功能材料課件

1、功能材料功能材料Functional Materials 功能材料功能材料Functional Materials李建忱李建忱材料館材料館610室室第一節(jié)第一節(jié) 概述概述定義：定義：以特殊的電、磁、聲、光、熱、力、化學(xué)及生物學(xué)等性能作為主要性能指標(biāo)的一類材料。是用于非結(jié)構(gòu)目的高技術(shù)材料。1965年由美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的J.A. Morton博士首先提出功能材料概念。內(nèi)容內(nèi)容 1-1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(yīng)用。例：計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史CPU電子管晶體管集成電路大規(guī)模集成電路現(xiàn)代微型計(jì)算機(jī)的功能與第一臺大型電子管計(jì)算機(jī)相當(dāng)，但運(yùn)算速度快幾十

2、倍、體積僅1/300,000、重量僅1/60,000。IBM研制的超級計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力可達(dá)39,000次/s。（發(fā)熱）材料：鍺Ge半導(dǎo)體材料 硅Si半導(dǎo)體材料 硬化鎵GaAs半導(dǎo)體材料功能材料的分類功能材料種類繁多，涉及面廣，有多種分類方法。目前主要是根據(jù)材料的化學(xué)組成、應(yīng)用領(lǐng)域、使用性能進(jìn)行分類。 研究背景研究背景 2-1按化學(xué)組成按化學(xué)組成金屬功能材料金屬功能材料陶瓷功能材料陶瓷功能材料 高分子功能材料高分子功能材料 復(fù)合功能材料復(fù)合功能材料按應(yīng)用領(lǐng)域按應(yīng)用領(lǐng)域電工材料電工材料能源材料能源材料信息材料信息材料光學(xué)材料光學(xué)材料儀器儀表材料儀器儀表材料航空航天材料航空航天材料生物醫(yī)學(xué)材料生物醫(yī)

3、學(xué)材料傳感器用敏感材料傳感器用敏感材料按使用性能按使用性能電功能材料電功能材料磁功能材料磁功能材料光功能材料光功能材料熱功能材料熱功能材料化學(xué)功能材料化學(xué)功能材料生物功能材料生物功能材料聲功能材料聲功能材料隱形功能材料隱形功能材料功能材料的現(xiàn)狀 近幾年來，功能材料迅速發(fā)展，已有幾十大類，10萬多品種，且每年都有大量新品種問世?，F(xiàn)已開發(fā)的以物理功能材料最多，主要有：1）單功能材料單功能材料，如：導(dǎo)電材料、介電材料、鐵電材料、磁性材料、磁信息材料、發(fā)熱材料、熱控材料、光學(xué)材料、激光材料、紅外材料等。2）功能轉(zhuǎn)換材料功能轉(zhuǎn)換材料，如：壓電材料、光電材料、熱電材料、磁光材料、聲光材料、電流變材料、磁敏

4、材料、磁致伸縮材料、電色材料等。3）多功能材料多功能材料：如防振降噪材料、三防材料（防熱、防激光和防核）、電磁材料等。4）復(fù)合和綜合功能材料復(fù)合和綜合功能材料，如：形狀記憶材料、隱身材料、傳感材料、智能材料、顯示材料、分離功能材料、環(huán)境材料、電磁屏蔽材料等。5）新形態(tài)和新概念功能材料新形態(tài)和新概念功能材料，如：液晶材料、梯度材料、納米材料、非平衡材料等。 目前，化學(xué)和生物功能材料的種類雖較少，但其發(fā)展速度很快，其功能也更多樣化。功能材料的展望展望21世紀(jì)，功能材料的發(fā)展趨勢為：1）開發(fā)高技術(shù)所需的新型功能材料，特別是尖端領(lǐng)域（航空航天、分子電子學(xué)、新能源、海洋技術(shù)和生命科學(xué)等）所需和在極端條件

5、下（超高溫、超高壓、超低溫、強(qiáng)腐蝕、高真空、強(qiáng)輻射等）工作的高性能功能材料；2）功能材料的功能從單功能向多功能和復(fù)合或綜合功能發(fā)展，從低級功能向高級功能發(fā)展；3）功能材料和器件的一體化、高集成化、超微型化、高密積化和超分子化；4）功能材料和結(jié)構(gòu)材料兼容，即功能材料結(jié)構(gòu)化，結(jié)構(gòu)材料功能化；5）進(jìn)一步研究和發(fā)展功能材料的新概念、新設(shè)計(jì)和新工藝；6）完善和發(fā)展功能材料檢測和評價(jià)的方法；7）加強(qiáng)功能材料的應(yīng)用研究，擴(kuò)展功能材料的應(yīng)用領(lǐng)域，加強(qiáng)推廣成熟的研究成果，以形成生產(chǎn)力。主要內(nèi)容主要內(nèi)容u電功能材料u磁功能材料u熱功能材料u光功能材料u其它功能材料簡介第二節(jié)第二節(jié) 導(dǎo)電功能材料導(dǎo)電功能材料以特殊的

6、電學(xué)性能或各種電效應(yīng)作為主要性能指標(biāo)的一類材料。半導(dǎo)體半導(dǎo)體材料材料超導(dǎo)超導(dǎo)材料材料電接點(diǎn)電接點(diǎn)（觸頭）（觸頭）材料材料導(dǎo)電導(dǎo)電材料材料電阻電阻材料材料第一節(jié) 固體導(dǎo)電性一、自由電子論(P. Drude , A. Lorentz)ne2L/2mv價(jià)電子參與導(dǎo)電無法解釋低價(jià)金屬導(dǎo)電性好？量子自由電子論（A. Sommerfeld)只有費(fèi)米面的電子導(dǎo)電n為有效電子數(shù)無法解釋電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系，導(dǎo)電性各向異性二、能帶理論能帶：指晶體中電子能量的本征值即不像孤立原子明顯分立的電子能級，也不像無限空間中自由電子所具有連續(xù)能級。滿帶：所有能級全部被電子添滿。空帶：所有能級全部都是空的。導(dǎo)帶：部分電子的未滿

7、帶價(jià)帶：導(dǎo)帶以下的第一個(gè)滿帶。導(dǎo)體：除了滿帶和空帶外，還存在未滿帶絕緣體：沒有未滿帶，更高能級全部為空帶。半導(dǎo)體：能帶添充同絕緣體，但能隙小。、近代電導(dǎo)理論晶格振動(dòng)產(chǎn)生能量（熱）聲子。晶格振動(dòng)形成的聲子與電子發(fā)生相互作用引起電子散射，產(chǎn)生電阻。另外：晶體中的雜質(zhì)和缺陷也引起電子散射，產(chǎn)生電阻。 (T)=0+T (TD) (T)=0+ T (T D)D德拜溫度：當(dāng)高于一特定溫度后，摩爾熱容接近一個(gè)常數(shù)（25J/mol K).低于此溫度摩爾熱容與T3成正比。導(dǎo)電材料的分類 按導(dǎo)電機(jī)理可分為：電子導(dǎo)電材料和離子導(dǎo)電材料兩大類。 電子導(dǎo)電材料包括導(dǎo)體、超導(dǎo)體和半導(dǎo)體： 10-710-610-510-4

8、10-310-210-1100101102103104105106電導(dǎo)率 S/m絕緣體半導(dǎo)體導(dǎo)體超導(dǎo)體：離子導(dǎo)電材料的導(dǎo)電機(jī)理源于離子的運(yùn)動(dòng)，由于離子的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于電子的運(yùn)動(dòng)速度，因此其電導(dǎo)率較小，目前最高不超過102 S/m ，一般在100 S/m以下。導(dǎo)體電阻率公式iT 電阻率公式：i取決于晶格缺陷的多少，缺陷越多， i越大，一般與溫度無關(guān)；T取決于晶格的熱振動(dòng)。電阻率隨著溫度升高而升高，這是導(dǎo)體的一個(gè)特征。導(dǎo)體材料的種類導(dǎo)體材料按照化學(xué)成分主要有以下三種：（1）金屬材料。電導(dǎo)率在107108 S/m之間； 銀（6.63 107 S/m ）、銅（5.85 107 S/m ）和 鋁 （3.

