工程材料基礎(chǔ)第10章-功能材料

第十章功能材料FUNCTIONALMATERIALS

概述半導體材料磁性材料形狀記憶合金第一節(jié)概述OUTLINE功能材料的定義功能材料的分類

一、功能材料的定義Definitionoffunctionalmaterials——以特殊的電、磁、聲、光、熱、力、化學及生物學等性能作為主要性能指標的材料。是用于非結(jié)構(gòu)目的高技術(shù)材料1965年由美國貝爾實驗室的J.A.Morton博士首先提出功能材料概念功能材料在電力技術(shù)、電子信息技術(shù)、微電子技術(shù)、激光技術(shù)、空間技術(shù)、海洋技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛應用、并已滲透到各個領(lǐng)域，乃至影響到人們的日常生活例：計算機的發(fā)展歷史－CPU電子管晶體管集成電路大規(guī)模集成電路

材料：鍺Ge半導體材料硅Si半導體材料砷化鎵GaAs半導體材料現(xiàn)代微型計算機的功能與第一臺大型電子管計算機相當，但運算速度快幾十倍、體積僅1/300,000、重量僅1/60,000。IBM研制的超級計算機的運算能力可達39,000次/s。（發(fā)熱）

二、功能材料的分類Classificationoffunctionalmaterials按應用領(lǐng)域按使用性能

金屬功能材料陶瓷功能材料高分子功能材料復合功能材料電工材料能源材料信息材料光學材料儀器儀表材料航空航天材料光功能材料隱形材料熱功能材料聲功能材料電功能材料磁功能材料…………按化學成分第二節(jié)電功能材料電功能材料：以特殊的電學性能或各種電效應作為主要性能指標的一類材料半導體材料超導材料電接點（觸頭）材料導電材料的分類按導電機理可分為：電子導電材料和離子導電材料兩大類。電子導電材料包括導體、超導體和半導體：10-710-610-510-410-310-210-1100101102103104105106電導率σS/m絕緣體半導體導體超導體：σ→∞導體材料的種類導體材料按照化學成分主要有以下三種：（1）金屬材料。電導率107~108S/m銀（6.63×107S/m

）、銅（5.85×107S/m

）鋁（3.45×107S/m

）（2）合金材料。電導率105~107S/m黃銅（1.60×107S/m

），鎳鉻合金（9.30×105S/m

）（3）無機非金屬材料。電導率105~108S/m石墨在基晶方向為2.5×106S/m導體材料的應用金屬導體材料主要用作：電纜材料、電機材料、導電引線材料、導體布線材料、輻射屏蔽材料、電池材料、開關(guān)材料、傳感器材料、信息傳輸材料、釋放靜電材料和接點材料等，還可以作成各種金屬填充材料和金屬復合材料合金導體材料主要用作電阻材料和熱電偶材料，如鉑銠-鉑熱電偶等非金屬導體材料主要用作耐腐蝕導體和導電填料

一、半導體材料高純度、無缺陷的元素半導體。雜質(zhì)濃度小于10-9在本征半導體中有意加入少量的雜質(zhì)元素，以控制電導率，形成雜質(zhì)半導體。大量原子組成晶體時，各個原子的電子云重疊而使能級分裂。由N個原子組成的晶體，N個能級構(gòu)成一個連續(xù)的能量帶——能帶1s能帶2s能帶2p能帶3s能帶堿金屬的能帶結(jié)構(gòu)與導電性LiNaKRbCsFr1s22s12p63s13p64s14p65s15p66s16p67s1這部分能帶稱為導帶，導電性較好堿金屬Na的能帶結(jié)構(gòu)（滿帶）在外加電場下，電子可以由價帶躍遷到導帶，就形成了電流最外層s

能帶一半空著價帶—對應價電子能級的能帶導帶—最靠近價帶的空帶Eg很大的材料,價電子很難躍遷到導帶，不能導電，稱其為絕緣體Eg為零的材料，價電子極易躍遷，具有很好的導電性，稱其為導體Eg較小的材料,價電子可以躍遷,具有一定導電性，稱其為半導體——

