《功能材料》全冊(cè)完整教學(xué)課件

《功能材料》全冊(cè)完整教學(xué)課件功能材料

第一章概述主要內(nèi)容1、引言2、功能材料的發(fā)展3、功能材料的概念及分類4、《功能材料》的課程安排1、引言材料：人類社會(huì)的物質(zhì)基礎(chǔ)和進(jìn)步的里程碑。三大材料金屬、陶瓷、高分子并存時(shí)代：20世紀(jì)后半期高技術(shù)新材料時(shí)代：20世紀(jì)80年代

石器時(shí)代：—公元前2000年青銅器時(shí)代：公元前2000年－公元400年鐵器時(shí)代：公元400年—20世紀(jì)前半期1、引言石器鐵器青銅器(越王勾踐劍)工業(yè)經(jīng)濟(jì)時(shí)代是結(jié)構(gòu)材料占主導(dǎo)地位的時(shí)期工業(yè)經(jīng)濟(jì)—

工業(yè)革命機(jī)械、動(dòng)力機(jī)器力學(xué)性能（機(jī)械性能）結(jié)構(gòu)材料鋼鐵能力曾經(jīng)的國(guó)力的標(biāo)志結(jié)構(gòu)材料－曾經(jīng)是材料科學(xué)與工程的主要研究對(duì)象1、引言鋼鐵1、引言以鋼鐵為代表的結(jié)構(gòu)材料是國(guó)家實(shí)力的體現(xiàn)1、引言埃菲爾鐵塔，1889年建成，高324米，用去鋼鐵7000噸。鳥(niǎo)巢—北京奧運(yùn)會(huì)主會(huì)場(chǎng)，2008年建成，長(zhǎng)軸為332.3米，短軸為296.4米，用鋼42000噸。1、引言金屬、無(wú)機(jī)非金屬（陶瓷）、高分子三大材料并存陶瓷材料產(chǎn)品高分子材料產(chǎn)品材料：天然材料人工材料環(huán)境協(xié)調(diào)材料人類對(duì)材料的利用需求：簡(jiǎn)單生存舒適人與自然協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)：農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)工業(yè)經(jīng)濟(jì)知識(shí)經(jīng)濟(jì)鉆木取火1、引言太陽(yáng)能電池板環(huán)保型住宅1、引言功能材料—

現(xiàn)代社會(huì)中起主導(dǎo)作用的材料標(biāo)志—

功能材料是信息技術(shù)、生物技術(shù)、可再生能源技術(shù)、空間技術(shù)等現(xiàn)代社會(huì)支柱產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)例：信息－計(jì)算機(jī)－相關(guān)的材料可再生能源－太陽(yáng)能－相關(guān)的材料1、引言筆記本電腦：顯示材料-液晶存儲(chǔ)材料-磁頭、磁記錄能源材料-鋰電池硬盤(pán)結(jié)構(gòu)1、引言鋰電池太陽(yáng)能電池：光電轉(zhuǎn)換材料低發(fā)射玻璃電極材料1、引言人造衛(wèi)星：光電轉(zhuǎn)換材料；熱電材料；傳感材料；輻射屏蔽材料1、引言“玉兔”號(hào)月球車(chē)1、引言“玉兔”號(hào)月球車(chē)2013年12月2日：中國(guó)西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射嫦娥三號(hào)探測(cè)器：著陸器和“玉兔號(hào)”月球車(chē)（巡視器）；2013年12月15日：嫦娥三號(hào)著陸器與巡視器分離，“玉兔號(hào)”巡視器順利駛抵月球表面。月球環(huán)境：白晝150℃，黑夜-180℃；月塵；隕石（坑）。能源：太陽(yáng)能電池、鋰電池、同位素?zé)嵩创钶d：測(cè)月雷達(dá)、全景相機(jī)、粒子激發(fā)X射線譜儀、紅外成像光譜歷史資料世界上第一臺(tái)無(wú)人駕駛月球車(chē)1970年11月17日前蘇聯(lián)月球17號(hào)/月球車(chē)1號(hào)。世界首臺(tái)有人駕駛月球車(chē)1971年7月31日，美國(guó)“阿波羅15號(hào)”，斯科特和歐文駕駛月球車(chē)。1、引言2004年1月3日“勇氣號(hào)”火星探測(cè)車(chē)登陸。設(shè)計(jì)壽命3個(gè)月，采用太陽(yáng)能電池供電。2009年4月停下腳步成為靜止平臺(tái)，后失去聯(lián)系…2012年8月6日新一代火星車(chē)“好奇號(hào)”登陸，設(shè)計(jì)壽命2年。采用核電池（同位素?zé)犭姲l(fā)生器）供電。2013年2月27日發(fā)生故障，進(jìn)入安全模式…結(jié)構(gòu)材料與功能材料的比較與關(guān)系結(jié)構(gòu)材料功能材料傳統(tǒng)材料產(chǎn)量大附加值低技術(shù)較成熟勞動(dòng)密集轉(zhuǎn)移出發(fā)達(dá)國(guó)家新材料品種多附加值高技術(shù)發(fā)展快技術(shù)密集集中在發(fā)達(dá)國(guó)家共同構(gòu)成現(xiàn)代社會(huì)的物質(zhì)基礎(chǔ)－多樣性的必然結(jié)構(gòu)材料和功能材料可能轉(zhuǎn)換－性能的多樣性結(jié)構(gòu)材料和功能材料緊密結(jié)合－技術(shù)的集成性1、引言功能材料與結(jié)構(gòu)材料相互關(guān)聯(lián)1、引言Fe:既鋼鐵材料的主要成分，也是磁性材料的主要成分Cu基形狀記憶合金：由Cu合金發(fā)展而來(lái)智能材料：結(jié)構(gòu)材料與功能材料的復(fù)合2、功能材料的發(fā)展初期階段：－－第二次世界大戰(zhàn)以前中期階段：二戰(zhàn)前－20世紀(jì)60年代以前現(xiàn)代階段：20世紀(jì)60年代－2、功能材料的發(fā)展磁現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)：天然磁石（司南、公元前二世紀(jì)）、地球磁場(chǎng)等電的發(fā)現(xiàn)：18世紀(jì)末（富蘭克林、庫(kù)侖）Vota電池（1800年）電磁現(xiàn)象和理論：磁針被電流偏轉(zhuǎn)（奧斯特1820年）；歐姆定律（1826年）；電磁感應(yīng)（法拉第電機(jī)1833年）；法拉第提出“電介質(zhì)”和場(chǎng)的概念；麥克斯韋方程（1855年）。電工材料：導(dǎo)電材料、磁性材料光學(xué)材料：光學(xué)玻璃2、功能材料的發(fā)展－初期階段1752－風(fēng)箏雷電理論方面：20世紀(jì)初期物理學(xué)的發(fā)展—量子力學(xué)、能帶理論、半導(dǎo)體理論等2、功能材料的發(fā)展－初期階段技術(shù)方面：一次和二次世界大戰(zhàn)的軍事需求—聲納技術(shù)、雷達(dá)技術(shù)、無(wú)線電技術(shù)、原子能技術(shù)材料設(shè)計(jì)概念的更新－環(huán)境友好材料、仿生材料、智能材料2、功能材料的發(fā)展－初期階段60年代半導(dǎo)體技術(shù)的興起－信息技術(shù)與產(chǎn)業(yè)始于60年代的空間竟賽－傳感器、特殊能源、信號(hào)記錄70年代爆發(fā)的能源危機(jī)－各種新能源材料現(xiàn)代醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展－生物醫(yī)學(xué)材料基礎(chǔ)理論的突破－超導(dǎo)、納米材料、納米碳管推動(dòng)功能材料發(fā)展的主要?jiǎng)恿?、功能材料的發(fā)展－主要?jiǎng)恿Γ?）新的科學(xué)理論和現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)（2）新的材料制備技術(shù)的出現(xiàn)（3）新的工程和技術(shù)要求。2、功能材料的發(fā)展－主要?jiǎng)恿樱焊邷爻瑢?dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和高溫材料的發(fā)展，使超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)面臨一場(chǎng)革命。新科學(xué)理論和現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)的推動(dòng)例子：快速凝固技術(shù)20世紀(jì)50年代發(fā)展了快速凝固技術(shù)，制備出非晶態(tài)合金。其后的研究發(fā)現(xiàn)非晶態(tài)鐵基合金具有優(yōu)異的軟磁性能，從而導(dǎo)致了非晶軟磁合金的發(fā)展與應(yīng)用。90年代初又用該技術(shù)發(fā)展出非晶/納米晶復(fù)合軟磁合金單錕快淬甩帶裝置2、功能材料的發(fā)展－主要?jiǎng)恿Σ牧闲轮苽浼夹g(shù)的推動(dòng)先進(jìn)軍事科技的需求

—

隱身材料能源與環(huán)保的要求—

太陽(yáng)能材料對(duì)材料兩面要求不同的性能—

梯度材料2、功能材料的發(fā)展－主要?jiǎng)恿π碌墓こ毯图夹g(shù)要求的推動(dòng)隨著新材料的不斷出現(xiàn)，性能的日益提高，材料的種類十分繁多，它所涉及的領(lǐng)域也十分寬廣。通常按材料組成物質(zhì)的屬性特點(diǎn)將材料劃分如下：金屬材料——

