材料科學(xué)與技術(shù)第六

1、四、鐵磁性、反鐵磁性和亞鐵磁性的機制四、鐵磁性、反鐵磁性和亞鐵磁性的機制1、鐵磁性的機制、鐵磁性的機制鐵磁質(zhì)：鐵磁質(zhì)：以鐵為代表的在外磁場中能產(chǎn)生很強磁性的物質(zhì)以鐵為代表的在外磁場中能產(chǎn)生很強磁性的物質(zhì)610:mHHMmMMHB000鐵磁性起源于電子的自旋磁矩，是否具有鐵磁性不僅決定于原鐵磁性起源于電子的自旋磁矩，是否具有鐵磁性不僅決定于原子是否具有凈自旋磁矩、還與原子在晶格中的排列方式有關(guān)子是否具有凈自旋磁矩、還與原子在晶格中的排列方式有關(guān)原子原子3d電子電子4s電子電子凈自旋磁矩凈自旋磁矩)(BFe CoNi2224323d未成對電子數(shù)未成對電子數(shù)過過渡渡族族元元素素:,NiCoFe有鐵磁

2、性有鐵磁性原子具有未成對原子具有未成對 d 電子或電子或 f 電電子只是具有鐵磁性的必要條件子只是具有鐵磁性的必要條件CrMn,有未成對有未成對 d 電子電子（5個），但個），但無鐵磁性無鐵磁性原子接近、電子云相互疊加原子接近、電子云相互疊加量子理論鐵磁性形成的條件：量子理論鐵磁性形成的條件：計算結(jié)果表明：計算結(jié)果表明：相鄰原子的相鄰原子的電子交換積分電子交換積分為正時，相鄰原子為正時，相鄰原子的電子自旋磁矩同向平行排列、形成磁性的電子自旋磁矩同向平行排列、形成磁性很強的自發(fā)磁化區(qū)很強的自發(fā)磁化區(qū) 磁疇磁疇結(jié)果還表明：結(jié)果還表明：原子間距原子間距與與參與交換作用的電子軌道直徑參與交換作用的電子

3、軌道直徑之之比大于比大于3時時，交換積分才可能為正，交換積分才可能為正:,CrMn:,NiCoFe滿足自發(fā)磁化條件滿足自發(fā)磁化條件不滿足自發(fā)磁化條件不滿足自發(fā)磁化條件鐵磁鐵磁非鐵磁非鐵磁稀土金屬鐵磁性起源于未成對的稀土金屬鐵磁性起源于未成對的4f電子的自旋磁矩電子的自旋磁矩2、反鐵磁性的機制、反鐵磁性的機制反鐵磁性物質(zhì)相鄰原子的電反鐵磁性物質(zhì)相鄰原子的電子交換積分為負，相鄰原子子交換積分為負，相鄰原子磁矩大小相等、方向相反磁矩大小相等、方向相反原子磁矩相原子磁矩相互抵消、自互抵消、自發(fā)磁化為零發(fā)磁化為零;,CrMn如：如：許多金屬氧化物：許多金屬氧化物：NiOCuOOCrMnO,323、亞鐵磁

4、性的機制、亞鐵磁性的機制絕大部分是金屬氧化物絕大部分是金屬氧化物 鐵氧體鐵氧體，電，電性屬半導(dǎo)體，常作為高頻磁介質(zhì)使用性屬半導(dǎo)體，常作為高頻磁介質(zhì)使用由自旋磁矩大小不同的兩種原子或離子組成，相同原由自旋磁矩大小不同的兩種原子或離子組成，相同原子的磁矩同向平行排列，不同原子的磁矩方向相反子的磁矩同向平行排列，不同原子的磁矩方向相反兩種原子的磁矩：方向相反、大小不等，兩種原子的磁矩：方向相反、大小不等，不能完全抵消、對外呈現(xiàn)宏觀磁性不能完全抵消、對外呈現(xiàn)宏觀磁性亞鐵磁性物質(zhì)：亞鐵磁性物質(zhì)：由具有凈自旋磁矩的原子組成由具有凈自旋磁矩的原子組成鐵磁、反鐵磁、亞鐵磁，磁矩的有序排列鐵磁、反鐵磁、亞鐵磁，

