第一章电功能金属相关材料.ppt

第一章电功能金属相关材料第一第一节 概述概述电功能金属材料功能金属材料一、金属一、金属导电能力的表示方法能力的表示方法样品的品的长度度为L L，，横截面横截面积为S S，，测出出电阻阻为R R电阻率阻率为 ρ= RS/Lρ= RS/L ΩΩ·m电导率率为 σ= 1/ρσ= 1/ρ导体：体：1010-6-6～～1010-12-12 ΩΩ·m半半导体：体：10102 2～～10109 9 ΩΩ·m绝缘体：体：10109 9～～10101111 ΩΩ·m电功能金属材料功能金属材料固体固体电阻率电阻率/ ΩΩ·m固体固体电阻率电阻率/ ΩΩ·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 室温下一些材料的室温下一些材料的电阻率阻率第一第一节 概述概述电功能金属材料功能金属材料二、金属二、金属导电的物理本的物理本质Ø自由自由电子子论: : Ø能能带理理论：：自由自由电子沿子沿电场反方向运反方向运动，形成，形成电流流满带（价（价带）：被）：被电子填子填满的能的能带导带：被：被电子部分填充的能子部分填充的能带空空带：没有：没有电子填充的能子填充的能带第一第一节 概述概述电功能金属材料功能金属材料三、影响金属三、影响金属导电的因素的因素1 1、温度的影响、温度的影响2 2、、压力的影响力的影响在高温在高温时ρ∝ATρ∝AT在在较低温度低温度时ρ∝ BTρ∝ BT5 5 A A、、B B为常数常数ρ= ρρ= ρ0 0(1+αP) (1+αP) αα为电阻阻压力系数力系数3 3、缺陷的影响、缺陷的影响第一第一节 概述概述第二第二节 几种典型的几种典型的电功能材料功能材料电功能金属材料功能金属材料一、一、导电材料材料要求：高的要求：高的电导率，高的力学性能，良好的抗腐率，高的力学性能，良好的抗腐蚀性，良好的工性，良好的工艺性能（性能（热冷加工、冷加工、焊接）价格便宜接）价格便宜用于生用于生产电气气导线的金属材料具有以的金属材料具有以下特性：下特性：卓越的卓越的导电性能，从而使焦耳效性能，从而使焦耳效应导致的能量致的能量损失达到最小。

失达到最小 对恶劣的劣的环境有良好的承受能力境有良好的承受能力 电气接触的永久可靠性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、、铜及及铜合金合金导电性和性和导热性好，塑性高，机械性好，塑性高，机械强度好，易加工和度好，易加工和焊接，易提接，易提炼铍青青铜 超高超高纯铜主要用途：主要用途：电弹簧、簧、电刷、插刷、插头只有几种元素能只有几种元素能够满足足这些特性，其中主要些特性，其中主要为自自然界中然界中储量丰富的量丰富的铜、、铝（以及他（以及他们的合金）的合金）有有时，材料的基本特征不足以，材料的基本特征不足以满足上述特性，必足上述特性，必须增加增加镀层以改善材料性能以改善材料性能因此，在因此，在进一步一步处理理过程中（程中（绝缘…），我），我们通通过镀锡、、银、、镍等来改善某些性能，如可等来改善某些性能，如可焊性、性、抗氧化性、耐抗氧化性、耐热性等 有助于有助于设计导体的主要物理性能如下表所示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）110n常用于常用于导体生体生产的的铜材料：材料：nETP铜，或者，或者Cu-a1，含氧量在，含氧量在200到到300ppm之之间。

