功能材料PPT课件.ppt

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1、功能材料功能材料Functional Materials 功能材料功能材料Functional Materials李建忱李建忱材料馆材料馆610室室第一节第一节 概述概述定义：定义：以特殊的电、磁、声、光、热、力、化学及生物学等性能作为主要性能指标的一类材料。是用于非结构目的高技术材料。1965年由美国贝尔实验室的J.A.Morton博士首先提出功能材料概念。内容内容 1-1功能材料在电力技术、电子信息技术、微电子技术、激光技术、空间技术、海洋技术等领域得到广泛应用。例：计算机的发展历史CPU1.电子管2.晶体管3.集成电路4.大规模集成电路现代微型计算机的功能与第一台大型电子管计算机相当，但

2、运算速度快几十 倍、体 积 仅 1/300,000、重 量 仅1/60,000。IBM研制的超级计算机的运算能力可达39,000次/s。（发热）材料：锗Ge半导体材料 硅Si半导体材料 硬化镓GaAs半导体材料功能材料的分类功能材料种类繁多，涉及面广，有多种分类方法。目前主要是根据材料的化学组成、应用领域、使用性能进行分类。研究背景研究背景 2-1功能材料的现状 近几年来，功能材料迅速发展，已有几十大类，10万多品种，且每年都有大量新品种问世。现已开发的以物理功能材料最多，主要有：1）单功能材料单功能材料，如：导电材料、介电材料、铁电材料、磁性材料、磁信息材料、发热材料、热控材料、光学材料、激

3、光材料、红外材料等。2）功能转换材料功能转换材料，如：压电材料、光电材料、热电材料、磁光材料、声光材料、电流变材料、磁敏材料、磁致伸缩材料、电色材料等。3）多功能材料多功能材料：如防振降噪材料、三防材料（防热、防激光和防核）、电磁材料等。4）复合和综合功能材料复合和综合功能材料，如：形状记忆材料、隐身材料、传感材料、智能材料、显示材料、分离功能材料、环境材料、电磁屏蔽材料等。5）新形态和新概念功能材料新形态和新概念功能材料，如：液晶材料、梯度材料、纳米材料、非平衡材料等。目前，化学和生物功能材料的种类虽较少，但其发展速度很快，其功能也更多样化。功能材料的展望展望21世纪，功能材料的发展趋势为：

4、1）开发高技术所需的新型功能材料，特别是尖端领域（航空航天、分子电子学、新能源、海洋技术和生命科学等）所需和在极端条件下（超高温、超高压、超低温、强腐蚀、高真空、强辐射等）工作的高性能功能材料；2）功能材料的功能从单功能向多功能和复合或综合功能发展，从低级功能向高级功能发展；3）功能材料和器件的一体化、高集成化、超微型化、高密积化和超分子化；4）功能材料和结构材料兼容，即功能材料结构化，结构材料功能化；5）进一步研究和发展功能材料的新概念、新设计和新工艺；6）完善和发展功能材料检测和评价的方法；7）加强功能材料的应用研究，扩展功能材料的应用领域，加强推广成熟的研究成果，以形成生产力。主要内容主

5、要内容u电功能材料u磁功能材料u热功能材料u光功能材料u其它功能材料简介第二节第二节 导电功能材料导电功能材料以特殊的电学性能或各种电效应作为主要性能指标的一类材料。半导体半导体材料材料超导超导材料材料电接点电接点（触头）（触头）材料材料导电导电材料材料电阻电阻材料材料第一节 固体导电性一、自由电子论(P.Drude,A.Lorentz)ne2L/2mv价电子参与导电无法解释低价金属导电性好？量子自由电子论（A.Sommerfeld)只有费米面的电子导电n为有效电子数无法解释电导率与温度的关系，导电性各向异性二、能带理论能带：指晶体中电子能量的本征值即不像孤立原子明显分立的电子能级，也不像无限

6、空间中自由电子所具有连续能级。满带：所有能级全部被电子添满。空带：所有能级全部都是空的。导带：部分电子的未满带价带：导带以下的第一个满带。导体：除了满带和空带外，还存在未满带绝缘体：没有未满带，更高能级全部为空带。半导体：能带添充同绝缘体，但能隙小。、近代电导理论晶格振动产生能量（热）声子。晶格振动形成的声子与电子发生相互作用引起电子散射，产生电阻。另外：晶体中的杂质和缺陷也引起电子散射，产生电阻。(T)=0+T (TD)(T)=0+T (T D)D德拜温度：当高于一特定温度后，摩尔热容接近一个常数（25J/mol K).低于此温度摩尔热容与T3成正比。导电材料的分类 按导电机理可分为：电子导

