09-导电材料

南航材料学院王寅岗1第九章导电材料导电材料是用来制作电子器件、组件、引线，或用于能量转换、信息传递等的重要材料。本章主要介绍典型导电材料的特征、性能、影响性能的因素，并简介材料的制备方法和主要用途。导电金属材料导电聚合物复合导电材料超导电材料教材Ch2\3\4南航材料学院王寅岗2一、电阻用金属与合金电阻金属与合金是利用物质的固有电阻特性来制作电子仪器、测量仪表等装置中不同功能的电阻元件的材料。电阻材料是制造电子线路中电阻元件及电阻器的基础材料。具有比较恒定的高电阻率的金属材料---精密电阻合金，如锰铜合金、镍铬合金等。广泛应用于制造测量仪器仪表的电阻、电器回路中的精密电阻和电阻应变计等。精密电阻合金的性能要求：电阻温度系数小；阻值稳定；电阻率高；对铜的热电势小；耐蚀性好、易加工、易焊接等。9.1导电金属材料（1）南航材料学院王寅岗3电阻金属与合金可按功能特性、成分体系、材料的电阻值或用途分类。精密电阻合金金属超导材料、电触头材料Cu-Mn系Cu-Ni系Fe-Cr-Al系Ni-Cr改良型等。金属膜导电材料厚膜电阻薄膜电阻材料9.1导电金属材料（2）南航材料学院王寅岗4精密电阻合金指电阻温度系数TCR小，电阻-温度曲线线性度好，电阻值高，经年变化小，对铜的热电势ECu低、力学性能和加工性好，容易焊接，耐腐蚀，抗氧化，有一定的耐热性的金属或合金。它主要用于电器回路中的电阻部件和电子线路中的电阻器件。按电阻大小。把2000m、=4000~10000m和10000m的电阻合金分别称为低电阻合金、中电阻合金和高电阻合金。1、精密电阻合金9.1导电金属材料（3）南航材料学院王寅岗5具有代表性的精密电阻合金的成分与性能合金系列合金名称化学成分/%/(m)/(106℃1)/(106℃1)ECu/(V℃1)Cu-Mn-Ni锰加宁Cu86Mn12Ni24300100.51.0Cu-Mn-Al新康铜Cu82.5Mn12Al4Fe1.5450050.35~0.400.3Cu-Mn-AlA合金Cu75Mn9.5Al5.545001~+5.60.20~0.240.3Cu-Mn-Ge锗拉宁Cu87Mn7Ge643003(20~70℃)1.3Cu-Ni康铜Cu53Ni45MnFe5000(20~~30)43400Ni-Cr—Ni80Cr2018000100—4Fe-Cr-Al—Fe69Cr23Al818700287—1.149.1导电金属材料（4）南航材料学院王寅岗6膜电阻材料通常指体积小，重量轻，便于混合集成化，性能好，可靠性高，常用于电子电路中的厚膜电阻和薄膜电阻材料。2、膜电阻材料9.1导电金属材料（5）南航材料学院王寅岗7厚膜电阻材料是由粒度为0.2~2.0m的金属、金属氧化物、金属盐类、金属合金为导体粉料与粒度为0.5~10m的硼硅铅等系玻璃粉料，以及与松节油、醋酸丁基卡必醇等有机载体、乙基纤维素、消化纤维素等增稠剂、流动控制剂、表面活性剂等混合压制成型后，经过高温烧制而成。包括由Pd-Ag、RuO2、Bi2Ru2O7和Pb2Ru2O6等为导体粉料制成的厚膜电阻材料称为贵金属系厚膜电阻材料；由LuO-Cu2O、CdO、In2O3、TiO2、Ti2O3、SnO2和MoO3等为导体粉料制成的厚膜电阻材料称为贱金属系厚膜电阻材料；以硼化物、碳化物、硅化物、氮化物，如：MoSi2、Ta2N、WC、LaB6等为粉料制成的厚膜电阻材料称为难熔金属化合物系厚膜电阻材料；以树脂和炭黑为主要原料，经加热固化制成的厚膜电阻材料称为聚合物厚膜电阻材料(FTF)。9.1导电金属材料（6）南航材料学院王寅岗8金属与合金的薄膜电阻是采用真空镀膜或溅射制成的。其特点是电阻率高，电阻温度系数可以控制得很小，其性能与制作工艺和结构密切相关。铬膜是最早用作薄膜电阻材料的，应用较多的钽薄膜电阻，电阻率高、稳定性好。Ni-Cr系薄膜电阻的电阻温度系数小、稳定性好、噪声系数小、制作工艺简单。