材料學(xué)基礎(chǔ)第七章

材料學(xué)基礎(chǔ)第七章現(xiàn)代功能材料與信息材料Functional&CommunicationalMaterial問題一：現(xiàn)代功能材料有哪些基本類型？問題二：現(xiàn)代信息材料包括哪些？材料學(xué)基礎(chǔ)§7.1磁性材料MagnetismMaterials問題一：為什么有的磁性材料天生就有磁性？問題二：為什么有的磁性材料必須通電以后才有磁性？材料學(xué)基礎(chǔ)軟磁材料磁性材料磁記錄材料硬磁材料一、軟磁材料指在磁場(chǎng)中被磁化后能夠顯示磁性，磁場(chǎng)撤除之后磁性基本消失的一類鐵磁物質(zhì)。通常軟磁材料的矯頑力Hc＜0.8kA/m材料學(xué)基礎(chǔ)1.軟磁材料性能的基本要求貯能高要求單位體積中貯存的磁能量要高，一般要求材料具有高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs或剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br。靈敏度高要求在很小的磁場(chǎng)強(qiáng)度下能獲得較高的起始磁導(dǎo)率i和最大磁導(dǎo)率m。這一要求對(duì)用于信息傳輸?shù)脑呛苤匾模驗(yàn)樗鼈円话阍谌醮艌?chǎng)下工作。效率高要求矯頑力Hc值低，電阻率高。較低的Hc和較高的有利于降低磁滯損耗和渦流損耗，其結(jié)果顯著降低了反復(fù)磁化的損耗?；鼐€矩形比高以保證噪音小，信號(hào)不失真等。穩(wěn)定性好要求磁性不隨外界條件的變化而改變，其變化率越小則穩(wěn)定性越好。

BrO-HcHc-BrBH圖3.1軟磁材料的磁滯回線Bs-Bs材料學(xué)基礎(chǔ)2.軟磁材料的種類電工用純鐵含碳量wc<0.04%的鐵碳合金，純度在99.5%以上。（1）磁性能i＝300～5000，m＝6000～120000，Hc＝0.0398～0.0955kA/m。（2）電性能電阻率很低：10×10－8·m，鐵損很大。（3）力學(xué)性能強(qiáng)度、硬度很低，塑性好：

b＝27kg/mm2，HB＝131

＝25%，＝60%

主要應(yīng)用：直流磁場(chǎng)下工作的磁性元件，如電磁鐵和繼電器的鐵芯。小提示：鐵損是指鐵磁材料在交變磁場(chǎng)中反復(fù)磁化所消耗的功率。材料學(xué)基礎(chǔ)電工用硅鋼片在純鐵中加入1.04.0%Si的鐵碳硅合金。因Si的加入，提高了電阻率，從而減少渦流損耗。

主要應(yīng)用：電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、變壓器的鐵芯。熱軋非織構(gòu)（無取向）硅鋼片電工用硅鋼片冷軋非織構(gòu)（無取向）硅鋼片冷軋高斯織構(gòu)（單取向）硅鋼片冷軋立方織構(gòu)（雙取向）硅鋼片材料學(xué)基礎(chǔ)鐵鎳合金（坡莫合金，Permalloy)含Ni3090%的鐵鎳合金。特點(diǎn)：在弱磁場(chǎng)中具有良好的磁性能

鐵鋁合金

特點(diǎn)：電阻率高、硬度高、耐磨性好等。材料學(xué)基礎(chǔ)二、硬磁材料（永磁材料、恒磁材料）指在磁場(chǎng)中被磁化后能夠顯示磁性，磁場(chǎng)撤除之后仍然保持較強(qiáng)磁性的一類鐵磁物質(zhì)。性能的基本要求最大磁能積大

