第1章緒論11.1電力系統(tǒng)中的電力設(shè)備1.2電力設(shè)備中的電氣材料1.3電氣材料與電力設(shè)備發(fā)展的關(guān)系主要內(nèi)容812

電力能源工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)。電力工業(yè)的發(fā)展和電力系統(tǒng)水平的提高，往往取決于電力設(shè)備制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，而電力設(shè)備的進(jìn)步又伴隨著新型電氣材料的出現(xiàn)和推廣應(yīng)用。1.1電力系統(tǒng)中的電力設(shè)備1.1.1電力系統(tǒng)及其安全可靠性電力系統(tǒng)是由發(fā)電、輸電、變電、配電和用電等環(huán)節(jié)組成的電能生產(chǎn)與消費(fèi)系統(tǒng)。151.1電力系統(tǒng)中的電力設(shè)備16從20世紀(jì)開始，電能的生產(chǎn)主要靠火電廠、水電站和核電站火電廠73.1%47.6%水電站19.9%14.4%核電站1.7%1.9%電能的生產(chǎn)隨著“雙碳目標(biāo)”的提出，開始了新型清潔能源的規(guī)?；瘧?yīng)用潮汐能發(fā)電地?zé)崮馨l(fā)電風(fēng)能發(fā)電3.3%-15.1%太陽能發(fā)電0.7%-20.9%生物質(zhì)能發(fā)電1.1電力系統(tǒng)中的電力設(shè)備18電能的使用電力設(shè)備作為保證電力生產(chǎn)、傳輸和分配的基礎(chǔ)載體，對人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)、生活中的各能量轉(zhuǎn)換及應(yīng)用起到十分重要的作用。電力驅(qū)動(dòng)電力照明電熱電焊1.1電力系統(tǒng)中的電力設(shè)備19電力網(wǎng)的形成在電力能源工業(yè)發(fā)展初期，每個(gè)發(fā)電廠的容量都很小，且建設(shè)在用戶附近，各發(fā)電廠孤立運(yùn)行，它們之間沒有任何聯(lián)系。社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展電力需求日益增多供電質(zhì)量更高的要求高電壓輸電技術(shù)——將地理上相隔一定距離的發(fā)電廠連接起來并列運(yùn)行；開始在一個(gè)地區(qū)之內(nèi)，后來發(fā)展到地區(qū)之間互相連接，逐步形成龐大的電力系統(tǒng)。大規(guī)模電力系統(tǒng)的出現(xiàn)成為20世紀(jì)人類最偉大的工程成就。1.1電力系統(tǒng)中的電力設(shè)備20在現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門中，電氣化程度愈來愈高，電力在能源終端消費(fèi)中的比重越來越大（目前20%，2030年28%，2050年增至52%）。電能供給的中斷或不足，都將直接影響工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，造成人們生活秩序紊亂，甚至在某種情況下會(huì)釀成極其嚴(yán)重的社會(huì)性災(zāi)難。印度大停電2012/7/30北美大停電2003/8/14電力安全可靠性電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，在于電力設(shè)備的絕緣和電力設(shè)備的故障檢測。中國冰災(zāi)20081.1電力系統(tǒng)中的電力設(shè)備絕緣的劣化可導(dǎo)致電力電纜、變壓器等設(shè)備發(fā)生故障。認(rèn)識(shí)材料的老化特性對于預(yù)測電力設(shè)備絕緣壽命非常重要。輸電設(shè)備輸電設(shè)備是實(shí)現(xiàn)電能傳輸?shù)脑O(shè)備。典型的有電線電纜、桿塔、絕緣子。電線電纜：是用于傳輸電能、通訊控制信號(hào)，以及作為電氣設(shè)備中不可缺少的導(dǎo)體、連接線和各種部件。在習(xí)慣上，人們把家用布電線叫做電線，把電力電纜簡稱電纜。2324裸導(dǎo)線（裸線）電磁線（漆包線）普通電線電力電纜通訊電纜輸電設(shè)備氣體絕緣輸電線路GIL特高壓1000千伏蘇通GIL綜合管廊工程桿塔：用來支持導(dǎo)線和避雷線，并使導(dǎo)線之間以及導(dǎo)線與大地之間保持一定的距離。

單桿Π形桿鐵塔鐵塔絕緣子：在架空輸電線路中起著機(jī)械支撐和電氣絕緣兩個(gè)基本作用。

通常由玻璃、陶瓷或合成材料制成。絕緣子應(yīng)有足夠的電氣強(qiáng)度和機(jī)械強(qiáng)度、對化學(xué)污染有足夠的抵抗力，并能夠適應(yīng)周圍大氣溫度和濕度的變化。輸電設(shè)備26變壓器：是利用電磁感應(yīng)的原理來改變交流電壓、電流和阻抗的裝置。在電氣設(shè)備和無線電路中常起到升降電壓、匹配阻抗和安全隔離等作用。其主要功能有：電壓變換、電流變換、阻抗變換、隔離、穩(wěn)壓（磁飽和變壓器）等。變電設(shè)備變電設(shè)備：是實(shí)現(xiàn)電流、電壓變換的設(shè)備。包括變壓器、高壓開關(guān)、避雷器、無功補(bǔ)償、直流電源、套管、母線等。高壓開關(guān)：是指工作電壓在3kV及以上，工作頻率在50Hz及以下的戶內(nèi)和戶外交流開關(guān)設(shè)備。主要用于發(fā)電廠、變電站、輸配電線路和用戶的控制和保護(hù)，既可根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行需要將一部分電力設(shè)備或線路投入或退出運(yùn)行，也可在電力設(shè)備或線路發(fā)生故障時(shí)將故障部分從電網(wǎng)快速切除，保證電網(wǎng)中無故障部分正常運(yùn)行。斷路器隔離開關(guān)高壓接地開關(guān)2728避雷器：能釋放雷電或電力系統(tǒng)操作過電壓能量，保護(hù)電力設(shè)備免受瞬時(shí)過電壓危害；又能截?cái)嗬m(xù)流，不致引起系統(tǒng)接地短路的裝置。避雷器常與被保護(hù)設(shè)備并聯(lián)，接于帶電導(dǎo)線與地之間。當(dāng)過電壓值達(dá)到動(dòng)作電壓時(shí)，避雷器自動(dòng)開通，限制過電壓幅值，保護(hù)設(shè)備絕緣；電壓值恢復(fù)正常后，避雷器又迅速自動(dòng)關(guān)斷，保證系統(tǒng)正常供電。套管：用于帶電導(dǎo)體穿過或引入與其電位不同的墻壁或電氣設(shè)備金屬外殼，起絕緣和支持作用的一種絕緣裝置。母線：指在變電所中各級(jí)電壓配電裝置的連接，以及變壓器等電氣設(shè)備和相應(yīng)配電裝置的連接。大都采用矩形或圓形截面的裸導(dǎo)線或絞線，統(tǒng)稱為母線。母線的作用是匯集、分配和傳送電能。變電設(shè)備無功補(bǔ)償裝置：用于改善電能質(zhì)量的裝置，具有無功補(bǔ)償、抑制諧波、降低電壓波動(dòng)和閃變以及解決三相不平衡等功能。常用的無功補(bǔ)償裝置有：無源電力濾波器，兼有無功補(bǔ)償和調(diào)壓功能；靜止無功補(bǔ)償裝置（SVC）能綜合治理電壓波動(dòng)和閃變、諧波以及電壓不平衡；有源電力濾波器（APF），能對頻率和幅值都發(fā)生變化的諧波和無功電流進(jìn)行補(bǔ)償，主要應(yīng)用于低壓配電系統(tǒng)。直流電源：是維持電路中形成穩(wěn)恒電流的裝置。如干電池、蓄電池、直流發(fā)電機(jī)等。變電設(shè)備29繼電保護(hù)裝置是用一個(gè)或多個(gè)保護(hù)元件（如繼電器）和邏輯元件按要求組配在一起，完成電力系統(tǒng)中某項(xiàng)特定保護(hù)功能的裝置。基本任務(wù)：當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障或異常時(shí)，在可能實(shí)現(xiàn)的最短時(shí)間和最小區(qū)域內(nèi)，自動(dòng)將故障設(shè)備從系統(tǒng)中切除，或發(fā)出信號(hào)給值班人員，以減輕或避免設(shè)備的損壞和對相鄰地區(qū)供電的影響。繼電保護(hù)及自動(dòng)化繼電保護(hù)及自動(dòng)化的主要作用：當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生足以損壞設(shè)備或危及電網(wǎng)安全運(yùn)行的故障時(shí)，使被保護(hù)設(shè)備快速脫離電網(wǎng)；對電網(wǎng)非正常運(yùn)行及某些設(shè)備的非正常狀態(tài)能及時(shí)發(fā)出警報(bào)信號(hào)，以便迅速處理，使之恢復(fù)正常；實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)和調(diào)動(dòng)自動(dòng)化，以及工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)控制。

電力系統(tǒng)中的各種電力設(shè)備由不同電氣材料構(gòu)成，其運(yùn)行性能和安全穩(wěn)定性依托于材料的性能和可靠性。302016(2023)年我國總發(fā)電裝機(jī)容量超過16.5(29.2)億千瓦（風(fēng)能和太陽能10.5億千瓦），位列世界第一位。已建成交流1000kV特高壓線路和直流

800kV、

1100kV特高壓輸電線路。在高壓交流輸電、直流輸電技術(shù)以及柔性直流輸電（張北±500kV四端環(huán)形柔性直流電網(wǎng)，云貴廣±800kV多端柔直輸電）技術(shù)中，輸變電設(shè)備決定了電能利用效率。但新型電力設(shè)備的開發(fā)往往都依賴于對已有材料體系性質(zhì)的深入認(rèn)識(shí)和新材料的應(yīng)用。電力設(shè)備由不同功能材料按特定的結(jié)構(gòu)構(gòu)成，以滿足其特定的應(yīng)用需求。電力設(shè)備中應(yīng)用的材料種類繁多，按其電氣功能有：電介質(zhì)絕緣材料、半導(dǎo)體材料、導(dǎo)電材料、磁性材料。此外，還包括其他一些結(jié)構(gòu)材料和功能轉(zhuǎn)換材料以及電儲(chǔ)能材料。1.2電力設(shè)備中的電氣材料32絕緣材料是用來限制傳導(dǎo)電流或使電流按一定路徑流動(dòng)的電介質(zhì)材料。電介質(zhì)是指在電場中能產(chǎn)生極化的物質(zhì)。

