《磁性材料》課件

《磁性材料》課程概述課程目標(biāo)掌握磁性材料基本理論和應(yīng)用主要內(nèi)容基礎(chǔ)概念、材料分類、制備技術(shù)、應(yīng)用領(lǐng)域?qū)W習(xí)要求磁性材料的基本概念磁性的定義物質(zhì)在磁場(chǎng)中表現(xiàn)出的磁化特性磁場(chǎng)和磁化磁場(chǎng)強(qiáng)度與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系磁性的起源原子磁矩由電子軌道運(yùn)動(dòng)和自旋產(chǎn)生不同原子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同磁矩強(qiáng)度電子自旋電子自轉(zhuǎn)產(chǎn)生自旋磁矩是磁性材料的基本磁性來(lái)源磁性材料的分類1按磁性強(qiáng)弱分類抗磁性、順磁性、鐵磁性2按磁化特性分類軟磁材料、硬磁材料抗磁性材料定義和特征在外磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生反向磁化典型例子水、銅、銀、金、鉍順磁性材料10^-5磁化率數(shù)量級(jí)正值但數(shù)值很小300K居里溫度超過(guò)此溫度失去磁性5%應(yīng)用領(lǐng)域占比主要用于科學(xué)研究鐵磁性材料定義和特征自發(fā)磁化、磁化強(qiáng)度大重要性工業(yè)應(yīng)用最廣泛的磁性材料應(yīng)用電機(jī)、變壓器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)亞鐵磁性材料亞鐵磁性材料具有不同大小的反平行磁矩，常見(jiàn)于鐵氧體反鐵磁性材料定義和特征相鄰原子磁矩大小相等方向相反奈爾溫度超過(guò)此溫度轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判匝芯恳饬x自旋電子學(xué)和量子計(jì)算的關(guān)鍵材料磁滯回線磁場(chǎng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度磁化過(guò)程磁疇理論解釋磁化機(jī)制的微觀理論疇壁移動(dòng)磁化初期的主要機(jī)制磁矩旋轉(zhuǎn)磁化后期的主要機(jī)制軟磁材料概述應(yīng)用領(lǐng)域變壓器、電機(jī)、傳感器核心特性高磁導(dǎo)率、低矯頑力主要類型硅鋼、鐵鎳合金、軟磁鐵氧體硅鋼片成分和制備鐵硅合金，含硅3-6.5%性能特點(diǎn)高磁導(dǎo)率，低鐵損主要應(yīng)用變壓器和電機(jī)鐵芯鐵鎳合金合金名稱成分比例特點(diǎn)坡莫合金Ni78Fe22高磁導(dǎo)率超坡莫合金Ni80Fe15Mo5低矯頑力因瓦合金Fe64Ni36低熱膨脹軟磁鐵氧體1結(jié)構(gòu)特點(diǎn)尖晶石或石榴石結(jié)構(gòu)2材料優(yōu)勢(shì)高電阻率，低渦流損耗3主要應(yīng)用高頻變壓器，電感器4發(fā)展趨勢(shì)高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，低損耗非晶態(tài)軟磁合金制備方法快速淬火技術(shù)材料特點(diǎn)無(wú)長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu)性能優(yōu)勢(shì)高磁導(dǎo)率，低矯頑力典型應(yīng)用高效變壓器，電磁屏蔽納米晶軟磁材料結(jié)構(gòu)特點(diǎn)晶粒尺寸10-30納米性能優(yōu)勢(shì)高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，低矯頑力應(yīng)用領(lǐng)域高頻變壓器，電流傳感器發(fā)展前景電動(dòng)汽車和新能源領(lǐng)域硬磁材料概述定義和特性高矯頑力高剩余磁感高磁能積應(yīng)用領(lǐng)域電機(jī)揚(yáng)聲器磁性存儲(chǔ)磁性器件鋁鎳鈷永磁合金8.0最大磁能積(MGOe)較低但穩(wěn)定性好850°C最高使用溫度高溫穩(wěn)定性極佳1930s發(fā)展年代最早的現(xiàn)代永磁材料鐵氧體永磁材料電機(jī)揚(yáng)聲器磁性元件磁療產(chǎn)品其他稀土永磁材料1966年YCo5系磁體發(fā)明1967年SmCo5磁體研發(fā)成功31983年釹鐵硼磁體問(wèn)世現(xiàn)在全球永磁市場(chǎng)主導(dǎo)者釤鈷永磁材料成分和制備釤和鈷的合金粉末冶金工藝性能特點(diǎn)高矯頑力優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性應(yīng)用領(lǐng)域航空航天軍事設(shè)備高溫環(huán)境釹鐵硼永磁材料發(fā)現(xiàn)和發(fā)展1983年由佐川真人發(fā)明性能指標(biāo)最高磁能積可達(dá)56MGOe主要應(yīng)用風(fēng)力發(fā)電、電動(dòng)汽車、消費(fèi)電子磁性材料的制備方法粉末冶金法磁粉制備成型燒結(jié)機(jī)械加工熔煉法熔體配料澆鑄熱處理成品加工磁性薄膜制備技術(shù)濺射沉積利用高能離子轟擊靶材電鍍法電解液中沉積磁性材料化學(xué)氣相沉積氣態(tài)前驅(qū)體反應(yīng)沉積磁性材料的表征技術(shù)磁性材料在電力電子中的應(yīng)用高效節(jié)能提高能源轉(zhuǎn)換效率核心元件變壓器和電感器磁芯3應(yīng)用領(lǐng)域電源、逆變器、變頻器磁性材料在電機(jī)中的應(yīng)用永磁電機(jī)使用永磁體產(chǎn)生磁場(chǎng)高效率、小體積應(yīng)用于電動(dòng)汽車、風(fēng)力發(fā)電異步電機(jī)使用軟磁材料制作轉(zhuǎn)子和定子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠工業(yè)應(yīng)用最廣泛磁性材料在信息存儲(chǔ)中的應(yīng)用磁帶最早的磁性存儲(chǔ)介質(zhì)硬盤(pán)目前主流大容量存儲(chǔ)設(shè)備MRAM新型非易失性磁存儲(chǔ)器磁性材料在傳感器中的應(yīng)用霍爾傳感器檢測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度變化磁阻傳感器磁場(chǎng)導(dǎo)致電阻變化磁通門(mén)傳感器高靈敏度磁場(chǎng)測(cè)量磁性材料在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用核磁共振成像利用強(qiáng)磁場(chǎng)和射頻無(wú)創(chuàng)成像診斷技術(shù)磁粒子熱療磁性納米粒子腫瘤靶向治療磁性藥物輸送磁控制藥物釋放提高治療效果磁性材料在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用風(fēng)力發(fā)電永磁同步發(fā)電機(jī)，高效發(fā)電電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)和傳感器系統(tǒng)太陽(yáng)能發(fā)電逆變器中的磁性元件能源存儲(chǔ)新型儲(chǔ)能裝置磁制冷技術(shù)磁熱效應(yīng)磁場(chǎng)變化導(dǎo)致溫度變化工作材料鎵基和鑭基合金環(huán)保優(yōu)勢(shì)無(wú)氟利昂，能效高發(fā)展現(xiàn)狀實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)階段4磁性材料與環(huán)境保護(hù)1廢水處理磁性吸附劑去除重金屬2空氣凈化磁性濾網(wǎng)捕獲微粒3油水分離磁性膜分離技術(shù)4污染物檢測(cè)磁性傳感器監(jiān)測(cè)環(huán)境磁性納米材料粒徑控制1-100納米尺度特性優(yōu)勢(shì)超順磁性，高比表面積制備方法化學(xué)共沉淀，溶膠-凝膠法應(yīng)用前景生物醫(yī)學(xué)，催化，環(huán)保多鐵性材料磁有序存在鐵磁或反鐵磁性電有序存在鐵電或反鐵電性彈有序存在鐵彈性應(yīng)用前景多功能器件，新型存儲(chǔ)器磁光材料原理和特性法拉第效應(yīng)克爾效應(yīng)光學(xué)特性受磁場(chǎng)調(diào)控應(yīng)用領(lǐng)域光隔離器光存儲(chǔ)光開