以在給定的空間產(chǎn)生足夠大的磁場(chǎng)H。H主要取決于(BH)m

。

決定(BH)m大小的兩個(gè)因素：Hc和Br：

Hc和Br越大，(BH)m則越大。退磁曲線的形狀：即退磁曲線的凸起越厲害，(BH)m則越大。磁穩(wěn)定性好

要求磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)不隨時(shí)間、應(yīng)力、溫度、振動(dòng)、輻射及電磁場(chǎng)的變化而變化，或變化很小。

HBBr-HcO硬磁材料的退磁曲線材料學(xué)基礎(chǔ)1.硬磁材料的種類鋁鎳鈷永磁合金主要成份：Fe、Ni、Al；添加元素：Co、Cu、Ti磁性能特點(diǎn)：

(BH)m

＝40～70kj/m3，Br＝0.7～1.35T，Hc＝40～60kA/m。

典型牌號(hào)：AlNiCo5

主要應(yīng)用：電機(jī)器件（如發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、繼電器等）電子器件（如揚(yáng)聲器、電話機(jī)等）硬磁鐵氧體一般形式：MO?6Fe2O3

磁性能特點(diǎn)：

Bs較低，Hc高，Tc低（對(duì)溫度敏感）。主要應(yīng)用：取代鋁鎳鈷永磁合金制造電機(jī)器件（如發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、繼電器等）和電子器件（如揚(yáng)聲器、電話機(jī)等）材料學(xué)基礎(chǔ)稀土永磁材料主要成份：稀土元素與Fe、Co、Cu、Zn或B、C、N組成的金屬化合物。

磁性能特點(diǎn)：

極高的(BH)m

和Hc。第一代：RCo5型：金屬化合物的組成為1:5

如：SmCo5，(Sm,Pr)Co5等第二代：R2Co17型：金屬化合物的組成為2:17

如：Sm2Co17，Sm2(Co,Cu,Fe,Zr)17等第三代：Nd-Fe-B系

硬磁相：

Nd2Fe14B

不含Sm、Co等貴重元素，價(jià)格便宜。但Tc低，耐蝕性差。第四代：R-Fe-N系、R-Fe-C系主要應(yīng)用：電機(jī)、電聲器件。材料學(xué)基礎(chǔ)可加工的永磁合金特點(diǎn)：合金在淬火態(tài)具有良好的塑性變形能力，可加工成各種片材、棒材、絲材、管材等。1、－鐵基合金主要有：Fe-Co-Mo系、Fe-Co-W系、Fe-Co-W-Mo系一般用于電話機(jī)上。2、Fe-Mn-Ti系和Fe-Co-V系

可切削、彎曲、沖壓成形。一般用來制造指南針、儀表零件等。3、Cu基合金主要有：Cu-Ni-Fe系、Cu-Ni-Co系

一般用于轉(zhuǎn)速表指示器磁滯圓盤。4、Fe-Co-Cr永磁合金主要成份：27～28%Cr、23～26%Co等。

磁性能與AlNiCo5相當(dāng)。主要用于制造電話器、轉(zhuǎn)速表、揚(yáng)聲器、陀螺儀等。材料學(xué)基礎(chǔ)三、磁記錄材料磁記錄材料磁頭材料磁記錄介質(zhì)材料材料學(xué)基礎(chǔ)§7.2導(dǎo)電材料ElectricMaterials導(dǎo)電材料是指那些具有導(dǎo)電特性的物質(zhì)，它包括電阻材料、電熱與電光材料、導(dǎo)電與超導(dǎo)材料、半導(dǎo)體材料、介電材料、粒子導(dǎo)體和導(dǎo)電高分子材料等。材料學(xué)基礎(chǔ)一、導(dǎo)電及電阻材料

1.導(dǎo)電材料所謂導(dǎo)電材料，是指用以傳送電流而只有很小電能損失的材料，它包括電力工業(yè)用的電線、電纜等強(qiáng)電用的導(dǎo)電引線材料和電子工業(yè)中傳送弱電流的導(dǎo)體布線材料等。