以Ta-Ni、Ta-Al、Ta-Si合金薄膜制成的Ta基薄膜电阻，具有自钝化性，可用阳极化法调整阻值，能用同种材料制成膜电阻和电容，使二者温度系数相互补偿。主要由Cr-SiO2、Ti-SiO2、Au-SiO(SiO2)等金属和氧化物绝缘体所构成的金属陶瓷系薄膜电阻，是经真空蒸发或溅射，随后适当热处理制成的，其电阻率高，高温稳定性好。在真空下，将碳氢化合物经高温分解制成的碳膜电阻，其化学稳定性较高，电阻率较大，工艺简单，但其电阻温度系数较差，工作温度不得超过150℃。在真空下分解硼有机化合物制成的硼碳膜电阻、分解碳氢化合物和硅有机化合制成的硅碳膜电阻，它们的电阻温度系数、耐热性比碳薄膜电阻好。用高温水解法制得的金属氧化膜电阻，主要是二氧化锡薄膜电阻，其耐热性高，化学稳定性和机械性能好，但在直流下易发生电解。9.1导电金属材料（7）南航材料学院王寅岗93、特种金属电阻材料与合金——敏感电阻材料应变电阻合金是在精密电阻合金基础上发展起来的，是利用其电阻-应变效应制作各种应变电阻或传感器，用来测量压力、载荷、位移、加速度和扭矩等。具有以下特点：具有高的、稳定的电阻率，在工作温度范围内具有低的、稳定的电阻温度系数，以及大的应变灵敏度系数K（K=R/R或L/L），并在较大范围内不随温度变化；在拉伸和压缩时，K值相同或相差很小，不氧化，线膨胀系数等于或略高于被测件的线膨胀系数；有良好的力学性能，强度高，蠕变小，容易加工和焊接等；通常在高温下使用的应变电阻合金为Fe-Cr-Al系和Pt-W系的丝材，常温、中温及低温下使用以Cu-Mn(Ni)系合金(康铜)和Ni-Cr改良型的箔材为主。(1)、应变电阻合金9.1导电金属材料（8）南航材料学院王寅岗10热敏电阻金属材料是利用其电阻随温度稍微变化而电阻剧烈变化的特性来传递温度信号、及进行检测、控制、保护设备的金属与合金。要求其电阻率较小，电阻温度系数大，电阻-温度曲线线性度好，电性能的时间稳定性好，抗氧化，耐腐蚀，加工性好等。电阻随温度升高而增大的称为正温度系数(PTC)热敏电阻金属与合金，电阻随温度升高而降低的称为负温度系数(NTC)热敏电阻金属与合金。(2)、热敏电阻金属与合金限流感温9.1导电金属材料（9）南航材料学院王寅岗11当大电流通过限流电阻材料时材料发热，温度变化引起电阻急剧变化，进而引起电路中电流的急剧变化，使自动开关作用断开电路，保护设备。适于制作限流电阻材料的纯金属有Fe、Co、Ni等，应用最多的是Fe。限流金属电阻材料感温金属材料是利用材料的电阻与温度成一定函数关系的性质，用于测量温度和检测仪表等，它可以与显示、控制或调节仪表配套来测量温度。用于制作感温热敏电阻的纯金属有Pt、Cu、Ni、Fe、W，合金类主要是Rh-Fe合金及w(Ni)=58%的Fe-Ni合金。感温金属电阻材料9.1导电金属材料（10）南航材料学院王寅岗12湿敏电阻利用材料电阻与湿度的函数关系，制作测量湿度的湿度计，常用湿敏材料有纯金属Se蒸发膜和LiCl。(3)、湿敏金属电阻材料9.1导电金属材料（11）南航材料学院王寅岗13铁磁体在外磁场作用下被磁化的过程中，它的电阻率发生改变的现象称为磁电阻效应。磁电阻效应的大小是和磁化场H及温度T有关的，一般用加磁场后电阻的变化率来表示：)(0)(0)(0T,T,T,H0=(0,T)，表示在H=0时的电阻率。有时也用/H来表示磁电阻的变化，H=(H,T)。由于表示方法不同，计算出的磁电阻效应的数值会有很大差别。(4)、磁敏电阻材料AMR材料GMR材料9.1导电金属材料（12）南航材料学院王寅岗14二、电热合金通电导体能释放热量，故可用作电热器，工业中作为电热器用的发热合金材料称作电热合金。具有应用价值的电热合金应在高温时具有良好的抗氧化性、足够的强度、大、TCR低，加工性好，在工作状态下对氧及其他介质具有长期的稳定性，价格低等特点。