7、电材料和离子导电材料两大类。电子导电材料包括导体、超导体和半导体：10-710-610-510-410-310-210-1100101102103104105106电导率 S/m绝缘体半导体导体超导体：离子导电材料的导电机理源于离子的运动，由于离子的运动速度远小于电子的运动速度，因此其电导率较小，目前最高不超过102 S/m，一般在100 S/m以下。导体电阻率公式 电阻率公式：i取决于晶格缺陷的多少，缺陷越多，i越大，一般与温度无关；T取决于晶格的热振动。电阻率随着温度升高而升高，这是导体的一个特征。导体材料的种类导体材料按照化学成分主要有以下三种：（1）金属材料。电导率在107108 S/

8、m之间；银（6.63 107 S/m）、铜（5.85 107 S/m）和 铝 （3.45 107 S/m）（2）合金材料。电导率在105107 S/m之间；黄铜（1.60 107 S/m），镍铬合金（9.30 105S/m）（3）无机非金属材料。电导率在105108 S/m之间。石墨在基晶方向为2.5106 S/m。金属导电材料1、导电引线材料Au,Ag,Cu,Al,Fe合金:AlMg,AlMgSiFe,AlMgCuFe、导体布线材料薄膜导体材料：贵金属薄膜，复合薄膜材料电阻材料、精密电阻合金MnCu,康铜，性能（）低的电阻温度系数。（）良好的耐磨性和抗氧化性（）良好的加工性能和力学性能（）可

9、焊性好、电热电阻材料CuNi，NiCrFe,NiCr，NiCrAl,FeCrAl3、热敏电阻材料较大电阻温度系数NiCr,NiCrFe4、膜电阻材料厚膜电阻：厚膜杂化制造加工薄膜电阻：溅射、蒸发等真空镀膜制成。导体材料的应用金属导体材料主要用作：电缆材料、电机材料、导电引线材料、导体布线材料、辐射屏蔽材料、电池材料、开关材料、传感器材料、信息传输材料、释放静电材料和接点材料等，还可以作成各种金属填充材料和金属复合材料。合金导体材料主要用作电阻材料和热电偶材料，如铂铑-铂热电偶等。非金属导体材料主要用作耐腐蚀导体和导电填料。半导体材料半导体材料半导体材料半导体材料u导导电电性性能能介介于于金金属

10、属和和绝绝缘缘体体之之间间；（10-7104）u具具有有负负的的电电阻阻温温度度系系数数。（导体具有正的电阻温度系数）基本概念基本概念当当大大量量原原子子结结合合成成晶晶体体时时（如如，1019个个原原子大约可形成子大约可形成1mm3的晶体）的晶体）由由于于相相邻邻原原子子电电子子云云相相互互交交叠叠，对对应应于于孤孤立立原原子子中中的的每每一一能能级级都都将将分分裂裂成成有有一一定定能能量量宽度的宽度的能带能带。（1）能带）能带 Energy Band（一）半导体的能带结构(2)带隙带隙 Band Gap 能带之间的区域能带之间的区域（3）禁带）禁带 Forbidden Band 带隙不存在

11、电子的能级带隙不存在电子的能级（4）价带价带 ValenceValence Band 对应价电子能级的能带对应价电子能级的能带(5)空带空带 Empty Gap 价带上面的能带价带上面的能带（6）导带）导带 Conduction Band 最靠近价带的空带最靠近价带的空带（7）满带）满带 Filled Band 价带被电子填满价带被电子填满u导体的能带中都有末被填满的价带，在外电场的作用下，电子可由价带跃迁到导带，从而形成电流。u绝缘体的能带结构是满带与导带之间被一个较宽的禁带所隔开，在常温下几乎很少有电子可以被激发越过禁带，因此其电导率很低。半导体能带结构下面是价带，其价带是充满了电子，因此

12、是一个满价带。上面是导带，而导带是空的。满价带和空导带之间是禁带，其禁带宽度比较窄，一般在1ev左右。价带中的电子受能量激发后，如果激发能大于Eg，电子可以从价带跃迁到导带上，同时在价带中留下一个空的能级位置-空穴。半导体的导电机理半导体价带中的电子受激发后从满价带跃到空导带中，跃迁电子可在导带中自由运动，传导电子的负电荷。同时，在满价带中留下空穴，空穴带正电荷，在价带中空穴可按电子运动相反的方向运动而传导正电荷。因此，半导体的导电来源于电子和空穴的运动，电子和空穴都是半导体中导电的载流子。（二）典型半导体材料及其应用1.元素半导体 高纯度、无缺陷的高纯度、无缺陷的元素半导体。杂质浓度元素半导

