4.1導電材料概述及分類一、定義電阻率在10-7~10-4Ω·m的材料二、種類金屬，酸、堿、鹽的溶液、熔體，石墨，某些有機物(聚乙炔、聚苯胺等)，超導體三、應用高電導率——用于傳輸電流（電纜線芯、電機繞組）高電阻率——將電能轉換成其它能量2023/9/21典型材料的電導率導電類型材料類型導電率/

-1·m-1離子導電離子晶體10-16~10-2快離子導體10-1~103強（液）電解質10-1~103電子導電金屬103~107半導體10-3~104絕緣體＜10-104.1導電材料基本性質導電材料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。導體的電導率≥105S/m，超導體的電導率為無限大（在溫度小于臨界溫度時），半導體的電導率為10-7~104S/m；當材料的電導率小于10-7S/m時，就認為該材料基本上不能導電，而稱為絕緣體。

導電氟橡膠導電氟膠座導電尼龍導電ABS導電膠帶4.2.1導電特性

金屬如何具有導電性？金屬中的金屬鍵（金屬陽離子和自由電子）金屬鍵的鍵能低，原子核對電子束縛小電場作用下自由電子的定向遷移，并由于電子碰撞晶格而發熱溫度升高，電子熱運動加劇，難以定向，電阻率升高溫度降低？？？2023/9/26經典電子理論

電子在金屬內的運動用波動力學解釋——電子沿金屬的晶格傳播，晶格骨架是障礙電子波傳遞能量，晶格振動使金屬發熱溫度升高：晶格振動加劇，破壞晶格的規整性電子波的傳播阻礙加大，電阻率升高，合金電阻率高溫度降低：晶格振動減弱，對電子波的阻礙減小T→0時，出現超導現象T=0時，合金和有缺陷的金屬仍有電阻2023/9/27量子力學觀點

影響金屬導電性的因素溫度

其中，ρ0，αρ受t0影響合金元素溶質原子，溶劑原子，導致晶格畸變，引起電子散射，電阻率增加2023/9/28導體電阻率公式電阻率公式可寫為：ρi取決于晶格缺陷的多少，缺陷越多，ρi越大，一般與溫度無關；ρT取決于晶格的熱振動。電阻率隨著溫度升高而升高，這是導體的一個特征。102023/9/2雜質——引起電子散射冷變形——彈性變形，塑性變形熱處理——退火，減少晶格缺陷表面狀態——污染、氧化、水分、腐蝕等4.2.2導熱性

金屬中有原子傳熱、電子也參與熱量傳遞，所以一般導電率高的金屬導熱率也高。影響金屬導電性的因素，都對導熱性有影響。接觸電位差和熱電勢產生原因：不同金屬的自由電子濃度不同，接觸時電子向低濃度區擴散，則因得到和失去電子而形成電位差。0.1~幾伏，因所處的溫度而不同。2023/9/211熱電勢5.抗拉強度和伸長率退火——抗拉強度低，伸長率高未退火——抗拉強度高，伸長率低2023/9/2124.3常用的導電材料4.3.1銅及銅合金1.銅的優點導電性好：Ag>Cu>Au>Al>Mg導熱性好：Au>Ag>Cu化學穩定性高，抗腐蝕：潮濕的空氣中其表面可生成[Cu2(OH)2CO3]，耐海水腐蝕2023/9/213142023/9/2

無磁性，反磁物質：電磁屏蔽機械性能較好：純銅抗拉強度是245~315MPa塑性好：延展性好，易加工，易焊接來源可靠，冶煉技術發達：天然單質銅、銅礦石（黃銅礦、輝銅礦、斑銅礦、赤銅礦和孔雀石）2.銅的性質和影響因素電阻率：0.017241Ωmm2/m密度：8.9g/cm3

電導率的相對值：IEC規定在20度時比重為8.89，長1米，截面積為1mm2，電阻為0.017241Ω（1/58S），電阻溫度系數為0.00393的退火軟銅，電導率為100%IACS。電線電纜的導體選用銅含量高于99.90%的純銅，國際上廣泛采用電導率為102%IACS的無氧銅。2023/9/215162023/9/2

雜質對銅的影響電導率：P、As、Al、Fe等機械性能：能溶解于銅，提高強度——Ag、Cd、Zn、Ni

不溶解于銅，使銅變脆——Bi、Pb、O退火

一般在400℃以上，與銅的成分有關（580±20℃）。有助于設計導體的主要物理性能如下表所示物理性能銅密度8,9電阻率（mWcm）1,7241導電率（%IACS）100電阻溫度系數（K-1）0,0039導熱系數（W/m.K）400線性膨脹系數（K-1）17x10-6拉應力（退火）（MPa）220/290拉應力（硬）（MPa）350/450彈性模量（MPa）120000硬度（退火）50硬度（硬）1103.銅合金以純銅為基體加入一種或幾種其他元素所構成的合金。銀銅合金——有良好的導電性、流動性和浸潤性、較好的機械性能、耐磨性和抗熔焊性鎘銅合金——1%的鎘，冷拉后具有較高的抗拉強度，制造大跨度架空導線、高強度絕緣導線、滑接導線鋅銅合金——黃銅，提高強度稀土銅合金——加入釔，使晶粒細化、改善工藝性能，提高導電性和機械強度，可與銀銅合金媲美2023/9/2184.銅和銅合金的應用※電力輸送