例如：在電機(jī)、變壓器、電纜等設(shè)備中限制電流按一定的路徑流動(dòng)；

又如：在電容器中，還可用其介電極化特性建立電場以儲(chǔ)存電能。絕緣材料電阻率很高，108-1016

·m范圍，隨溫度升高而減小。優(yōu)良的電、熱、力學(xué)性能以及環(huán)境友好，在超高溫、超低溫、高能輻射、高轉(zhuǎn)速、高壓力、高真空、深海等特殊環(huán)境下正常工作。1.2.1電介質(zhì)絕緣材料絕緣材料種類：繁多，按其聚集狀態(tài)可分為絕緣氣體、絕緣液體和固體絕緣三類。1.2電力設(shè)備中的電氣材料絕緣氣體常用的絕緣氣體：空氣、氮?dú)?、六氟化硫等。主要用于架空線、空氣電容器、充氣電纜及GIS中。1.2.1電介質(zhì)絕緣材料33SF6氣體已有百年歷史，是法國兩位化學(xué)家Moissan和Lebeau于1900年合成的人造惰性氣體，80%用于高、中壓電力設(shè)備，作為絕緣和/或滅弧：SF6斷路器GIS（指六氟化硫封閉式組合電器，國際上稱為“氣體絕緣開關(guān)設(shè)備”（GasInsulatedSwitchgear)）SF6負(fù)荷開關(guān)設(shè)備SF6絕緣輸電管線GILSF6變壓器及SF6絕緣變電站GIS。SF6溫室效應(yīng)氣體的替代，系列環(huán)境友好絕緣氣體的產(chǎn)生。工程上要求：

液體電介質(zhì)具有優(yōu)良的電性能——高的電氣強(qiáng)度和體積電阻率，小的介質(zhì)損耗因數(shù)和介電常數(shù)，儲(chǔ)能設(shè)備則要求高介電常數(shù)且隨溫度變化小。熱性能——熱穩(wěn)定性和抗氧化性好、不易分解。物理化學(xué)穩(wěn)定性——閃點(diǎn)、燃點(diǎn)高，凝點(diǎn)低、粘度小、散熱性好。環(huán)境友好性——無毒、對環(huán)境無害。經(jīng)濟(jì)性——制備方便，來源廣，成本低。常用的絕緣液體：

天然礦物絕緣油合成絕緣油（硅油、十二烷基苯、聚異丁烯、異丙基聯(lián)苯）植物絕緣油（大豆油、菜籽油、棕櫚油等）1.2.1電介質(zhì)絕緣材料絕緣液體34無機(jī)絕緣材料以離子型金屬氧化物為主。脆性和耐熱性高；穩(wěn)定性、耐大氣老化性、耐化學(xué)藥品性及長期在電場作用下的耐老化性好；但耐沖擊強(qiáng)度、抗張強(qiáng)度低。常用無機(jī)絕緣材料有電瓷、云母、玻璃等。有機(jī)絕緣材料一般為高分子聚合物。耐沖擊強(qiáng)度、抗張強(qiáng)度好；耐熱性差。常用有機(jī)絕緣材料：塑料、橡膠、纖維、油漆、電工薄膜、絕緣浸漬纖維制品、復(fù)合制品、膠粘帶和層壓制品等。工程上要求：優(yōu)良的電性能——高的電氣強(qiáng)度和體積電阻率，低的介質(zhì)損耗因數(shù)。熱性能——耐熱性好、不燃。物理化學(xué)穩(wěn)定性——不吸水，在強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、高壓環(huán)境中無變化。抗老化性——耐大氣老化、耐氧化、耐輻射。經(jīng)濟(jì)性——制備方便，來源廣，成本低。絕緣固體1.2.1電介質(zhì)絕緣材料35半導(dǎo)體材料是電阻率介于絕緣材料與導(dǎo)電材料之間的材料，一般為10–6～108Ω·m。半導(dǎo)體中的載流子為電子、空穴，其電阻率隨溫度上升而下降。1.2.2半導(dǎo)體材料純凈半導(dǎo)體材料由于導(dǎo)電性能很差，沒有實(shí)用價(jià)值。通過摻入不同濃度的微量雜質(zhì)來控制其導(dǎo)電性，才使半導(dǎo)體材料能制成各種器件，從而獲得廣泛應(yīng)用。例如：Si中摻入5價(jià)P，As，Bi，Sb（施主摻雜）制成N型半導(dǎo)體，電子導(dǎo)電摻入3價(jià)Al，P，Ga，In（受主摻雜）制成P型半導(dǎo)體，空穴導(dǎo)電36利用半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率隨外界作用因素如光、熱、電壓等變化非常敏感的特性，可獲得多種功能特性。光電效應(yīng)——光敏電阻熱敏效應(yīng)——熱敏電阻壓敏（對機(jī)械壓力敏感）效應(yīng)——壓敏電阻光敏電阻熱敏電阻壓敏電阻1.2.2半導(dǎo)體材料37導(dǎo)電材料指允許電流持續(xù)流通的材料。其電阻率很低，一般在10–6Ω·m以下。導(dǎo)電材料的載流子主要有兩類：一類是自由電子，如銅、鋁等金屬材料；另一類是離子，如酸、堿、鹽等溶液。1.2.3導(dǎo)電材料Ee38電氣工程中應(yīng)用的導(dǎo)電材料以金屬為主。具有高的電導(dǎo)率、優(yōu)良的機(jī)械性能、耐大氣腐蝕性及好的機(jī)械加工性能。常用的導(dǎo)電材料除高電導(dǎo)率的銅、鋁外，也包括銅合金、鎳鉻合金以及能導(dǎo)電的石墨等。例如：銅、鋁用于電線電纜的載流芯，電機(jī)、變壓器的繞組導(dǎo)線；銀、銅、鋁復(fù)合材料用于開關(guān)設(shè)備中的電觸頭；合金導(dǎo)電材料的電阻率較高，主要用于制造各種電阻調(diào)節(jié)元件、電位器、傳感元件等，要求材料的溫度系數(shù)小、機(jī)械強(qiáng)度高、抗氧化和耐腐蝕性好；同時(shí)，還可用于發(fā)熱元件，要求材料在高溫下有好的抗氧化能力、溫度系數(shù)小、機(jī)械強(qiáng)度高及較高電阻率；有較高電阻率的石墨，具有熔點(diǎn)高、潤滑性好的特點(diǎn)，用于制作電機(jī)的電刷、弧光燈的電極等。1.2.3導(dǎo)電材料39超導(dǎo)現(xiàn)象及超導(dǎo)材料1911年荷蘭物理學(xué)家H.K.昂尼斯（H.K.Onnes）發(fā)現(xiàn)，在4.2K的極低溫度下，Hg樣品的電阻在極小溫度范圍內(nèi)急劇地下降到零。這種當(dāng)材料的溫度降到接近絕對零度的某一臨界溫度時(shí)，其電阻突然降為零的現(xiàn)象——超導(dǎo)現(xiàn)象。這種電阻消失的特性稱為超導(dǎo)電性，具有超導(dǎo)電性的材料稱為超導(dǎo)體。低溫超導(dǎo)材料達(dá)到超導(dǎo)態(tài)的溫度一般在液氦溫度范圍內(nèi)，材料在超導(dǎo)態(tài)下的載流子為電子對。超導(dǎo)體可分為元素超導(dǎo)體、合金超導(dǎo)體和化合物超導(dǎo)體三類，常用的有鈮、銦、錫、鈮-鈦合金、鈮-鋯合金、錫化三鈮（Nb3Sn）、鎵化三釩（V3Ga）。在20世紀(jì)80年代科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)了銥-鋇-銅-氧陶瓷超導(dǎo)體，它們在液氮溫度（77K）附近具有超導(dǎo)電性，故被稱為高溫超導(dǎo)材料。超導(dǎo)體可應(yīng)用于超導(dǎo)磁體、超導(dǎo)電機(jī)、超導(dǎo)限流器、超導(dǎo)電纜等電力設(shè)備中。1.2.3導(dǎo)電材料40411.2.4磁性材料磁性材料指具有鐵磁性能的材料。根據(jù)組成可分鐵磁性材料和鐵氧體兩類。前者為金屬，后者由氧化鐵和其他金屬氧化物的粉末壓制成型。根據(jù)矯頑力大小則可分為軟磁材料和硬磁材料。軟磁材料的矯頑力低、磁滯回線窄，故磁滯損耗小、磁導(dǎo)率高，在較低的外磁場作用下就能產(chǎn)生高的磁感應(yīng)強(qiáng)度磁通密度，當(dāng)外磁場除去后，磁性基本消失。電機(jī)、變壓器、繼電器等電器設(shè)備中應(yīng)用的硅鋼片、鐵鎳合金、鐵鋁合金、軟磁鐵氧體等為軟磁材料硬磁材料的矯頑力高、磁滯回線寬、磁滯損耗大，將外加的磁場去掉后，仍能在長時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定地保持很強(qiáng)的磁性。微電機(jī)、揚(yáng)聲器、精密儀表等應(yīng)用的鋁鎳鈷鐵系材料及硬磁鐵氧體、稀土鈷等都是硬磁材料電能存儲(chǔ)是實(shí)現(xiàn)電能控制和轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵技術(shù)。在電動(dòng)汽車能源系統(tǒng)、脈沖功率設(shè)備、智能電網(wǎng)以及柔性直流輸電換流設(shè)備等工業(yè)、國防領(lǐng)域核心電力裝備中起著重要作用。其中高性能儲(chǔ)能器件的開發(fā)是電能存儲(chǔ)的基礎(chǔ)。目前廣泛研究的儲(chǔ)能器件有介質(zhì)電容器、二次電池和電化學(xué)電容器等。1.2.5電儲(chǔ)能材料421.3電氣材料與電力設(shè)備發(fā)展的關(guān)系電氣材料是構(gòu)成電力設(shè)備的物質(zhì)，是實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備各種功能的基礎(chǔ)，是電力設(shè)備安全可靠運(yùn)行的基本保證?，F(xiàn)代社會(huì)許多技術(shù)上的真正突破都來源于對材料性質(zhì)的深刻認(rèn)識(shí)。在電力設(shè)備一百多年的發(fā)展歷程中也處處顯現(xiàn)出這種規(guī)律性，新材料的發(fā)展往往能帶來技術(shù)上的重大進(jìn)步！隨著導(dǎo)電材料、半導(dǎo)體材料、磁性材料和絕緣材料的發(fā)展，使人們得以在電磁場理論與量子力學(xué)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)制造出各種電力設(shè)備與器件，實(shí)現(xiàn)對電能產(chǎn)生、傳輸、變換及應(yīng)用過程的控制，發(fā)展形成現(xiàn)代電力工業(yè)并使之成為國民經(jīng)濟(jì)的命脈。45材料對電力設(shè)備發(fā)展的影響導(dǎo)電材料的發(fā)展以及超導(dǎo)材料的出現(xiàn)，使得電力設(shè)備傳輸電能的容量不斷增大、損耗降低、設(shè)備體積減小、經(jīng)濟(jì)性提高。磁性材料的發(fā)展使得電力設(shè)備的磁滯損耗降低，電磁轉(zhuǎn)換效率提高，設(shè)備體積減小。以硅為代表的半導(dǎo)體材料的發(fā)展，極大地提高了電力設(shè)備對電能的變換控制能力。各種絕緣材料的發(fā)展，則成為電力設(shè)備長期安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵，將直接影響電力工業(yè)的發(fā)展水平和運(yùn)行質(zhì)量。下面以電介質(zhì)絕緣材料的發(fā)展為例，說明電氣材料與電力設(shè)備發(fā)展的關(guān)系。46電力設(shè)備中的電氣絕緣材料應(yīng)用實(shí)例——電氣絕緣材料的發(fā)展47迄今為止，可以說電力設(shè)備用絕緣材料的發(fā)展基本上經(jīng)歷了天然制品、人工合成和納米復(fù)合電介質(zhì)三個(gè)階段。20世紀(jì)初的電力設(shè)備，工作電壓低、電流小，天然材料用作電機(jī)、電線電纜、變壓器、開關(guān)等設(shè)備的絕緣，如云母、瀝青、天然橡膠、大理石板、棉布、絲綢等，它們的介電性能如絕緣電阻率和電氣強(qiáng)度都較低。隨著電力設(shè)備工作電壓的提高，尤其是大容量電機(jī)及高壓輸變電設(shè)備的發(fā)展，急需研發(fā)新型絕緣電介質(zhì)。Core-form,front;shell-form,back.EarliestspecimensofZ.B.D.-designedhigh-efficiencyconstant-potentialtransformersmanufacturedattheGanzfactoryin1885.