5、磁矩的有序排列鐵磁性鐵磁性反鐵磁性反鐵磁性亞鐵磁性亞鐵磁性五、溫度對磁性的影響五、溫度對磁性的影響所有原子的磁矩完全沿相同方向排列，磁化強所有原子的磁矩完全沿相同方向排列，磁化強度最大、為單個原子磁矩與原子數(shù)密度的乘積度最大、為單個原子磁矩與原子數(shù)密度的乘積磁介質(zhì)的飽和磁化強度：磁介質(zhì)的飽和磁化強度：實際值小于這一嚴格意義的飽和值實際值小于這一嚴格意義的飽和值嚴格意義上嚴格意義上-2002000.56008001.01.52.0溫度，溫度，Co)10/( ,8mAM純純FeFe3O4飽和磁化強度飽和磁化強度溫度升高：溫度升高：自發(fā)磁性、磁疇消失。這自發(fā)磁性、磁疇消失。這一特征溫度稱為一特征溫度

6、稱為居里溫度居里溫度原子熱運動加劇、原子原子熱運動加劇、原子磁矩取向混亂，磁疇磁磁矩取向混亂，磁疇磁矩、飽和磁化強度降低矩、飽和磁化強度降低溫度升高到某一值：溫度升高到某一值：:CTT 鐵磁變成順磁鐵磁變成順磁43,OFeNiCoFe的居里溫度：的居里溫度：Co585,335,1120,768五、磁化和退磁化五、磁化和退磁化1、磁疇和磁疇壁、磁疇和磁疇壁未經(jīng)磁化的鐵磁體各磁疇的取向無序、未經(jīng)磁化的鐵磁體各磁疇的取向無序、磁矩矢量和為零，對外不顯磁性磁矩矢量和為零，對外不顯磁性磁疇壁：磁疇壁：相鄰磁疇間的界限、一個相鄰磁疇間的界限、一個有一定厚度的過渡層有一定厚度的過渡層o180磁疇壁磁疇壁磁疇

7、壁磁疇壁o90兩種磁疇壁兩種磁疇壁過渡層（過渡層（磁壁磁壁）中原）中原子磁矩的方向子磁矩的方向:逐漸從一個磁疇逐漸從一個磁疇方向向另一個磁方向向另一個磁疇方向改變疇方向改變2、磁化曲線、磁化曲線H)(MBoab)(ssMBc或或非線性非線性未曾磁化過的鐵磁質(zhì)：未曾磁化過的鐵磁質(zhì)：:oa:ab:bc:c緩慢增加，緩慢增加，迅速增加，迅速增加，緩慢增加，緩慢增加，飽和飽和飽和磁感應(yīng)飽和磁感應(yīng)(磁化）強度磁化）強度dHdB變化變化HB HM 鐵磁體的磁化曲線鐵磁體的磁化曲線：3、磁化過程的本質(zhì)、磁化過程的本質(zhì)磁化過程：磁化過程：磁疇結(jié)構(gòu)的變化過程磁疇結(jié)構(gòu)的變化過程H0:HSH磁矩方向與磁場方向接近磁

8、矩方向與磁場方向接近的磁疇長大；磁矩方向與的磁疇長大；磁矩方向與磁場方向相背的磁疇變小磁場方向相背的磁疇變小磁疇轉(zhuǎn)向外場的磁疇轉(zhuǎn)向外場的方向、飽和狀態(tài)方向、飽和狀態(tài)4、退磁化曲線及磁滯回線、退磁化曲線及磁滯回線HBoabcdefgcHcHsBrBh:cde退磁化過程，退磁化過程， 退磁化曲線退磁化曲線B:0H不按原路返回不按原路返回:0HrBB 剩磁剩磁:CHH0B:CH矯頑力矯頑力ssHHH:磁滯現(xiàn)象：磁滯現(xiàn)象： B 始終滯后于始終滯后于 H 磁滯回線：磁滯回線：cdefghc磁滯現(xiàn)象的本質(zhì)：磁滯現(xiàn)象的本質(zhì)：磁疇在變化過程中受到阻力磁疇在變化過程中受到阻力一個周期內(nèi)的一個周期內(nèi)的磁滯損失：磁