金屬鍵結(jié)合無(wú)機(jī)非金屬材料——

離子鍵結(jié)合高分子材料

——

共價(jià)鍵結(jié)合復(fù)合材料——

以上三類材料中兩種或三種復(fù)合3、功能材料的概念及分類通常是指利用材料的物理、化學(xué)和生物學(xué)等性能制造具有電、磁、光、聲、熱、生物等功能器件的材料。結(jié)構(gòu)材料功能材料按用途將材料分為兩大類通常是指利用其力學(xué)性能制造機(jī)器和工程結(jié)構(gòu)中構(gòu)件的材料。磁性材料光學(xué)材料電子材料儲(chǔ)能材料……橋梁鋼工具鋼結(jié)構(gòu)鋼建筑材料……3、功能材料的概念及分類功能材料的定義

——“具有優(yōu)良的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、力學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)等功能及其相互轉(zhuǎn)換的功能，被用于非結(jié)構(gòu)目的之高技術(shù)材料”（引自《功能材料與應(yīng)用手冊(cè)》

功能材料的提出

——1965年、美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的J.A.Morton博士3、功能材料的概念及分類功能材料現(xiàn)象和機(jī)制熱—力雙金屬片熱脹冷縮形狀記憶合金形狀記憶效應(yīng)光—力光敏凝膠光致溶漲電—力電致伸縮材料電致伸縮效應(yīng)壓電材料逆壓電效應(yīng)電流變體電場(chǎng)極化流體粒子電活性凝膠電場(chǎng)遷移離子磁—力磁致伸縮材料磁致伸縮效應(yīng)磁驅(qū)動(dòng)記憶合金磁致變體重排或相變化學(xué)—力智能高分子凝膠化學(xué)信號(hào)刺激收縮或溶漲部分具備功能轉(zhuǎn)換和傳遞的材料3、功能材料的概念及分類材料的信息感知與功能傳遞符號(hào)3、功能材料的概念及分類性能：以材料的電、磁、聲、光等物理、化學(xué)和生物學(xué)特性為主；用途：常制成元器件，材料與器件一體化；評(píng)價(jià)：器件的功能常直接體現(xiàn)出材料的優(yōu)劣；制造：知識(shí)密集、多學(xué)科交叉、技術(shù)含量高的產(chǎn)品。具有品種多、批量小、更新?lián)Q代快；微觀結(jié)構(gòu)：常有超純、超低缺陷密度、結(jié)構(gòu)高度精細(xì)等特點(diǎn)。

3、功能材料的概念及分類3、功能材料的概念及分類離子鍍電子束蒸發(fā)沉積離子注入激光蒸發(fā)沉積分子束外延快速凝固機(jī)械合金化單晶生長(zhǎng)極限條件（高溫、高壓、失重）功能材料微觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：超純超低缺陷密度微觀結(jié)構(gòu)高度精細(xì)（如超晶格、納米多層膜、量子點(diǎn)等）亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)先進(jìn)制備技術(shù)例：機(jī)械合金化球磨機(jī)械合金化過(guò)程Cu-Zn合金納米鐵粉3、功能材料的概念及分類Bridgman方法制備單晶3、功能材料的概念及分類大尺寸光學(xué)晶體激光蒸發(fā)薄膜制備方法3、功能材料的概念及分類功能材料有多種分類方法可按材料的物質(zhì)屬性分類可按材料的功能特點(diǎn)分類可按材料的應(yīng)用領(lǐng)域分類3、功能材料的概念及分類基于材料的物質(zhì)屬性金屬功能材料無(wú)機(jī)非金屬功能材料高分子功能材料復(fù)合功能材料形狀記憶合金儲(chǔ)氫合金壓電陶瓷電子陶瓷醫(yī)用高分子材料導(dǎo)電高分子復(fù)合減振材料儲(chǔ)氫合金3、功能材料的概念及分類新型壓電陶瓷在信息領(lǐng)域的應(yīng)用形狀記憶合金應(yīng)用于機(jī)器手基于材料的功能特點(diǎn)磁學(xué)功能材料電學(xué)功能材料光學(xué)功能材料聲學(xué)功能材料熱學(xué)功能材料力學(xué)功能材料生物醫(yī)學(xué)功能材料磁記錄材料磁頭材料鐵芯材料導(dǎo)線材料電阻材料介電材料線性（非線性）光學(xué)晶體激光器晶體顯示材料發(fā)聲材料聲探測(cè)材料聲阻尼材料…….3、功能材料的概念及分類基于材料的應(yīng)用領(lǐng)域儀器儀表材料傳感器材料電子材料電訊材料儲(chǔ)能材料形狀記憶材料…….3、功能材料的概念及分類課程安排

《金屬功能材料》主要章節(jié)目錄概述：磁性材料彈性與膨脹合金形狀記憶材料生物醫(yī)用材料學(xué)時(shí)數(shù)：48導(dǎo)電與超導(dǎo)材料電介質(zhì)材料半導(dǎo)體材料能源材料納米結(jié)構(gòu)功能材料參考文獻(xiàn)：《功能材料學(xué)概論》，馬如璋等，冶金工業(yè)出版社，2006《功能材料導(dǎo)論》，何開(kāi)元，冶金工業(yè)出版社，2000《功能材料學(xué)》，周馨我，北京理工大學(xué)出版社，2002功能材料謝謝！功能材料李巖北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2014年春季學(xué)期第二章磁性材料

（一）軟磁材料主要內(nèi)容一、磁學(xué)基本概念和磁性材料分類二、軟磁合金電工純鐵及鐵硅合金鎳鐵合金及鐵鋁、鐵鈷合金鐵氧體軟磁合金一、磁學(xué)基本概念和磁性材料分類一、基本概念－磁場(chǎng)地球磁場(chǎng)：地理南北極與南北磁極不重合(1)磁場(chǎng)

磁場(chǎng)可由永磁體產(chǎn)生，也可由通過(guò)電流的導(dǎo)線產(chǎn)生。磁場(chǎng)的大小可依據(jù)通電流的線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)標(biāo)定：對(duì)于一個(gè)直徑為D的單匝環(huán)行線圈，當(dāng)通以電流i時(shí)，在其中心點(diǎn)處的磁場(chǎng)為H=i/D式中各量的單位：i為A，D為m，H為A/m。一、基本概念－磁場(chǎng)磁性是物質(zhì)的基本屬性，就像物質(zhì)具有質(zhì)量和電性一樣。一切物質(zhì)都具有磁性。一、基本概念－磁場(chǎng)螺線管磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)磁鐵磁場(chǎng)分布一、基本概念－磁場(chǎng)太陽(yáng)表面不同磁極間的絲狀等離子體太陽(yáng)表面磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)美國(guó)宇航局2007年3月21日發(fā)布的“太陽(yáng)-B”觀測(cè)衛(wèi)星拍下的高質(zhì)量太陽(yáng)圖片細(xì)菌細(xì)胞中的磁力線Co粒子中的磁力線一、基本概念－磁力線一、基本概念—磁化與磁矩磁化：如果一種物質(zhì)靠近永磁體的磁極時(shí)，與永磁體靠近的物質(zhì)一端出現(xiàn)了永磁體相反的磁極，從而產(chǎn)生吸引作用，即為磁化。磁矩：物質(zhì)由于磁化形成了成對(duì)的N-S磁極，由成對(duì)的N-S磁極構(gòu)成的磁學(xué)量稱為磁矩。物質(zhì)中出現(xiàn)磁矩是所有磁現(xiàn)象的根源，是磁相互作用的基本條件。原子內(nèi)的電子作循軌運(yùn)動(dòng)和自旋運(yùn)動(dòng)，必然產(chǎn)生磁矩。前者稱為軌道磁矩，后者稱為自旋磁矩。電子的軌道磁矩Pl=電子的自旋磁矩Ps=e：?jiǎn)挝浑姾?；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)。磁性的起源：一、基本概念－磁性原子磁矩來(lái)源于未填滿殼層中的那些電子1、在填滿電子的殼層中，各個(gè)電子的軌道運(yùn)動(dòng)分別占了所有可能的方向，其合成總角動(dòng)量L＝0，所以總軌道磁矩為零。2、在填滿電子的殼層中，電子自旋角動(dòng)量互相抵消，即S＝0，總自旋磁矩也為零。原子核的自旋磁矩比電子磁矩小三個(gè)數(shù)量級(jí)，一般情況下可忽略不計(jì)。一、基本概念－磁矩(2)磁化強(qiáng)度：所有物質(zhì)放在磁場(chǎng)中時(shí)，都會(huì)發(fā)生磁化。一個(gè)宏觀磁體可看作是有很多微觀小磁矩（Mm）組成。當(dāng)其中各個(gè)小磁矩作平行排列時(shí)，磁體的磁化強(qiáng)度最高，當(dāng)它們完全紊亂排練時(shí)，其磁化強(qiáng)度為零。因此磁化強(qiáng)度定義為單位體積中微觀磁矩的向量和，通常用M表示：式中M的單位A/m。

也可用單位質(zhì)量物質(zhì)中磁矩的向量和來(lái)表示磁化強(qiáng)度，稱為比磁化強(qiáng)度，通常用σ表示

:式中

d

——

物質(zhì)的密度。

σ的單位為Am2/kg一、基本概念－磁化強(qiáng)度一、基本概念－磁化強(qiáng)度根據(jù)物質(zhì)磁化后的磁化強(qiáng)度方向和大小不同，可將物質(zhì)的磁性分為幾類：強(qiáng)磁性：鐵磁性（發(fā)生強(qiáng)烈吸引）亞鐵磁性（弱磁場(chǎng)下發(fā)生輕微吸引，強(qiáng)磁場(chǎng)下變成鐵磁體）弱磁性：順磁性（發(fā)生輕微吸引）反鐵磁性（發(fā)生輕微吸引）抗磁性：反磁性體（發(fā)生輕微排斥）完全反磁性（發(fā)生強(qiáng)烈排斥）(3)磁感應(yīng)強(qiáng)度