Asmallearly1900s75kVAdirect-drivenpowerstationACalternator,withaseparatebelt-drivenexcitergenerator.48應(yīng)用實(shí)例——電氣絕緣材料的發(fā)展工業(yè)合成塑料酚醛樹脂首先問世，其后又相繼出現(xiàn)脲醛樹脂、醇酸樹脂，其電性能好，耐熱性高。

20世紀(jì)30年代開始，人工合成絕緣材料得到了迅速發(fā)展，主要有縮醛樹脂、氯丁橡膠、聚氯乙烯、丁苯橡膠、聚酰胺、三聚氰胺、聚乙烯以及性能優(yōu)異稱之為塑料王的聚四氟乙烯等。這些合成材料的出現(xiàn)，極大地提升了電力設(shè)備的性能。縮醛漆包線用于電機(jī)，使其工作溫度和可靠性提高，而電機(jī)的體積和重量大大降低；玻璃纖維及其編織帶和有機(jī)硅樹脂的應(yīng)用，增加了電機(jī)絕緣的耐熱等級(jí)；不飽和聚酯與環(huán)氧樹脂問世，以及粉云母紙的出現(xiàn)使人們擺脫了片云母資源匱乏的困境；49應(yīng)用實(shí)例——電氣絕緣材料的發(fā)展粉云母50六氟化硫的合成應(yīng)用，大大提高了絕緣氣體的電氣強(qiáng)度三氯聯(lián)苯合成絕緣油的出現(xiàn)使電力電容器的比特性出現(xiàn)了一次飛躍，但因?qū)θ梭w健康有害，后已停止使用。20世紀(jì)中葉以后，隨著合成化學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展，高分子合成絕緣材料得到廣泛應(yīng)用。具有絕緣強(qiáng)度高、加工性能好，且經(jīng)過改性可提高其耐熱、阻燃、耐油等特性。促進(jìn)了各種電力設(shè)備向高性能、大容量、高電壓方向發(fā)展。目前，高分子聚合物已成為各種新型絕緣材料的主體，例如：電機(jī)絕緣由Y、A級(jí)(耐熱90℃~105℃，天然棉、絲、紙)發(fā)展到C級(jí)(耐熱200℃，聚酰亞胺)，以環(huán)氧粉云母帶為主絕緣的大型發(fā)電機(jī)容量由20世紀(jì)50年代的6MW發(fā)展到(水1000/火1300/核1750）MW。聚乙烯絕緣電纜采用化學(xué)或輻照交聯(lián)，耐溫由75℃提高

到90℃以上，采用交聯(lián)聚乙烯絕緣的交流電纜電壓達(dá)500kV、直流電纜電壓達(dá)±640kV。合成十二烷基苯二芳基烷絕緣液體和聚丙烯薄膜作為

電力電容器主絕緣。六氟化硫部分取代斷路器的空氣絕緣及變壓器的油紙絕緣，使設(shè)備向大容量小型化方向發(fā)展。應(yīng)用實(shí)例——電氣絕緣材料的發(fā)展從20世紀(jì)90年代開始，納米材料與納米技術(shù)已逐步引領(lǐng)著新型絕緣材料的發(fā)展。研究發(fā)現(xiàn)，采用納米級(jí)(1~100nm)粉料均勻分散在聚合物樹脂中,或在聚合物內(nèi)部形成納米級(jí)晶粒或納米級(jí)微孔等方法，所構(gòu)成的納米復(fù)合電介質(zhì)材料表現(xiàn)出許多獨(dú)特而又奇異的性能。例如：在常用的環(huán)氧樹脂、聚乙烯、聚酰亞胺材料中，添加適量的無機(jī)納米粉體，會(huì)顯著提高復(fù)合材料的電阻率和電氣強(qiáng)度。例1：變頻電機(jī)用耐電暈聚酰亞胺膜（漆），解決了電力電子變頻技術(shù)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的重復(fù)頻率陡脈沖帶來的絕緣難題，促進(jìn)了各種變頻驅(qū)動(dòng)電器以及高速機(jī)車用電機(jī)的發(fā)展。例2：高壓直流電纜用聚乙烯納米復(fù)合材料，解決了絕緣材料中空間電荷集聚的難題，使高壓直流擠出絕緣電纜的應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。51應(yīng)用實(shí)例——電氣絕緣材料的發(fā)展進(jìn)入21世紀(jì)，提出了環(huán)境友好絕緣材料概念，即在電力設(shè)備的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用和廢棄過程中不對環(huán)境和人類造成有害影響的絕緣材料，為新型電工材料的研制和應(yīng)用帶來了新的挑戰(zhàn)。隨著電力設(shè)備向高電壓、大容量、小體積、智能化方向發(fā)展；以及在極端環(huán)境條件下對耐高低溫、耐輻射、耐高壓力、耐化學(xué)腐蝕等高性能的需求。要求絕緣材料應(yīng)具有更高的電氣強(qiáng)度和低的介質(zhì)損耗；優(yōu)良的耐電暈腐蝕能力；良好的導(dǎo)熱性及耐熱性；穩(wěn)定的熱態(tài)力學(xué)性能；以及無毒、無害、阻燃、可回收等環(huán)境友好性能。這也是高性能電氣材料的發(fā)展方向。

52應(yīng)用實(shí)例——電氣絕緣材料的發(fā)展謝謝！5437《電氣材料基礎(chǔ)》第2章電氣材料結(jié)構(gòu)與性能382.1材料結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系2.2物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)2.3電氣材料導(dǎo)電性2.4電氣材料導(dǎo)熱性2.5電氣材料力學(xué)性能主要內(nèi)容39電氣材料是用于電氣、電子工程領(lǐng)域中各類材料的總稱，它是電磁能量與信息的載體。根據(jù)其電磁特性和用途可主要分為電介質(zhì)絕緣材料、半導(dǎo)體材料、導(dǎo)電材料和磁性材料四大類；此外，還包括一些結(jié)構(gòu)材料和功能轉(zhuǎn)換材料以及電儲(chǔ)能材料。各種材料之所以具有不同的特性，是由于材料的組成與物質(zhì)結(jié)構(gòu)不同所致，對此應(yīng)該有深入的認(rèn)識(shí)。本章將重點(diǎn)介紹材料的物質(zhì)結(jié)構(gòu)及電、熱、力學(xué)性能。2.1物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系電氣材料學(xué)：針對電氣電子工程領(lǐng)域材料應(yīng)用的交叉科學(xué)。通過探索材料的成分-組織結(jié)構(gòu)-制備合成與加工工藝-性能之間的關(guān)系，開發(fā)出新型電氣功能材料，或?qū)ΜF(xiàn)有的電氣材料進(jìn)行改性。這就構(gòu)成了電氣材料研究的“四面體”關(guān)系。人們認(rèn)識(shí)、開發(fā)、改善電氣材料的基礎(chǔ)，也是電氣材料在電力設(shè)備中應(yīng)用要解決的基本問題——實(shí)現(xiàn)對材料性能的選擇與控制。成分：構(gòu)成電氣材料的基本元素，具體指電氣材料的化學(xué)組成及其化學(xué)計(jì)量比。組織結(jié)構(gòu)：描述材料在不同尺度的原子排列規(guī)律，具體包括四個(gè)層次：原子結(jié)構(gòu)、結(jié)合鍵（分子結(jié)構(gòu)）、原子排列方式（晶體與非晶）和組織（相態(tài)、疇結(jié)構(gòu)）。制備合成：是指由天然或人工的化學(xué)藥品合成材料的制備過程；而加工工藝是為實(shí)現(xiàn)特定性能或功能而進(jìn)行的材料加工或處理。電氣材料的性能：包括電學(xué)性能（含電、磁、光等）、熱學(xué)性能（如熱導(dǎo)、熱膨脹、結(jié)晶等）、力學(xué)性能（如強(qiáng)度、塑性、韌性等）、化學(xué)性能（如抗氧化、抗腐蝕、聚合物降解等）、以及材料的老化（服役壽命預(yù)測、狀態(tài)檢測等）性能等。