9、45 107 S/m ）（2）合金材料。電導(dǎo)率在105107 S/m之間； 黃銅（1.60 107 S/m ）， 鎳鉻合金（9.30 105S/m ）（3）無機(jī)非金屬材料。電導(dǎo)率在105108 S/m之間。 石墨在基晶方向?yàn)?.5106 S/m。金屬導(dǎo)電材料1、導(dǎo)電引線材料Au, Ag, Cu, Al,Fe合金:AlMg, AlMgSiFe,AlMgCuFe、導(dǎo)體布線材料薄膜導(dǎo)體材料：貴金屬薄膜，復(fù)合薄膜材料電阻材料、精密電阻合金MnCu,康銅，性能（）低的電阻溫度系數(shù)。（）良好的耐磨性和抗氧化性（）良好的加工性能和力學(xué)性能（）可焊性好、電熱電阻材料CuNi，NiCrFe,NiCr，NiCrA

10、l,FeCrAl3、熱敏電阻材料較大電阻溫度系數(shù)NiCr,NiCrFe4、膜電阻材料厚膜電阻：厚膜雜化制造加工薄膜電阻：濺射、蒸發(fā)等真空鍍膜制成。導(dǎo)體材料的應(yīng)用金屬導(dǎo)體材料主要用作：電纜材料、電機(jī)材料、導(dǎo)電引線材料、導(dǎo)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(diǎn)材料等，還可以作成各種金屬填充材料和金屬復(fù)合材料。 合金導(dǎo)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(dǎo)體材料主要用作耐腐蝕導(dǎo)體和導(dǎo)電填料。半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料u導(dǎo)電性能介于金屬和絕緣體之間；導(dǎo)電性能介于金屬和絕緣體之間；（10-7104）u具有負(fù)的電阻

11、溫度系數(shù)。具有負(fù)的電阻溫度系數(shù)。（導(dǎo)體具有正的電阻溫度系數(shù)）基本概念基本概念當(dāng)大量原子結(jié)合成晶體時(shí)（如，當(dāng)大量原子結(jié)合成晶體時(shí)（如，1019個(gè)原個(gè)原子大約可形成子大約可形成1mm3的晶體）的晶體）由于相鄰原子電子云相互交疊，對應(yīng)于由于相鄰原子電子云相互交疊，對應(yīng)于孤立原子中的每一能級都將分裂成有一定能量孤立原子中的每一能級都將分裂成有一定能量寬度的寬度的能帶能帶。（一）半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)(2) 帶隙帶隙 Band Gap 能帶之間的區(qū)域能帶之間的區(qū)域（3）禁帶）禁帶 Forbidden Band 帶隙不存在電子的能級帶隙不存在電子的能級（4）價(jià)帶價(jià)帶 Valence Band Band 對應(yīng)價(jià)電

12、子能級的能帶對應(yīng)價(jià)電子能級的能帶(5) 空帶空帶 Empty Gap 價(jià)帶上面的能帶價(jià)帶上面的能帶（6）導(dǎo)帶）導(dǎo)帶 Conduction Band 最靠近價(jià)帶的空帶最靠近價(jià)帶的空帶（7）滿帶）滿帶 Filled Band 價(jià)帶被電子填滿價(jià)帶被電子填滿u導(dǎo)體的能帶中都有末被填滿的價(jià)帶，在外電場的作用下，電子可由價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，從而形成電流。u絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)是滿帶與導(dǎo)帶之間被一個(gè)較寬的禁帶所隔開，在常溫下幾乎很少有電子可以被激發(fā)越過禁帶，因此其電導(dǎo)率很低。半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)下面是價(jià)帶，其價(jià)帶是充滿了電子，因此是一個(gè)滿價(jià)帶。上面是導(dǎo)帶，而導(dǎo)帶是空的。滿價(jià)帶和空導(dǎo)帶之間是禁帶，其禁帶寬度比較窄，一般在1

13、ev左右。價(jià)帶中的電子受能量激發(fā)后，如果激發(fā)能大于Eg，電子可以從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶上，同時(shí)在價(jià)帶中留下一個(gè)空的能級位置-空穴。半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理半導(dǎo)體價(jià)帶中的電子受激發(fā)后從滿價(jià)帶躍到空導(dǎo)帶中，躍遷電子可在導(dǎo)帶中自由運(yùn)動(dòng)，傳導(dǎo)電子的負(fù)電荷。同時(shí)，在滿價(jià)帶中留下空穴，空穴帶正電荷，在價(jià)帶中空穴可按電子運(yùn)動(dòng)相反的方向運(yùn)動(dòng)而傳導(dǎo)正電荷。因此，半導(dǎo)體的導(dǎo)電來源于電子和空穴的運(yùn)動(dòng)，電子和空穴都是半導(dǎo)體中導(dǎo)電的載流子。（二）典型半導(dǎo)體材料及其應(yīng)用按組成分類按組成分類元素半導(dǎo)體元素半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體固溶體半導(dǎo)體固溶體半導(dǎo)體1. 元素半導(dǎo)體元素半導(dǎo)體元素半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體 高

14、純度、無缺陷的高純度、無缺陷的元素半導(dǎo)體。雜質(zhì)濃度元素半導(dǎo)體。雜質(zhì)濃度小于小于10-9 在本征半導(dǎo)體中有意加在本征半導(dǎo)體中有意加入少量的雜質(zhì)元素，以控制入少量的雜質(zhì)元素，以控制電導(dǎo)率，形成雜質(zhì)半導(dǎo)體。電導(dǎo)率，形成雜質(zhì)半導(dǎo)體。 本征半導(dǎo)體廣泛研究的元素是Si、Ge和金剛石。金剛石可看作是碳元素半導(dǎo)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(dǎo)體元素一般不單獨(dú)使用。 因?yàn)楸菊靼雽?dǎo)體單位體積內(nèi)載流子數(shù)目比較少，需要在高溫下工作電導(dǎo)率才大，故應(yīng)用不多。雜質(zhì)半導(dǎo)體利用將雜質(zhì)元素?fù)饺爰冊刂?，把電子從雜質(zhì)能級（帶）激發(fā)到導(dǎo)帶上或者把電子從價(jià)帶激發(fā)到雜質(zhì)能級上，從而在價(jià)帶中產(chǎn)

15、生空穴的激發(fā)叫非本征激發(fā)或雜質(zhì)激發(fā)。這種半導(dǎo)體叫雜質(zhì)半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體本身也存在本征激發(fā)，一般雜質(zhì)半導(dǎo)體中摻雜雜質(zhì)的濃度很低，如十億分之一就可達(dá)到目的。雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體摻雜原子的價(jià)電摻雜原子的價(jià)電子多于純元素的子多于純元素的價(jià)電子，又稱施價(jià)電子，又稱施主型半導(dǎo)體主型半導(dǎo)體摻雜原子的價(jià)電子少摻雜原子的價(jià)電子少于純元素的價(jià)電子，于純元素的價(jià)電子，又稱受主型半導(dǎo)體又稱受主型半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體un型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體（電子型，施主型） A族元素（C、Si、Ge、Sn）中摻入以VA族元素（P、As、Sb、Bi）后，造成摻雜元素的價(jià)電子多于純元素的價(jià)電子，其導(dǎo)電機(jī)理是電子

16、導(dǎo)電占主導(dǎo)，這類半導(dǎo)體是n型半導(dǎo)體。up型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體（空穴型，受主型） A族元素（C、Si、Ge、Sn）中摻入以A族元素（如B）時(shí)，摻雜元素的價(jià)電子少于純元素的價(jià)電子，它們的原子間生成共價(jià)鍵以后，還缺一個(gè)電子，而在價(jià)帶其中產(chǎn)生空穴。以空穴導(dǎo)電為主，摻雜元素是電子受主，這類半導(dǎo)體是p型半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)N型半導(dǎo)體逾量電子處于施主能級，施主能級與導(dǎo)帶底能級之差Ed遠(yuǎn)小于禁帶寬度Eg（相差近三個(gè)數(shù)量級）。因此，雜質(zhì)電子比本征激發(fā)更容易激發(fā)到導(dǎo)帶。例如Si摻雜十億分之一As時(shí)，其Eg為1.610-19 J，Ed為6.410-21 J。Ge摻雜十億分之一Sb時(shí)，其Eg為1.1510-19