9、滯損失：（磁滯回線所圍的面積）（磁滯回線所圍的面積）BdHQ磁滯損失與交磁滯損失與交變磁場的振幅變磁場的振幅及頻率有關(guān)及頻率有關(guān)七、磁性材料七、磁性材料1、軟磁材料、軟磁材料按矯頑力磁性材料分為兩類：按矯頑力磁性材料分為兩類：HB硬磁硬磁軟磁軟磁特點：特點：低矯頑力、高磁導(dǎo)率、低磁滯損耗低矯頑力、高磁導(dǎo)率、低磁滯損耗磁滯回線：細窄、陡峭磁滯回線：細窄、陡峭軟磁材料主要應(yīng)用于：軟磁材料主要應(yīng)用于：導(dǎo)磁體導(dǎo)磁體 變壓器、繼電器的鐵心；變壓器、繼電器的鐵心；馬達的定子、轉(zhuǎn)子；開關(guān)元件馬達的定子、轉(zhuǎn)子；開關(guān)元件材料中的析出相、雜質(zhì)會導(dǎo)致矯頑力材料中的析出相、雜質(zhì)會導(dǎo)致矯頑力增加、磁導(dǎo)率下降、磁滯損失增

10、加增加、磁導(dǎo)率下降、磁滯損失增加優(yōu)良軟磁材料應(yīng)優(yōu)良軟磁材料應(yīng)是質(zhì)勻、純度高是質(zhì)勻、純度高易磁化、易退磁易磁化、易退磁2、硬磁材料、硬磁材料 HB硬磁硬磁軟磁軟磁交變磁場中材料不僅存在交變磁場中材料不僅存在磁滯損失還有渦流損失磁滯損失還有渦流損失用于鐵芯等的材料不僅要軟用于鐵芯等的材料不僅要軟磁特性好、電阻率也要高磁特性好、電阻率也要高常用軟磁材料：常用軟磁材料：固溶體合金（固溶體合金（ Fe-Si, Fe-Ni ）、鐵氧體）、鐵氧體特點：特點：剩余磁感應(yīng)強度大、矯頑力大剩余磁感應(yīng)強度大、矯頑力大磁滯曲線寬、高磁滯曲線寬、高磁化后具有強的剩磁、用于永磁材料磁化后具有強的剩磁、用于永磁材料三個高的

11、磁性指標：三個高的磁性指標：,CH,rBmax)(BH最大磁能積最大磁能積最大磁能積：最大磁能積： 退磁曲線上退磁曲線上 B, H 乘積的最大值乘積的最大值越大、在空間產(chǎn)生的磁場越強越大、在空間產(chǎn)生的磁場越強材料中的析出顆粒能有效阻礙磁疇壁的運動、提高材料中的析出顆粒能有效阻礙磁疇壁的運動、提高 HCCrWCFeCrW,如：如： 合金中合金中 碳化物沉淀顆粒碳化物沉淀顆粒硬磁材料有：硬磁材料有：鐵氧體、鋁鎳鈷、稀土鈷及稀土鐵類合金鐵氧體、鋁鎳鈷、稀土鈷及稀土鐵類合金應(yīng)用于：應(yīng)用于：揚聲器、電表、磁力舉重設(shè)備、磁力選礦設(shè)備揚聲器、電表、磁力舉重設(shè)備、磁力選礦設(shè)備第三節(jié)第三節(jié) 材料的熱性能材料的熱

12、性能材料材料熱性能包括熱性能包括：熱容、熱膨脹、熱傳導(dǎo)等：熱容、熱膨脹、熱傳導(dǎo)等材料熱性質(zhì)是工程設(shè)計、選材的重要參數(shù)、是熱分析的基礎(chǔ)材料熱性質(zhì)是工程設(shè)計、選材的重要參數(shù)、是熱分析的基礎(chǔ)一、材料的熱容一、材料的熱容基本概念：基本概念：熱容、比熱、定容（定壓）摩爾熱容熱容、比熱、定容（定壓）摩爾熱容固體吸收的固體吸收的熱能主要用于熱能主要用于增加原子振動能量和自由電子動能增加原子振動能量和自由電子動能AeCC 自由電子熱容（即使金屬）自由電子熱容（即使金屬）遠小于原子振動熱容：遠小于原子振動熱容：固體熱容固體熱容ACC 熱容本質(zhì)及熱容隨溫度變化的認識歷程熱容本質(zhì)及熱容隨溫度變化的認識歷程：經(jīng)典熱經(jīng)