磁感應(yīng)強(qiáng)度B也稱磁通密度，是磁體內(nèi)單位面積中通過(guò)的磁力線數(shù)，單位為T(mén)。B、H和

M

存在下列關(guān)系：

材料在外磁場(chǎng)下磁化到飽和時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度稱為飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，以Bs表示。一、基本概念－磁感應(yīng)強(qiáng)度(4)磁導(dǎo)率和磁化率在真空中磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁場(chǎng)強(qiáng)度H間的關(guān)系為：

B0=μ0H

在磁性材料中:

B=μ0(H+M） 磁導(dǎo)率定義為磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度之比

μ=B/H

μ0

:真空磁導(dǎo)率，等于

μ:絕對(duì)磁導(dǎo)率，單位為H/m，μr:相對(duì)磁導(dǎo)率μr=μ/μ0磁化率定義為磁化強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度之比：χ=M/H一、基本概念－磁導(dǎo)率和磁化率相對(duì)磁導(dǎo)率的意義：有、無(wú)磁介質(zhì)的螺旋管內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度的比值，可表征材料在磁場(chǎng)中的性質(zhì)。B0Bμr＝1+χ一、基本概念－磁導(dǎo)率順磁性抗磁性鐵磁性根據(jù)磁導(dǎo)率對(duì)物質(zhì)磁性的分類：如鉬、鋁、鎢、鉑、鉻等。如氮、水、銅、銀、金、鉍等。如鐵、鈷、鎳、一些稀土元素等χ>0(10-3~10-6)B>B0χ<0(10-5~10-6)B<B0χ?

0(1~104)B?

B0一、基本概念－磁性分類抗磁性：原子的電子殼層都是填滿的，原子磁矩為零，或者雖原子磁矩不為零，但由原子組成的分子的總磁矩為零未加磁場(chǎng)，宏觀不現(xiàn)磁性加外磁場(chǎng)，在外磁場(chǎng)作用下介質(zhì)中的電子產(chǎn)生感應(yīng)磁矩，感應(yīng)磁矩產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)方向與外磁場(chǎng)方向相反，故削弱了外磁場(chǎng)

H一、基本概念－抗磁性順磁性：具有未填滿的電子殼層，所以有電子磁矩，但磁矩之間的相互作用很微弱。在未加外磁場(chǎng)時(shí)，由于各個(gè)電子磁矩的方向是完全混亂的，彼此抵消，宏觀上不產(chǎn)生磁效應(yīng)。加上外磁場(chǎng)后，電子磁矩將不同程度地沿著外磁場(chǎng)方向排列起來(lái)，在宏觀上呈現(xiàn)出附加磁場(chǎng)，附加磁場(chǎng)與外磁場(chǎng)有相同方向

H一、基本概念－順磁性物質(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))。一、基本概念－磁性與磁矩順磁性：有外磁場(chǎng)作用時(shí)出現(xiàn)宏觀磁性,不具有自發(fā)磁化的性質(zhì).鐵磁性：在其相鄰原子間,存在強(qiáng)的交換作用,致使分子磁矩平行排列,因此沒(méi)有外磁場(chǎng)作用時(shí)出現(xiàn)宏觀磁性,這稱為自發(fā)磁化,其強(qiáng)度稱為自發(fā)磁化強(qiáng)度.鐵磁體中這些自發(fā)磁化的區(qū)域，叫做“磁疇”。鐵磁性主要來(lái)源于電子的自旋磁矩。

一、基本概念－鐵磁性(1)在外磁場(chǎng)的作用下能產(chǎn)生很強(qiáng)的附加磁場(chǎng)。(2)外磁場(chǎng)停止作用后，仍能保持其磁化狀態(tài)。鐵磁性特點(diǎn)：(3)相對(duì)磁導(dǎo)率和磁化率不是常數(shù)，而是隨外磁場(chǎng)的變化而變化；具有磁滯現(xiàn)象—B和H之間不具有簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。(4)具有臨界溫度（居里溫度或居里點(diǎn)Tc）。在Tc以上，鐵磁性完全消失而成為順磁性，一、基本概念－鐵磁性特點(diǎn)熱運(yùn)動(dòng)對(duì)于交換作用起破壞作用,使分子磁矩平行排列發(fā)生明顯變化,致使鐵磁質(zhì)的自發(fā)磁化減弱.當(dāng)溫度達(dá)到某一臨界溫度時(shí),交換作用將會(huì)瓦解,自發(fā)磁化強(qiáng)度將消失，鐵磁性轉(zhuǎn)化為順磁性.這個(gè)臨界溫度稱為居里溫度（Tc）或居里點(diǎn)。鐵的居里溫度:770℃鐵硅合金的居里溫度:690℃Tcχ一、基本概念－鐵磁性特點(diǎn)磁疇:鐵磁質(zhì)中因電子自旋而引起的強(qiáng)烈相互作用(電子交換作用),使各電子的自旋磁矩排列整齊，從而形成磁疇。每個(gè)磁疇內(nèi)的電子自旋磁矩整齊排列，磁性很強(qiáng)（自發(fā)磁化）。磁疇的體積約為10-1

~10-6cm3。磁疇的形成一、基本概念－磁疇磁疇與外磁場(chǎng)的關(guān)系無(wú)外磁場(chǎng)時(shí),各個(gè)磁疇由于熱運(yùn)動(dòng)其方向排列無(wú)序,雜亂無(wú)章，因而整體對(duì)外不顯磁性。有外磁場(chǎng)時(shí),各個(gè)磁疇的磁矩在外磁場(chǎng)的磁力矩作用下以整體的形式趨向外磁場(chǎng)方向排列,從而對(duì)外顯示很強(qiáng)的磁性。H一、基本概念－磁疇當(dāng)居里溫度以上時(shí),由于劇烈的熱運(yùn)動(dòng),磁疇瓦解,鐵磁質(zhì)的鐵磁性消失,過(guò)渡到順磁質(zhì)。單晶磁疇結(jié)構(gòu)示意圖多晶磁疇結(jié)構(gòu)示意圖一、基本概念－磁疇純鐵硅鐵鈷一、基本概念－磁疇Si-Fe單晶(001)面的磁疇結(jié)構(gòu)箭頭表示磁化方向0.1mm一、基本概念－磁疇(5)磁化曲線和磁滯回線

強(qiáng)磁性（鐵磁、亞鐵磁）材料的B-H磁化曲線如右圖所示，圖中矢量箭頭表示磁化的進(jìn)程。OABBs曲線為磁化曲線，從Bs經(jīng)Br、Hc到﹣Bs再到Bs的回線稱為磁滯回線。

一、基本概念－磁化曲線和磁致回線磁化曲線HMoabcdOa：M隨H呈線性緩慢增長(zhǎng)，可逆疇壁移動(dòng)過(guò)程。ab：M隨H急劇增長(zhǎng)，不可逆疇壁移動(dòng)過(guò)程。bc：M的增長(zhǎng)趨于緩慢，從此開(kāi)始，M的繼續(xù)增長(zhǎng)主要靠磁疇的轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)。cd：趨于飽和過(guò)程。一、基本概念－磁化過(guò)程磁飽和狀態(tài)磁飽和狀態(tài)HMoabcd

隨著外磁場(chǎng)增加，能夠提供轉(zhuǎn)向的磁疇越來(lái)越少，鐵磁質(zhì)中的磁場(chǎng)增加的速度變慢，最后外磁場(chǎng)再增加，介質(zhì)內(nèi)的磁場(chǎng)也不會(huì)增加，鐵磁質(zhì)達(dá)到磁飽和狀態(tài)。一、基本概念－磁化過(guò)程a磁滯回線的形成過(guò)程：o-a:起始磁化曲線,未經(jīng)磁化的鐵磁質(zhì),起始時(shí),B

隨H

而增大,到a點(diǎn)達(dá)到飽和。bBrBHoa-b

:當(dāng)外磁場(chǎng)減小時(shí)，介質(zhì)中的磁場(chǎng)并不沿起始磁化曲線返回，而是滯后于外磁場(chǎng)變化——磁滯現(xiàn)象,當(dāng)H=0時(shí),B=Br≠0，Br——剩磁一、基本概念－磁滯回線b~c:加上反向外磁場(chǎng)，則B

繼續(xù)減小,當(dāng)H=-Hc時(shí)，B=0，Hc稱為矯頑力,即為了消除剩磁所需加的反向外磁場(chǎng)Hc

。BrHcBHoac-d：繼續(xù)增加反向磁場(chǎng)，介質(zhì)達(dá)到反向磁飽和狀態(tài)。d-e-f：改變外磁場(chǎng)為正向磁場(chǎng)，不斷增加外場(chǎng)，介質(zhì)又達(dá)到正向磁飽和狀態(tài)。bcdef磁滯回線——閉合曲線abcdefa。一、基本概念－磁滯回線(6)飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度在外磁場(chǎng)的作用下，當(dāng)強(qiáng)磁性物質(zhì)的磁化強(qiáng)度達(dá)到飽和時(shí)，所對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度稱為飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs，如右圖所示。此時(shí)應(yīng)有