13、体。杂质浓度小于小于10-9 在在本本征征半半导导体体中中有有意意加加入入少少量量的的杂杂质质元元素素，以以控控制制电导率，形成杂质半导体。电导率，形成杂质半导体。本征半导体广泛研究的元素是Si、Ge和金刚石。金刚石可看作是碳元素半导体，它的性质是1952年由Guster发现的。除了硅、锗、金刚石外，其余的半导体元素一般不单独使用。因为本征半导体单位体积内载流子数目比较少，需要在高温下工作电导率才大，故应用不多。杂质半导体利用将杂质元素掺入纯元素中，把电子从杂质能级（带）激发到导带上或者把电子从价带激发到杂质能级上，从而在价带中产生空穴的激发叫非本征激发或杂质激发。这种半导体叫杂质半导体。杂质

14、半导体本身也存在本征激发，一般杂质半导体中掺杂杂质的浓度很低，如十亿分之一就可达到目的。掺掺杂杂原原子子的的价价电电子子多多于于纯纯元元素素的的价价电电子子，又又称称施施主型半导体主型半导体掺掺杂杂原原子子的的价价电电子子少少于于纯纯元元素素的的价价电电子子，又称受主型半导体又称受主型半导体杂质半导体un型半导体型半导体（电子型，施主型）A族元素（C、Si、Ge、Sn）中掺入以VA族元素（P、As、Sb、Bi）后，造成掺杂元素的价电子多于纯元素的价电子，其导电机理是电子导电占主导，这类半导体是n型半导体。up型半导体型半导体（空穴型，受主型）A族元素（C、Si、Ge、Sn）中掺入以A族元素（如

15、B）时，掺杂元素的价电子少于纯元素的价电子，它们的原子间生成共价键以后，还缺一个电子，而在价带其中产生空穴。以空穴导电为主，掺杂元素是电子受主，这类半导体是p型半导体。杂质半导体的能带结构N型半导体逾量电子处于施主能级，施主能级与导带底能级之差Ed远小于禁带宽度Eg（相差近三个数量级）。因此，杂质电子比本征激发更容易激发到导带。例如Si掺杂十亿分之一As时，其Eg为1.610-19 J，Ed为6.410-21 J。Ge掺杂十亿分之一Sb时，其Eg为1.1510-19 J，Ed为1.610-21 J。P型半导体逾量空穴处于受主能级。由于受主能级与价带顶端的能隙Ea远小于禁带宽度Eg，价带上的电子

16、很容易激发到受主能级上，在价带形成空穴导电。2.化合物半导体化合物半导体二元化合物二元化合物 GaAs（砷化镓）、（砷化镓）、CdS镉、镉、SiC、GeS锗、锗、AsSe3硒等。硒等。三元化合物三元化合物 AgGeTe2、AgAsSe2、CuCdSnTe4等（碲）等（碲）GaAs制备制备发光二极管发光二极管隧道二极管隧道二极管3.固溶体半导体固溶体半导体由两种或多种元素或化合物互溶而成的。由两种或多种元素或化合物互溶而成的。二元系固溶体半导体二元系固溶体半导体 Bi-Sb三元系固溶体半导体三元系固溶体半导体 （碲镉汞）（碲镉汞）Hg1-xCdxTe （镓砷磷）（镓砷磷）GeAs1-xPx最最重

17、重要要的的红红外外探探测测器材料器材料用用于于高高速速响响应器件、应器件、光通信等光通信等半导体材料的应用1、半导体材料在集成电路上的应用：最早用锗单晶制造二极管和三极管；现在发展硅器件，以硅单晶为基材的集成电路在电子器件中占主导地位。化合物半导体砷化镓做微波、超高频晶体管等；2、半导体在光电子器件、微波器件和电声耦合器上的应用：发光管、激光器、光电池、光集成等；3、半导体材料在传感器上的应用：半导体传感器二、超导材料二、超导材料超导材料的定义1911年荷兰Leiden大学Kamerlingh Onnes 在研究极低温度下金属导电性时发现，当温度降到4.2K时，汞的电阻率突然降低到接近于零。这

18、种现象称为汞的超导现象。从此，超导材料的研究引起了广泛的关注，现已发现了上千种超导材料。定义：超超导导电电现现象象：材料的电阻随温度降低而减小并最终出现零电阻的现象。超导体超导体：低于某一温度出现超导电性的物质。（一）超导体的基本特性特性一：完全导电性（零电阻）完全导电性（零电阻）File和Mills利用精确核磁共振方法测量超导电流产生的磁场，来研究螺线管内超导电流的衰变，得出的结论是超导电流的衰变时间不短于10万年。特性二：完全抗磁性完全抗磁性 处于超导状态的金属，不管其经历如何，磁感应强度B始终为零。这一现象为迈斯纳（Meissner）1933年发现，称为迈斯纳效应。磁力线不能进入超导体内