nm 无氧无氧铜，无氧，无氧铜或者或者Cu-c1，含氧量，含氧量极低（最多极低（最多20ppm），能），能够防止加防止加热过程中的程中的氢脆 采用脉冲采用脉冲电解沉解沉积技技术制制备出具有高密度出具有高密度纳米尺寸生米尺寸生长孪晶的晶的纯铜薄膜，通薄膜，通过工工艺过程研究程研究调整整样品的晶粒尺寸、品的晶粒尺寸、孪晶厚度及其晶厚度及其分布、分布、织构状构状态等，等，获得了具有超高得了具有超高强度和高度和高导电性的性的纯铜样品，品，其拉伸其拉伸强度高达度高达1068MPa（（是普通是普通纯铜的的10倍以上，达到高倍以上，达到高强度度钢或或铜晶晶须的的强度水平），而室温度水平），而室温电导率与无氧高率与无氧高导（（OFHC））铜相当（相当（97%IACS）这种超高种超高强度和高度和高导电性的同性的同时获得是得是过去在任何材料中均无法去在任何材料中均无法实现的此成果的此成果发表于表于Science（（2004年）周刊上年）周刊上电功能金属材料功能金属材料2 2、、铝及及铝合金合金资源丰富，价格便宜，源丰富，价格便宜，质量小量小主要用途：送主要用途：送电线，配，配电线第二第二节 几种典型的几种典型的电功能材料功能材料对于于设计导体有用的物理性能如下表所示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• 电阻率电阻率 (mWmWcm)•2,826• 导电率导电率 (%IACS)•61• 电阻温度系数电阻温度系数 (K-1)•0,004• 导热系数导热系数 (W/m.K)•220• 线性膨胀系数线性膨胀系数 (K-1)•23x10-6• 拉应力（退火）拉应力（退火） (MPa)•60/80• 拉应力（硬）拉应力（硬） (MPa)•150/200• 弹性模量弹性模量(MPa)•66000• 硬度（退火）硬度（退火）•20• 硬度（硬）硬度（硬）•40• 用于用于导体体产品的品的铝材料由材料由EN AW-1370以及以及EN AW-1350规定，或者由定，或者由EAL 99.7以及以及EAL 99.5规定。

定电功能金属材料功能金属材料3 3、金及金合金、金及金合金良好的良好的导电性，极性，极强的抗的抗蚀能力能力主要用途：作主要用途：作为金膜或金的合金膜用于集成金膜或金的合金膜用于集成电路中路中布布线，芯片粘，芯片粘结，半，半导体封装等体封装等4 4、、银及及银合金合金具有最高的具有最高的电导率率主要用途：触点材料主要用途：触点材料第二第二节 几种典型的几种典型的电功能材料功能材料电功能金属材料功能金属材料二、二、电阻材料阻材料1 1、精密、精密电阻材料阻材料 特点：恒定的高特点：恒定的高电阻率，阻率，电阻温度系数小，阻温度系数小，电阻阻随随时间的的变化小，机械性能和加工性能好，容易化小，机械性能和加工性能好，容易焊接，耐腐接，耐腐蚀，抗氧化，有一定的耐，抗氧化，有一定的耐热性 主要主要应用：用：电器回路中的器回路中的电阻部件和阻部件和电子子线路中路中的的电阻器件阻器件（（1 1））Cu-Mn系系锰铜：：Cu86Cu86％、％、Mn12Mn12％％ Ni2 Ni2％％第二第二节 几种典型的几种典型的电功能材料功能材料Mn的作用：提高的作用：提高电阻率，降低阻率，降低电阻温度系数阻温度系数电功能金属材料功能金属材料第二第二节 几种典型的几种典型的电功能材料功能材料（（2 2））Cu-Ni系系康康铜：： Cu60Cu60％、％、Ni40Ni40％％Ni的作用：降低合金的作用：降低合金对铜的的热电势，改善，改善电阻阻温度系数并提高耐腐温度系数并提高耐腐蚀性能。