式中Hs——使物質(zhì)的磁化強(qiáng)度達(dá)到飽和（Ms）時(shí)的磁場(chǎng)。對(duì)于高導(dǎo)磁的軟磁材料來(lái)說(shuō)，Hs<<Ms，故也可用μ0Ms的值作為飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。一、基本概念－飽和磁化強(qiáng)度mi一、基本概念－磁導(dǎo)率(7)起始磁導(dǎo)率和最大磁導(dǎo)率

起始磁導(dǎo)率定義為在B-H磁化曲線起始處的斜率，即（見(jiàn)右圖中的虛線）。但在工業(yè)應(yīng)用中，為了簡(jiǎn)便易行，常規(guī)定在某一弱場(chǎng)下的磁導(dǎo)率為μi。例如規(guī)定磁場(chǎng)為0.08或0.4A/m下的磁導(dǎo)率值為μi

，可分別記作μ0.08或μ0.4。沿一條磁化曲線上，磁導(dǎo)率之最大值稱為最大磁導(dǎo)率，以mm表示。(8)矯頑力矯頑力H是指在B-H飽和磁滯回線上，使B變?yōu)榱闼柚创呕瘓?chǎng)。由M-H回線確定的矯頑力稱為內(nèi)稟矯頑力，以MHc表示。對(duì)軟磁材料而言，Hc之?dāng)?shù)值很小，MHc和Hc之值差別不大，而對(duì)于矯頑力很大的永磁材料來(lái)說(shuō)，兩者的值差別很大。矯頑力的單位為A/m。一、基本概念－矯頑力(9)剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度當(dāng)磁性材料磁化到飽和以后，再將磁化場(chǎng)下降到零，此時(shí)磁體中保留的磁感應(yīng)值稱為剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br，如右圖所示。其單位為T(mén)。一、基本概念－剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度(10)交變場(chǎng)中的磁導(dǎo)率：

按磁導(dǎo)率的定義，m=

B

/

H。和直流磁化不同，在交流磁化條件下，由于B和H間存在位相差，因此磁導(dǎo)率須采用復(fù)數(shù)形式表示，這就是復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率。如果B和H皆按正弦曲線變化，B落后于H位相差為δ。則那么實(shí)數(shù)部分μ1的物理意義和靜態(tài)磁導(dǎo)率相同，表示導(dǎo)磁能力或磁體中能量的存儲(chǔ)；虛數(shù)部分μ1表示能量的損耗。一、基本概念－交變場(chǎng)中的磁導(dǎo)率(11)趨膚深度

金屬磁性材料在交變場(chǎng)中磁化時(shí)，由于渦流造成的趨膚效應(yīng)使測(cè)得的磁導(dǎo)率隨頻率f的增高急劇下降。其原因是由于當(dāng)金屬磁體在交變磁場(chǎng)中磁化時(shí)，由渦流產(chǎn)生的磁通量是和磁場(chǎng)的方向相反的，因此使磁場(chǎng)的振幅在進(jìn)入金屬內(nèi)部以后，隨進(jìn)入深度z而按指數(shù)形式下降。當(dāng)磁場(chǎng)的振幅減少到原來(lái)振幅H0的1/e（e≈2.718）時(shí)的深度稱為趨膚深度，以dz表示。一、基本概念－趨膚深度對(duì)鐵氧體軟磁材料而言，由于電阻很大，故渦流和趨膚效應(yīng)都是很小的。(12)磁損耗磁性元件幾乎都是由磁化線圈和磁芯兩部分組成。在線圈中通過(guò)交流電進(jìn)行磁化時(shí)要損耗能量：一部分是由線圈中的電阻造成的損耗；另一部分是由于磁性材料本身在磁化及反磁化過(guò)程中所損耗的能量，稱為磁損耗，也稱為鐵損。磁損耗功率主要包括磁滯損耗、渦流損耗和剩余損耗功率3部分。一、基本概念－磁損耗(13)品質(zhì)因數(shù)Q和損耗因子tanδ軟磁鐵芯作為電感元件使用時(shí)，它的一對(duì)重要性能指標(biāo)是其品質(zhì)因數(shù)Q和損耗因子tanδ。對(duì)于一個(gè)空心電感線圈，若其電感為L(zhǎng)，電阻為R，在頻率f=ω/2π下使用，則線圈的品質(zhì)因數(shù)定義為Q=ωL/R，物理意義是磁能的存儲(chǔ)與損耗之比。此值愈大表示線圈的品質(zhì)愈佳。tanδ——

損耗因子，它是品質(zhì)因數(shù)的倒數(shù)。在軟磁鐵氧體的技術(shù)應(yīng)用中，常用μ1和Q的乘積以來(lái)表示磁芯材料的技術(shù)指標(biāo)，希望這個(gè)乘積愈大愈好。一、基本概念－品質(zhì)因數(shù)Q和損耗因子(14)截止頻率軟磁材料多數(shù)是在交變場(chǎng)下使用的，當(dāng)頻率超過(guò)使用頻率的上限fC以后，μ1顯著下降，這個(gè)fC稱為截止頻率。對(duì)金屬軟磁材料而言，由于其電阻率低，渦流效應(yīng)顯著，因此使用的頻率主要是在音頻范圍。對(duì)于很薄的金屬帶，能使用的頻率也低于100kHz。對(duì)鐵氧體軟磁材料而言，其電阻率很高，渦流效應(yīng)可以不計(jì)，因此使用頻率可以明顯提高；但是由于疇壁共振等原因，其使用頻率也存在一個(gè)上限。例如對(duì)于室溫下m1=800的Mn-Zn鐵氧體的fC是6MHz。一、基本概念－截止頻率(15)磁晶各向異性鐵磁晶體沿不同晶軸方向磁化達(dá)到飽和所需要的磁化功不同，稱為磁晶各向異性。磁化功最小的方向稱為易磁化方向，而最大的方向稱為難磁化方向。對(duì)于立方晶體，磁晶各向異性能是以立方對(duì)稱的，可表示為：式中a1、a2

、a3——磁化強(qiáng)度的方向余弦；

K1和K2——磁晶各向異性常數(shù)。一般來(lái)說(shuō)，若物質(zhì)的磁晶各向異性常數(shù)小，則它易于磁化，可作為軟磁材料；若物質(zhì)的磁晶各向異性常數(shù)大，則它難于磁化也難于反磁化，可作為永磁材料。一、基本概念－磁晶各向異性單晶體的易磁化和難磁化方向一、基本概念－磁晶各向異性(16)磁致伸縮磁性材料在磁場(chǎng)中磁化時(shí)，它沿磁場(chǎng)方向的長(zhǎng)度發(fā)生伸長(zhǎng)和縮短，這一現(xiàn)象稱為磁致伸縮。對(duì)于長(zhǎng)度為L(zhǎng)的磁體，磁滯伸縮系數(shù)l=ΔL/L。材料的l值通常隨磁場(chǎng)的增加而增加，當(dāng)磁化強(qiáng)度達(dá)到飽和時(shí)，l值也達(dá)到飽和，稱為飽和磁致伸縮系數(shù)，以ls表示。對(duì)軟磁材料而言，要求其ls值很小，可降低磁化時(shí)的磁彈性能。一、基本概念－磁晶各向異性磁性材料的穩(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(zhǎng)期工作過(guò)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(lái)的磁性不可逆一、磁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Hc<0.4kA/mHc:0.4～20kA/mHc>20kA/m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蔽材料變壓器、繼電器錄音機(jī)通訊儀器、電器磁帶、磁盤(pán)傳感器主要磁性材料合金體系一、磁性材料分類二、軟磁合金電工純鐵及鐵硅合金鎳鐵合金及鐵鋁、鐵鈷合金鐵氧體軟磁合金應(yīng)用：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。軟磁材料：由較低的外部磁場(chǎng)強(qiáng)度就可獲得大的磁化強(qiáng)度及高密度磁通量的材料。基本要求：1、初始磁導(dǎo)率和最大磁導(dǎo)率高，磁滯損耗?。禾岣吖δ苄?；2、剩余飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度低，飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度要高：省資源，利于小型化，迅速響應(yīng)外界磁場(chǎng)的偏轉(zhuǎn)；3、矯頑力小：提高高頻性能；4、電阻率高：提高高頻性能，減少渦流損失；5、磁致伸縮系數(shù)低：降低噪聲；6、磁晶各向異性系數(shù)K低：容易磁化。二、軟磁材料（高磁導(dǎo)率材料）單相變壓器+–+–一次繞組N1二次繞組N2鐵心變壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理軟磁材料應(yīng)用示例－軟磁材料應(yīng)用－鐵芯材料粉芯產(chǎn)品軟磁材料應(yīng)用示例－磁頭材料（一）電工純鐵（用作軟磁材料的工業(yè)純鐵）特點(diǎn)：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。用途：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。二、電工純鐵和鐵硅合金電工純鐵：含碳量低于0.04%的Fe-C合金，如電磁鐵用純鐵DT3。Hc＝70～90A/m，μm＝5000～1000。提高磁導(dǎo)率的方法：1、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。真空重熔去除雜質(zhì)和氣體；濕氫退火脫碳(C<0.002%)。2、去應(yīng)力退火：高溫退火再結(jié)晶，消除冷加工應(yīng)力。二、電工純鐵和鐵硅合金人工時(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。去雜質(zhì)：加入Al或Ti，和N和C形成氮化物。純鐵的自然磁時(shí)效現(xiàn)象：即隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，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和C，逐漸形成鐵的氮/碳化物所致。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(chǎng)中工作的鐵心。