化學(xué)組成是材料的固有屬性，那么電氣材料的成分是決定性能的唯一因素嗎？例如：電線電纜中常用的銅線

純銅線較為柔軟，電阻率較低；當(dāng)對純銅線進(jìn)行反復(fù)的彎折，銅線就會(huì)變硬變脆；持續(xù)的彎折最終會(huì)導(dǎo)致銅線被折斷——性能發(fā)生變化。在這個(gè)加工過程中，材料的成分沒有變化，而是內(nèi)部在肉眼不可見的微觀尺度上發(fā)生了結(jié)構(gòu)的變化，從而導(dǎo)致宏觀性能的變化。認(rèn)識(shí)材料性能-結(jié)構(gòu)關(guān)系就可以更好的控制材料的性能。ZnO壓敏陶瓷是一種廣泛應(yīng)用于瞬態(tài)過電壓抑制和浪涌吸收等非線性器件的核心材料。其電阻值具有對電壓變化很敏感的非線性電阻特性，即電壓敏特性。廣泛應(yīng)用于低壓、中壓、高壓領(lǐng)域的過電壓保護(hù)中，如ZnO避雷器。ZnO避雷器利用了這種電壓敏陶瓷非線性的電壓-電流特性。應(yīng)用實(shí)例：ZnO壓敏陶瓷的成分-組織結(jié)構(gòu)-制備合成與加工工藝-性能關(guān)系預(yù)擊穿區(qū)（小電流區(qū)），電流密度J=0.5~1.0mA/cm2，電阻率ρ=1010~1012??cm擊穿區(qū)

J=0.5mA/cm2~100A/cm2，

ρ=10~1010??cm；回升區(qū)

J>100A/cm2，

ρ=0.1~10??cmZnO壓敏陶瓷正常工作時(shí)處在小電流區(qū)；當(dāng)浪涌電流出現(xiàn)時(shí)，隨著電壓的陡然升高，壓敏陶瓷快速導(dǎo)通，從而保護(hù)并聯(lián)的電力設(shè)備或電子設(shè)備；浪涌電流過后壓敏陶瓷迅速恢復(fù)在小電流工作區(qū)。ZnO陶瓷的非線性電壓-電流特性是由其化學(xué)組成、組織結(jié)構(gòu)和制備工藝決定。純ZnO陶瓷的V-I特性為線性，為使其呈非線性，需添加各種氧化物，其中最重要的是Bi2O3。將原料混合-燒結(jié)制備出ZnO陶瓷具有晶粒、晶界和富鉍晶間相的多晶組織結(jié)構(gòu)晶粒結(jié)構(gòu)為規(guī)則的六方晶系纖鋅礦結(jié)構(gòu)，而晶界和富鉍晶間相結(jié)構(gòu)紊亂、化學(xué)計(jì)量比偏離和雜質(zhì)富集，在ZnO晶粒表面處形成大量受主型表面態(tài)(陷阱)表面態(tài)（陷阱）捕獲晶粒中的自由電子，在ZnO晶粒內(nèi)靠近晶界一側(cè)形成正的空間電荷區(qū)，即耗盡層，由此在晶界兩側(cè)同時(shí)形成肖特基（Schottky）勢壘。ZnO壓敏陶瓷的非線性就起因于晶粒間的Schottky勢壘。46在現(xiàn)代科技發(fā)展過程中，人們最感興趣和最為專注的努力之一就是認(rèn)識(shí)物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)。基于電子和離子的量子力學(xué)與電磁相互作用理論，加深對原子、分子系統(tǒng)內(nèi)部相互作用的認(rèn)識(shí)；使我們能合理地解釋物質(zhì)的宏觀性質(zhì)，并不斷開發(fā)出新材料和新器件。2.2物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)46石英晶振器超聲傳感器472.2.1原子的結(jié)構(gòu)1.經(jīng)典的原子模型—“殼層模型”原子的質(zhì)量集中在原子核。原子核由質(zhì)子和中子組成。質(zhì)子為帶正電荷的粒子，中子為電中性的粒子，質(zhì)子和中子具有相同的質(zhì)量，1.6726

10-27kg

。核中質(zhì)子的數(shù)目即為元素的原子序數(shù)Z。

電子則環(huán)繞核運(yùn)動(dòng)，電子的數(shù)目與核中質(zhì)子數(shù)目相同。電子的質(zhì)量為9.1096

10-31kg，僅為質(zhì)子質(zhì)量的1/1836。48原子核的質(zhì)子之間存在庫侖斥力，但是，當(dāng)兩個(gè)質(zhì)子相當(dāng)接近（小于10-15m）時(shí)，在粒子間強(qiáng)相互作用力——核力的作用下，質(zhì)子將克服靜電斥力而聚集在一起，保持核的完整性。元素原子間因所含質(zhì)子數(shù)相同但中子數(shù)不同而互稱為同位素。

例如：在氫元素中原子都含有一個(gè)質(zhì)子，但在普通氫的氫原子中不含中子，在重氫（氘）的氫原子中含有一個(gè)中子，在超重氫（氚）的氫原子中含有兩個(gè)中子。它們具有相同的核電荷數(shù)，核中質(zhì)子的數(shù)目即為元素的原子序數(shù)Z。經(jīng)典的波爾原子模型假設(shè)：只有一固定半徑的軌道是穩(wěn)定的。

例如：在氫原子中電子的最近半徑只能是0.053nm。電子穩(wěn)定地環(huán)繞固定半徑軌道運(yùn)動(dòng)，周期約為10-16s。49電子是帶負(fù)電荷的質(zhì)量很小的微粒，它在原子核周圍作高速運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不能用經(jīng)典物理的宏觀力學(xué)來描述。只能按照量子力學(xué)用統(tǒng)計(jì)的觀點(diǎn)去認(rèn)識(shí)電子在核外空間某個(gè)區(qū)域出現(xiàn)的機(jī)會(huì)（或幾率分布）。2.電子運(yùn)動(dòng)的描述在氫原子中，核外只有一個(gè)電子，該電子在核外各處空間出現(xiàn)的幾率不同。電子在原子核外出現(xiàn)的幾率分布稱為電子云。電子幾率在r=r0=0.053nm處球面上獲得最大值，r0被稱為氫原子的波爾半徑，表示電子云與原子核之間的距離。50在擁有多個(gè)電子的原子中，每個(gè)電子的能量不同，分別在不同能級(jí)的軌道上運(yùn)動(dòng)，能級(jí)的分布是量子化即不連續(xù)的。用量子理論描述原子中電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，需要有四個(gè)稱為量子數(shù)的一組數(shù)值（n,l,m,ms），才可以完全地確定一個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。主量子數(shù)n：表示電子所在主殼層的能級(jí)，是決定電子能量的主要因素。在多電子原子中，電子在原子核外按一定層次排布，這種電子的層次分布稱為電子殼層。由主量子數(shù)來區(qū)分的殼層稱為主殼層，對應(yīng)于n=1,2,3,4,……依次有K，L，M，N等主殼層，如圖2-4所示。軌道量子數(shù)l

亦稱角量子數(shù)或副量子數(shù)，決定電子繞核運(yùn)動(dòng)的軌道動(dòng)量矩。光譜實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在相同主量子數(shù)的殼層中，電子的能量也不完全相同，故采用軌道量子數(shù)加以區(qū)分。在每一主殼層上，由軌道量子數(shù)區(qū)分的殼層稱為亞殼層，對應(yīng)于l=0，1，2，3，……又可分為s,p,d,f,……等亞殼層。51磁量子數(shù)m

決定軌道動(dòng)量矩在外磁場方向的投影。用來表征電子云的空間伸展方式，即亞殼層中電子運(yùn)動(dòng)軌道的數(shù)目。自旋量子數(shù)ms

決定自旋動(dòng)量矩在外磁場方向的投影。電子在繞核運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，自身也作自旋運(yùn)動(dòng)。ms表示兩種不同的自旋運(yùn)動(dòng)。52量子理論：電子的分布由泡利不相容原理和能量最小原理來確定，并遵循洪特規(guī)則。3.原子中電子的分布53能量最小原理：當(dāng)原子中電子的能量最小時(shí)，原子系統(tǒng)的能量最低，原子處于穩(wěn)定狀態(tài)。原子中的所有電子總是從最內(nèi)層開始向外排列，當(dāng)一個(gè)亞殼層填滿了電子后，就獲得穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。泡利不相容原理：同一軌道上只能容納兩個(gè)自旋方向相反的電子。每個(gè)電子都具有完全不相同的一組量子數(shù)。即：不能將所有的電子填入一個(gè)亞殼層中。在n一定的主殼層上，電子最大填充數(shù)為2n2。對于給定的亞殼層，電子的最大填充數(shù)為2

(2l+1)。表示方法：以碳原子為例1s22s22p2。洪特規(guī)則：又稱最多軌道規(guī)則，即在相同的能量軌道上，電子排布將盡可能分別占居不同的軌道，并且自旋方向相同。在此規(guī)則中還有一個(gè)特例，即當(dāng)同一亞層上電子排布為全充滿、半充滿或全空時(shí)，原子比較穩(wěn)定。54對于主量子數(shù)為n的殼層，以2n2個(gè)電子為全填滿狀態(tài)，則該殼層稱為閉殼層，此時(shí)電子結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

例如：在元素周期表中的惰性元素，其亞殼層被全部填滿，由閉殼層組成惰性氣體He、Ne、Ar、Kr等，具有極其穩(wěn)定的化學(xué)性能，難以參加化學(xué)反應(yīng)；它們中的多數(shù)由于原子不能結(jié)合形成液體或固體，而以氣態(tài)存在。4.原子中電子的得失閉殼層外的最外亞殼層上的電子遠(yuǎn)離原子核，在原子相互作用中扮演著最重要的角色。在化學(xué)反應(yīng)中，這些電子首先與相鄰原子的外層電子發(fā)生相互作用，故最外層的電子亦稱為“價(jià)電子”，決定元素的化合價(jià)。

例如：堿金屬Li、Na、K等原子在閉殼層外有一個(gè)價(jià)電子，很容易失去這個(gè)電子而成為一價(jià)正離子，以形成穩(wěn)定的閉殼層結(jié)構(gòu)。55元素電離能（eV）元素電離能（eV）元素電離能（eV）元素電離能（eV）1H13.5956C11.26411Na5.13816S10.3572He24.5807N14.54012Mg7.64417Cl13.0103Li5.3908O13.61413Al5.98418Ar15.7554Be9.3209F17.42014Si8.14919K4.3395B8.29610Ne21.55915P11.00020Ca6.111

電離能：原子失去一個(gè)電子而成為一價(jià)正離子所需要的能量。電離能越小的原子越易形成正離子，堿金屬的電離能最小，惰性氣體的電離能最大。s2s2p1s2p2s2p3s2p4s2p5s2p6H-0.747He--0.37

Li-0.54Be--0.6B-0.2C-1.7N-0.0O-2.2F-3.63Na-0.74Mg--0.3Al-0.6Si-2.2P-0.8S-2.4Cl-3.78d10s2