價帶的頂與導帶的底之間的能量間隙Eg

能隙堿金屬Na的能帶結(jié)構(gòu)（滿帶）導電性能介于金屬和絕緣體之間；（σ＝10-7～104S/m）CSiGeSn2S22P23S23P24S24P25S25P2金剛石(C)、硅(Si)、鍺(Ge)和錫(Sn)的能帶結(jié)構(gòu)能隙本征半導體摻雜半導體半導體半導體價帶中的電子受激發(fā)后從滿價帶躍到空導帶中，躍遷電子可在導帶中自由運動，傳導電子的負電荷。同時，在滿價帶中留下空穴，空穴帶正電荷，在價帶中空穴可按電子運動相反的方向運動而傳導正電荷半導體的導電機理本征半導體——高純度的不摻有雜質(zhì)的晶體半導體

1.本征半導體本征半導體中，被廣泛研究的元素有Si、Ge和金剛石。金剛石可看作是碳元素半導體，它的性質(zhì)是1952年由Guster發(fā)現(xiàn)的。除了硅、鍺、金剛石外，其余的半導體元素一般不單獨使用常見本征半導體本征半導體單位體積內(nèi)載流子數(shù)目比較少，提高電導率需要升溫，故本征半導體應用不多電導率溫度本征半導體的導電性隨溫度的變化示意圖本征半導體的特點：導帶的電子與價帶的空穴都參與導電，參與導電的電子和空穴的數(shù)目相等本征半導體的缺點載流子少，導電性差，溫度穩(wěn)定性差——向本征半導體中摻入少量特定雜質(zhì)的半導體2、摻雜半導體Extrinsicsemiconductor摻雜元素的價電子多于純元素的價電子，又稱施主型半導體摻雜元素的價電子少于純元素的價電子，又稱受主型半導體——向本征半導體中摻入少量ⅤA族（P、As、Sb）雜質(zhì)的半導體。有5個價電子，形成共價鍵后多

出一個電子，雜質(zhì)被稱為施主(donor)N型半導體的載流子：N

型半導體——向本征半導體中摻入少量ⅢA族（B、Al、Ga、In）雜質(zhì)的半導體。

3個價電子，形成共價鍵時需從其它共價鍵奪取電子，留下空穴，雜質(zhì)被稱為受主(acceptor)。P型半導體的載流子：摻雜型半導體導電性隨溫度的變化示意圖

P型半導體低溫時n型半導體的導電性隨溫度的變化示意圖本征電子很難躍遷，導電性主要由施主貢獻溫度升高時施主電子全部躍遷(耗竭),本征電子尚未躍遷更高溫度時本征電子躍遷單純的一片p型或n型半導體，僅僅是導電能力增強了，但還不具備半導體器件所要求的各種特性。如果在一塊n型（或p型）半導體上再制成一層p型(或n型)半導體，于是在p型半導體和n型半導體的交界處就會形成一個p-n結(jié)。p區(qū)的多數(shù)載流子（空穴）向n區(qū)擴散，同時n區(qū)的多數(shù)載流子（電子）向p區(qū)擴散。隨著擴散運動的進行，在p區(qū)和n區(qū)的交界面p區(qū)一側(cè)出現(xiàn)一層帶負電的粒子區(qū)（這是不能移動的電荷）；而在交界面n區(qū)一側(cè)出現(xiàn)一層帶正電的粒子區(qū)。這樣，在交界面的兩側(cè)就形成了一個很強的局部電場，方向由n區(qū)指向p區(qū)3、P-N結(jié)P-Njunction

1).半導體二極管當p-n結(jié)上加正向電壓（即p區(qū)加電源正極，n區(qū)加負極）時，局部電場減弱，n區(qū)中的電子和p區(qū)中的空穴都容易通過，因而電流較大；當外加電壓相反時，局部電場增強，只有原n區(qū)中的少數(shù)電子和p區(qū)中的少數(shù)空穴能夠通過，故電流很小

4、應用舉例

Applicationexamples

PN正向電壓的情況有電流PN反向電壓的情況幾乎沒有電流P-N結(jié)的單向?qū)щ娦援敿釉趐-n結(jié)上的反向電壓超過某一數(shù)值時，發(fā)生電流突然增大的現(xiàn)象，這時p-n

結(jié)被擊穿。p-n結(jié)被擊穿后便失去其單向?qū)щ姷男阅?，但結(jié)并不一定損壞，此時將反向電壓降低，它的性能還可以恢復。由于p-n結(jié)具有這種特性，一方面可以用它制造半導體二極管，使之工作在一定電壓范圍之內(nèi)作整流器等；另方面因擊穿后并不損壞而可用來制造穩(wěn)壓管或開關(guān)管等器件。