二、電工純鐵和鐵硅合金（二）Fe-Si軟磁合金（硅鋼片）Fe-Si合金：Si含量<6.5%。鐵中加Si的作用：可提高鐵的最大磁導(dǎo)率和電阻率，降低磁晶各向異性常數(shù)K1，磁致伸縮系數(shù)，還可顯著改善磁性時(shí)效。但也會(huì)降低飽和磁化強(qiáng)度和居里溫度、并使材料變脆。用途：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。1903年開(kāi)始投入實(shí)際生產(chǎn)，用量極大。二、電工純鐵和鐵硅合金與熱軋硅鋼相比，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0.02～0.05mm。冷軋硅鋼的含硅量不超過(guò)3.5%，否則的材料冷軋十分困難。用快速凝固技術(shù)可制備出含硅6.5%的硅鋼薄帶。電工硅鋼片熱軋硅鋼片冷軋無(wú)取向硅鋼片無(wú)取向硅鋼片二次冷軋取向硅鋼片：戈斯織構(gòu){110}<001>；MnS一次大壓下率冷軋高磁感取向硅鋼片：AlN中國(guó)2002年底停止生產(chǎn)二、電工純鐵和鐵硅合金取向硅鋼片在冷軋取向硅鋼帶中，晶粒整齊一致地排列成戈斯(GOSS)織構(gòu)，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。磁感高于1.8T。冷軋單取向硅鋼的晶粒取向

二、電工純鐵和鐵硅合金二、電工純鐵和鐵硅合金具有戈斯織構(gòu)：{110}<001>的成品硅鋼片熱軋板坯脫碳退火700～800℃干氫最終退火：1200℃一次冷軋：壓下率65%中間退火：800～900℃二次冷軋：壓下率50%～60％濕氫連續(xù)脫碳退火（鋼卷）出現(xiàn)戈斯織構(gòu)：{110}<001>組分；抑制劑MnS在晶界上析出：抑制晶粒長(zhǎng)大MnS排出；幾乎形成單一戈斯織構(gòu)：{110}<001>二次冷軋取向硅鋼片的制備工藝含Ni=35～80wt.%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。隨Ni含量的增加，F(xiàn)e-Ni合金的Bs下降。當(dāng)Ni量接近80%時(shí)，F(xiàn)e-Ni合金的K1和λ非常小，能獲得高的磁導(dǎo)率。（一）Ni-Fe合金(坡莫合金，Permalloy)三、鎳鐵合金及鐵鋁、鐵鈷合金坡莫合金的熱處理NiFe合金的初始磁導(dǎo)率與熱處理制度的關(guān)系：600℃后1、急冷；2、爐冷；3、回火Ni－Fe在600℃以下的冷卻過(guò)程中發(fā)生有序化轉(zhuǎn)變形成Ni3Fe；不利于磁性能。解決辦法：600℃后急冷三、鎳鐵合金及鐵鋁、鐵鈷合金（1）Ni-Fe-Mo合金：加入Mo等元素可以抑制Ni3Fe析出，可在低冷速獲得高磁導(dǎo)率。K1和λ趨于零。（2）Ni-Fe-Cu-Mo合金：加入Cu得到高的初始磁導(dǎo)率。（3）Ni-Fe-Mo-Nb-Ti合金：硬坡莫合金，硬度高、提高器件耐磨性能。三、鎳鐵合金及鐵鋁、鐵鈷合金多元Ni-Fe合金三、鎳鐵合金及鐵鋁、鐵鈷合金

(二)鐵鋁和鐵硅鋁合金:（1）鐵鋁：價(jià)廉；高電阻率；高強(qiáng)度、高硬度；軟磁特性易調(diào)節(jié)。（2）鐵硅鋁合金：(Fe-w(Si)9.6%-w(Al)5.4%)的導(dǎo)磁率與高鎳的Fe-Ni合金相當(dāng)，Hv達(dá)500，飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度約1T，電阻率110×10-8·m。該合金具有高的耐磨性和優(yōu)良的高頻特性。缺點(diǎn)是合金又硬又脆，不能冷軋或者熱軋，難加工。三、鎳鐵合金及鐵鋁、鐵鈷合金純鐵中加入鈷后，Bs明顯提高，含鈷35%的鐵鈷合金的Bs達(dá)2.45T，是迄今Bs最高的磁性材料。國(guó)外牌號(hào)為Permendur。加入少量的V和Cr可顯著提高其電阻率。實(shí)際應(yīng)用的鐵鈷合金主要有Fe64Co35V1(或Fe64Co35Cr1)和(Fe50Co50)98.7V1.3。(Fe50Co50)98.7V1.3合金的國(guó)內(nèi)牌號(hào)為1J22，國(guó)外牌號(hào)為V-Permendur。鐵鈷合金適用于小型化、輕型化以及有較高要求的飛行器及儀器儀表元件的制備，制造電磁鐵極頭和高級(jí)耳膜震動(dòng)片等。電阻率偏低，不適于高頻場(chǎng)合的應(yīng)用。價(jià)格昂貴。（三）鐵鈷合金三、鎳鐵合金及鐵鋁、鐵鈷合金四、鐵氧體軟磁合金鐵氧體磁性材料：鐵的氧化物和其他氧化物的復(fù)合磁性材料。磁性來(lái)源：被氧離子所分隔的磁性金屬離子間的超交換相互作用。呈現(xiàn)亞鐵磁性。鐵氧體尖晶石型：立方晶系MeFe2O4－軟磁，Mn-Zn、Ni-Zn石榴石型：立方晶系3R2O3·5Fe2O3－如：微波通訊元件YIG磁鉛石型：六方晶系Me·6Fe2O3－永磁：鋇、鍶鐵氧體；高頻軟磁四、鐵氧體軟磁合金尖晶石型鐵氧體：立方晶系MeFe2O4與天然礦物尖晶石MgAl2O3結(jié)構(gòu)相同。Me為二價(jià)金屬離子，如：Mn2+、Ni2+、Zn2+、Fe2+、Mg2+。三價(jià)Fe可以部分由Al3+或Cr2+取代。亞鐵磁性是由A、B位置上磁性離子磁距反向排列而相互不能抵消引起的。尖晶石晶胞的部分結(jié)構(gòu)四、鐵氧體軟磁合金軟磁鐵氧體的分類(按應(yīng)用)高導(dǎo)磁率材料低損耗材料低損耗高穩(wěn)定性材料高頻大磁場(chǎng)材料功率鐵氧體（高Bs）材料高密度材料電磁波吸收材料軟磁鐵氧體的分類(按成分)1、Mn-Zn鐵氧體：500KHz，磁損耗低，μi

～4×105，價(jià)廉；2、Ni-Zn鐵氧體：1～100MHz，電阻率高；3、平面六角晶系鐵氧體：

>102MHz。四、鐵氧體軟磁合金Ni-Zn鐵氧體：成分配方：Fe2O3：50%～70%；ZnO：5%～40%；NiO：5%～40%。根據(jù)性能要求選擇成分。（1）高起始磁導(dǎo)率材料：要求高M(jìn)s，低K1、λS和內(nèi)應(yīng)力

提高ZnO含量，可以提高M(jìn)s，但是高頻特性和Tc降低。（2）高頻材料（>1MHz）：要求高電阻率提高NiO含量，降低ZnO和Fe2O3含量，嚴(yán)格控制Fe3O4；摻雜CoO，提高電阻率；加入PbO、CaO和MnCO3等少量添加劑并配合工藝可得到高頻性能。（3）高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度材料。要求高密度。本節(jié)重點(diǎn)：概念：磁化率、磁導(dǎo)率、磁疇、矯頑力、磁晶各向異性。磁化曲線和磁滯回線各階段的物理意義是什么？對(duì)軟磁材料磁性能的基本要求有哪些？了解二次冷軋取向硅鋼片的制備工藝特點(diǎn)。功能材料謝謝！功能材料李巖北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2014年春季學(xué)期第二章磁性材料

（二）永磁材料主要內(nèi)容一、概述二、幾種典型永磁合金（一）鋁鎳鈷系永磁合金（二）鐵鉻鈷永磁合金（三）稀土永磁合金（四）鐵氧體永磁材料三、永磁材料制備四、去磁方法一、概述一、概述－永磁材料的發(fā)展永磁材料公元前4世紀(jì)，我國(guó)發(fā)現(xiàn)天然磁石（Fe3O4）公元前3世紀(jì)，指南針（司南）永磁材料(硬磁材料、高矯頑力材料)：矯頑力在20kA/m以上的材料。用途：產(chǎn)生磁場(chǎng)?！秴问洗呵铩肪啪砭ㄆ陀校骸按日需F，或引之也?！币?、概述－永磁材料特征參數(shù)(1)剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br當(dāng)磁性材料磁化到飽和以后，再將磁化場(chǎng)下降到零，此時(shí)磁體中保留的磁感應(yīng)值稱為剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br，如右圖所示。其單位為T(mén)。Br=μ0Mr，Mr為剩余磁化強(qiáng)度（單位A/m）。(2)矯頑力矯頑力Hc是指在B-H飽和磁滯回線上，使Br變?yōu)榱闼柚创呕瘓?chǎng),單位為A/m。由M-H回線確定的矯頑力稱為內(nèi)稟矯頑力，以MHc表示。一、概述－永磁材料特征參數(shù)永磁材料在被外磁場(chǎng)磁化后，去掉外磁場(chǎng)，仍保持很強(qiáng)的磁性。永磁材料都是在開(kāi)路狀態(tài)下使用，利用永磁體氣隙產(chǎn)生磁場(chǎng)，作為磁場(chǎng)源。開(kāi)口環(huán)形永磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)Hg。一、概述－永磁材料特征參數(shù)具有空氣隙的環(huán)形磁鐵Bm：磁鐵內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度Hm：磁場(chǎng)強(qiáng)度Bg：空氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度Hg：空氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度Vg：空氣隙體積一、概述－永磁材料特征參數(shù)（3）最大磁能積：在B-H退磁曲線上任何一點(diǎn)的B和H的乘積成為磁能積，代表永磁體能量密度，其最大值稱為最大磁能積，用（BH）max表示，單位J/m3。理想退磁曲線和最大磁能積一、概述－永磁材料特征參數(shù)（4）隆起度γW最大磁能積(BH