17、J，Ed為1.610-21 J。P型半導(dǎo)體逾量空穴處于受主能級。由于受主能級與價(jià)帶頂端的能隙Ea遠(yuǎn)小于禁帶寬度Eg，價(jià)帶上的電子很容易激發(fā)到受主能級上，在價(jià)帶形成空穴導(dǎo)電。2. 化合物半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體二元化合物二元化合物 GaAs（砷化鎵）、（砷化鎵）、CdS鎘、鎘、SiC、GeS鍺、鍺、AsSe3硒等。硒等。三元化合物三元化合物 AgGeTe2、AgAsSe2、CuCdSnTe4等（碲）等（碲）GaAs制備制備發(fā)光二極管發(fā)光二極管隧道二極管隧道二極管3. 固溶體半導(dǎo)體固溶體半導(dǎo)體由兩種或多種元素或化合物互溶而成的。由兩種或多種元素或化合物互溶而成的。二元系固溶體半導(dǎo)體二元系固溶體半導(dǎo)體 B

18、i-Sb三元系固溶體半導(dǎo)體三元系固溶體半導(dǎo)體 （碲鎘汞）（碲鎘汞）Hg1-xCdxTe （鎵砷磷）（鎵砷磷）GeAs1-xPx最 重 要 的最 重 要 的紅 外 探 測紅 外 探 測器材料器材料用于高速響用于高速響應(yīng)器件、應(yīng)器件、光通信等光通信等半導(dǎo)體材料的應(yīng)用1、半導(dǎo)體材料在集成電路上的應(yīng)用：最早用鍺單晶制造二極管和三極管；現(xiàn)在發(fā)展硅器件，以硅單晶為基材的集成電路在電子器件中占主導(dǎo)地位?；衔锇雽?dǎo)體砷化鎵做微波、超高頻晶體管等；2、半導(dǎo)體在光電子器件、微波器件和電聲耦合器上的應(yīng)用：發(fā)光管、激光器、光電池、光集成等；3、半導(dǎo)體材料在傳感器上的應(yīng)用：半導(dǎo)體傳感器二、超導(dǎo)材料二、超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料的

19、定義1911年荷蘭Leiden大學(xué)Kamerlingh Onnes 在研究極低溫度下金屬導(dǎo)電性時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度降到4.2K時(shí)，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(dǎo)現(xiàn)象。從此，超導(dǎo)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(dǎo)材料。定義： 超導(dǎo)電現(xiàn)象超導(dǎo)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(dǎo)體超導(dǎo)體：低于某一溫度出現(xiàn)超導(dǎo)電性的物質(zhì)。（一）超導(dǎo)體的基本特性特性一：完全導(dǎo)電性（零電阻）完全導(dǎo)電性（零電阻） File和Mills利用精確核磁共振方法測量超導(dǎo)電流產(chǎn)生的磁場，來研究螺線管內(nèi)超導(dǎo)電流的衰變，得出的結(jié)論是超導(dǎo)電流的衰變時(shí)間不短于10萬年。特性二：完全抗磁

20、性完全抗磁性 處于超導(dǎo)狀態(tài)的金屬，不管其經(jīng)歷如何，磁感應(yīng)強(qiáng)度B始終為零。這一現(xiàn)象為邁斯納（Meissner）1933年發(fā)現(xiàn)，稱為邁斯納效應(yīng)。磁力線不能進(jìn)入超導(dǎo)體內(nèi)部超導(dǎo)體的基本特性特性三：臨界溫度（臨界溫度（Tc）、臨界磁場（）、臨界磁場（Hc）、臨）、臨界電流界電流J JC C是約束超導(dǎo)現(xiàn)象的三大臨界條件。是約束超導(dǎo)現(xiàn)象的三大臨界條件。 當(dāng)溫度超過臨界溫度時(shí)，超導(dǎo)態(tài)就消失；同時(shí)，當(dāng)超過臨界電流或者臨界磁場時(shí)，超導(dǎo)態(tài)也會(huì)消失，三者具有明顯的相關(guān)性。只有當(dāng)上述三個(gè)條件均滿足超導(dǎo)材料本身的臨界值時(shí)，才能發(fā)生超導(dǎo)現(xiàn)象（由Tc、Hc，Jc形成的閉合曲面內(nèi)為超導(dǎo)態(tài)）。超導(dǎo)體的基本特性特性四：約瑟夫森（約

21、瑟夫森（B D Josephson）效應(yīng)）效應(yīng) （承擔(dān)超導(dǎo)電的超導(dǎo)電子還可以穿越極薄絕緣體勢壘）經(jīng)典力學(xué)中，若兩個(gè)區(qū)域被一個(gè)勢壘隔開，則只有粒子具有足夠的能量時(shí)，其才會(huì)從一個(gè)區(qū)域進(jìn)入另一個(gè)區(qū)域。量子力學(xué)中，粒子具有足夠的能力不再是一個(gè)必要條件，一個(gè)能量不太高的粒子也可能會(huì)以一定的概率“穿過”勢壘，即所謂的“隧道效應(yīng)”。（約瑟夫森語言并被后人證實(shí)）超導(dǎo)體的種類（按邁斯納效應(yīng)分）按照邁斯納（按照邁斯納（Meissner）效應(yīng)分類：第一類超導(dǎo)體和第二類超導(dǎo)體）效應(yīng)分類：第一類超導(dǎo)體和第二類超導(dǎo)體u第一類超導(dǎo)體（軟超導(dǎo)體）當(dāng)H HC 時(shí)，BH第一類超導(dǎo)體只有一個(gè)臨界磁場，即HC 只有一個(gè)特征值。除釩、

22、鈮、釕外，元素超導(dǎo)體都是第一類超導(dǎo)體超導(dǎo)體的種類（按邁斯納效應(yīng)分）u第二類超導(dǎo)體（硬超導(dǎo)體）當(dāng)H HC1 時(shí)，B0，處于邁斯納狀態(tài)，完全抗磁當(dāng)Hc1H HC2 時(shí)，BH釩、鈮釩、鈮以及大以及大多數(shù)合多數(shù)合金或化金或化合物超合物超導(dǎo)體均導(dǎo)體均屬于第屬于第二類二類（二）超導(dǎo)材料u元素超導(dǎo)體u合金超導(dǎo)體u金屬間化合物超導(dǎo)體u陶瓷超導(dǎo)體u高分子超導(dǎo)體在低溫常壓下，具有超導(dǎo)特性的化學(xué)元素共有26種，由于臨界溫度太低，無太大實(shí)用價(jià)值Nb的Tc最高，僅為9.26K1. 元素超導(dǎo)體u合金超導(dǎo)體合金超導(dǎo)體合金超導(dǎo)體是機(jī)械強(qiáng)度最高、應(yīng)力應(yīng)變較小、磁場強(qiáng)度低、臨界電流密度高的超導(dǎo)體，在早期得到實(shí)際應(yīng)用。超導(dǎo)合金主要

23、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）。u金屬間化合物超導(dǎo)體金屬間化合物超導(dǎo)體金屬間化合物超導(dǎo)體的臨界溫度與臨界磁場一般比合金超導(dǎo)體的高，但此類超導(dǎo)體的脆性大，不易直接加工成帶材或線材。1986年發(fā)現(xiàn)了陶瓷超導(dǎo)體，使超導(dǎo)材料獲得了更高的臨界溫度，如YBaCuO（Tc90K）、TiBaCaCuO（Tc120K）等。最大缺點(diǎn)為脆性大，加工困難。高溫超導(dǎo)材料：Tc77K（液N溫度）陶瓷金超導(dǎo)體陶瓷金超導(dǎo)體中國制造中國制造 Made in China2002年年1月月 長長116m，寬，寬3.6mm，厚，厚0.28 mm 鉍系鉍系高溫超導(dǎo)帶