性能电阻－温度阻－温度线性比性比锰铜好，可以在好，可以在较宽的温的温度范度范围内使用，其最高使用温度可达内使用，其最高使用温度可达400C，，而且耐腐而且耐腐蚀性，耐性，耐热性均比性均比锰铜好电功能金属材料功能金属材料第二第二节 几种典型的几种典型的电功能材料功能材料（（3 3））Ni－－Cr系系改良型改良型（（4 4））Fe－－Cr－－AlAl系合金系合金具有更具有更宽的使用温度，的使用温度，电阻温度系数更小，阻温度系数更小，耐耐热性良好，耐性良好，耐蚀性更佳，而且易于拉性更佳，而且易于拉丝，，但但焊接困接困难Fe －－Cr－－AlAl系精密系精密电阻合金是在阻合金是在电热合金合金的基的基础上上发展起来的，通展起来的，通过改改变AlAl和和CrCr的的组成使成使电阻温度系数从正到阻温度系数从正到负值之之间变化但加工性能差，但加工性能差，焊接性能不好接性能不好表表1-21-2具有代表性精密具有代表性精密电阻材料的成分与性能阻材料的成分与性能电功能金属材料功能金属材料第二第二节 几种典型的几种典型的电功能材料功能材料电功能金属材料功能金属材料2 2、敏感、敏感电阻材料阻材料（（1 1））应变电阻材料阻材料应变－－电阻效阻效应 经受外力作用（拉伸或受外力作用（拉伸或压缩））的金属材料将会的金属材料将会发生生变形而使形而使其其电阻也阻也发生相生相应的的变化，其化，其电阻阻值变化量与所受外力引起化量与所受外力引起的的变形量是成比例的，形量是成比例的，这种种现象称象称为应变－－电阻效阻效应应变电阻材料的特点：阻材料的特点： ( (a) a) 具有高的、具有高的、稳定的定的电阻率．在工作温度范阻率．在工作温度范围内内具有低的、具有低的、稳定的定的电阻温度系数，以及大的阻温度系数，以及大的应变灵灵敏度系数敏度系数K K（（K K＝＝△L/L)△L/L)，，并在并在较大范大范围内不随温度内不随温度变化；化；第二第二节 几种典型的几种典型的电功能材料功能材料电功能金属材料功能金属材料主要用途：主要用途：电阻阻应变片或片或传感器，用来感器，用来测量力量力（或重量）位移，（或重量）位移，压力扭距，加速度等力扭距，加速度等高温：高温：Fe-Cr-Al系和系和Pt－－W系系丝材材中温及低温：康中温及低温：康铜和和Ni－－Cr改良型的箔材改良型的箔材为主主( (b)b)在拉伸或在拉伸或压缩时，，K K值相向或相差很小，不氧相向或相差很小，不氧化，化，线膨膨胀系数等于或略高于被系数等于或略高于被测件的件的线膨膨胀系系数；数；( (c)c)有良好的机械性能，有良好的机械性能，强度高．蠕度高．蠕变小，容易加小，容易加工和工和焊接等接等。

第二第二节 几种典型的几种典型的电功能材料功能材料电阻阻应变计结构构1 1、、3 3－粘－粘结剂，，2 2－基底，－基底，4 4－盖－盖层，， 5 5－敏感－敏感栅，，6 6－引－引线电功能金属材料功能金属材料第二第二节 几种典型的几种典型的电功能材料功能材料机械量机械量电量量电阻阻应变片片电功能金属材料功能金属材料第二第二节 几种典型的几种典型的电功能材料功能材料         丝栅式式应变片片标距：距：0.2mm ~ 200mm箔式箔式应变片片的金属箔片的金属箔片光刻腐光刻腐蚀工工艺电功能金属材料功能金属材料（（2 2））热敏敏电阻材料阻材料要求：要求：电阻率阻率较小，小，电阻温度系数大，阻温度系数大，电阻温度曲阻温度曲线线性好，性好，抗氧化性、耐腐抗氧化性、耐腐蚀和加工性能好和加工性能好常用常用纯金属有金属有FeFe、、CoCo、、Ni Ni 等等第二第二节 几种典型的几种典型的电功能材料功能材料电功能金属材料功能金属材料三、三、电热材料材料要求：高的要求：高的电阻率和低的阻率和低的电阻温度系数，高温阻温度系数，高温时具具有良好的抗氧化性，有足有良好的抗氧化性，有足够的高温的高温强度，易于拉度，易于拉丝。

1 1、、NiNi－－CrCr系合金系合金表表1-3 1-3 Ni-CrNi-Cr系系电热合金的成分及特点合金的成分及特点第二第二节 几种典型的几种典型的电功能材料功能材料电功能金属材料功能金属材料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第二节 几种典型的几种典型的电功能材料功能材料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12341 1、、对应变电阻材料有那些要求？阻材料有那些要求？试说明明电阻阻应变计的原理2 2、、Cu-MnCu-Mn精密精密电阻材料有什么阻材料有什么优缺点，缺点，如何改善其缺点？如何改善其缺点？作作业第一章第一章 电功能金属材料功能金属材料。