)max除了與Br和Hc有關(guān)，還與退磁曲線的形狀有關(guān)。定義：理想退磁曲線和最大磁能積永磁材料主要用途：提供永磁場(chǎng)永磁體的“三要素”：剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br高矯頑力Hc高最大磁能積(BH

)max大另外：高居里點(diǎn)高穩(wěn)定性隆起度等一、概述－永磁材料特征參數(shù)一、概述－永磁材料的發(fā)展19世紀(jì)末期，高碳鋼；后來(lái)—鎢鋼、鉻鋼、鈷鋼，磁能積～8KJ/m3。1931年，F(xiàn)eNiAl合金，～15KJ/m3；1932年，F(xiàn)eCoW（Mo）合金，～12KJ/m3，BaO·6Fe2O3鐵氧體，～32KJ/m3；1960年代前，F(xiàn)eNiAlCo合金，～80KJ/m3；1960年代后，SmCo5（1:5）合金，第一代稀土永磁合金，～190KJ/m3；

Sm2Co17（2:17）合金，第二代稀土永磁合金，～240KJ/m3；1970年，F(xiàn)eCrCo，可加工，～60KJ/m31983年，Nd-Fe-B第三代稀土永磁合金，～423KJ/m3以磁能積提高為標(biāo)志的永磁材料發(fā)展概況一、概述－永磁材料的發(fā)展永磁材料發(fā)展年譜一、概述－永磁材料分類1、按材料屬性來(lái)源：金屬永磁和鐵氧體永磁2、按工藝可加工鑄造燒結(jié)粘結(jié)4、按化學(xué)成分：高碳鋼、鎢鋼、鉻鋼、鈷鋼、FeNiAl、FeCoW(Mo）、BaO·6Fe2O3鐵氧體、FeNiAlCo、FeCrCo、RCo5、MnAl、Nb-Fe-B3、按磁硬化機(jī)理析出硬化型淬火硬化型單疇微粉型有序硬化型一、概述－永磁材料分類二、幾種典型永磁合金二、幾種典型永磁合金幾種典型永磁合金鋁鎳鈷系永磁合金鐵鉻鈷永磁合金稀土永磁合金鐵氧體永磁材料鋁鎳鈷（AlNiCo）系合金成分：Co、Ni、Al等元素為主要成分，并加入Ti和Cu等元素進(jìn)一步提高合金性能。典型合金：AlNiCo5，成分Co=24%、Ni=14%、Al=8%、Cu=3%、Fe余量。是由FeNiAl永磁合金發(fā)展而來(lái)。性能特點(diǎn)：具有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：16～72kJ/m3,

Br：0.78～1.30T1、鋁鎳鈷（AlNiCo）系永磁合金1、鋁鎳鈷（AlNiCo）系永磁合金Fe-Ni-Al-Co四元系Co=24%和Al=8%縱斷面AiNiCo合金的相組成α1：富Fe和Co的強(qiáng)磁相α2：富Ni和Al的弱磁相α1

彌散分布在α2

上調(diào)幅（spinodal）分解磁硬化機(jī)理1、鋁鎳鈷（AlNiCo）系永磁合金形成單一固溶體，快速冷卻，避免γ相析出在Tc溫度以下降溫同時(shí)施加磁場(chǎng)，發(fā)生調(diào)幅分解，控制析出相形狀成分?jǐn)U散，加大兩相磁性差，提高性能成分特點(diǎn)：以鐵、鉻（23.5～27.5%）、鈷（11.5～21.0%）為主；加入適量硅、鉬、鈦。通過(guò)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。2、鐵鉻鈷（FeCrCo）系永磁合金（FeCrCo）系永磁合金—可加工永磁合金制備方法：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。2、鐵鉻鈷（FeCrCo）系永磁合金2、鐵鉻鈷（FeCrCo）系合金鐵鉻鈷合金磁硬化機(jī)理：定向凝固+磁場(chǎng)處理：結(jié)晶與磁雙重織構(gòu)形變時(shí)效態(tài)：加工織構(gòu)/疇壁釘扎鑄造態(tài)：Spinodal分解－α1強(qiáng)磁相＋α2弱磁相稀土永磁合金3、稀土永磁材料Re-Co永磁鐵基稀土永磁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基合金第二代稀土永磁，二十世紀(jì)七十年代第三代稀土永磁，二十世紀(jì)八十年代Nd2Fe14B合金為代表的Re-Fe-B系永磁材料（1）稀土鈷永磁材料（Re-Co）3、稀土永磁材料稀土鈷永磁材料是稀土金屬和3d過(guò)渡族金屬鈷按一定比例組成的金屬間化合物：ReCo5(CuCa5結(jié)構(gòu))和Re2Co17(Th2Zn17結(jié)構(gòu))。ReCo5Re2Co17Re2Co17

的飽和磁化強(qiáng)度高于ReCo5；輕稀土鈷化物（原子序數(shù)小于Gd）的飽和磁化強(qiáng)度比重稀土鈷化物高。3、稀土永磁材料（1）稀土鈷永磁材料（Re-Co）3、稀土永磁材料（1）稀土鈷永磁材料（Re-Co）（1）稀土鈷永磁材料（Sm-Co）3、稀土永磁材料SmCo5和Sm2Co17SmCo5：理論磁能積199kJ/m3。采用強(qiáng)磁場(chǎng)取向等靜壓和低氧工藝，SmCo5的(BH)max達(dá)196kJ/m3；居里溫度為724℃，可在-50℃～150℃的溫度范圍內(nèi)工作。缺點(diǎn)：含有較多的戰(zhàn)略金屬鈷(～w(Co)66%)和蘊(yùn)藏量稀少的稀土金屬元素Sm，原材料昂貴。3、稀土永磁材料Sm2Co17：理論磁能積286kJ/m3，優(yōu)于SmCo5；

Tc為930℃，可在-60～350℃范圍工作，磁感溫度系數(shù)也優(yōu)于SmCo5。隨著Fe含量的增多，內(nèi)稟飽和磁化強(qiáng)度迅速提高Sm-Co-Cu系Sm-Co-Cu-Fe系Sm-Co-Cu-Fe-M系(M=Zr,Ti,Hf,Ni)加入Cu提高合金矯頑力，但飽和磁化強(qiáng)度偏低，居里溫度也顯著降低，不能實(shí)用。加入少量的Zr,Ti,Hf,Ni等元素，進(jìn)一步提高磁性能商業(yè)化材料3、稀土永磁材料用Pr、Ce或Mm(混合稀土)取代部分Sm，可適當(dāng)降低成本。Nd-Fe-B和Pr-Fe-B系；3、稀土永磁材料（2）第三代稀土永磁合金R2Fe14B型3、稀土永磁材料（2）第三代稀土永磁合金R2Fe14B型Nb2Fe14B晶體結(jié)構(gòu)Nd-Fe-B系合金是以Nd2Fe14B化合物為基的一種不含Co的高性能永磁材料。1983年日本住友公司發(fā)明。Nd2Fe14B晶體結(jié)構(gòu)（右圖）：一個(gè)單胞由4個(gè)Nd2Fe14B化合物分子組成，空間群P42/mnm，共有68個(gè)原子，其中8個(gè)Nb原子、56個(gè)Fe原子和4個(gè)B原子。Nd2Fe14B優(yōu)點(diǎn)最大磁能積超過(guò)400kJ/m3，矯頑力2244.7kA/m。是目前磁性能最高的實(shí)用化永磁材料，被譽(yù)為“磁王”。原材料豐富，價(jià)格便宜，其價(jià)格只相當(dāng)于釤鈷（SmCo）合金的50%左右。

3、稀土永磁材料（2）第三代稀土永磁合金R2Fe14B型雙相納米復(fù)合磁體：把納米級(jí)的軟磁和硬磁顆粒復(fù)合，將綜合軟磁Ms高，硬磁Hc高的優(yōu)點(diǎn)，獲得磁能積比現(xiàn)有最好的NdFeB高一倍的新型納米永磁材料。如：α-Fe/

NdFeB、Fe3B/SmFeN/磁體。

納米復(fù)合增強(qiáng)效應(yīng)：納米尺寸軟磁相與永磁相之間的交換耦合作用，使剩磁和最大磁能積明顯增大。ThMn12型化合物Sm-Fe-C和Sm-Fe-N