24、材試制成功。高溫超導(dǎo)帶材試制成功。2002年年4月月 340m 長的鉍系高溫超導(dǎo)導(dǎo)線試制成功。長的鉍系高溫超導(dǎo)導(dǎo)線試制成功。 已達(dá)到了國際先進(jìn)水平已達(dá)到了國際先進(jìn)水平高分子超導(dǎo)體高分子超導(dǎo)體高分子材料通常為絕緣體，但在數(shù)億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(dǎo)體。帕氣壓作用下也可以轉(zhuǎn)變成為超導(dǎo)體。如：四硫富瓦稀四腈代對苯醌二甲烷目前高分子超導(dǎo)體的最高臨界溫度僅目前高分子超導(dǎo)體的最高臨界溫度僅僅達(dá)到僅達(dá)到10K（三）超導(dǎo)材料的應(yīng)用超導(dǎo)的應(yīng)用，基本上可以分為強(qiáng)電強(qiáng)磁和弱電弱磁兩大類。（1）超導(dǎo)強(qiáng)電強(qiáng)磁應(yīng)用 主要基于超導(dǎo)體的零電阻特性和完全抗磁性以及非理想第二類超導(dǎo)體所特有的

25、高臨界電流密度和高臨界磁場。 主要應(yīng)用在電力方面如超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)磁體（如超導(dǎo)磁懸浮列車）、巨大環(huán)形超導(dǎo)磁體、超導(dǎo)磁分離等。（2）超導(dǎo)弱電弱磁的應(yīng)用 基于Josephson效應(yīng)為基礎(chǔ)，建立極靈敏的電子測量裝置為目標(biāo)的超導(dǎo)電子學(xué)，發(fā)展了低溫電子學(xué)。如超導(dǎo)量子干涉器件是一種高靈敏度的測量裝置，主要功能是測量磁場。它可以在電工儀表、醫(yī)學(xué)、生物、資源開發(fā)、環(huán)境保護(hù)、固體材料、地球物理等領(lǐng)域應(yīng)用。1. 電力輸送與儲存電力輸送與儲存目前有大約目前有大約30%的電能損耗在輸電線路上，采的電能損耗在輸電線路上，采用超導(dǎo)體輸電，可大大減少損耗，且省去了變壓器用超導(dǎo)體輸電，可大大減少損耗，且省去了變壓器和變電所。和

26、變電所。使用巨大的超導(dǎo)線圈，經(jīng)供電勵(lì)磁產(chǎn)生磁場而使用巨大的超導(dǎo)線圈，經(jīng)供電勵(lì)磁產(chǎn)生磁場而儲存能量。超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)所存能量幾乎可以無損儲存能量。超導(dǎo)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(dá)耗的儲存下去，其轉(zhuǎn)換率可高達(dá)95%。超導(dǎo)材料的應(yīng)用實(shí)例2. 磁流體發(fā)電磁流體發(fā)電化學(xué)能化學(xué)能熱能熱能機(jī)械能機(jī)械能電能電能火力發(fā)電火力發(fā)電熱能熱能電能電能磁流體發(fā)電磁流體發(fā)電3. 磁懸浮列車磁懸浮列車時(shí)速時(shí)速 400 500km.4. 超導(dǎo)計(jì)算機(jī)超導(dǎo)計(jì)算機(jī)速度是計(jì)算機(jī)永遠(yuǎn)追求的主題速度是計(jì)算機(jī)永遠(yuǎn)追求的主題三、電接點(diǎn)（觸頭）材料三、電接點(diǎn)（觸頭）材料電接點(diǎn)是建立和解除電接觸的導(dǎo)電電接點(diǎn)是建立和解

27、除電接觸的導(dǎo)電構(gòu)件，廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)、電器裝置，構(gòu)件，廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)、電器裝置，儀器儀表、電信和電子設(shè)備。儀器儀表、電信和電子設(shè)備。按電負(fù)荷的大小，電接點(diǎn)分為：強(qiáng)按電負(fù)荷的大小，電接點(diǎn)分為：強(qiáng)電、中電和弱電。電、中電和弱電。（一）（一） 強(qiáng)電接點(diǎn)材料強(qiáng)電接點(diǎn)材料電負(fù)荷大，要求電接點(diǎn)材料：接觸電阻低、電負(fù)荷大，要求電接點(diǎn)材料：接觸電阻低、耐電蝕、耐磨損、高的耐電壓強(qiáng)度、良好的來耐電蝕、耐磨損、高的耐電壓強(qiáng)度、良好的來電弧能力，一定的機(jī)械強(qiáng)度。電弧能力，一定的機(jī)械強(qiáng)度。一般采用合金材料。一般采用合金材料。u空氣開關(guān)接點(diǎn)材料空氣開關(guān)接點(diǎn)材料 銀系合金銀系合金 ： Ag-CdO、 Ag-Fe、A

28、g-W、Ag-石墨等。石墨等。 銅系合金銅系合金 如：如：Cu-W、 Cu-石墨石墨u真空開關(guān)接點(diǎn)材料真空開關(guān)接點(diǎn)材料 Cu-Bi-Ce、 Cu-Fe-Ni-Co-Bi、 W-Cu-Bi-Zr合金等合金等（二）弱電接點(diǎn)材料（二）弱電接點(diǎn)材料弱電接點(diǎn)電負(fù)荷及機(jī)械負(fù)荷弱電接點(diǎn)電負(fù)荷及機(jī)械負(fù)荷都很小，要求接點(diǎn)材料有極好的都很小，要求接點(diǎn)材料有極好的導(dǎo)電性、極高的化學(xué)穩(wěn)定性、良導(dǎo)電性、極高的化學(xué)穩(wěn)定性、良好的抗電火花燒損性和耐磨性。好的抗電火花燒損性和耐磨性。大多用貴金屬合金材料。大多用貴金屬合金材料。常用的弱電接點(diǎn)材料有：常用的弱電接點(diǎn)材料有：Au系系 （金）（金）Ag系系 （銀）（銀）Pt系（鉑）

29、系（鉑）Pd系（鈀）系（鈀）（三）復(fù)合接點(diǎn)材料（三）復(fù)合接點(diǎn)材料通過合理工藝將貴金屬接點(diǎn)通過合理工藝將貴金屬接點(diǎn)材料與非貴金屬基體材料結(jié)合在材料與非貴金屬基體材料結(jié)合在一起，一起，國外國外90%以上的弱電接點(diǎn)采以上的弱電接點(diǎn)采用復(fù)合接點(diǎn)材料。用復(fù)合接點(diǎn)材料。磁功能材料磁功能材料第三章第三章 磁性功能材料磁性功能材料磁性功能材料磁性功能材料 磁性材料指那些有實(shí)際工程意義具有較強(qiáng)磁性的材料。是最古老的功能材料。公元前幾世紀(jì)人類就發(fā)現(xiàn)自然界中存在天然磁體，磁性(Magnetism)一詞就因盛產(chǎn)天然磁石的Magnesia地區(qū)而得名。早期的磁性材料主要是軟鐵、硅鋼片、鐵氧體等。二十世紀(jì)六十年代起，非晶態(tài)

30、軟磁材料、納米晶軟磁材料、稀土永磁材料等一系列的高性能磁性材料相繼出現(xiàn)。磁性材料廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)及聲像記錄用大容量存儲裝置如磁盤、磁帶，電工產(chǎn)品如變壓器、電機(jī)，以及通訊、無線電、電器和各種電子裝置中，是電子和電工工業(yè)、機(jī)械行業(yè)和日常生活中不可缺少的材料之一， 本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容 磁學(xué)理論 物質(zhì)的磁性、磁性的基本物理量 磁性材料分類 軟磁材料、永磁材料、半硬磁 材料 磁性材料的基本性能與應(yīng)用第三章第三章 磁性功能材料磁性功能材料簡介磁性是物質(zhì)的基本屬性之一。磁性現(xiàn)象是與各種形式的電荷運(yùn)動(dòng)相關(guān)聯(lián)的，由于物質(zhì)內(nèi)部的電子運(yùn)動(dòng)和自旋會(huì)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