當具有p-n結(jié)的半導體受到光照時，其中電子和空穴的數(shù)目增多，在結(jié)的局部電場作用下，p區(qū)的電子移到n區(qū)，n區(qū)的空穴移到p區(qū)，這樣在結(jié)的兩端就有電荷積累，形成電勢差。這現(xiàn)象稱為p-n結(jié)的光生伏特效應。

2).半導體光電池1)元素半導體Si、Ge、Se、Te…2)化合物半導體GaAs、…AgGeTe23)固溶體半導體Bi-Sb

5、常用半導體材料

Commonlyusedsemiconductormaterials二、半導體材料1911年OnnesHK在研究極低溫度下金屬導電性時發(fā)現(xiàn)，當溫度降到4.2K時，汞的電阻率突然降低到接近于零。這種現(xiàn)象稱為汞的超導現(xiàn)象從此，超導材料的研究引起了廣泛的關(guān)注，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)了上千種超導材料

1、超導材料的定義超導電現(xiàn)象—材料的電阻隨溫度降低而減小并最終出現(xiàn)零電阻的現(xiàn)象超導體—低于某一溫度出現(xiàn)超導電性的物質(zhì)2、超導體材料在低溫常壓下，具有超導特性的化學元素共有26種，由于臨界溫度太低，無太大實用價值Nb的Tc最高，僅為9.26K1）

元素超導體2）合金超導體合金超導體是機械強度最高、應力應變較小、磁場強度低、臨界電流密度高的超導體，在早期得到實際應用。超導合金主要有Ti-V、Nb-Zr、Mo-Zr、Nb-Ti等合金系，其中Ge-Nb3的臨界溫度最高（23.2K）3）金屬間化合物超導體金屬間化合物超導體的臨界溫度與臨界磁場一般比合金超導體的高，但此類超導體的脆性大，不易直接加工成帶材或線材4）陶瓷金超導體1986年發(fā)現(xiàn)了陶瓷超導體，使超導材料獲得了更高的臨界溫度，如YBaCuO（Tc＝90K）、TiBaCaCuO（Tc＝120K）等。最大缺點為脆性大，加工困難。高溫超導材料：Tc＞77K（液N溫度）中國制造MadeinChina2002年1月長116m，寬3.6mm，厚0.28mm鉍系高溫超導帶材試制成功2002年4月

340m長的鉍系高溫超導導線試制成功。已達到了國際先進水平5）高分子超導體高分子材料通常為絕緣體，但在數(shù)億帕氣壓作用下也可以轉(zhuǎn)變成為超導體。

如：四硫富瓦稀四腈代對苯醌二甲烷目前高分子超導體的最高臨界溫度僅僅達到10K3、超導體材料應用實例1）

電力輸送與儲存目前有大約30%的電能損耗在輸電線路上，采用超導體輸電，可大大減少損耗，且省去了變壓器和變電所。使用巨大的超導線圈，經(jīng)供電勵磁產(chǎn)生磁場而儲存能量。超導磁儲能系統(tǒng)所存能量幾乎可以無損耗的儲存下去，其轉(zhuǎn)換率可高達95%2）磁流體發(fā)電化學能熱能機械能電能火力發(fā)電熱能電能磁流體發(fā)電3）

磁懸浮列車時速400~500km4）超導計算機第三節(jié)磁性材料MAGNETICMATERIALS

抗磁體、順磁體和鐵磁體軟磁材料硬磁材料磁性是物質(zhì)的基本屬性之一。磁性現(xiàn)象是與各種形式的電荷運動相關(guān)聯(lián)的，由于物質(zhì)內(nèi)部的電子運動和自旋會產(chǎn)生一定大小的磁場，因而產(chǎn)生磁性。一切物質(zhì)都具有磁性。但磁性材料通常是指那些在實際工程意義上具有較強磁性的材料

一、抗磁體、順磁體和鐵磁體Diamagnet,paramagnetandferromagnet

1.

抗磁體——內(nèi)部磁矩削弱了外磁場的材料如惰性原子、一價堿金屬離子、二價堿土金屬離子

2.