Br-3.52Cu-1.0

I-3.12Ag-1.13

O=-6.5Au-2.43

S=-4.0電子親和能：原子獲得一個(gè)電子成為一價(jià)負(fù)離子時(shí)所放出的能量稱為電子親和能。親和能越大的原子越易形成負(fù)離子，例如，鹵素元素最外層容易獲得一個(gè)電子而形成一價(jià)負(fù)離子，從而使最外層形成穩(wěn)定的閉殼層結(jié)構(gòu)。電負(fù)性：表示原子吸引電子的能力，與原子失去或獲得電子的能力相關(guān)，電負(fù)性的大小正比于原子的電離能與電子親合能之和。通常規(guī)定Li元素的電負(fù)性為1，其他元素相對Li電負(fù)性的比值作為該元素的電負(fù)性。圖中綠色的電負(fù)性最弱，黃色的電負(fù)性適中，紅色的電負(fù)性最強(qiáng)。例如，在SF6分子中，S原子處于分子中心，F(xiàn)原子處于分子外圍，由于F的電負(fù)性強(qiáng)，容易從周圍捕獲電子，使SF6氣體成為強(qiáng)電負(fù)性氣體，廣泛用于高壓電力設(shè)備絕緣介質(zhì)。。581.分子的形成（鍵的形成）2.2.2固體中的作用力當(dāng)兩個(gè)原子靠近時(shí)，相鄰原子核及價(jià)電子間產(chǎn)生相互作用，結(jié)果在原子間形成一個(gè)鍵而生成一個(gè)分子。鍵的形成意味著相連兩原子系統(tǒng)的能量必須小于兩個(gè)分離原子的能量，使分子的形成更穩(wěn)定。當(dāng)兩個(gè)原子從相隔無窮遠(yuǎn)相互靠近時(shí)，由于靜電相互作用而產(chǎn)生吸引力FA和排斥力FR；初始時(shí)吸引力大于排斥力，產(chǎn)生凈力FN作用：兩原子系統(tǒng)中力的平衡，能量E的分布？59平衡距離r0——鍵長度，最小能量E0——結(jié)合能當(dāng)時(shí)，系統(tǒng)達(dá)到平衡，生成化學(xué)鍵60

結(jié)合能是將固體離解時(shí)所需要的能量，一般在0.02~10eV范圍，結(jié)合能越大，固體強(qiáng)度越大。當(dāng)結(jié)合能減小到使原子不再受固體晶格點(diǎn)陣的約束而自由運(yùn)動(dòng)時(shí)，則由原子（離子）凝聚成的固體物質(zhì)就成為液體；如果原子間距離進(jìn)一步增大，則原子間的作用力就完全消失而形成自由原子，物質(zhì)呈氣體狀態(tài)。例如：固態(tài)冰——液態(tài)水——水蒸氣

61原子相互作用結(jié)合成分子——形成固體時(shí)，起支配作用的是存在于分子內(nèi)部和分子之間的吸引力?；瘜W(xué)鍵：在分子內(nèi)部，相鄰的兩個(gè)或多個(gè)原子（或離子）之間存在的主要的、強(qiáng)烈的和吸引的相互作用稱為化學(xué)鍵。分子間力：在分子間存在的分子間作用力較弱，又稱范德華力。通常，分子間作用力（范德華力）比分子內(nèi)作用力（化學(xué)鍵）要小1~2個(gè)數(shù)量級(jí)。

62化學(xué)鍵可分為共價(jià)鍵、離子鍵及金屬鍵三大類?；瘜W(xué)鍵的強(qiáng)度可用鍵能來表示，即將一摩爾物質(zhì)的化學(xué)鍵全部析離而分解成氣態(tài)原子或離子時(shí)所需的能量，單位為J/mol。鍵能越大，分子越穩(wěn)定。2.化學(xué)鍵63兩個(gè)原子由于共同擁有部分或全部價(jià)電子而形成的鍵，稱為共價(jià)鍵。由原子中未成對且自旋方向相反的電子配對而成。共價(jià)鍵具有飽和性。（區(qū)別離子鍵）共價(jià)鍵具有方向性。（區(qū)別離子鍵）共價(jià)鍵構(gòu)成的物質(zhì)可分為分子型和原子型兩大類。共價(jià)鍵64以共價(jià)鍵為基本結(jié)構(gòu)質(zhì)點(diǎn)，通過分子間力聯(lián)合起來。如：甲烷CH4中的共價(jià)鍵，1個(gè)碳原子與4個(gè)氫原子共享電子；每個(gè)鍵共享2個(gè)電子；4個(gè)鍵相同且相互排斥。由分子型共價(jià)鍵組成的物質(zhì)熔點(diǎn)、沸點(diǎn)較低。例如，甲烷的熔點(diǎn)：-182.5℃沸點(diǎn)：-161.5℃分子型共價(jià)鍵65是由原子為基本結(jié)構(gòu)質(zhì)點(diǎn)構(gòu)成。原子間的共價(jià)鍵非常牢固，要解離這種共價(jià)鍵往往需要很大能量。例如金剛石結(jié)構(gòu)，是由C-C共價(jià)鍵組成，由于在共享的電子和原子核間存在很強(qiáng)的庫侖吸引力，使其在所有類型的化學(xué)鍵中具有最高鍵能。這類共價(jià)鍵物質(zhì)具有極高的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)和硬度。例如，金剛石熔點(diǎn)達(dá)4000℃

原子型共價(jià)鍵66

共價(jià)鍵構(gòu)成的固體材料化學(xué)穩(wěn)定性好，幾乎不溶于所有的溶劑中。共價(jià)鍵的方向性和高的鍵能，使材料缺乏延展性，在強(qiáng)力作用下易發(fā)生粹、裂。共價(jià)鍵的飽和性，使價(jià)電子被束縛在原子間的鍵中，在電場作用下不能自由移動(dòng)。因此，在這類材料中，電導(dǎo)率非常小，是良好的絕緣材料。共價(jià)鍵構(gòu)成的固體材料67金屬鍵金屬原子具有少量的價(jià)電子，易移動(dòng)。當(dāng)許多金屬原子堆積形成固體時(shí)，價(jià)電子會(huì)脫離單一原子而被所有離子共享。價(jià)電子離開原位置而形成電子氣或電子云，滲入離子間的空間。電子氣負(fù)電荷與金屬離子間的吸引大于將價(jià)電子移離單一原子的能量，因而形成金屬鍵。68金屬鍵性質(zhì)金屬鍵中由于電子是集體共享，因此無方向性。金屬離子趨于盡量靠近，形成密堆積晶體結(jié)構(gòu)，具有比共價(jià)鍵高的配位數(shù)。金屬鍵的無方向性，使其在外力作用下，金屬離子能產(chǎn)生相互運(yùn)動(dòng)，出現(xiàn)一定的缺陷，如斷層。因而，金屬具有延展性。電子氣中的自由價(jià)電子易于對外電場產(chǎn)生響應(yīng)，沿電場力方向移動(dòng)而形成電流，因此金屬具有高電導(dǎo)率。如果沿著金屬棒存在溫度梯度，由于自由電子與金屬離子的碰撞，將能量從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域傳輸。金屬也具有良好的導(dǎo)熱性。氣體分子中沒有金屬鍵。69由金屬-非金屬元素構(gòu)成。原子間的相互作用產(chǎn)生電子轉(zhuǎn)移，形成正負(fù)離子；正負(fù)離子間存在庫侖力的作用而形成離子鍵。離子鍵存在于氣體分子中，也存在于結(jié)晶固體中。

例如：在NaCl結(jié)晶體和NaCl蒸汽分子中均存在離子鍵。分別稱為“離子型結(jié)晶體”和“離子型分子”。離子鍵70當(dāng)許多電離的Na和Cl原子在一起時(shí)，庫侖力使Na+、Cl-離子相互結(jié)合成固體。由于圍繞電荷的庫侖力是無方向的，故離子鍵沒有方向性。同時(shí)，離子可同時(shí)與幾個(gè)相反電荷的離子作用，并在空間三維方向延伸形成離子型晶體，故離子鍵沒有飽和性。71當(dāng)凈勢能達(dá)到最小時(shí)，離子處于平衡狀態(tài)，固體穩(wěn)定。電離能約1.5eV;平衡時(shí)系統(tǒng)的最小勢能約–6.3eV將NaCl固體分離成Na和Cl原子所需的能量為6.3/2=3.15eV/原子。72許多由金屬-非金屬組成具有離子鍵的固體，被稱為離子晶體，如LiF,MgO,ZnS等，它們具有許多共同的物理性質(zhì)。強(qiáng)度高、易碎、熔點(diǎn)高（比金屬）。易溶于極性液體中，如水，形成導(dǎo)電離子。所有電子被嚴(yán)格束縛在離子上，沒有如金屬中的自由電子環(huán)繞在晶體中，因此離子型固體介質(zhì)是典型的絕緣體。與金屬鍵和共價(jià)鍵固體相比，離子鍵固體具有更低的熱導(dǎo)率。離子晶體73NaCl晶體中Na+-Cl-離子對的勢能E(r)可表示為隨離子間距r變化的函數(shù)：應(yīng)用實(shí)例——NaCl晶體中離子鍵的鍵長和鍵能。式中M為常數(shù)，取決于晶體中離子的幾何排列及晶體結(jié)構(gòu)；不考慮其他離子對的影響時(shí)，M=1；對于給定的某個(gè)Na+離子，考慮最近鄰的6個(gè)Cl-離子，次近鄰的12個(gè)Na+離子和第三近鄰的8個(gè)Cl-離子等相互作用，這種排布形成的面心立方晶體結(jié)構(gòu)，M=1.748。B、m為常數(shù)，對于Na+-Cl-離子對，m=8，B=10-96J

m8。對應(yīng)于晶體離子中Na+離子和Cl-離子間的平衡間距r0，離子結(jié)合能為-E(r0)，如果給定Na的電離能為5.14eV，Cl的電子親合能為3.61eV，可以計(jì)算出每摩爾NaCl晶體的原子結(jié)合能即鍵能：第一項(xiàng)表示吸引勢能，為Na+-Cl-離子對的庫侖相互作用能量。第二項(xiàng)表示排斥勢能，為Na+-Cl-離子對中由于亞殼層重疊產(chǎn)生的填充電子間的相互排斥作用能量，隨離子間距增加快速衰減743.分子間作用力（范德華力）VanderWaalsbonds,hydrogenbonding惰性元素氬Ar，在低于-189℃成為固相。水分子是電中性的，但水分子間相互吸引而形成液態(tài)（低于100℃）及固態(tài)（低于0℃

）。在以上原子、分子間存在一種較弱的吸引力，叫做范德華力，是由于一個(gè)原子中電子分布狀態(tài)與其它原子核間的靜電吸引所至。它比分子內(nèi)原子的作用力（共、離、金）要小1~2個(gè)數(shù)量級(jí)。分子間力包括取向力、誘導(dǎo)力、色散力。75