9.1导电金属材料（13）南航材料学院王寅岗15由于纯金属的低、TCR高、抗氧化性低，所以金属类电热材料主要为合金。绝大多数金属类电热材料在空气中加热，表面形成氧化膜，可保护材料与其他介质不易发生作用，使材料氧化变慢，甚至在一定条件下停止氧化，提高材料的使用寿命。1、电热合金材料电热合金主要用做电热元件。电热合金的性能要求：较高的抗氧化能力；较高的电阻率和较小的电阻温度系数；易加工；具有一定的高温强度。电热合金主要有：铁铬铝系、镍铬系与Cu-Ni系合金。9.1导电金属材料（14）南航材料学院王寅岗162、热电偶材料温差电动势常用热电偶材料：•铂铑-铂：正热电极材料Pt-wt(Ru)10%～13%、负热电极材料Pt；•镍铬-镍硅：正热电极材料Ni-wt(Cr)10%、负热电极材料Ni-wt(Si)3%；•铜-镍铜：正热电极材料Cu、负热电极材料Ni-wt(Cu)55%。两种不同的导体或半导体组成闭合回路，若两端接点处保持不同的温度，在回路中有电流流过，这一现象称为热电效应。利用热电效应，可制成各类测温热电偶。9.1导电金属材料（15）南航材料学院王寅岗17电缆导电材料是用来传送电流的材料,包括电力、电机工程中使用的电缆、电线等强电材料和仪器、仪表用的弱电材料两大类。如导体铜及合金、导体铝及合金。三、导电金属材料9.1导电金属材料（16）南航材料学院王寅岗18用来传输电流的导电金属材科要求电阻率要低，有一定机械强度、耐蚀性和工艺性好。1、导电金属及其合金金属按导电性能好坏依次为银、铜、金、铝。铜的导电和导热性好，不易氧化和腐蚀，机械强度好，易加工和焊接，资源丰富，易提炼，是常用的导电材料。合金元素或杂质对铜导电性影响很大，影响程度视元素的种类、含量不同而不同。在铜中加入适量Sn、Si、P、Be、Cr、Mg、Cd等元素制成的铜合金称为青铜，加入不同量Zn制成的铜合金称为黄铜。青铜和黄铜有良好的导电性，机械强度比纯铜高。在铜中加入质量分数为0.1%~0.2%的Ag，其耐磨、耐腐蚀、电接触性更好。(1)、铜及铜合金9.1导电金属材料（17）南航材料学院王寅岗19铝的导电性的为铜的65.45%，密度不到铜的一半，不易腐蚀，延展性和可塑性好，抗拉强度比铜低，不易焊接，提炼比铜难。杂质对铝的导电性影响大，含量很少的Cr、Li、Mn、V、Zr、Ti，可使铝的电导率下降很多。冷加工提高机械强度，但对电导率影响不大。低温时，铝的抗拉强度、硬度、弹性模量和延伸率等均会提高，无低温脆性。在铝中加入Si、Mg、Fe等元素，机械强度可提高很多，称作高强度铝合金。加入质量分数为0.3%~0.5%的Mg、或0.4%~0.7%的Si，或0.2%~0.3%的Fe，经特殊加工，可获得很高的机械强度，且导电率与纯铝相近。(2)、铝及铝合金9.1导电金属材料（18）南航材料学院王寅岗20为改善导电材料的一些性能，可制成复合材料：如在铜表面镀锌或包不锈钢层，提高铜的耐蚀性；镀银或包银使铜导电率提高，抗氧化性好，更易焊接；包覆镍，使铜的抗高温氧化性提高。在铝表面包覆铜，提高铝的导电性并容易焊接，在钢芯外面包覆不低于50%厚度的铜的复合导电材料，导电率和机械强度介于铜与钢之间。(3)、复合导电材料9.1导电金属材料（19）南航材料学院王寅岗212、金属膜导电材料按膜的厚度，膜导电材料可分为厚膜导电材料和薄膜导电材料，按浆料中含Ag、Au、Pt、Rh贵金属和含Cu、Ni、A1、Cr金属，又分为贵金属系和贱金属系。膜导电材料用于集成电路中布线、芯片粘结、半导体封装等。厚膜导电材料是由导体浆料丝网印刷，然后烧结形成的，薄膜导电材料是由单种金属形成的单层薄膜导电材料，如：铝膜；或由多层薄膜导体，如：Cr-Cu、Ni-Cr复合而成的复合薄膜导电材料。9.1导电金属材料（20）南航材料学院王寅岗223、金属超导材料表现出超导性的金属元素一般是电阻比较大的元素，与此相反，良导体的银和铜等不表现出超导性，表现出反强磁性和强磁性的金属也不表现出超导性。