2.電阻材料電阻材料是用來制作電子儀器、測(cè)量?jī)x表、加熱設(shè)備以及其它工業(yè)裝置中電阻元件的一種基礎(chǔ)材料，包括制作發(fā)熱體的電熱材料、繞制標(biāo)準(zhǔn)電阻器的精密電阻材料以及制作力敏、熱敏傳感器用的應(yīng)變電阻材料和熱敏電阻材料等。材料學(xué)基礎(chǔ)二、半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料的發(fā)展與器件緊密相關(guān)。

1.二極管發(fā)光二極管（LED）電子電流復(fù)合區(qū)光子當(dāng)電流沿圖示方向通過時(shí)，在pn結(jié)的附近，多余的載流子進(jìn)行復(fù)合并發(fā)光：p+n→光子。發(fā)光二極管的顏色取決于所用的材料，若是GaAs，則發(fā)紅光，若是GaP，則發(fā)綠光，與能級(jí)有關(guān)。材料學(xué)基礎(chǔ)整流二極管

由于pn結(jié)的單向?qū)щ娦?，可以選擇能隙較大的半導(dǎo)體二極管作為整流管，利用半導(dǎo)體二極管的單向?qū)щ娦?，將交流電變?yōu)橹绷麟姟?/p>

這種整流二極管可作為避雷裝置，當(dāng)日常使用時(shí)，電流小，二極管處于絕緣狀態(tài)，在有雷電轟擊時(shí)，由于其電壓很高，可以擊穿反向絕緣能隙，電流可以通到地上，起到避雷作用。材料學(xué)基礎(chǔ)2.三極管三極管的放大原理三極管特點(diǎn)：a)基區(qū)很薄，遠(yuǎn)小于發(fā)射區(qū)和集電區(qū)；b)基區(qū)摻雜濃度遠(yuǎn)小于發(fā)射區(qū)和集電區(qū)。多余的空穴多余的電子nnp材料學(xué)基礎(chǔ)輸出輸入發(fā)射區(qū)基區(qū)集電區(qū)EbEcnnp負(fù)載電阻npn發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)外部負(fù)載IexEcEb輸入發(fā)射極電流IeIe

=Ipe+IneIpe是基區(qū)注入發(fā)射區(qū)的空穴電流，Ine是發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的電流；所以兩者跟摻雜濃度和輸入電壓有關(guān)，是確定的。Ine=Irb

+IcIrb是基區(qū)中的復(fù)合電流；Ic是集電極電流Ie

=Ipe+Irb

+IcIb

=Ipe+IrbIb是基極電流由于基區(qū)很薄，所以Irb復(fù)合電流很小，即Ie≈Ic。

IcIbIe材料學(xué)基礎(chǔ)3.半導(dǎo)體陶瓷半導(dǎo)體陶瓷種類很多，主要用作各種傳感器。

PTC半導(dǎo)體陶瓷：

PTC熱敏半導(dǎo)體，是指一類具有正溫度系數(shù)的半導(dǎo)體陶瓷材料。以BaTiO3半導(dǎo)體陶瓷材料最具代表性，也是當(dāng)前研究得最成熟，適用范圍最寬的PTC半導(dǎo)體陶瓷材料。

107106105104103102101電阻率（Ω·cm）0

100200

溫度（℃）PTC陶瓷的電阻率隨溫度的變化關(guān)系aTc材料學(xué)基礎(chǔ)氧化物半導(dǎo)體氣敏陶瓷以SnO2和ZnSnO3為代表，其氣敏機(jī)理是：氧化性或還原性氣體吸附在氧化物陶瓷上時(shí)，會(huì)引起導(dǎo)電性能變化，通過測(cè)量這些變化，就可知道氣體的類型和濃度。

光敏陶瓷

光敏陶瓷也稱為光敏電阻，屬半導(dǎo)體型陶瓷。當(dāng)光照到這種陶瓷材料上時(shí)，在光子能量的作用下，材料的電導(dǎo)增加，即出現(xiàn)光電導(dǎo)效應(yīng)。可用來制造光電池，也稱為太陽能電池。光敏電阻一般用CdS、CdSe等原料制造。材料學(xué)基礎(chǔ)壓電陶瓷