(kāi)關(guān)磁場(chǎng)傳感器磁性形狀記憶合金3-6%最大應(yīng)變遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)壓電材料<1ms響應(yīng)時(shí)間超快響應(yīng)速度10^7循環(huán)壽命穩(wěn)定可靠的反復(fù)使用磁性液體磁性半導(dǎo)體概念和種類結(jié)合磁性和半導(dǎo)體特性制備方法分子束外延，離子注入研究意義自旋電子學(xué)基礎(chǔ)材料自旋電子學(xué)1邏輯器件自旋晶體管存儲(chǔ)器件MRAM，自旋轉(zhuǎn)移力矩基礎(chǔ)原理電子自旋控制和利用磁性材料的計(jì)算模擬精確度計(jì)算復(fù)雜度磁性材料的表面處理目的提高耐腐蝕性改善磁性能增強(qiáng)生物相容性方法電鍍物理氣相沉積有機(jī)涂層性能提升壽命延長(zhǎng)表面磁性控制功能化擴(kuò)展磁性材料的回收利用回收分類廢棄電機(jī)、硬盤(pán)、變壓器處理工藝破碎、分選、提純3再生應(yīng)用低等級(jí)磁體和合金原料磁性材料的標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)類型內(nèi)容制定機(jī)構(gòu)國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)GB/T3217國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)委行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T5761工信部國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC60404國(guó)際電工委員會(huì)磁性材料產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀中國(guó)日本歐洲美國(guó)其他磁性材料的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)高性能化更高磁能積和工作溫度多功能化磁電、磁熱、磁光復(fù)合功能綠色化減少稀土用量，環(huán)境友好微納化納米尺度和微結(jié)構(gòu)控制磁性材料與人工智能神經(jīng)形態(tài)計(jì)算磁性憶阻器模擬突觸功能量子計(jì)算自旋量子比特信息存儲(chǔ)非易失性存儲(chǔ)高速、低功耗計(jì)算架構(gòu)磁性材料與5G技術(shù)30GHz高頻應(yīng)用毫米波通信所需材料90%小型化率相比4G器件體積減小5倍性能提升高頻鐵氧體性能提升磁性材料的安全性問(wèn)題電磁輻射強(qiáng)磁場(chǎng)可能的生物效應(yīng)化學(xué)毒性某些磁性納米顆粒的潛在毒性環(huán)境影響生產(chǎn)和廢棄處理的污染問(wèn)題磁性材料的質(zhì)量控制關(guān)鍵參數(shù)磁性、微觀組織、物理性能測(cè)試方法磁性測(cè)量、顯微分析、成分檢測(cè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)可靠性評(píng)估老化試驗(yàn)、環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試磁性材料的專利分析磁性材料研究前沿1拓?fù)浯判圆牧洗判酝負(fù)浣^緣體，斯格明子高熵磁性合金多主元素合金設(shè)計(jì)3二維磁性材料單層磁性材料和異質(zhì)結(jié)構(gòu)量子磁性材料量子自旋液體，量子臨界性磁性材料與能源存儲(chǔ)超級(jí)電容器磁性納米復(fù)合電極材料提高能量密度和充放電速率燃料電池磁性催化劑提高電催化反應(yīng)效率儲(chǔ)氫材料磁性金屬氫化物可控氫吸附與釋放磁性材料在航空航天中的應(yīng)用磁性材料教育和人才培養(yǎng)課程設(shè)置材料科學(xué)、物理學(xué)、電子工程交叉實(shí)驗(yàn)教學(xué)材料制備、性能測(cè)試、應(yīng)用開(kāi)發(fā)人才需求跨學(xué)科背景，創(chuàng)新能力強(qiáng)磁