13、典熱容理論容理論愛因斯坦量愛因斯坦量子熱容理論子熱容理論德拜量子德拜量子熱容理論熱容理論1、經(jīng)典熱容理論、經(jīng)典熱容理論氣體分子熱容理論在固體中的推廣氣體分子熱容理論在固體中的推廣在平衡態(tài)下，在平衡態(tài)下，物質(zhì)物質(zhì)分子的每一個分子的每一個自由度都具有相同的平均動能自由度都具有相同的平均動能kT21物質(zhì)：物質(zhì)：氣體、氣體、液體或固體液體或固體19世紀，世紀，Dulong petit 認為：認為：)21(2kTkT3NkT3)/(9 .2433)()(0kmolJRkNdTdEdTdQCVVmV與溫度無關(guān)的常量與溫度無關(guān)的常量結(jié)果的局限性：結(jié)果的局限性： 僅適用于處于僅適用于處于較高溫度較高溫度的部分

14、金屬的部分金屬2、愛因斯坦熱容模型、愛因斯坦熱容模型 愛因斯坦愛因斯坦晶格振動量子化理論晶格振動量子化理論 假定：假定：晶格中的每個原子做獨立振動、振動頻率為晶格中的每個原子做獨立振動、振動頻率為 ；原子振動能量是量子化的原子振動能量是量子化的每個振子的每個振子的振動能量：振動能量：hnhEn21:h:n:21hPlank 常數(shù)，常數(shù)，聲子量子數(shù)聲子量子數(shù) (0, 1, 2, 3,.)零點能零點能能量為能量為 En 的振子數(shù)：的振子數(shù)：)exp(kTEn( Boltzmann 幾率分布幾率分布 )溫度溫度 T 、振動頻率為、振動頻率為 的振子的平均能量：的振子的平均能量：1)exp(kThh平

15、均振動能量：平均振動能量：03NE )/(3)(TRfTECEEVmV221)/exp()/exp()()/(kThkThkThTfEE愛因斯坦函數(shù)愛因斯坦函數(shù)khE/愛因斯坦溫度愛因斯坦溫度（2）晶體溫度很低：）晶體溫度很低：討論：討論： （1）晶體溫度較高）晶體溫度較高:RCmV3與經(jīng)典理論一致與經(jīng)典理論一致hkT kTh)/exp()(32kThkThRCmV3TCmV實驗結(jié)果實驗結(jié)果：比實驗結(jié)果更比實驗結(jié)果更快地趨于零快地趨于零1)/(TfEE低溫時愛因斯坦熱容模型與實驗不一致低溫時愛因斯坦熱容模型與實驗不一致振動頻率也不完全相同振動頻率也不完全相同每個原子振動不獨立、存在聯(lián)系；每個原

16、子振動不獨立、存在聯(lián)系；3、德拜熱容模型、德拜熱容模型理論認為：理論認為：晶體可看作連續(xù)介質(zhì)，晶體中原子間存在彈性晶體可看作連續(xù)介質(zhì)，晶體中原子間存在彈性原子的振動原子的振動整體振動整體振動晶格振動晶格振動晶格波、彈性波晶格波、彈性波原子具有寬的振動頻譜：原子具有寬的振動頻譜：max0頻率在頻率在 間振子數(shù)：間振子數(shù)：ddg)(: )(gNdg3)(max0頻率分布函數(shù)頻率分布函數(shù),斥力和引力，原子的振動相互牽連、相互制約斥力和引力，原子的振動相互牽連、相互制約晶體中的原子數(shù)晶體中的原子數(shù):N原因：原因：302v12)(g頻率分布函數(shù)頻率分布函數(shù):(可由晶格振動的可由晶格振動的彈性波理論推得彈性波理論推得)3t330/v2/v1/v3l:v0:v,vtl晶體中的縱、橫波傳播速度晶體中的縱、橫波傳播速度Ndg3)(max030max62vNv1)exp(kThh溫度溫度 T 、振動頻率為、振動頻率為 的振子的平均能量：的振子的平均能量：(遵循遵循Boltzmann 幾率分布幾率分布 )振動能量：振動能量：dxexhTkdgExxmaxmax033304401v12)(kThxdxexeTNkTECTxxDVVD/0243) 1(