順磁體——內(nèi)部磁矩稍微增強外磁場的材料如大多數(shù)金屬元素

3.

鐵磁體——內(nèi)部磁矩大大增強外磁場的材料如

Fe、Co、Ni、Gd

4.

鐵氧體——具有鐵磁性的金屬氧化物如，其中MO為金屬氧化物，通常是MnO或ZnO

MO·Fe2O3

1.

軟磁材料的特性

二、軟磁材料Softmagneticmaterials

軟磁材料——在外磁場作用下很容易磁化，去掉外磁場時又很容易去磁的磁性材料

高磁導率(B/H)

低矯頑力()HC

2.

常用軟磁材料1)電工純鐵2)硅鋼片3)Fe-Al合金4)鐵氧體軟磁材料適用于直流變壓器鐵芯適用于交流變壓器鐵芯適用于弱磁場變壓器鐵芯以為主要成分的復相氧化物，廣泛用于廣播、通訊和電視工業(yè)，是制作磁性天線、中周變壓器、增感線圈、電視聚集線圈的重要材料Fe2O3

1.

硬磁材料的特性

三、硬磁材料Hardmagneticmaterials

硬磁材料——在外磁場作用下不容易磁化，去掉外磁場時又不容易去磁的磁性材料

低磁導率，高矯頑力3)稀土系永磁（釹鐵硼永磁合金，磁王）與金屬硬磁材料相比，電阻大、渦流損失小，成本低，耐化學腐蝕稀土元素與過渡族金屬Fe、Co、Cu、Zr等或非金屬元素B、C、N等組成的化合物。高矯頑力，磁能面積最大，而且體積小、重量輕、比功率大、效率高、成本較低2)鐵氧體硬磁材料（，鋇恒磁）BaFe12O9

2.

常用硬磁材料1)鋁鎳鈷系（Fe-Ai-Ni-Co,阿爾尼科）良好的磁特性和熱穩(wěn)定性,剩磁高,磁能面積大，矯頑力適中。硬而脆，難加工。鑄造或粉末燒結(jié)成形第四節(jié)形狀記憶合金SHAPEMEMORYALLOYS問題的提出形狀記憶現(xiàn)象形狀記憶效應形狀記憶原理簡介常用形狀記憶合金形狀記憶合金應用舉例工程設(shè)計練習課后思考題

一、問題的提出Questions1969年7月20日晚上10時56分，全世界數(shù)以萬計的科學家，數(shù)以億計的公眾凝視著電視屏幕，關(guān)注著那遠在38萬公里以外、乘坐“阿波羅”11號登月艙的美國宇航員阿姆斯特朗在月球上踏下的第一個人類的腳印，諦聽著這

歷史事件回放位勇士從月宮里傳回的富于哲理的聲音：“對一個人來說，這是一小步；但對人類來說，這是跨了一大步”。

宇航員的形象和聲音是怎么從月球上返回來的呢？

天線可是一個直徑數(shù)米的龐然大物，怎么能夠裝在小小的登月艙送上太空呢？

兩個問題

二、形狀記憶現(xiàn)象Phenomenonofshapememory單程雙程全程低溫變形初始狀態(tài)加熱冷卻

三、形狀記憶效應Effectsofshapememory

合金處于低溫相時變形,加熱到臨界溫度(逆相變點)通過逆相變恢復其原始形狀，稱之為形狀記憶效應。包括單程記憶效應、雙程記憶效應及全程記憶效應。

四、形狀記憶原理簡介Introductiontoprincipleofshapememory

形狀記憶合金中會形成一種特殊的馬氏體片，它可以隨溫度的降低而長大，隨溫度的升高而彈性縮小，這種特殊的馬氏體被稱為熱彈性馬氏體。熱彈性馬氏體逆相變時能夠完全地恢復到和相變前形狀一樣的母相狀態(tài)。A

MA

M

M

ATAfASMSMfM

A溫度降低溫度升高

五、常用形狀記憶合金Commonlyusedshapememoryalloys

1.Ti-Ni系合金Ti-Ni系合金Cu系合金Fe系合金常用形狀記憶合金

的Ti-Ni合金是最早成功應用的實用合金，也是目前用量最大的形狀記憶合金。它具有很高的抗拉強度和疲勞強度及很好的耐蝕性，且密度較小。Ti-Ni-Nb、Ti-Ni-Cu、