金屬功能材料課件

金屬功能材料金屬功能材料無機(jī)非金屬功能材料高分子功能材料復(fù)合功能材料特殊功能材料電性材料磁性材料超導(dǎo)材料膨脹材料及彈性材料……電介質(zhì)材料功能陶瓷功能玻璃材料半導(dǎo)體材料……光功能高分子材料電功能高分子材料化學(xué)功能高分子材料……磁性復(fù)合材料電性復(fù)合材料梯度復(fù)合材料隱身復(fù)合材料其他功能復(fù)合材料非晶態(tài)合金納米材料儲(chǔ)氫材料形狀記憶材料智能材料能源材料生物醫(yī)學(xué)材料……傳統(tǒng)功能金屬材料：電性，磁性，彈性等新發(fā)展起來的功能材料：非晶合金，儲(chǔ)氫合金，形狀記憶合金，超塑性……電性材料磁性材料超導(dǎo)材料膨脹材料及彈性材料金屬的電導(dǎo)理論固體中的電子金屬中的電子輸運(yùn)霍爾效應(yīng)金屬的熱電性塞貝克效應(yīng)三種熱電效應(yīng)：塞貝克（Seebeck）效應(yīng)珀耳貼(Peltier)效應(yīng)湯姆遜(Thomson)效應(yīng)——制作熱電偶珀耳貼效應(yīng)湯姆遜效應(yīng)兩種不同金屬或半導(dǎo)體接頭處，當(dāng)電流沿某個(gè)方向通過時(shí)放出熱量，而電流反向時(shí)則吸收熱量。

一金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體中維持溫度梯度，當(dāng)電流沿某方向通過時(shí)放出熱量，而電流反向時(shí)則吸收熱量。——制作熱電轉(zhuǎn)換器或加熱（制冷）器一些電性材料導(dǎo)電材料電阻材料電熱材料熱電材料二.磁性材料

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

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)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(chǔ)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。磁學(xué)基礎(chǔ)－物質(zhì)的磁性物質(zhì)磁性具有普遍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＝Σ物質(zhì)表現(xiàn)何種磁性原子磁矩間相互作用外加磁場(chǎng)的作用順磁性起因于原子或分子磁矩，在外加磁場(chǎng)作用下趨于沿外場(chǎng)方向排列，使磁質(zhì)沿外場(chǎng)方向產(chǎn)生一定強(qiáng)度的附加磁場(chǎng)。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?？勾判允怯捎谕獯艌?chǎng)作用下，原子內(nèi)的電子軌道繞場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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。

HmmDmkkDkDkDm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(chǎng)是否大于其順磁場(chǎng)物質(zhì)內(nèi)部原子磁矩的排列a:順磁性b:鐵磁性c:反鐵磁性d:亞鐵磁性

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(duì)零度時(shí))磁疇結(jié)構(gòu)包括磁疇和疇壁兩部分。磁疇的體積為10-1～10-6cm3。疇壁是指磁疇交界處原子磁矩方向逐漸轉(zhuǎn)變的過渡層。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。布洛赫奈爾壁磁化過程：磁性材料在外磁場(chǎng)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)。磁疇移動(dòng)與磁化過程受外磁場(chǎng)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(chǎng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。外場(chǎng)愈強(qiáng)，材料的磁各向異性愈弱，則磁矩就愈偏向外場(chǎng)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(chǎng)，不受這一磁場(chǎng)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)。疇壁的移動(dòng)

磁疇的轉(zhuǎn)動(dòng)