31、通常是指那些在實(shí)際工程意義上具有較強(qiáng)磁性的材料。磁性材料是電子工業(yè)的重要基礎(chǔ)功能材料，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、電子器件、通訊、汽車和航空航天等工業(yè)領(lǐng)域，隨著世界經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，磁性材料的需求將空前廣闊。當(dāng)前我國磁性材料的發(fā)展居世界之首，已經(jīng)成為世界上永磁材料生產(chǎn)量最大的國家。 基本概念 “磁磁”來源于電。一個(gè)環(huán)形電流在其運(yùn)動(dòng)中心產(chǎn)生的磁矩為P=is，i為電流強(qiáng)度，s為環(huán)形回路所包圍的面積。 原子內(nèi)的電子做循軌運(yùn)動(dòng)和自旋運(yùn)動(dòng)，這必然產(chǎn)生磁矩，產(chǎn)生的磁矩分別稱為軌道磁矩P1和自旋磁矩Ps。 原子核雖然也產(chǎn)生磁矩，但它的值比電子磁矩小三個(gè)數(shù)量級，一般情況下可忽略不計(jì)。因此，原子磁矩的產(chǎn)生是電子的

32、循軌運(yùn)動(dòng)、電子自旋這二者組合的結(jié)果?；靖拍畲艌鰪?qiáng)度（磁場強(qiáng)度（H）：）：指空間某處磁場的大小，單位：安/米；磁化強(qiáng)度（磁化強(qiáng)度（M）：）：物質(zhì)的磁性來源于內(nèi)部的磁矩，只有當(dāng)內(nèi)部磁矩同向有序排列時(shí)才對外顯示強(qiáng)磁性。單位體積內(nèi)磁矩矢量和稱為M，單位：安/米；磁感應(yīng)強(qiáng)度（磁感應(yīng)強(qiáng)度（B）：）：物質(zhì)在外磁場作用下，其內(nèi)部原子磁矩的有序排列還將產(chǎn)生一個(gè)附加磁場。在磁性材料內(nèi)部外加磁場與附加磁場的和，稱為磁感應(yīng)強(qiáng)度。B=0(H+M) ，0是一個(gè)系數(shù)，叫做真空磁導(dǎo)率。磁感應(yīng)強(qiáng)度又稱為磁通密度，單位是特斯拉（T）；磁導(dǎo)率（磁導(dǎo)率（） ：=B/H，是磁化曲線上任意一點(diǎn)上B和H的比值。導(dǎo)磁率實(shí)際上代表了磁性材料

33、被磁化的容易程度，或者說是材料對外部磁場的靈敏程度；磁化率（磁化率（ ）：）：磁化強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度的比值， = M /H。磁滯回線在外加磁場的作用下磁體會(huì)被磁化，磁體內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨外磁場H的變化是非線性的，當(dāng)H減少為零時(shí)，B并未回到零值，出現(xiàn)剩磁Br。磁感應(yīng)強(qiáng)度滯后于磁場強(qiáng)度變化的性質(zhì)稱為磁滯性。圖為磁性物質(zhì)的磁滯曲線；要使剩磁消失，通常需進(jìn)行反向磁化。將 B=0時(shí)的 H 值稱為矯頑磁力 Hc；Br稱為剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度， Bs稱為最大磁感應(yīng)強(qiáng)度（飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度）。BsBrHcBHO3. 1 3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)磁學(xué)基礎(chǔ)物質(zhì)的磁性物質(zhì)的磁性(一一) 物質(zhì)的磁性物質(zhì)的磁性將一個(gè)面積為（A) 、通有

34、電流（Is)的環(huán)型導(dǎo)體放入磁場中，該環(huán)型導(dǎo)體將會(huì)在磁場（H)的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，即環(huán)型導(dǎo)體受到力矩的作用。力矩（M)的大小可由下式表示： M M Is x A x H H 定義Pm= Is x A為通過電流為Is、面積為A的環(huán)型導(dǎo)體的磁矩。IsI原子內(nèi)的電子做循軌運(yùn)動(dòng)和自旋運(yùn)動(dòng)，所以必然產(chǎn)生磁矩。前者稱為軌道磁矩，后者稱為自旋磁矩。電子的循軌磁矩 Pl = 電子的自旋磁矩 Ps = e：單位電荷；h:普朗克常數(shù)；m:電子質(zhì)量；l:軌道量子數(shù)；s:自旋量子數(shù)。原子核的磁矩比電子磁矩小三個(gè)數(shù)量級，一般情況下可忽略不計(jì)。) 1(4llmeh) 1(2ssmeh3. 1 3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)磁學(xué)基礎(chǔ)物質(zhì)的

35、磁性物質(zhì)的磁性物質(zhì)磁性具有普遍性3. 1 3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)磁學(xué)基礎(chǔ)物質(zhì)的磁性物質(zhì)的磁性電子的循軌磁矩電子的循軌磁矩原子磁矩物質(zhì)磁性原子磁矩物質(zhì)表現(xiàn)何種磁性原子磁矩間相互作用外加磁場的作用3. 1 3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)磁學(xué)基礎(chǔ)物質(zhì)的磁性物質(zhì)的磁性細(xì)菌細(xì)胞中的磁力線200nm的Co粒子中的磁力線3. 1 3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)磁學(xué)基礎(chǔ)物質(zhì)的磁性物質(zhì)的磁性磁場強(qiáng)度：電流強(qiáng)度為 I 的電流在一個(gè)每米有N匝線圈的無限長螺旋管軸線中央產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度 H 為： H = N x I A/m （安/米）距離永磁體r處的磁場強(qiáng)度 H 為： H = km1r0/r2 H/m（亨利/米）m1為磁極的磁極強(qiáng)度，單位為Wb(

36、韋伯)；r0是r的矢量單位；磁化強(qiáng)度(M ):單位體積磁性材料內(nèi)各磁疇磁矩的矢量和，單位為A/m。磁感應(yīng)強(qiáng)度(B ):物質(zhì)在外磁場作用下，其內(nèi)部原子磁矩的有序排列還將產(chǎn)生一個(gè)附加磁場。在磁性材料內(nèi)部外加磁場與附加磁場的和,單位為T（特斯拉）。（二）基本磁性參量（二）基本磁性參量B=H+M3. 1 3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)磁學(xué)基礎(chǔ)物質(zhì)的磁性物質(zhì)的磁性磁導(dǎo)率和磁化率磁導(dǎo)率和磁化率在真空中磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁場強(qiáng)度H間的關(guān)系為： B=0H 在磁性材料中： B=0（H+ M） 在均勻的磁性材料中，上式的矢量和可改成代數(shù)和： B=0（H+M） 磁性材料的磁導(dǎo)率定義為磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度之比： =B/H 0 : 真

37、空磁導(dǎo)率; : 絕對磁導(dǎo)率，單位為 H/m，r: 相對磁導(dǎo)率 r =/0 磁化率定義為磁化強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度之比： = M/H ( (三）物質(zhì)磁性的分類三）物質(zhì)磁性的分類3. 1 3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)磁學(xué)基礎(chǔ)物質(zhì)的磁性物質(zhì)的磁性物質(zhì)磁性分類順磁性被磁化后，磁化場方向與外場方向相同，： 1 104 鐵磁性被磁化后，磁化場方向與外場方向相同，：10-3-10-6被磁化后，磁化場方向與外場方向相反，： （10-5 10-6 ）抗磁性與外加磁場的關(guān)系順磁性起因于原子或分子磁矩，在外加磁場作用下趨于沿外場方向排列，使磁質(zhì)沿外場方向產(chǎn)生一定強(qiáng)度的附加磁場。順磁性是一種弱磁性。順磁性材料多用于磁量子放大器和光量子

38、放大器，在工程上的應(yīng)用極少。順磁金屬主要有Mo，Al，Pt，Sn等。3. 1 3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)磁學(xué)基礎(chǔ)物質(zhì)的磁性物質(zhì)的磁性抗磁性是由于外磁場作用下，原子內(nèi)的電子軌道繞場向運(yùn)動(dòng)，獲得附加的角速度和微觀環(huán)形電流，從而產(chǎn)生與外磁場方向相反的感生磁矩。原子磁矩疊加的結(jié)果使宏觀物質(zhì)產(chǎn)生與外場方向相反的磁矩。由于屬于此類的物質(zhì)有C，Au，Ag，Cu，Zn，Pb等。 3. 1 3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)磁學(xué)基礎(chǔ)物質(zhì)的磁性物質(zhì)的磁性HmmDmkkDkDkDm產(chǎn)生抗磁性的原理產(chǎn)生抗磁性的原理m：磁矩Dm ：附加磁矩Dk ：附加向心力k：向心力抗磁性具有普遍性物質(zhì)是否表現(xiàn)出抗磁性要看物質(zhì)的抗磁場是否大于其順磁場物質(zhì)內(nèi)部