電線電纜、匯流排、變壓器、開關、接插元件和聯接器中傳導電流。與鋁相比，具有導電性和尺寸上的優點。2023/9/219202023/9/2※電機制造

廣泛使用高導電和高強度的銅合金。主要用銅部位是定子、轉子和軸頭等。在大型電機中，繞組要用水或氫氣冷卻，稱為雙水內冷或氫氣冷卻電機，這就需要大長度的中空導線。電機內部的能量消耗，主要來源于繞組的電阻損耗；因此，增大銅線截面是發展高效電機的一個關鍵措施。

212023/9/2※通訊電纜

把電能轉化為光能，以及輸入用戶的線路仍需使用大量的銅。隨著人們對通訊的依賴越來越大，對光纖電纜和銅電線的需求都會不斷增加。※住宅電氣線路

※電真空器件

高頻和超高頻發射管、波導管、磁控管等，需要高純度無氧銅和彌散強化無氧銅。※印刷電路以銅箔為表面，粘貼在作為支撐的塑料板上，用照相的辦法把電路布線圖印制在銅版上，通過浸蝕把多余的部分去掉留下相互連接的電路。然后，把分立元件的接頭或其它部分的終端焊接在電路上。2023/9/222232023/9/2※集成電路微電子技術的核心是集成電路。以半導體晶體材料為基片（芯片），將組成電路的元器件和互連線集成在基片內部、表面或基片之上。用銅的新型微芯片，可以獲得30%的效能增益，電路的線尺寸可以減小到0.12微米，可使在單個芯片上集成的晶體管數目達到200萬個。半導體集成電路的發展，為銅的應用開拓了新領域。4.3.2鋁和鋁合金地殼中含量最豐富的金屬元素（8.15%）,價格便宜。用途：純鋁大量用于電纜——架空輸電線用鋼芯鋁絞線、

母線、鋁護套、電容器中的鋁箔電極等特點：電導率高，0.029Ωmm2/m，

比重小，重量輕：2.7g/cm3導電能力約為銅的2/3，密度為銅的1/3，等質量和等長度的鋁線和銅線相比，鋁的導電能力約為銅的二倍，且價低。

耐熱性好

耐腐蝕性好，Al2O3膜保護

抗拉強度低，70~95MPa

不易焊接2023/9/224對于設計導體有用的物理性能如下表所示物理性能鋁密度2,7電阻率(mWcm)2,826導電率(%IACS)61電阻溫度系數(K-1)0,004導熱系數(W/m.K)220線性膨脹系數(K-1)23x10-6拉應力（退火）(MPa)60/80拉應力（硬）(MPa)150/200彈性模量(MPa)66000硬度（退火）20硬度（硬）40

鋁合金鋁鎂合金：（中強度）主要元素是鋁，再摻入少量的鎂或是其它的金屬材料來加強其硬度。質堅量輕、散熱性較好、抗壓性較強，其硬度是傳統塑料的數倍，但重量僅為后者的三分之一。鋁鎂硅合金：（高強度）用作架空線。

氧化鋁化學性質穩定，絕緣性能優良

機械強度高，耐高溫2023/9/2264.3.3.特殊導電材料一、觸頭材料（接觸材料）電接觸材料是電流傳輸與轉換過程中重要材料之一。電力、電器設備中通、斷控制及負載電流電器（如開關、繼電器、起動器及儀器儀表等）的關鍵材料。2023/9/227282023/9/2

在開關電器中，電接觸材料性能決定了開斷能力和接觸可靠性。

接觸電阻——相互接觸的導體接觸面電阻遠高于其它部位電阻。集中電阻

電流通過實際接觸面時，由于電流線收縮（或稱集中）顯示出來的電阻。將其稱為集中電阻或收縮電阻。

ρA、ρB，導體電阻；n，接觸點數；f，臨界彈性值；F，接觸力。2023/9/229302023/9/2界面電阻

由于接觸表面膜層及其他污染物所構成的電阻。從接觸表面狀態分析，表面污染膜可分為較堅實的薄膜層和較松散的雜質污染層。

接點材料：要求接觸電阻小，耐高溫，W和W合金

滑動觸頭材料：硬度大，摩擦系數小，碳系材料（Cu、Ag、Zn、Sn、Pb與石墨粘合成型）常用觸頭材料分類表類別材料品種強電用復合觸頭材料銀-氧化鎘，銀-鎢，銅-鎢，銀-鐵，銀-鎳，銅-石墨，銀-碳化鎢真空開關觸頭材料銅鉍鈰，銅鉍銀，銅碲硒，鎢-銅鉍鋯，銅鐵鎳鈷鉍弱電用鉑族合金鉑銥，鈀銀，鈀銅，鈀銥金基合金金鎳，金銀，金鋯銀及其合金銀，銀銅鎢及其合金鎢，鎢鉬4.4超導材料4.4.1超導現象