在有些分子中，正負(fù)電荷相等但中心不重合，形成電偶極子。分子具有極性——極性分子。偶極子間會(huì)出現(xiàn)相互吸引（頭尾）或相互排斥（頭頭、尾尾）力的作用。

極性分子間相互吸引形成vanderwaals鍵，使系統(tǒng)的能量小于分離偶極子之和。形成次級(jí)鍵——取向力。取向力76誘導(dǎo)力：是極性分子和非極性分子間存在的作用力。當(dāng)極性分子接近非極性分子時(shí)，極性分子的偶極矩電場使非極性分子發(fā)生極化，從而產(chǎn)生正、負(fù)電荷中心不重合，形成偶極子。這種由于外來的影響而產(chǎn)生的偶極子叫誘導(dǎo)偶極子。由誘導(dǎo)偶極子產(chǎn)生的作用力稱為誘導(dǎo)力。誘導(dǎo)力77Vanderwaals力也會(huì)在中性原子和非極性分子間存在。非極性分子中的原子核和電子都在不斷地運(yùn)動(dòng)，不斷地改變其相對位置。在某一瞬間，分子的正、負(fù)電荷中心可能發(fā)生瞬間的不重合，產(chǎn)生瞬間偶極子。相鄰分子產(chǎn)生的瞬間偶極子間，相互取向產(chǎn)生吸引力，稱為色散力。分子型固體，冰、CO2、O2、H2、CH4分子量越大，色散力越大，熔點(diǎn)和沸點(diǎn)相應(yīng)增高。在聚合物中，vanderwaals力促成了碳鏈間的結(jié)合。色散力78當(dāng)氫原子與非金屬性強(qiáng)的原子，如氧（氟）原子以共價(jià)鍵結(jié)合成H2O或HF時(shí)，由于氧（氟）原子對電子的吸引能力較氫原子大得多，其共用電子對就強(qiáng)烈地偏向氧（氟）原子，而使H原子的核幾乎“裸露”出來，從而使H2O或HF分子表現(xiàn)為強(qiáng)極性分子。這種帶正電荷的H原子核與相鄰水分子中氧原子的孤對電子相互吸引，而在分子間形成次級(jí)鍵，稱為氫鍵。氫鍵具有飽和性與方向性。4.氫鍵795.混合鍵

在許多固體中，原子間的鍵合并非一種類型，而是存在混合鍵的作用。單晶硅中原子間形成共價(jià)鍵。兩個(gè)不同原子間形成的共價(jià)鍵具有離子特征，稱為極性共價(jià)鍵，如GaAs。陶瓷材料由金屬和非金屬元素組成，其中含有共價(jià)鍵、離子鍵，或二者的混合。如：Si3N4(共價(jià)鍵）,MgO（離子鍵）,Al2O3（混合鍵）。易碎、高熔點(diǎn)、電絕緣體。80鍵型典型固體鍵能eV/atom熔點(diǎn)(℃)彈性系數(shù)(GPa)密度(gcm-3)主要性質(zhì)離子鍵NaCl3.2801402.17一般為電絕緣體，在高溫下可導(dǎo)電；熱導(dǎo)率低于金屬；彈性系數(shù)高，堅(jiān)硬易碎、可劈開。MgO1028522503.58金屬鍵Cu3.110831208.96導(dǎo)電體；良好的導(dǎo)熱性；彈性系數(shù)高，有延展性，可成型。Mg1.1650441.74共價(jià)鍵Si414101902.33良好的電絕緣體；導(dǎo)熱性適中；彈性系數(shù)大，堅(jiān)硬、易碎，金剛石是最硬材料。C金剛石7.435508273.52分子間力PVC（范德華）-21241.3H2O冰（氫鍵）0.5209.10.917

Ar晶體（偶極子）0.09-18981.8

電絕緣體；導(dǎo)熱性差，熱膨脹系數(shù)大；彈性系數(shù)低，有一定延展性。各種類型鍵構(gòu)成物質(zhì)的性質(zhì)比較812.2.3晶體結(jié)構(gòu)與缺陷晶體：是原子、離子或分子按照一定的周期性在空間排列，在結(jié)晶過程中形成具有一定規(guī)則幾何外形的固體。晶體按其結(jié)構(gòu)粒子和作用力的不同可分為四類：原子晶體、離子晶體、分子晶體和金屬晶體。涉及原子或分子的最外層電子的相互作用。作用力強(qiáng)，有較高的熔點(diǎn)；反之，有較低的熔點(diǎn)，并且較易彎曲和變形。晶體粒子作用力熔點(diǎn)其他屬性實(shí)例原子晶體原子共價(jià)鍵很高硬度高金剛石、晶體硅、石英離子晶體陽離子和陰離子離子鍵高硬而脆，熔融時(shí)導(dǎo)電性很高氯化鈉、碳酸鈣、氧化鋁分子晶體極性分子取向力和誘導(dǎo)力低軟，液態(tài)時(shí)不導(dǎo)電或?qū)щ娦詷O低冰非極性分子色散力低軟固態(tài)稀有氣體、固態(tài)氧、干冰金屬晶體金屬陽離子和自由電子靜電引力不定金屬光澤，易導(dǎo)電、導(dǎo)熱，延展性佳鐵、銅、鋁82

晶體結(jié)構(gòu)

=點(diǎn)陣+原胞或晶格+晶胞晶格（點(diǎn)陣）：將晶體中按周期重復(fù)排列的原子（結(jié)構(gòu)單元）抽象成一個(gè)幾何格點(diǎn)來表示，其集合形成晶體點(diǎn)陣，簡稱晶格。1.晶體結(jié)構(gòu)的概念

晶胞（原胞）：一個(gè)點(diǎn)陣的最小周期單元，即一個(gè)陣點(diǎn)及相應(yīng)空間位置——稱為點(diǎn)陣的原胞。晶格中忽略了具體結(jié)構(gòu)單元內(nèi)容，而集中反映周期重復(fù)方式。既然晶格具有周期性，只要以原胞的邊長為點(diǎn)陣基矢構(gòu)成平移矢量，可以把原胞復(fù)制滿空間即可反映整個(gè)晶體的原子排布。83對于同一點(diǎn)陣，單位晶胞的選擇有多重可能性。選擇的依據(jù)是：晶胞應(yīng)最能反映出點(diǎn)陣的對稱性；基本矢量長度a、b、c相等的數(shù)目最多；三個(gè)方向的夾角

、

、

應(yīng)盡可能為直角；單胞體積最小。——布拉菲晶胞。

例如：Cu、Fe晶胞幾何形狀為a=b=c，

===90

Zn晶胞幾何形狀為a=bc，

==90，

=120晶體的許多性質(zhì)，如彈性模量、電阻率、磁化率等，都取決于晶胞的取向。84按照點(diǎn)陣的對稱性，可將自然界的晶體劃分為七大晶系。每個(gè)晶系最多可包括四種點(diǎn)陣。85（1）AB型氧化物在電子陶瓷中，常見的MgO、CaO、SrO等就是典型的AB型結(jié)構(gòu)。應(yīng)用實(shí)例——典型離子晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：氧離子在立方體的頂點(diǎn)和面心的位置，二價(jià)陽離子在各邊的中央和立方體的中心。這兩組離子互呈立方面心結(jié)構(gòu)。陽離子占據(jù)著全部氧八面空隙，配位數(shù)（晶格中與某一原子相距最近的原子個(gè)數(shù)）為6。86（2）AB2型氧化物

金紅石（TiO2）就是典型的AB2型氧化物。特點(diǎn)：晶胞是四方柱體，而不是立方體?？梢越频膶iO2看成是O2-作六方密堆集，Ti4+八面體空隙的一半，在柱體的頂點(diǎn)和體心位置。由六個(gè)O2-形成一個(gè)八面體，把Ti4+包圍起來。由于這種結(jié)構(gòu)，在電場作用下TiO2將產(chǎn)生很強(qiáng)的離子位移和電子位移極化，從而具有很高的介電常數(shù)，所以成為許多陶瓷電容器的基本原料。應(yīng)用實(shí)例——典型離子晶體結(jié)構(gòu)87（3）A2B3型氧化物

Al2O3就是A2B3型結(jié)構(gòu)。特點(diǎn)：氧離子作六方密堆集，Al3+占據(jù)八面體空隙。但是因?yàn)樵贏l2O3晶格中Al和O的數(shù)目比為2:3，所以只有2/3的八面體空隙被Al3+占據(jù)。[AlO6]八面體是以共有的面相連接的。這種緊密結(jié)構(gòu)和極大的離子鍵強(qiáng)度，使它具有很高的機(jī)械強(qiáng)度、硬度和化學(xué)穩(wěn)定性，成為很好的結(jié)構(gòu)材料。應(yīng)用實(shí)例——典型離子晶體結(jié)構(gòu)88（4）ABO3型復(fù)合氧化物

這種氧化物的晶體結(jié)構(gòu)稱為鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，屬于這種結(jié)構(gòu)的有CaTiO3、BaTiO3、PbTiO3、PbZrO3、SrTiO3等。鈣鈦礦型復(fù)合氧化物ABO3是一種具有獨(dú)特物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)的新型無機(jī)非金屬材料，A位一般是稀土或堿土元素離子，B位為過渡元素離子。這類化合物具有穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)、獨(dú)特的電磁性能以及很高的氧化還原、氫解、異構(gòu)化、電催化等活性，作為一種新型的功能材料，在環(huán)境保護(hù)和工業(yè)催化等領(lǐng)域具有很大的開發(fā)潛力。應(yīng)用實(shí)例——典型離子晶體結(jié)構(gòu)89（5）B2O4型離子化合物

通式AB2O4型的離子化合物，又稱尖晶石型結(jié)構(gòu)化合物，是離子晶體中的一個(gè)大類。結(jié)構(gòu)中O2-離子作立方緊密堆積，其中A離子填充在四面體空隙中，B離子在八面體空隙中，即A2+離子為4配位，而B3+為6配位。尖晶石型化合物結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，有的可用作高溫耐火材料，有的可用作電子陶瓷材料。應(yīng)用實(shí)例——典型離子晶體結(jié)構(gòu)90（6）正四面體結(jié)構(gòu)