39、原子磁矩的排列a:順磁性 b:鐵磁性 c:反鐵磁性 d:亞鐵磁性 3. 1 3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)磁學(xué)基礎(chǔ)物質(zhì)的磁性物質(zhì)的磁性由于原子間的交換作用使原子磁矩發(fā)生有序的排列，產(chǎn)生自發(fā)磁化，鐵磁質(zhì)中原子磁矩都平行排列 （在絕對零度時(shí))3. 1 3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)磁學(xué)基礎(chǔ)物質(zhì)的磁性物質(zhì)的磁性鐵磁質(zhì)：鐵磁質(zhì)：磁矩的有序排列隨著溫度升高而被破壞，溫度達(dá)到居里溫度（Tc）以上時(shí)有序全部被破壞，磁質(zhì)由鐵磁性轉(zhuǎn)為順磁性。 Tc是材料的M-T曲線上MS20對應(yīng)的溫度。順磁質(zhì)：順磁質(zhì)：朗之萬（Langevin）順磁性： 磁化率服從居里(Curie)定律，即：=c/T。泡利（Pauli）順磁性： 服從居里-外斯（Cur

40、ie-Weiss）定律，即：=C/(T-Tc)。 （四）溫度對物質(zhì)磁性的影響（四）溫度對物質(zhì)磁性的影響Tc3. 1 3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)磁學(xué)基礎(chǔ)物質(zhì)的磁性物質(zhì)的磁性 ( (四）磁各向異性四）磁各向異性 磁性材料在不同方向上具有不同磁性能的特性。包括：磁晶各向異性，形狀各向異性，感生各向異性和應(yīng)力各向異性等。單晶體的易磁化和難磁化方向 3. 1 3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)磁學(xué)基礎(chǔ)物質(zhì)的磁性物質(zhì)的磁性（五）磁致伸縮（五）磁致伸縮磁性材料磁化過程中發(fā)生沿磁化方向伸長(或縮短)，在垂直磁化方向上縮短(或伸長)的現(xiàn)象，叫做磁致伸縮。它是一種可逆的彈性變形。材料磁致伸縮的相對大小用磁致伸縮系數(shù)表示，即 ： =l/l

41、 式中， l和l分別表示磁場方向的絕對伸長與原長。在發(fā)生縮短的情況下，l為負(fù)值，因而也為負(fù)值。當(dāng)磁場強(qiáng)度足夠高，磁致伸縮趨于穩(wěn)定時(shí)，磁致伸縮系數(shù)稱為飽和磁致伸縮系數(shù)，用s表示。 對于3d金屬及合金:s約為 10-510-6。 3. 1 3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)磁學(xué)基礎(chǔ)磁化過程與技術(shù)磁化過程與技術(shù) 磁參量磁參量 (一一) 磁疇結(jié)構(gòu)磁疇結(jié)構(gòu)在鐵磁性材料中，原子磁矩平行排列，以使交換作用能最低。但大量原子磁矩的平行排列增大了體系的退磁能，因而使一定區(qū)域內(nèi)的原子磁矩取反平行排列，出現(xiàn)了兩個(gè)取向相反的自發(fā)磁化區(qū)域，降低退磁能，直至形成封閉疇。每一個(gè)磁矩取向一致的自發(fā)磁化區(qū)域就叫做一個(gè)磁疇。立方結(jié)構(gòu)單晶鐵磁材料

42、的磁疇結(jié)構(gòu)示意圖3. 1 3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)磁學(xué)基礎(chǔ)磁化過程與技術(shù)磁化過程與技術(shù) 磁參量磁參量 Co中的磁疇結(jié)構(gòu)磁疇結(jié)構(gòu)包括磁疇和疇壁兩部分。磁疇的體積為10-110-6cm3。疇壁是指磁疇交界處原子磁矩方向逐漸轉(zhuǎn)變的過渡層3. 1 3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)磁學(xué)基礎(chǔ)磁化過程與技術(shù)磁化過程與技術(shù) 磁參量磁參量 疇壁布洛赫(Bloch)磁疇壁疇壁兩側(cè)的原子磁矩的旋轉(zhuǎn)平面與疇壁平面平行，兩個(gè)疇的磁化方向相差180 奈耳（Neel）磁疇壁疇壁內(nèi)原子磁矩的旋轉(zhuǎn)平面與兩磁疇的磁矩在同一平面平行于界面3. 1 3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)磁學(xué)基礎(chǔ)磁化過程與技術(shù)磁化過程與技術(shù) 磁參量磁參量 布洛赫奈爾壁3. 1 3. 1 磁

43、學(xué)基礎(chǔ)磁學(xué)基礎(chǔ)磁化過程與技術(shù)磁化過程與技術(shù) 磁參量磁參量 磁化過程：磁性材料在外磁場作用下由宏觀的無磁狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛写艩顟B(tài)的過程。磁化是通過磁疇的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。（二）磁疇移動(dòng)與（二）磁疇移動(dòng)與磁化過程磁化過程受外磁場作用時(shí)，疇內(nèi)整齊排列在易磁化方向上原子磁矩一致地偏離易磁化方向而向外磁場方向轉(zhuǎn)動(dòng)。外場愈強(qiáng)，材料的磁各向異性愈弱，則磁矩就愈偏向外場方向。運(yùn)動(dòng)方式轉(zhuǎn)動(dòng)移動(dòng)各磁疇內(nèi)部的磁矩平行或反平行于外加磁場，不受這一磁場的力矩。而疇壁附近的磁矩方向發(fā)生改變，使疇壁產(chǎn)生橫向移動(dòng)。3. 1 3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)磁學(xué)基礎(chǔ)磁化過程與技術(shù)磁化過程與技術(shù) 磁參量磁參量 疇壁的移動(dòng) 磁疇的轉(zhuǎn)動(dòng) 3. 1 3. 1

44、磁學(xué)基礎(chǔ)磁學(xué)基礎(chǔ)磁化過程與技術(shù)磁化過程與技術(shù) 磁參量磁參量 （三）磁化曲線（三）磁化曲線 磁化過程四階段：（1） M隨H呈線性地緩慢增長，可逆疇壁移動(dòng)過程。（2） M隨H急劇增長，不可逆疇壁移動(dòng)過程，的巴克豪森（Barkhausen）跳躍。（3）M的增長趨于緩慢。磁疇的磁化矢量已轉(zhuǎn)到最接近H方向，M的增長主要靠可逆轉(zhuǎn)動(dòng)過程來實(shí)現(xiàn)。（4）磁化曲線極平緩地趨近于水平線而達(dá)到飽和狀態(tài)。3. 1 3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)磁學(xué)基礎(chǔ)磁化過程與技術(shù)磁化過程與技術(shù) 磁參量磁參量 ( (四）磁性材料的技術(shù)磁參量四）磁性材料的技術(shù)磁參量技技術(shù)術(shù)磁磁參參量量內(nèi)稟磁參量: MS、Tc外稟磁參量: Hc、Mr或Br、磁導(dǎo)率、

45、損耗、磁能積MS: 飽和磁化強(qiáng)度Hc：矯頑力Mr或Br：剩磁主要取決于材料的化學(xué)成分對材料結(jié)構(gòu)（如晶粒尺寸、晶體缺陷、晶粒取向等）敏感，可以通過適當(dāng)?shù)墓に嚫淖儞p耗： 軟磁材料磁化一周總的能量損耗W，由渦流損耗，磁滯損耗Wh和剩余損耗Wr三部分組成，通常以每公斤材料損耗的功率表示，即: W=We+Wh+Wr We：在交變磁化條件下，材料垂直于磁場的平面內(nèi)產(chǎn)生的渦流引起發(fā)熱產(chǎn)生的損耗。循環(huán)磁化一周的渦流損耗與材料的電阻率、厚度D、磁感變化幅度Bm關(guān)系如下: WeD2Bm2/ Wh：在循環(huán)磁化條件下，材料每循環(huán)磁化一周所消耗的能量，它也以熱的形式表現(xiàn)出來，其大小與磁滯回線的面積呈正比。Wr ：從總損