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。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0.5～4.8%Si。1903年開始投入實(shí)際生產(chǎn)，用量極大。主要用于制造大電流、頻率50～400Hz的中、強(qiáng)磁場(chǎng)條件下的電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、變壓器等；中、弱磁場(chǎng)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；隨Ni含量的增加，F(xiàn)e-Ni合金的m增加、Bs下降。當(dāng)Ni量接近80%時(shí)，F(xiàn)e-Ni合金的K1和λ同時(shí)變?yōu)榱?，能獲得高的磁導(dǎo)率。含w(Ni)35～80%的Fe-Ni合金稱為坡莫合金。根據(jù)Ni含量對(duì)合金磁性能的影響，F(xiàn)e-Ni合金分為高導(dǎo)磁、恒導(dǎo)磁率、中磁飽和中磁導(dǎo)率材料等。（四）Fe-Ni合金(坡莫合金，Permalloy)磁記錄材料（一）磁記錄介質(zhì)材料要求:材料具有高的剩余磁化強(qiáng)度、陡的B-H曲線、大的B/H值、微細(xì)的粒子尺寸、粒子磁性的一致性及合適的矯頑力值。用途：磁帶，磁盤等記錄方式：縱向記錄；垂直記錄記錄介質(zhì)材料：磁性顆粒（如-Fe2O3）涂覆在高分子基片上發(fā)展到磁性薄膜記錄介質(zhì)主要磁頭材料：高鎳含量的鐵鎳基耐磨高導(dǎo)磁合金、鐵硅鋁合金和高導(dǎo)磁鐵氧體材料。（二）磁頭材料用途：從磁記錄介質(zhì)中讀出信號(hào)用途：高磁導(dǎo)率、低矯頑力和高電阻率之外，還要求高的耐磨性和低應(yīng)力敏感性。（三）磁流體在連動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械中，為了控制機(jī)械部件的相互連接，通常使用磁性離合器。磁流體是將羰基鐵或四氧化三鐵磁性粉末分散在礦物油或硅油中的一種材料。當(dāng)加上磁場(chǎng)時(shí)，使磁性粉末磁力線方向上連續(xù)排列起來，使表觀粘度增高，從而實(shí)現(xiàn)百分之百的連接。不加磁場(chǎng)時(shí)磁流體材料的粘度應(yīng)很小，加上磁場(chǎng)時(shí)其粘度應(yīng)明顯提高；取消磁場(chǎng)時(shí)其剩磁要低、恢復(fù)到低粘性的初始狀態(tài)。磁流體中磁粉與機(jī)油的比例一般為4:1，與硅油的比例為8:1。永磁材料主要用途：提供永磁場(chǎng)主要種類：鋁鎳鈷系永磁合金、永磁鐵氧體、鐵鉻鈷系永磁合金、稀土永磁材料和復(fù)合粘結(jié)永磁材料。主要性能要求：高的磁能積，高的轎頑力，高的居里點(diǎn)，高穩(wěn)定性，好的經(jīng)濟(jì)性。（一）鋁鎳鈷系合金

成分特點(diǎn)：Fe、Ni、Al等元素為主要成分，并加入Cu、Co和Ti等元素進(jìn)一步提高合金性能。包括鋁鎳型、鋁鎳鈷型和鋁鎳鈷鈦型三種。其中又有各向同性合金、磁場(chǎng)取向合金和定向結(jié)晶合金。制備方法：鑄造磁鋼與燒結(jié)磁鋼，鑄造鋁鎳鈷合金具有生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單和產(chǎn)品性能高等特點(diǎn)。絕大部分鋁鎳鈷合金都采用鑄造法生產(chǎn)。