種類繁多的硅酸鹽的基本結(jié)構(gòu)就是硅-氧四面體。在這種四面體內(nèi)，硅原子占據(jù)中心，四個(gè)氧原子占據(jù)四角。這些四面體，依著不同的配合（以鏈狀、雙鏈狀、片狀、三維架狀方式連結(jié)），形成了各類的硅酸鹽。大多數(shù)硅酸鹽熔點(diǎn)高，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，是硅酸鹽工業(yè)的主要原料。硅酸鹽制品和材料廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)、科學(xué)研究及日常生活中。應(yīng)用實(shí)例——典型離子晶體結(jié)構(gòu)91晶格缺陷：是指晶體結(jié)構(gòu)中周期性的點(diǎn)陣排列規(guī)律被破壞而形成的區(qū)域結(jié)構(gòu)。理想的晶體，具有周期性的晶體結(jié)構(gòu)——長程有序。實(shí)際的晶體中，由于晶體形成條件、原子的熱運(yùn)動(dòng)及其它條件的影響，原子的排列不可能那樣完整和規(guī)則，往往存在偏離了理想晶體結(jié)構(gòu)的區(qū)域——缺陷。這些晶體中的缺陷破壞了晶體的對稱性，對晶體的物理性質(zhì)具有極其重要的影響?？煞譃辄c(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷三種。2.晶格缺陷92（1）點(diǎn)缺陷——最簡單的缺陷在結(jié)點(diǎn)上或鄰近的微觀區(qū)域內(nèi)偏離晶體結(jié)構(gòu)正常排列的一種缺陷。點(diǎn)缺陷是發(fā)生在晶體中一個(gè)或幾個(gè)晶格常數(shù)范圍內(nèi)。特征：在三維方向上的尺寸都很小，例如空位、間隙原子、雜質(zhì)原子等，也可稱零維缺陷。點(diǎn)缺陷與溫度密切相關(guān)所以也稱為熱缺陷。例如：在晶體中，晶格中的原子由于熱振動(dòng)能量的漲落而脫離格點(diǎn)移動(dòng)到晶體表面的正常格點(diǎn)位置上，在原來的格點(diǎn)位置留下空位。這種空位稱為肖特基缺陷。如果脫離格點(diǎn)的原子跑到鄰近的原子空隙形成間隙原子時(shí)，在原來的格點(diǎn)位置處產(chǎn)生一個(gè)空位，填隙原子和空位成對出現(xiàn)，這種缺陷稱為弗倫克爾缺陷。

理想晶格肖特基缺陷弗倫克爾缺陷93（2）線缺陷也稱一維缺陷。指二維尺度很小而第三維尺度很大的缺陷。特征：是兩個(gè)方向尺寸上很小另外兩個(gè)方向延伸較長。集中表現(xiàn)形式是位錯(cuò)，由晶體中原子平面的錯(cuò)動(dòng)引起。位錯(cuò)主要影響晶體的機(jī)械強(qiáng)度，以及對晶體中的電子和晶格振動(dòng)的聲子起散射作用，使得自由電子遷移率降低。例如：刃型位錯(cuò)：即晶體的一部分相對于另一部分出現(xiàn)一個(gè)多余的半原子面，這個(gè)多余的半原子面有如切入晶體的刀片。螺型位錯(cuò)：即一個(gè)晶體的某一部分相對于其余部分發(fā)生滑移，原子平面沿著一根軸線盤旋上升，每繞軸線一周，原子面上升一個(gè)晶面間距。刃型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)94（3）面缺陷發(fā)生于整個(gè)界面上的廣延缺陷被稱作面缺陷。一塊晶體被一些界面分隔成許多較小的疇區(qū)。疇區(qū)內(nèi)具有較高的原子排列完整性，疇區(qū)之間的界面附近存在著較嚴(yán)重的原子錯(cuò)排。在工程材料學(xué)中，面缺陷是指二維尺度很大而第三維尺度很小的缺陷。面缺陷的種類繁多，主要有：表面、晶界、亞晶界、相界。例如：ZnO電壓敏元件的顯微結(jié)構(gòu)。由晶粒和晶界組成ZnO晶粒晶界層952.3電氣材料導(dǎo)電性電氣材料導(dǎo)電性的研究首先始于金屬，在量子力學(xué)運(yùn)動(dòng)規(guī)律確立以后，人們用量子力學(xué)研究金屬電導(dǎo)機(jī)理，進(jìn)而發(fā)展起來電子能帶理論。作為研究固體中電子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的理論基礎(chǔ)。能帶理論成功的說明了固體為什么有導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體的區(qū)別。布洛赫、布里淵、朗道、莫特、佩爾斯、A.H.威爾遜、賽茲、威格納、夫倫克爾等科學(xué)家的貢獻(xiàn)。96根據(jù)量子力學(xué)理論，原子的能量是量子化的，由不同的分立能級(jí)軌道構(gòu)成。2.3.1.能帶的形成1.能級(jí)的分裂n=1，2，…為量子數(shù)h——普朗克常數(shù)m——電子質(zhì)量a——?jiǎng)葳鍖挾?7

例如：當(dāng)兩個(gè)氫原子相互靠近形成分子時(shí)：電子與電子及另一原子核的相互作用，兩原子的波函數(shù)

1s產(chǎn)生交迭，形成兩個(gè)新的波函數(shù)，具有不同的能量和量子數(shù)，獲得新的能量低于兩倍-13.6eV。鍵的形成可用分子中的電子波函數(shù)來描述——分子軌道

；當(dāng)兩原子的波函數(shù)干涉時(shí)，產(chǎn)生同相交迭和異相交迭，形成兩個(gè)分子軌道

和

*能帶的形成首先源于能級(jí)的分裂，我們以氫分子H2的形成為例，來簡單說明這一過程。98分子軌道的形成兩個(gè)相同原子波函數(shù)結(jié)合生成兩個(gè)不同分子軌道——成鍵分子軌道和反鍵分子軌道。99

當(dāng)兩個(gè)原子結(jié)合時(shí)，兩個(gè)相同的原子波函數(shù)結(jié)合生成兩個(gè)不同的分子軌道，每個(gè)軌道具有不同的能量。反鍵分子軌道比成鍵分子軌道具有更高的能量。即一個(gè)原子的能級(jí)，如E1s,分裂成兩個(gè)能級(jí)E

和E*，這種分裂是由于原子軌道間的相互作用（交迭）所致。在分子形成時(shí)原子能級(jí)的分裂，類似于兩個(gè)RLC電路偶合時(shí)諧振頻率的分裂。單一RLC電路的諧振頻率為

0

，兩RLC電路的諧振頻率為

1、

2

，有

1<

0<2請大家自行推導(dǎo)出

1、

0、2，并通過對比分析，理解其物理意義。101當(dāng)三個(gè)氫原子結(jié)合時(shí)，產(chǎn)生三個(gè)分子軌道，

a、

b、

c102上圖可用波函數(shù)表示為：

1s(A)

、

1s(B)

、

1s(C)分別表示環(huán)繞A、B、C原子的1s原子波函數(shù)。例如

1s(A)

，表示為

1s(rA)，具有exp(-rA/a0)形式。對應(yīng)的能量Ea、Eb、Ec

可通過薛定諤方程得出，并具有不同值。因此，1s能級(jí)分裂成三個(gè)分離的能級(jí)。

與氫原子中的電子波函數(shù)類似，如果分子波函數(shù)的節(jié)點(diǎn)越多，則能量越大。故有Ea<Eb<Ec

試比較H2

分子和H3分子的穩(wěn)定性。103Li原子的電子排列為1s22s1,由于K殼層已占滿，第三個(gè)電子獨(dú)自處于2s軌道上。同前所述，原子能級(jí)可分裂為N個(gè)分離的能級(jí)。由于1s亞殼層上電子占滿且靠近核，受原子間相互作用的影響小，其能級(jí)的分裂可忽略。1s上的電子留在原子核周圍，可不考慮其對固體形成的作用。能級(jí)分裂的最大寬度，取決于固體中原子間的最小距離a

，N個(gè)

2s軌道相互作用產(chǎn)生的N個(gè)分裂能級(jí)分布在EB和ET之間。N相當(dāng)大（~1023）時(shí)，相鄰分裂能級(jí)間間隔非常小，幾乎是連續(xù)的。N個(gè)Li原子排列構(gòu)成固態(tài)金屬Li104

單個(gè)2s能級(jí)E2s分裂成N個(gè)細(xì)微分離的能級(jí)而形成能帶，該能帶為半滿帶。

N個(gè)Li原子構(gòu)成的固態(tài)Li中形成的2s能帶105假設(shè)：

1）固體中的原子核是固定在平衡位置上，而且按一定的周期性在晶體中排列；

2）每個(gè)電子是在固定的原子核勢場及其他電子的平均勢場中運(yùn)動(dòng)，即固體中的電子不再束縛于個(gè)別的原子，而是在整個(gè)固體中運(yùn)動(dòng)。2.電子的共有化運(yùn)動(dòng)——電子在周期性勢場中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律這樣將問題簡化成單電子問題，稱為單電子近似法。用這種方法求出的電子在晶體中的能量狀態(tài)將不再是分立的能級(jí)而是能帶。106兩個(gè)Na原子相距較遠(yuǎn)時(shí)，能級(jí)如同兩個(gè)孤立原子被一個(gè)高而寬的勢壘相隔，電子只在各自的原子內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，其能量為分立能級(jí)。兩個(gè)原子靠的很近時(shí)，原子勢場相互影響，勢壘寬度減小高度降低，原來處于較高能級(jí)上的電子可能穿透勢壘或越過勢壘，形成電子的共有化運(yùn)動(dòng)。107N個(gè)Na原子組成的一維晶體，每個(gè)原子中都有一個(gè)電子處在能量為E0的3s能級(jí)上，都要受到周圍原子勢場的作用，產(chǎn)生附加能量，使E0能級(jí)分裂為N個(gè)相互靠的很近的能級(jí)，組成一個(gè)能帶。108當(dāng)N個(gè)Na原子結(jié)合成晶體后，原孤立原子中的每個(gè)能級(jí)都形成能帶。處于低能級(jí)上的電子，共有化運(yùn)動(dòng)很弱，基本上處于被各自原子所束縛的狀態(tài)，能級(jí)分裂的很少，能帶很窄。高能級(jí)上的電子，即外殼層上電子，特別是價(jià)電子，共有化運(yùn)動(dòng)顯著，能級(jí)分裂很多，形成較寬能帶。分裂成的能帶稱為允帶，允帶之間不存在能級(jí)的區(qū)域稱為禁帶。109原子軌道、原子能級(jí)與能帶

量子力學(xué)證明：晶體中電子的共有化的結(jié)果，使原先每個(gè)原子中具有相同的價(jià)電子能級(jí)，因各原子的相互影響而分裂成為一系列和原來能級(jí)很接近的新能級(jí)，這些新能級(jí)基本上連成一片而形成能帶。