46、耗中扣除渦流損耗和磁滯損耗所剩的部分3. 1 3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)磁學(xué)基礎(chǔ)磁化過程與技術(shù)磁化過程與技術(shù) 磁參量磁參量 3. 1 3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)磁學(xué)基礎(chǔ)磁化過程與技術(shù)磁化過程與技術(shù) 磁參量磁參量 磁能積（BH） ：磁鐵在氣隙空間所建立的磁能量密度。永磁體均在開路狀態(tài)下使用，作為磁場源或動(dòng)作源。主要作用是在磁鐵的兩磁極空間(或稱空氣隙)產(chǎn)生磁場Hg。Hg=(BmHmVm/0Vg)1/2 式中Vm、Bm和Hm分別是磁鐵的體積、磁感強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度，Vg、Hg是氣隙的體積和磁場強(qiáng)度。磁場強(qiáng)度（ Hg）除與磁體的體積及氣隙體積有關(guān)外，主要取決于磁體的磁能積（BH） 。最大磁能積（BH）max：退磁曲線上

47、磁能積最大的一點(diǎn)，工程應(yīng)用中通常將(BH)max稱為磁能積。對通常的永磁體的應(yīng)用而言，Hg越大越好。因此、在設(shè)計(jì)磁鐵時(shí)，應(yīng)使其工作點(diǎn)在圖中的D點(diǎn)附近。同時(shí)、(BH)max越大，Hg也越大。 (BH)max越高，所需要的磁體體積就越小 (BH)max的大小取決于磁感矯頑力Hc、剩磁Br和隆起系數(shù)，即:(BH)max =BrHCB 3. 1 3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)磁學(xué)基礎(chǔ)磁化過程與技術(shù)磁化過程與技術(shù) 磁參量磁參量 永磁材料的退磁曲線與磁能積(密度)曲線 3. 1 3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)磁學(xué)基礎(chǔ)磁化過程與技術(shù)磁化過程與技術(shù) 磁參量磁參量 磁滯回線族 3. 1 3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)磁學(xué)基礎(chǔ)磁化過程與技術(shù)磁化過程

48、與技術(shù) 磁參量磁參量 （五）（五）磁性材料的穩(wěn)定性磁性材料的穩(wěn)定性衡量磁性材料的磁參量隨外界因素作用產(chǎn)生的變化，主要考慮Br和Hc。（1）溫度穩(wěn)定性：磁性能隨溫度的變化。（2）時(shí)間穩(wěn)定性：在某一特定工作環(huán)境下長期工 作過程中磁性隨時(shí)間的變化。 （3）化學(xué)穩(wěn)定性：在腐蝕介質(zhì)的環(huán)境中磁性隨時(shí) 間的變化。顯微組織變化引起的組織時(shí)效性能不穩(wěn)定的原因磁疇結(jié)構(gòu)變化引起的磁時(shí)效可逆，再次充磁時(shí)材料能恢復(fù)原來的磁性不可逆 3. 1 3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)磁學(xué)基礎(chǔ)磁磁性材料分類性材料分類按矯頑力分類軟磁材料半硬磁材料硬（永）磁材料Hc1000A/m(12.5Oe)按用途分類鐵芯材料磁記錄材料磁頭材料磁致伸縮材料磁屏

49、蔽材料變壓器、繼電器錄音機(jī)通訊儀器、電器磁帶、磁盤傳感器磁性材料的分類根據(jù)滯回曲線和磁化曲線的不同，分成三類：(1)軟磁材料其矯頑磁力較小，磁滯回線較窄。(鐵心)(2)硬磁材料其矯頑磁力較大，磁滯回線較寬。(磁鐵)(3)矩磁材料其剩磁大而矯頑磁力小，磁滯回線為矩形。(記憶元件)HBHBHB3. 1 3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)磁學(xué)基礎(chǔ)磁磁性材料分類性材料分類主要磁性材料分類3. 2 3. 2 軟磁材料軟磁材料用途：發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、變壓器、電磁鐵、各類繼電器與電感、電抗器的鐵心；磁頭與磁記錄介質(zhì)；計(jì)算機(jī)磁心等。要求：高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、高的最大磁導(dǎo)率、高的居里溫度和低的損耗。分類：高磁飽和材料，中磁飽和中

50、導(dǎo)磁材料，高導(dǎo)磁材料，高硬度、高電阻、高導(dǎo)磁材料，矩磁材料，恒磁導(dǎo)率材料，磁溫度補(bǔ)償材料，磁致伸縮材料。軟磁材料定義定義：指在外磁場作用下，很容易磁化，去掉指在外磁場作用下，很容易磁化，去掉外磁場時(shí)又很容易去磁的磁性材料。外磁場時(shí)又很容易去磁的磁性材料。軟磁材料的特性軟磁材料的特性高的磁導(dǎo)率和磁感應(yīng)強(qiáng)度；矯頑力和磁滯損耗低；（矯頑力一般小于1kA/m）電阻率較高，反復(fù)磁化和退磁時(shí)產(chǎn)生的渦流損耗小。3. 2 3. 2 軟磁材料軟磁材料鐵芯材料鐵芯材料用途：變壓器、電機(jī)與繼電器的鐵(磁)心。要求：低的矯頑力、高的磁導(dǎo)率和低的鐵損。主要材料：高磁飽和材料(Bs為2T左右)，如工業(yè)純鐵、電工硅鋼片、非

51、晶態(tài)軟磁合金和鐵鈷合金；中磁飽和中導(dǎo)磁材料；高導(dǎo)磁材料如坡莫合金等；恒磁導(dǎo)率材料；以及鐵粉心型材料與氧化物粉心材料等 （一） 工業(yè)純鐵資源豐富、價(jià)格低廉，具有良好的可加工性。早在1890年熱軋純鐵就用于制造電機(jī)和變壓器鐵芯。是直流技術(shù)中非常重要的高磁飽和材料，主要用于制造電磁鐵的鐵心、極頭與極靴；繼電器和揚(yáng)聲器的磁導(dǎo)體；電話機(jī)的振動(dòng)膜；電工儀器儀表及磁屏蔽元件等。3. 2 3. 2 軟磁材料軟磁材料非晶態(tài)、微晶與納米非晶態(tài)、微晶與納米 晶軟磁合金晶軟磁合金 最常見的是電磁純鐵，名稱為電鐵(代號DT)，含碳量低于0.04%的Fe-C合金，Bs達(dá)2.15T，其供應(yīng)狀態(tài)包括鍛材、管材、圓棒、薄片或薄

52、帶等。去應(yīng)力退火：消除加工應(yīng)力。保護(hù)條件下860930，保溫4小時(shí)后隨爐冷卻。去除雜質(zhì)處理：純鐵中的雜質(zhì)（ C，Mn，Si，P，S，N等）會(huì)顯著降低材料的磁導(dǎo)率和矯頑力。通過去雜質(zhì)退火處理來降低材料中雜質(zhì)的含量。在純干燥氫氣或真空(10-2帕以下)中，于12001300溫度保溫510小時(shí)。3. 2 3. 2 軟磁材料軟磁材料鐵芯材料鐵芯材料工業(yè)純鐵的熱處理：純鐵材在加工成元件后必須經(jīng)過熱處理才能獲得好的軟磁性能3. 2 3. 2 軟磁材料軟磁材料鐵芯材料鐵芯材料人工時(shí)效處理：克服純鐵嚴(yán)重的自然磁時(shí)效現(xiàn)象，為保持純鐵元件的磁穩(wěn)定性，須在熱處理后進(jìn)行100，保溫100小時(shí)的人工時(shí)效處理?；蜻x擇低時(shí)