性能特點(diǎn)：高剩磁與低溫度系數(shù)，最大磁能積僅低于稀土永磁。

Tc：757～907℃、(BH)max約為16～72kJ/m3,

Br：0.78～1.30T,HCB：52～112kA/m。主要永磁材料（二）

永磁鐵氧體主要種類：鋇鐵氧體(BaO·6Fe2O3)和鍶鐵氧體(SrO·6Fe2O3)。晶體結(jié)構(gòu)均屬六角晶系。制備方法：以Fe2O3、BaCO3和SrCO3為原料，經(jīng)混合、預(yù)燒、球磨、壓制成型、燒結(jié)制成。根據(jù)成型過程中加磁場(chǎng)與否，燒結(jié)鐵氧體材料可制成各向同性磁體和各向異性磁體。各向異性磁體是在壓制成型過程中加上強(qiáng)磁場(chǎng)，使鐵氧體的單疇粒子在磁場(chǎng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，得到易磁化軸與磁場(chǎng)方向一致的強(qiáng)各向異性磁體。此類材料具有高的磁晶各向異性常數(shù)。（三）鐵鉻鈷系合金成分特點(diǎn)：以鐵、鉻（23.5～27.5%）、鈷（11.5～21.0%）為主；加入適量硅、鉬、鈦。此類合金可以通過成分調(diào)節(jié)將其低的單軸各向異性常數(shù)提高到鋁鎳鈷合金的水平。制備方法：定向凝固+磁場(chǎng)處理(結(jié)晶與磁雙重織構(gòu))，以及塑性變形與適當(dāng)熱處理的方法(形變時(shí)效)顯著提高合金性能。性能特點(diǎn)：高剩磁Br1.53T，Hc66.5KA/m，(BH)max76kJ/m3。

二十世紀(jì)八十年代稱為第三代稀土永磁材料。

稀土永磁合金Re-Co永磁稀土Co永磁鐵基稀土永磁型Nd2Fe14B合金為代表的Re-Fe-B系永磁材料1:5型Re-Co磁體SmCo5單相與多相合金第一代稀土永磁；二十世紀(jì)六十年代2:17型Re-Co磁體Sm2Co17基合金二十世紀(jì)七十年代;第二代稀土永磁三.超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料的基本性質(zhì)兩類超導(dǎo)體的基本特征超導(dǎo)隧道效應(yīng)超導(dǎo)材料的發(fā)展超導(dǎo)材料的基本性質(zhì)零電阻效應(yīng)邁斯納（Meissner）效應(yīng)兩類超導(dǎo)體第一類超導(dǎo)體第二類超導(dǎo)體只有一個(gè)臨界磁場(chǎng)，有兩個(gè)臨界磁場(chǎng)：下臨界磁場(chǎng)Hc1和上臨界磁場(chǎng)Hc2超導(dǎo)隧道效應(yīng)正常電子隧道效應(yīng)約瑟夫森子隧道電流效應(yīng)超導(dǎo)材料的發(fā)展自1911年Onnes發(fā)現(xiàn)Hg，現(xiàn)已有5000種。

從一元二元三元，以至多元。1901—1932年：元素超導(dǎo)體，Pb、Sn、In、Ta、Nb、Ti等。1932—1953年：合金、過渡金屬碳化物和氮化物。1953—1973年：A15型(-鎢結(jié)構(gòu)，原子間距比一般晶體要小，態(tài)密度高等)，Tc>17K的V3Si、Nb3Sn，Laves型ZrV2、ZrRe2等，70年代初Nb3(Al0.75Ge0.25)，Nb7Ga、NbGe等，最高Tc=23.2K。氧化物：1964年Schooley第一個(gè)氧化物SrTiO3(0.4K),BaPb1-xBixO3(鈣鈦礦)、Li1+xTi2-xO41978年：Bednorz和Binning，SrTiO3摻Nb，Tc約1.2K。1986年：Müller,Ba-La-Cu-O，Tc約35K1987年：哈沃（Raveau）發(fā)現(xiàn)BiSrCuO，Tc=7~22K；1988年：日本前田（Maeda）La-Sr-Cu-O摻Ca，80K，110K。1988年:美Arkansas&Hermann，Tl-Ba-Ca-Cu-O,Tc=125K1993年:Schilling&Putilin,Hg–Ba-Ca-Cu-O,Tc約135K有機(jī)超導(dǎo)：1980年Jerome,(TMTSF)2PF6高壓

Tc=0.9K1987年(BEDT-TTF)2Cu(SCN)2

Tc=7.8K1990年C60超導(dǎo)材料常規(guī)超導(dǎo)材料：超導(dǎo)元素：近50種合金及化合物超導(dǎo)體：幾千種高溫超導(dǎo)體