1102.3.2導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體的能帶論問題的提出：所有固體都包含有大量的電子，但不同固體中的電子導(dǎo)電性能有很大差異。有些固體電子導(dǎo)電性能很好（金屬導(dǎo)體），有些導(dǎo)電性能卻不好（半導(dǎo)體），還有些基本上觀察不到任何的電子導(dǎo)電現(xiàn)象（絕緣體）。？？？固體能帶論的一個(gè)主要貢獻(xiàn)就是成功地解釋了這個(gè)問題。111能帶的填充與導(dǎo)電性若固體由N個(gè)原子組成，則每個(gè)能帶內(nèi)有N個(gè)能級(jí)，按泡利不相容原理，可容納2N個(gè)電子。所有能級(jí)全部被電子所填充的能帶叫滿帶，部分能級(jí)為電子所填充的能帶叫不滿帶。在外電場的作用下，只有部分填充的能帶中的電子才有導(dǎo)電能力，而滿帶電子是不導(dǎo)電的。此為區(qū)別導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體的依據(jù)。112導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體的能帶

由原子序數(shù)為Z的N個(gè)原子構(gòu)成的晶體中，有ZN個(gè)核外電子；按泡利不相容原理和能量最小原理，從低能值的允帶開始按順序填充到各個(gè)能帶內(nèi)，形成右圖的不同能帶結(jié)構(gòu)。絕緣體、導(dǎo)體和半導(dǎo)體的能帶模型113半導(dǎo)體——結(jié)構(gòu)同絕緣體，但禁帶寬度較窄，一般小于3eV。電子易受熱激發(fā)到空帶（導(dǎo)電），同時(shí)產(chǎn)生空穴電流。例如：Ge和Si的禁帶寬度分別為0.74eV和1.17eV。

導(dǎo)體——除滿帶外還存在不滿帶（導(dǎo)帶），導(dǎo)帶以下的第一個(gè)滿帶稱為價(jià)帶。

例如：堿金屬（Li，Na，K），最外層1個(gè)電子，形成半滿帶,

堿土金屬（Mg），最外層2個(gè)電子，能帶交迭導(dǎo)致不滿帶絕緣體——最低的一系列能帶被填滿，而其上的能帶則完全空（空帶），且禁帶寬度較寬，大于3eV。1142.3.3缺陷能級(jí)實(shí)際晶體中的缺陷——來源于結(jié)晶的不完整與外來雜質(zhì)。結(jié)構(gòu)缺陷包括點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷；外來雜質(zhì)缺陷則有替位與填隙兩種，一般都屬于點(diǎn)缺陷。常見的點(diǎn)缺陷有弗蘭凱爾缺陷和肖特基缺陷——晶格原子在熱作用下脫離結(jié)點(diǎn)位置產(chǎn)生，稱為本征缺陷。缺陷濃度隨溫度升高而增加。當(dāng)晶體中存在缺陷時(shí)，將在禁帶中引入附加能級(jí)——缺陷能級(jí)。缺陷能級(jí)可分為淺能級(jí)和深能級(jí)。淺能級(jí)指離導(dǎo)帶比較近即電離能比較小的能級(jí)，深能級(jí)則指離導(dǎo)帶較遠(yuǎn)即電離能較大的能級(jí)。淺能級(jí)易于釋放電子（或空穴）到導(dǎo)帶（或價(jià)帶），成為導(dǎo)電載流子；而深能級(jí)則不易放出電荷，成為俘獲電子或空穴的中心，稱為俘獲能級(jí)或俘獲中心，又稱陷阱能級(jí)。115

雜質(zhì)態(tài)類型——施主與受主施主——雜質(zhì)提供帶有電子的能級(jí)。

依靠電子導(dǎo)電，如n型半導(dǎo)體摻P受主——雜質(zhì)提供禁帶中空的能級(jí)。依靠空穴導(dǎo)電，p型半導(dǎo)體摻Al應(yīng)用實(shí)例——半導(dǎo)體中的缺陷能級(jí)在半導(dǎo)體中，電子除共有化狀態(tài)外，還存在一定數(shù)目的束縛狀態(tài)，這是由雜質(zhì)或缺陷引起；電子被缺陷所束縛，也具有確定能級(jí)；雜質(zhì)能級(jí)處在禁帶中間。116幾點(diǎn)假設(shè)：1）粒子的能量為量子化——能級(jí)。

2）電子為相同粒子，即粒子是不能相互區(qū)別的。

3）電子遵守泡利不相容原理——同一能級(jí)上只有兩個(gè)自旋方向相反的電子。

費(fèi)米能級(jí)EF

從量子力學(xué)——到粒子的量子效應(yīng)——產(chǎn)生量子統(tǒng)計(jì)學(xué)由此，費(fèi)米——狄拉克導(dǎo)出了電子按能量分布的統(tǒng)計(jì)規(guī)律：

表示一個(gè)電子站據(jù)能量為E的能級(jí)的幾率。其中EF稱為費(fèi)米能級(jí)。

117物理意義T=0時(shí)118T>0時(shí),導(dǎo)熱性是電氣材料的基本屬性之一，屬于熱物理學(xué)范疇。基本概念是溫度和熱量。早期“熱質(zhì)說”——近期“熱平衡定律”溫度的概念：在不受外界影響情況下，A、B同時(shí)與C處于熱平衡，即使A和B沒有熱接觸仍處于熱平衡狀態(tài)，即互為平衡的物體之間必定存在一個(gè)相同的特征——溫度相同。熱量的傳遞：總是從高溫物體傳到較冷的物體，熱量的傳遞方式：傳導(dǎo)、對流和輻射。熱能傳輸是一個(gè)無規(guī)過程，在固體中熱量以熱傳導(dǎo)的方式傳輸，能量以擴(kuò)散方式傳播，同時(shí)受到頻繁的粒子碰撞。金屬往往既是電的良導(dǎo)體也是熱的良導(dǎo)體。金屬中可自由運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)帶電子對熱的傳導(dǎo)起著一定作用，但對其它材料則不然。其熱傳導(dǎo)可由電子氣（導(dǎo)帶自由電子）的運(yùn)動(dòng)和晶格振動(dòng)來共同完成。在非金屬中的熱傳導(dǎo)則只是由于晶格振動(dòng)（聲子）。2.4電氣材料導(dǎo)熱性2.4.1熱傳導(dǎo)的一維聲子模型晶體材料中晶格原子并非靜止，圍繞平衡位置不斷振動(dòng)；原子的振動(dòng)不彼此獨(dú)立，通過相互作用力而團(tuán)聚。晶格原子之間的相互作用力可以近似為彈性力，如果把晶體看為許多規(guī)則排列的小球由彈簧連接從而每個(gè)晶格原子的振動(dòng)都要牽動(dòng)周圍的原子，使振動(dòng)以彈性波的形式在晶體中傳播。晶格振動(dòng)是系列基本振動(dòng)的疊加，每種基本振動(dòng)模式就是一種具有特定頻率、波長和傳播方向的彈性波。整個(gè)系統(tǒng)相當(dāng)于由系列相互獨(dú)立的諧振子構(gòu)成，晶格振動(dòng)的能量是量子化的，稱為聲子。2.4.1熱傳導(dǎo)的一維聲子模型單原子鏈可以看作最簡單的一維晶格結(jié)構(gòu)，如果原子的振動(dòng)近似簡諧：假設(shè)只有相鄰原子之間存在相互作用。相互作用勢能V(x)可以表示為：相鄰原子間的作用力：

a—平衡狀態(tài)原子間距；β—彈性常數(shù)；δ—相對平衡位置的偏移距離。表明相鄰原子間的彈性恢復(fù)力與相對位移成正比。2.4.1熱傳導(dǎo)的一維聲子模型

原子n與(n-1)的相對位移

n

n-1，恢復(fù)力為-

(

n

n-1)原子n與(n+1)的相對位移

n+1

n，恢復(fù)力為為-

(

n+1

n)考慮到兩個(gè)力作用方向相反，得到原子n的運(yùn)動(dòng)方程為

相鄰原子間的作用力。每個(gè)原子對應(yīng)一個(gè)運(yùn)動(dòng)方程，則具有N個(gè)原子的原子鏈有N個(gè)方程。

該方程格波形式的解：

其中ω為頻率，A為幅值，q為波數(shù)。代入上式2.4.1熱傳導(dǎo)的一維聲子模型

2.4.1熱傳導(dǎo)的一維聲子模型由N個(gè)原子組成的鏈中，q可以取N個(gè)不同的值，每個(gè)q對應(yīng)一個(gè)格波，共有N個(gè)不同的格波，所以這種諧振子的能量是量子化的。晶格熱運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)可以看成是“聲子氣體”

，聲子并不攜帶物理動(dòng)量，當(dāng)樣品內(nèi)存在溫度梯度時(shí)，“聲子氣體”的密度分布是不均勻的，高溫處聲子密度高，低溫處聲子密度低，因而聲子氣體在無規(guī)運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生平均的定向運(yùn)動(dòng)，即聲子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。聲子的定向運(yùn)動(dòng)就意味著熱量的傳遞，傳遞的方向即為聲子平均的定向運(yùn)動(dòng)的方向。因此晶格熱傳導(dǎo)可以看成是聲子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。晶體材料熱導(dǎo)率與聲子在材料中的傳導(dǎo)密切相關(guān)。將一塊金屬的一端加熱，在加熱區(qū)域原子的振動(dòng)幅度與電子的平均動(dòng)能均會(huì)增加。如電子與原子發(fā)生碰撞，電子從原子中獲得能量。隨著電子隨機(jī)運(yùn)動(dòng)增加，這些獲得能量的電子遷移并與原子不斷碰撞。電子將其多余的能量傳遞至冷區(qū)，因此電子為“能量的載體”。2.4.2熱導(dǎo)率金屬中的熱傳導(dǎo)：原子上箭頭線的長度表示原子振動(dòng)的幅度；長的速度矢量表示能量較多的電子，其從熱區(qū)向冷區(qū)擴(kuò)散過程中與晶格振動(dòng)碰撞并傳輸能量。如果加熱金屬桿的一端，熱量將從熱的一端流向冷的一端。實(shí)驗(yàn)表明：通過厚度為

x的薄截面的熱流速率與溫度梯度

T/

x

及其截面面積A成正比式中κ為與材料有關(guān)的比例常數(shù)，稱之為熱導(dǎo)率。負(fù)號(hào)表示熱流的方向?yàn)闇囟冉档偷姆较颉Ｉ鲜奖环Q為熱傳導(dǎo)的傅里葉定律，亦為κ的定義公式，熱流的驅(qū)動(dòng)力是溫度梯度δT/δx。1.金屬的熱導(dǎo)率與電流I歐