53、效敏感性的材料。純鐵的自然磁時(shí)效現(xiàn)象：即隨著時(shí)間的增長，材料的矯頑力上升，磁導(dǎo)率下降。純鐵的時(shí)效在130附近特別明顯。引起時(shí)效的原因是由于在Fe中含有N，逐漸形成鐵的氮化物所致。純鐵的缺點(diǎn)：電阻率低，使用時(shí)產(chǎn)生很大的渦流損耗，不適于制作在交變場中工作的鐵心。 3. 2 3. 2 軟磁材料軟磁材料鐵芯材料鐵芯材料（二）電工硅鋼片（Fe-Si軟磁合金） 鐵中加Si的作用：可提高鐵的最大磁導(dǎo)率，增大電阻率，還可顯著改善磁性時(shí)效。但Si加入量過多時(shí)，會(huì)降低飽和磁化強(qiáng)度、居里溫度、磁晶各向異性常數(shù)K1、磁致伸縮系數(shù)含Si量的增大會(huì)使材料變脆。 電工硅鋼片中Si的含量在0.54.8%Si。1903年開始投

54、入實(shí)際生產(chǎn)，用量極大。主要用于制造大電流、頻率50400Hz的中、強(qiáng)磁場條件下的電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、變壓器等；中、弱磁場和較高頻率(達(dá)10KHz)條件下的音頻變壓器、高頻變壓器、電視機(jī)與雷達(dá)中的大功率變壓器、大功率磁變壓器、以及各種繼電器、電感線圈、脈沖變壓器和電磁式儀表等；3. 2 3. 2 軟磁材料軟磁材料鐵芯材料鐵芯材料與熱軋硅鋼相比，冷軋硅鋼的Bs高，其厚度均勻、尺寸精度高、表面光滑平整，從而提高了填充系數(shù)和材料的磁性能。冷軋帶材的厚度可低至0.020.05mm。冷軋硅鋼的含硅量不超過3.5%，否則的材料冷軋十分困難。近年來，用快速凝固技術(shù)可制備出含硅6.5%的硅鋼薄帶。 電工硅鋼片熱軋硅

55、鋼片（DR）冷軋無取向硅鋼片（ DW）冷軋單取向硅鋼片（ DQ）電訊用冷軋單取向硅鋼片（ DG）中國2002年底停止生產(chǎn)3. 2 3. 2 軟磁材料軟磁材料鐵芯材料鐵芯材料在冷軋單取向硅鋼帶中，晶粒整齊一致地排列成高斯(GOSS)織構(gòu)，如圖3-16示意，晶體的(110)面與軋制平面平行，易磁化的001軸在軋制方向上。垂直于軋制方向的是難磁化的110軸。最難磁化的111軸與軋制方向成54.79角。 冷軋單取向硅鋼的晶粒取向 3. 2 3. 2 軟磁材料軟磁材料鐵芯材料鐵芯材料單取向硅鋼的優(yōu)點(diǎn)：磁性具有強(qiáng)烈的方向性；在易磁化的軋制方向上具有優(yōu)越的高導(dǎo)磁與低損耗特性。取向鋼帶在軋制方向的鐵損僅為橫向

56、的1/3，磁導(dǎo)率比約為6:1，其鐵損約為熱軋帶的1/2，磁導(dǎo)率為后者的2.5倍。 織構(gòu)取向度的影響：取向度7o加微量Al等、形成AlN,可使范圍減小，取向度99.95的軟鋼。它在平爐中進(jìn)行冶煉時(shí)，用氧化渣除去碳、硅、錳等元素，再用還原渣除去磷和硫，出鋼時(shí)在鋼包中加入脫氧劑而得。工業(yè)純鐵在退火狀態(tài)，起始磁導(dǎo)率為300-5000，最大磁導(dǎo)率為600-1200 0，矯頑力為39.8-95.5A/m。電工用純鐵具有高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、高的磁導(dǎo)率、較小的矯頑力、良好的冷加工性能，且成本低廉。缺點(diǎn)是電阻小，鐵損大，只適用于直流情況。主要用于制造電磁鐵的鐵心和磁極，繼電器的磁路和各種零件，電話中的振動(dòng)膜等。

57、硅鋼片（硅鐵合金）在電工用純鐵中加入0.54.5的硅，使之形成固溶體，可以提高材料電阻率，減少渦流損耗，這種材料稱為硅鐵合金，或者稱電工用硅鋼片。純鐵中加入硅后，材料的物理性能發(fā)生如下變化：1）熱導(dǎo)率的變化。 鐵的熱導(dǎo)率在加入硅后劇烈的降低。硅鐵合金2）電阻率的變化隨著硅含量的增加到5，硅鐵合金的電阻率急劇上升。當(dāng)wSi=0.255，電阻率與含硅量的關(guān)系如下： 13.25+11.30wSi3）相對密度d的變化隨著含硅量的增加，比重幾乎是直線的降低。d7.8740-0.062wSi硅鐵合金屬于高飽和材料，主要用于各種形式的發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)和變壓器中。wSi3的Si-Fe合金片由于其飽和磁通密度高，

58、是電力變壓器和配電變壓器中大量采用的材料。電工硅鋼片的應(yīng)用和磁性能鎳鐵合金鎳鐵合金主要是含鎳量為34-80的Fi-Ni合金，通常稱坡莫合金。鎳鐵合金有很高的起始磁導(dǎo)率和最大磁導(dǎo)率。鎳鐵合金廣泛應(yīng)用在電訊工業(yè)、儀表、電子計(jì)算機(jī)、控制系統(tǒng)等領(lǐng)域中。軟磁鐵氧體鐵氧體是氧離子和金屬離子組成的尖晶石結(jié)構(gòu)的氧化物，是以Fe2O3為主要成分的復(fù)相氧化物。根據(jù)磁滯回線特征，可分為軟磁、硬磁和矩磁鐵氧體。軟磁鐵氧體是鐵氧體材料中的一種，是一種容易磁化和退磁的鐵氧體。其特點(diǎn)是起始的磁導(dǎo)率高，矯頑力小，損耗小，使用頻率可達(dá)高頻、超高頻范圍。常用的軟磁鐵氧體有鎳鋅鐵氧體和錳鋅鐵氧體軟磁鐵氧體廣泛應(yīng)用于錄音、錄像記錄磁

59、頭，變壓器磁心等。利用軟磁鐵氧體的磁導(dǎo)率或飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度在居里溫度附件的激烈變化，還可以制成熱敏器件等。鋁鎳鈷系永磁鋁鎳鈷系永磁主要有Fe及Al、Ni、Co組成，有良好的磁特性和熱穩(wěn)定性，剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度高，磁能積大，矯頑力適中，但硬而脆，難以加工，主要用鑄造和粉末燒結(jié)兩種方法成形。硬磁鐵氧體硬磁鐵氧體包括鋇鐵氧體BaFe12O19，鍶鐵氧體SrFe12O19。它具有剩余磁通量小，矯頑力大，電阻率大，密度小，重量輕、溫度系數(shù)大，制造工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)，是硬磁材料中價(jià)格最低、用量最大的一類磁鐵。稀土硬磁材料稀土硬磁合金包括稀土鈷和稀土鐵系金屬間化合物，為硬磁材料中性能最高的一類。其中最著名的是釹鐵硼永

60、磁合金，號稱磁王，具有其它永磁材料所不及的高矯頑力和最大磁能積，而且體積小、重量輕、效率高、成本較低等特點(diǎn)。不含戰(zhàn)略物質(zhì)Co和Ni，它能吸起相當(dāng)于自重640倍的重物，而鐵氧體只能吸起自重的120倍。如一臺核磁共振成像儀需用鐵氧體永磁材料100t，而改用釹鐵硼永磁后，僅需10t。第四章第四章 形狀記憶材料形狀記憶材料一、馬氏體相變與形狀記憶效應(yīng)熱彈性馬氏體相變與形狀記憶效應(yīng)熱力學(xué)的化學(xué)自由能減少與彈性的非化學(xué)自由能增加之和達(dá)到極小值時(shí)便停止長大.這種熱效應(yīng)和彈性效應(yīng)之間的平衡狀態(tài)。sMPncMPcMPGGGTGDDDD)(形狀記憶合金一般特征：合金能夠發(fā)生熱彈性馬氏體相變母相和馬氏體的晶體結(jié)構(gòu)通