19、部超导体的基本特性特性三：临界温度（临界温度（Tc）、）、临界磁场（临界磁场（Hc）、）、临临界电流界电流J JC C是约束超导现象的三大临界条件。是约束超导现象的三大临界条件。当温度超过临界温度时，超导态就消失；同时，当超过临界电流或者临界磁场时，超导态也会消失，三者具有明显的相关性。只有当上述三个条件均满足超导材料本身的临界值时，才能发生超导现象（由Tc、Hc，Jc形成的闭合曲面内为超导态）。超导体的基本特性特性四：约瑟夫森（约瑟夫森（B D Josephson）效应效应 （承担超导电的超导电子还可以穿越极薄绝缘体势垒）经典力学中，若两个区域被一个势垒隔开，则只有粒子具有足够的能量时，其才

20、会从一个区域进入另一个区域。量子力学中，粒子具有足够的能力不再是一个必要条件，一个能量不太高的粒子也可能会以一定的概率“穿过”势垒，即所谓的“隧道效应”。（约瑟夫森语言并被后人证实）超导体的种类（按迈斯纳效应分）按照迈斯纳（按照迈斯纳（Meissner）效应分类：第一类超导体和第二类超导体效应分类：第一类超导体和第二类超导体u第一类超导体（软超导体）当H HC 时，BH第一类超导体只有一个临界磁场，即HC 只有一个特征值。除钒、铌、钌外，元素超导体都是第一类超导体超导体的种类（按迈斯纳效应分）u第二类超导体（硬超导体）当H HC1 时，B0，处于迈斯纳状态，完全抗磁当Hc1H HC2 时，BH

21、钒钒、铌铌以以及及大大多多数数合合金金或或化化合合物物超超导导体体均均属属于于第第二类二类（二）超导材料u元素超导体u合金超导体u金属间化合物超导体u陶瓷超导体u高分子超导体在低温常压下，具有超导特性的化学元素共有26种，由于临界温度太低，无太大实用价值Nb的Tc最高，仅为9.26K1.元素超导体2.合金超导体合金超导体合金超导体是机械强度最高、应力应变较小、磁场强度低、临界电流密度高的超导体，在早期得到实际应用。超导合金主要有Ti-V、Nb-Zr、Mo-Zr、Nb-Ti等合金系，其中Ge-Nb3的临界温度最高（23.2K）。3.金属间化合物超导体金属间化合物超导体金属间化合物超导体的临界温度

22、与临界磁场一般比合金超导体的高，但此类超导体的脆性大，不易直接加工成带材或线材。1986年发现了陶瓷超导体，使超导材料获得了更高的临界温度，如YBaCuO（Tc90K）、TiBaCaCuO（Tc120K）等。最大缺点为脆性大，加工困难。高温超导材料：Tc77K（液N温度）4.陶瓷金超导体陶瓷金超导体中国制造中国制造 Made in China2002年年1月月 长长116m，宽，宽3.6mm，厚，厚0.28 mm 铋系高铋系高温超导带材试制成功。温超导带材试制成功。2002年年4月月 340m 长的铋系高温超导导线试制成功。长的铋系高温超导导线试制成功。已达到了国际先进水平已达到了国际先进水平

23、5.高分子超导体高分子超导体高高分分子子材材料料通通常常为为绝绝缘缘体体，但但在在数数亿亿帕气压作用下也可以转变成为超导体。帕气压作用下也可以转变成为超导体。如：四硫富瓦稀四腈代对苯醌二甲烷目目前前高高分分子子超超导导体体的的最最高高临临界界温温度度仅仅仅达到仅达到10K（三）超导材料的应用超导的应用，基本上可以分为强电强磁和弱电弱磁两大类。（1）超导强电强磁应用 主要基于超导体的零电阻特性和完全抗磁性以及非理想第二类超导体所特有的高临界电流密度和高临界磁场。主要应用在电力方面如超导电缆、超导磁体（如超导磁悬浮列车）、巨大环形超导磁体、超导磁分离等。（2）超导弱电弱磁的应用 基于Josephs

