度特性其电阻—温度曲线（R-T曲线）见图8-1。居里温度Tc可通过掺杂来调整。（2）电阻温度系数α是指零功率电阻值的温度系数，其定义为：αT=1/RT*dRT/dT对于PTC，αT=2.303/(T2-T1)*lgR2/R138PTC热敏电阻PTC是PositiveTemperaturecoefficient(正温度系数)的缩写，是一种以钛酸钡(BaTiO3)为主要成分的半导体功能陶瓷材料，具有电阻值随着温度升高而增大的特性，特别是在居里温度点附近电阻值跃升有3～7个数量级。利用其最基本的电阻温度特性及电压-电流特性与电流-时间特性，PTC系列热敏电阻已广泛应用于工业电子设备，汽车及家用电器等产品中，以达到自动消磁、过热过流保护，马达启动，恒温加热，温度补偿、延时等作用。39（3）室温电阻率是指25℃时的零功率电阻率ρa。（4）电压-电流特性：见图8-2（5）耐压特性是指PTC热敏电阻陶瓷所承受的最高电压Vmax。（6）电流-时间特性（7）放热特性40二、PTC热敏陶瓷材料PTC热敏电阻器有两大