3、稀土永磁材料（3）其他稀土永磁合金4、永磁鐵氧體性能特點(diǎn)及應(yīng)用：Tc：450～460℃，具有高矯頑力和低剩磁，但最大磁能積偏低,不適于制作要求高穩(wěn)定性的精密儀器；在產(chǎn)量極大的家用電器、音響設(shè)備、揚(yáng)聲器、電機(jī)、電話機(jī)、笛簧接點(diǎn)元件和轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械等方面得到普遍應(yīng)用。主要種類：鋇鐵氧體(BaO·6Fe2O3)鍶鐵氧體(SrO·6Fe2O3)晶體結(jié)構(gòu)均屬六角晶系。三、永磁材料制備技術(shù)

永磁體的制備方法主要包括鑄造法、燒結(jié)法（粉末冶金法）粘結(jié)法。鑄造法：鋁鎳鈷和鐵鉻鈷合金燒結(jié)法和粘結(jié)法：稀土永磁材料和永磁鐵氧體三、永磁材料制備技術(shù)

不足之處在于硬度高、脆性大、難以進(jìn)行機(jī)械加工。真空熔煉制粉鑄錠破碎＋磨粉粉末磁場(chǎng)取向與成型平行取向垂直取向燒結(jié)（磁場(chǎng)下）熱處理、磁體加工燒結(jié)磁體元件燒結(jié)法：三、永磁材料制備技術(shù)

三、永磁材料制備技術(shù)

根據(jù)成型過(guò)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(guò)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)。燒結(jié)SmCo永磁體燒結(jié)NbFeB永磁體六、永磁材料制備技術(shù)

粘結(jié)法：磁粉與樹(shù)脂、塑料或低熔點(diǎn)合金等粘結(jié)劑混合壓制、擠出或注射成型，固化粘結(jié)磁體性能特點(diǎn)：尺寸精度高、形狀自由度大、機(jī)械強(qiáng)度好、易于調(diào)整磁性能、易于批量生產(chǎn)施加取向磁場(chǎng)各向異性粘結(jié)磁體粘結(jié)磁體的磁性能：取決于磁粉的性能和磁體的相對(duì)密度。粘結(jié)磁體的力學(xué)性能：取決于粘結(jié)劑的性質(zhì)與粘結(jié)工藝。三、永磁材料制備技術(shù)

三、永磁材料制備技術(shù)

三、永磁材料制備技術(shù)三、永磁材料制備技術(shù)粘結(jié)NbFeB磁體三、永磁材料－制備技術(shù)

四、去磁方法

永磁材料去磁方法1.加熱法2.敲擊法3.加反向磁場(chǎng)4.加交變衰減的磁場(chǎng)四、去磁方法1.加熱法當(dāng)鐵磁質(zhì)的溫度升高到居里溫度Tc以上時(shí)，磁性消失，由鐵磁質(zhì)變?yōu)轫槾刨|(zhì)。當(dāng)溫度低于Tc時(shí)，又由順磁質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殍F磁質(zhì)。鐵的居里溫度Tc=770°C利用鐵磁質(zhì)具有居里溫度的特點(diǎn)，可將其制作溫控元件，如電飯鍋?zhàn)詣?dòng)控溫。原因：由于加熱使磁介質(zhì)中的分子、原子的振動(dòng)加劇，使鐵磁質(zhì)失去磁性。四、去磁方法2.敲擊法通過(guò)振動(dòng)可提供磁疇轉(zhuǎn)向的能量，使介質(zhì)失去磁性。如敲擊永久磁鐵會(huì)使磁鐵磁性減小。3.加反向磁場(chǎng)加反向磁場(chǎng)，提供一個(gè)矯頑力Hc使鐵磁質(zhì)退磁。四、去磁方法4.加交變衰減的磁場(chǎng)使介質(zhì)中的磁場(chǎng)逐漸衰減為0BHoctHo四、去磁方法應(yīng)用在錄音機(jī)中的交流抹音磁頭中。思考題：1、概念：剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度，矯頑力，最大磁能積；2、主要的永磁材料有哪幾類，各自特點(diǎn)如何。3、掌握幾種典型永磁合金的磁硬化機(jī)理。4、永磁材料制備工藝特點(diǎn)。功能材料謝謝！功能材料李巖北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2014年春季學(xué)期第二章磁性材料

（三）幾種典型磁性材料主要內(nèi)容一、磁致伸縮材料二、磁阻材料三、磁記錄材料四、巨磁化強(qiáng)度材料一、磁致伸縮材料一、磁致伸縮材料－概念對(duì)于長(zhǎng)度為L(zhǎng)的磁體，磁致伸縮系數(shù)λ=ΔL/L。材料的λ值通常隨磁場(chǎng)的增加而增加，當(dāng)磁化強(qiáng)度達(dá)到飽和時(shí)，λ值也達(dá)到飽和，稱為飽和磁致伸縮系數(shù)，以λs表示。磁致伸縮：磁性材料在磁場(chǎng)中磁化時(shí)，它沿磁場(chǎng)方向的長(zhǎng)度發(fā)生伸長(zhǎng)和縮短，這一現(xiàn)象稱為磁致伸縮（magnetostrictive）。是材料的本征特性?？梢詫?shí)現(xiàn)電/磁能與機(jī)械能之間的相互轉(zhuǎn)化。一、磁致伸縮材料－發(fā)展1842年，焦耳發(fā)現(xiàn)磁致伸縮現(xiàn)象；1940年代，Ni和Co的多晶磁致伸縮材料應(yīng)用—λs～10-51963～1965年，重稀土單晶金屬Tb和Dy等—λs～10-31972年，TbFe2金屬間化合物室溫下—λs～10-3（0.1～0.2％）1973年，美國(guó)人AEClark發(fā)現(xiàn)Tb0.3Dy0.7Fe2(Terfenol-D)λs（0.25%）1990年代，Tb0.3Dy0.7Fe2中加入合金元素改性。2000年左右，新型FeGa合金—λs（250×10-6）一、磁致伸縮材料－種類超磁致伸縮超磁致伸縮材料典型代表：稀土鐵系金屬間化合物，如：TbFe2、DyFe2一、磁致伸縮材料－特性稀土鐵磁致伸縮材料飽和磁場(chǎng)強(qiáng)度高磁致伸縮符號(hào)不同一、磁致伸縮材料－RFe2的結(jié)構(gòu)在Laves相化合物中，沿最密排<111>方向的磁致伸縮量最大一、磁致伸縮材料－Tb0.3Dy0.7Fe2超磁致伸縮材料Tb0.3Dy0.7Fe2是由磁晶各向異性相反的化合物TbFe2和DyFe2混合而成?；炀Ы档土顺胖律炜s材料的磁晶各向異性能，使其在低的磁場(chǎng)下即可達(dá)到磁飽和。施加一定的壓應(yīng)力可以提高磁致伸縮量。一、磁致伸縮材料－應(yīng)力效應(yīng)外加壓應(yīng)力對(duì)磁致伸縮材料的磁致伸縮特性的影響。一、磁致伸縮材料－工藝與性能制備工藝對(duì)磁致伸縮性能影響一、磁致伸縮材料－組織結(jié)構(gòu)與特性TbDyFe合金可以制備成多種晶體形式。不同機(jī)構(gòu)對(duì)應(yīng)不同性能。超磁致伸縮材料的制備方法（1）定向結(jié)晶法

a.布里奇曼法

b.垂直懸浮區(qū)域熔化法

c.丘克拉斯基法（2）粉末燒結(jié)法（3）粘結(jié)法（4）薄膜制備技術(shù)一、磁致伸縮材料－制備方法

a.布里奇曼法原料置入石英坩鍋內(nèi)感應(yīng)加熱，熔體自下而上移出加熱區(qū)，使其發(fā)生順序凝固，形成定向結(jié)晶。一、磁致伸縮材料－制備方法優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單，操作容易。缺點(diǎn)：稀土容易燒損，難以實(shí)現(xiàn)高的溫度梯度，因此對(duì)凝固組織不利。b.垂直懸浮區(qū)域熔化法扁平線圈加熱，線圈或樣品以一定速度移動(dòng)。一、磁致伸縮材料－制備方法優(yōu)點(diǎn)：熔化時(shí)間短，稀土燒損少，成分容易控制，性能優(yōu)良。缺點(diǎn)：設(shè)備要求高，實(shí)際操作困難。c.丘克拉斯基（Czchralski）法（提拉法）耔晶固定在鎢棒上，插入熔體中，邊旋轉(zhuǎn)邊提拉，熔體便以籽晶為基底形成定向結(jié)晶。一、磁致伸縮材料－制備方法優(yōu)點(diǎn)：可以獲得較大的產(chǎn)品。缺點(diǎn)：提拉速度慢，效率低，稀土燒損嚴(yán)重，成分不均勻，性能難以控制。TbDyFe合金的缺點(diǎn)：脆性大，飽和磁場(chǎng)高，成本高FeGa（Al）等合金：塑性好，飽和磁場(chǎng)小，成本低：成為新型磁彈性材料一、磁致伸縮材料－Fe基合金特點(diǎn)與發(fā)展早期：Fe-Al和Fe-Be合金有可觀的低場(chǎng)磁致伸縮性能，良好的機(jī)械強(qiáng)度和韌性：1965年：[001]取向的Fe-15at%Al合金λs=140×10-6；1993年：室溫下Fe-3.1Be合金λs＝55×10-6，而Fe-6.8Be的λs=101×10-6