1911年，荷蘭Leiden大學H.K.Onnes首先在實驗室發現汞（Hg）在溫度降到4.2K（液氦溫度）時，電阻率很快降到零。2023/9/232

1957年美國MIT，Collins等曾用下述實驗測定超導體在超導態下的電阻值試驗溫度Tc＝7.23K可以推算出線圈此時的電阻率ρ<10-21Ω·m與銅的電阻率10-7Ω·m相比，超導態下的電阻率實際上等于零。2023/9/2334.4.2.超導的概念與定義2023/9/234某些物質在一定溫度條件下電阻降為零的性質稱為超導電性。低于某一溫度出現超導電性的物質稱為超導體。從電阻不為零的正常態轉變為超導態的溫度稱為超導臨界溫度Tc。超導體的電阻率小于目前所能檢測的最小電阻率10-26Ω·cm，可以認為電阻為零。

特性一：完全導電性，超導體進入超導態時，其電阻率實際上等于零。例如：室溫下將超導體放入磁場中，冷卻到低溫進入超導狀態，去掉外加磁場后，線圈產生感生電流，由于沒有電阻，此電流將永不衰減。即超導體的“持久電流”。

特性二：完全抗磁性，不論開始時有無外磁場，只有T＜Tc，超導體變為超導態后，體內的磁感應強度恒為零，即超導體能把磁力線全部排斥到體外，這種現象稱為邁斯納效應。特性三：即使在低于臨界溫度以下，若進入超導體內的電流強度以及周圍磁場的強度超過某一臨界值時，超導狀態被破壞，而成為普通的常導狀態，電流和磁場的這種臨界值分別稱為臨界電流Ic和臨界磁場Hc臨界。

臨界溫度（Tc）、臨界磁場（Hc）、臨界電流Ic是約束超導現象的三大臨界條件。當溫度超過臨界溫度時，超導態就消失；同時，當超過臨界電流或者臨界磁場時，超導態也會消失，三者具有明顯的相關性。只有當上述三個條件均滿足超導材料本身的臨界值時，才能發生超導現象。小結：

超導（電）體具有三個與其超導性能有關的基本參數：

臨界溫度——Tc

臨界磁場——Hc

臨界電流——Ic2023/9/236374.4.3超導體的電磁性質反磁性——邁斯納（W.Meissner）效應

1933年進行的一項著名實驗

不論超導體在進入超導態前內部是否有磁場，一旦進入超導態后，即使有外磁場，超導態內部都不存在磁場，即磁感應強度2023/9/22023/9/238超導體的電流分布——集膚性

不加外磁場時，流過超導扁帶內的電流密度Js符合公式：4.4.4超導機理

唯象模型——二流體模型1）超導態時，自由電子分為：超導電子和常導電子。兩類電子占據同一體積，在空間中互相滲透又彼此獨立地運動。2）常導電子受晶格的散射，且運動雜亂，對熵有貢獻。3）超導電子處于一種凝聚狀態，即它們凝聚在某個最低能量狀態，其特點是電子不受晶格散射，其熵為零。2023/9/239402023/9/2（4）超導態是有序化狀態，超導電子的凝聚就是這種有序化的表現。T＝0時，所有自由電子都凝聚在這個態中成為超導電子；0<T<Tc時，部分傳導電子從凝聚態中激發出來，成為常導電子，T越高激發出的電子也越多；T>Tc時，全部自由電子從凝聚態中激發出來，成為常導電子，進入無序化的常導態。4.4.5微觀理論——BCS理論

巴丁—庫伯—斯里費三人提出：超導體中的電子總是每兩個組成一對的，稱為庫伯電子對。

在BCS狀態下，電子的能量比常導狀態下的要低。在絕對零度時，每單位體積的能量

δW=?N(0)Δ2(0)，Δ(0)=2?ωDе-1/(N(0)V0)式中，N(0)—費米級的狀態密度，即單位能量間隔的電子狀態數；ωD—描述晶格振動的德拜頻率；V0—電子間的引力強度；Δ—能隙。

2023/9/241要把一個庫伯對拆散成二個常導電子，需從外部加入2Δ的能量。超導態比常導態每個電子能量低Δ。電子能譜中存在的能隙是由于庫伯對的吸引力造成的。能隙隨著溫度的上升而減小，這時一些庫伯對拆散成二個常導電子，庫伯對的密度也隨之下降。當Δ＝0時，超導態消失而轉變為常導態。2023/9/242432023/9/2庫柏電子對形成示意圖金屬超導體目前發現具有超導電性的金屬元素有30種，其中過渡族元素19種，如Ti、V、Zr、Nb、Mo、W等，非過渡族元素有11種如Pb、Sn、Al、Ga等。4.4.5超導材料的分類

超導金屬中，鉛（Pb）的臨界溫度最高，達7.196K，（Rh）的臨界溫度最低，為0.000325K。

超