1880年，P．居里和J.居里兄弟發(fā)現(xiàn)，當(dāng)對(duì)α石英晶體在某些特定的方向上加力時(shí)，在力方向的垂直平面上出現(xiàn)正、負(fù)束縛電荷，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。

＋－＋－常用的壓電材料有壓電晶體和壓電陶瓷兩種。壓電晶體主要有石英晶體、酒石酸鉀鈉等晶體材料。壓電陶瓷主要是鈦酸鋇和鈦酸鉛等。目前，壓電材料主要用作點(diǎn)火器、水聲能換器等。材料學(xué)基礎(chǔ)§7.3激光材料LaserMaterial激光器的三個(gè)基本組成部分材料學(xué)基礎(chǔ)a)YAG:Nd（Y3Al5O12）b)KTP（KTiOPO4）c)CLBO（CsLiB6O12）一些激光晶體材料學(xué)基礎(chǔ)紅寶石激光器的基本構(gòu)造能量E0E3E2E1非輻射躍遷受激輻射躍遷694.3nm紅寶石中鉻離子能級(jí)示意圖材料學(xué)基礎(chǔ)+++++-----反射鏡面（晶體劈開面）激光束激光束電極空穴流電子流活性區(qū)p區(qū)n區(qū)半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)熱池金屬激光束正向偏壓SiO2P摻雜GaAsP摻雜GaAlAsAlAsN摻雜GaAlAsN摻雜GaAs異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器金屬材料學(xué)基礎(chǔ)§7.4現(xiàn)代信息材料CommunicationalMaterial材料學(xué)基礎(chǔ)一、光纖材料

光纖材料是一種非常細(xì)的可彎曲的導(dǎo)光材料。單根光纖的直徑約為幾到幾十微米，結(jié)構(gòu)為由內(nèi)層材料（芯料）和包層材料組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)。再在最外面加一層塑料套管防磨損。

纖芯（高石英玻璃）包層（有損耗石英玻璃）a)二次被覆層（尼龍）緩沖層（硅樹脂）一次被覆層（變性硅）光纖b)光纖橫截面結(jié)構(gòu)示意圖a)光纖b)三層結(jié)構(gòu)芯線材料學(xué)基礎(chǔ)

1

c

2n1n2n1>n2光的全反射原理n1n2折射率n1>n2光在光學(xué)纖維中的傳輸路徑材料學(xué)基礎(chǔ)包層包層包層包層包層包層纖芯纖芯ABCABCA折射率分布折射率分布折射率分布a)n2n1n2n1n2n1b)c)光纖的種類和光的傳播a)階躍型多模光纖（SI光纖）b)梯度型多模光纖（GI光纖）c)單模光纖（SM光纖）材料學(xué)基礎(chǔ)四、信息顯示材料

信息顯示材料是把人們看不到的電學(xué)信息轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姷墓鈱W(xué)信號(hào)的一種光功能材料。信息顯示可分為主動(dòng)顯示和被動(dòng)顯示兩種，在主動(dòng)顯示中，像元本身就是光源，可以發(fā)射反映信號(hào)特點(diǎn)的光，這種顯示方式白天黑夜都能使用；在被動(dòng)顯示中像元只能靠環(huán)境光的照射而顯示出來，這種顯示方式只能在白天或有照明的地方使用。

信息顯示材料主要有兩類：一是主動(dòng)顯示用的發(fā)光材料，如陰極射線發(fā)光材料和場(chǎng)致發(fā)光材料等；二是被動(dòng)式顯示用的材料，如液晶、電著色材料和電泳材料等。材料學(xué)基礎(chǔ)1．主動(dòng)式顯示發(fā)光材料這類材料主要有陰極射線發(fā)光材料和場(chǎng)致發(fā)光材料兩種。陰極射線發(fā)光材料目前，最常用的陰極射線發(fā)光材料是CRT熒光材料，它一般是在合適的基質(zhì)材料中有