；2000年：Fe85Ga15單晶—λs>250×10-6A.E.Clark,etal.IEEETrans

On

Magnetics,36(2000)3238部分Fe基合金的磁致伸縮性能一、磁致伸縮材料－Fe基合金性能A.E.Clerk,,MagnetostrictivepropertiesofFe-Gaalloysunderlargecompressivestresses,IEEE2000,BS-12室溫下Fe85Ga15單晶在[100]取向上的（a）磁致伸縮特性和（b）磁化曲線與應(yīng)力的關(guān)系。一、磁致伸縮材料－FeGa合金Fe100-xGax合金經(jīng)過(guò)800oC熱處理水淬（空心方）和爐冷（黑三角）后的磁致伸縮性能與成分關(guān)系。一、磁致伸縮材料－FeGa合金在Ga含量為17%時(shí)，磁致伸縮性能最好。對(duì)于相同成分的合金，水淬比熱處理狀態(tài)的磁致伸縮性能高。

45.3MPa外加應(yīng)力下Fe81Ga19單晶在不同溫度下的磁致伸縮溫度升高后磁致伸縮下降一、磁致伸縮材料－FeGa合金一、磁致伸縮材料－應(yīng)用大應(yīng)變、大應(yīng)力（并具有相應(yīng)的強(qiáng)度）高響應(yīng)速度軟磁性低驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)高居里溫度對(duì)溫度變化不敏感高可靠性從應(yīng)用角度，超磁致伸縮材料應(yīng)具備的條件：超磁致伸縮材料和壓電陶瓷的性能比較

Tb0.3Dy0.7Fe1.9壓電陶瓷λs×10－61500-2000400居里溫度Tc℃380300機(jī)電耦合系數(shù)k330.720.68能量密度J/m314000－25000960密度g/cm39.257.5抗拉強(qiáng)度MPa2876相對(duì)原料費(fèi)用301一、磁致伸縮材料－性能比較應(yīng)用領(lǐng)域振動(dòng)主動(dòng)控制大功率低頻聲納系統(tǒng)新型飛機(jī)自適應(yīng)機(jī)翼高精度快速微位移致動(dòng)器微型機(jī)械功率源

濾波器件軍事航天航空工業(yè)民用特點(diǎn)：應(yīng)變值高,能量密度大,響應(yīng)快,精度高新型換能材料磁能/電能

機(jī)械能/聲能一、磁致伸縮材料－應(yīng)用一、磁致伸縮材料－TbDyFe合金定向凝固TbDyFe合金一、磁致伸縮材料－應(yīng)用在精密控制方面：通過(guò)調(diào)整磁致伸縮量的大小控制噴嘴流量TbDyFe材料可通過(guò)作動(dòng)器的形式實(shí)現(xiàn)其功能MagActⅠ型作動(dòng)器實(shí)物圖MagActⅡ型作動(dòng)器實(shí)物圖一、磁致伸縮材料－應(yīng)用

水下發(fā)射型聲納是稀土超磁致伸縮材料最早和最重要的應(yīng)用，主要用于水下通訊、探測(cè)、偵察、偽裝和制導(dǎo)等軍事用途，還可用于捕漁、海底測(cè)繪、油井井深探測(cè)、輸油管道堵塞探測(cè)等其它用途。磁-聲換能器

一、磁致伸縮材料－應(yīng)用超聲波釋放器——增加采油量一、磁致伸縮材料－應(yīng)用二、磁阻材料二、磁阻材料－磁致電阻效應(yīng)橫磁致電阻效應(yīng)：施加的磁場(chǎng)與電流垂直引起電阻減少縱磁致電阻效應(yīng)：施加的磁場(chǎng)與電流平行引起電阻增加起源于自旋—軌道相互作用。磁致電阻效應(yīng)（magneto-resistanceeffect）:MRRH(ρH)為磁場(chǎng)為H時(shí)的電阻（率）R0(ρ0)為磁場(chǎng)為0時(shí)的電阻（率）表征磁致電阻大小的物理量為MR比，即磁電阻系數(shù)η。MR效應(yīng)：η＝2％～6％，如：坡莫合金（Ni-Fe合金）及Ni-Co合金。1988年，巨磁致電阻效應(yīng)GMR（gaintmagneto-resistanceeffect）：η可達(dá)50％，如：Fe/Cr納米金屬多層膜（金屬超晶格）。二、磁阻材料－各種磁致電阻效應(yīng)用途：小型化、微型化高密度磁記錄讀出頭、隨機(jī)存儲(chǔ)器和傳感器1993年，超巨磁電阻效應(yīng)CMR（colossalmagneto-resistanceeffect

）：η＝103~106，如：類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)錳氧化物。二、磁阻材料－巨磁致電阻效應(yīng)法國(guó)科學(xué)家阿爾貝·費(fèi)爾（左）和德國(guó)科學(xué)家彼得·格林貝格爾（右）因先后獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了“巨磁電阻”效應(yīng)，分享2007年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。金屬超晶格的巨磁電阻效應(yīng)二、磁阻材料－巨磁致電阻效應(yīng)二、磁阻材料－巨磁致電阻效應(yīng)金屬超晶格具有GMR效應(yīng)的三個(gè)條件：（1）在鐵磁性導(dǎo)體/非磁性導(dǎo)體超晶格中，構(gòu)成反平行自旋結(jié)構(gòu)。（如右圖）（2）金屬超晶格的周期（每一個(gè)重復(fù)層的厚度）應(yīng)比載流子電子的平均自由程短。（3）自旋取向不同的兩種電子（向上和向下），在磁性原子上的散射差別必須很大。磁性層：Fe、Co、Ni及其合金非磁性導(dǎo)體層：Cu、Ag、Au貴金屬、Cr二、磁阻材料－巨磁致電阻效應(yīng)金屬超晶格GMR效應(yīng)的特點(diǎn)：（1）電阻變化率大；（2）負(fù)效應(yīng)：隨磁場(chǎng)增加，電阻只是減小而不增加，無(wú)橫縱效應(yīng)之分；（3）電阻變化與磁化強(qiáng)——磁場(chǎng)之間角度無(wú)關(guān)；（4）對(duì)非磁性導(dǎo)體隔離層厚度十分敏感；（5）具有積層數(shù)效應(yīng)：如Fe/Cr系，在60層以下，隨積層數(shù)增加，MR比增加，逐漸趨于最大。二、磁阻材料－巨磁致電阻效應(yīng)典型的金屬超晶格系統(tǒng)Co/Cu、(Co-Fe)/Cu，Co/Ag(Ni-Fe)/Ag、(Ni-Fe)/Cu、(Ni-Fe-Co)/Cu(Ni-Fe-Co)/Cu/Co二、磁阻材料－超巨磁致電阻效應(yīng)1993年超巨磁電阻效應(yīng)：（colossalmagneto-resistanceeffect

）：η＝103~106，如：鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物：La2/3Ba1/3MnO3機(jī)制：磁場(chǎng)使系統(tǒng)的絕緣體狀態(tài)轉(zhuǎn)變成具有金屬特性狀態(tài)所致。二、磁阻材料－超巨磁致電阻效應(yīng)三、磁記錄材料三、磁記錄材料－概述磁記錄：在磁記錄介質(zhì)鐵磁性材料上，對(duì)應(yīng)要記錄的信息，記錄下不同的殘留磁化強(qiáng)度。磁記錄是在磁性介質(zhì)表面，按信號(hào)要求，形成微小永磁體三、磁記錄材料－磁記錄模式三、磁記錄材料－磁頭材料通過(guò)讀寫(xiě)磁頭在磁盤(pán)上記錄或獲取信息三、磁記錄材料－磁頭工作原理磁記錄材料磁頭材料磁記錄介質(zhì)材料三、磁記錄材料－磁頭種類三、磁記錄材料－磁頭材料三、磁記錄材料－磁頭材料三、磁記錄材料－磁記錄介質(zhì)三、磁記錄材料－磁記錄介質(zhì)三、磁記錄材料－磁記錄介質(zhì)磁記錄介質(zhì)制備工藝：電鍍法。真空蒸鍍法（生產(chǎn)效率高）濺射法三、磁記錄材料－磁記錄介質(zhì)四、巨磁化強(qiáng)度材料四、巨磁化強(qiáng)度材料－Fe16N2經(jīng)典的SLATER-PAULING曲線說(shuō)明3d過(guò)渡金屬系最高磁化強(qiáng)度為2.45T四、巨磁化強(qiáng)度材料－Fe16N2Fe16N2四、巨磁化強(qiáng)度材料－Fe16N2

”-Fe16N2

Fe4N+

-FeFe16N2為準(zhǔn)穩(wěn)定相，400℃以上共晶分解四、巨磁化強(qiáng)度材料－Fe16N2InGaAs單晶基板上分子束外延制備Fe16N2單晶薄膜晶格常數(shù)匹配好，幾乎不產(chǎn)生失配位錯(cuò)。思考題概念：磁致伸縮、磁阻效應(yīng)、三種典型單晶生長(zhǎng)方法的特點(diǎn)；金屬超晶格具有GMR效應(yīng)的條件及其特點(diǎn)；了解典型巨磁阻材料特點(diǎn)；各種磁記錄模式的特點(diǎn)和對(duì)磁記錄介質(zhì)的性能要求；巨磁化強(qiáng)度材料的結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)。功能材料謝謝！功能材料李巖北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2014年春季學(xué)期第三章彈性合金與膨脹合金（二）膨脹合金主要內(nèi)容一、基本概念二、低膨脹合金（因瓦合金）

三、定膨脹合金四、熱雙金屬片

一、基本概念熱膨脹：一般固體材料受熱時(shí)體積膨脹，冷卻時(shí)體積收縮，由于溫度的改變而導(dǎo)致材料的體積和長(zhǎng)度變化的現(xiàn)象稱熱膨脹。