24、on效应为基础，建立极灵敏的电子测量装置为目标的超导电子学，发展了低温电子学。如超导量子干涉器件是一种高灵敏度的测量装置，主要功能是测量磁场。它可以在电工仪表、医学、生物、资源开发、环境保护、固体材料、地球物理等领域应用。1.电力输送与储存电力输送与储存目目前前有有大大约约30%的的电电能能损损耗耗在在输输电电线线路路上上，采采用用超超导导体体输输电电，可可大大大大减减少少损损耗耗，且且省省去去了了变变压压器器和变电所。和变电所。使使用用巨巨大大的的超超导导线线圈圈，经经供供电电励励磁磁产产生生磁磁场场而而储储存存能能量量。超超导导磁磁储储能能系系统统所所存存能能量量几几乎乎可可以以无无损损耗

25、的储存下去，其转换率可高达耗的储存下去，其转换率可高达95%。超导材料的应用实例2.磁流体发电磁流体发电化学能化学能热能热能机械能机械能电能电能火力发电火力发电热能热能电能电能磁流体发电磁流体发电3.磁悬浮列车磁悬浮列车时速时速 400 500km.4.超导计算机超导计算机速度是计算机永远追求的主题速度是计算机永远追求的主题三、电接点（触头）材料三、电接点（触头）材料电电接接点点是是建建立立和和解解除除电电接接触触的的导导电电构构件件，广广泛泛应应用用于于电电力力系系统统、电电器器装装置置，仪器仪表、电信和电子设备。仪器仪表、电信和电子设备。按按电电负负荷荷的的大大小小，电电接接点点分分为为：

26、强强电、中电和弱电。电、中电和弱电。（一）（一）强电接点材料强电接点材料电负荷大，要求电接点材料：接触电阻低、电负荷大，要求电接点材料：接触电阻低、耐电蚀、耐磨损、高的耐电压强度、良好的来耐电蚀、耐磨损、高的耐电压强度、良好的来电弧能力，一定的机械强度。电弧能力，一定的机械强度。一般采用合金材料。一般采用合金材料。u空气开关接点材料空气开关接点材料 银系合金银系合金：Ag-CdO、Ag-Fe、Ag-W、Ag-石墨等。石墨等。铜系合金铜系合金 如：如：Cu-W、Cu-石墨石墨u真空开关接点材料真空开关接点材料 Cu-Bi-Ce、Cu-Fe-Ni-Co-Bi、W-Cu-Bi-Zr合金等合金等（二）

27、弱电接点材料（二）弱电接点材料弱弱电电接接点点电电负负荷荷及及机机械械负负荷荷都都很很小小，要要求求接接点点材材料料有有极极好好的的导导电电性性、极极高高的的化化学学稳稳定定性性、良良好好的抗电火花烧损性和耐磨性。的抗电火花烧损性和耐磨性。大多用贵金属合金材料。大多用贵金属合金材料。常用的弱电接点材料有：常用的弱电接点材料有：Au系系（金）（金）Ag系系（银）（银）Pt系（铂）系（铂）Pd系（钯）系（钯）（三）复合接点材料（三）复合接点材料通过合理工艺将贵金属接点材通过合理工艺将贵金属接点材料与非贵金属基体材料结合在一料与非贵金属基体材料结合在一起，起，国外国外90%以上的弱电接点采用以上的弱

28、电接点采用复合接点材料。复合接点材料。磁功能材料磁功能材料第三章第三章 磁性功能材料磁性功能材料磁性功能材料磁性功能材料 磁性材料指那些有实际工程意义具有较强磁性的材料。是最古老的功能材料。公元前几世纪人类就发现自然界中存在天然磁体，磁性(Magnetism)一词就因盛产天然磁石的Magnesia地区而得名。早期的磁性材料主要是软铁、硅钢片、铁氧体等。二十世纪六十年代起，非晶态软磁材料、纳米晶软磁材料、稀土永磁材料等一系列的高性能磁性材料相继出现。磁性材料广泛应用于计算机及声像记录用大容量存储装置如磁盘、磁带，电工产品如变压器、电机，以及通讯、无线电、电器和各种电子装置中，是电子和电工工业、机

29、械行业和日常生活中不可缺少的材料之一，本章主要内容本章主要内容 磁学理论 物质的磁性、磁性的基本物理量 磁性材料分类 软磁材料、永磁材料、半硬磁 材料 磁性材料的基本性能与应用第三章第三章 磁性功能材料磁性功能材料简介磁性是物质的基本属性之一。磁性现象是与各种形式的电荷运动相关联的，由于物质内部的电子运动和自旋会产生一定大小的磁场，因而产生磁性。一切物质都具有磁性。但磁性材料通常是指那些在实际工程意义上具有较强磁性的材料。磁性材料是电子工业的重要基础功能材料，广泛应用于计算机、电子器件、通讯、汽车和航空航天等工业领域，随着世界经济和科学技术的迅猛发展，磁性材料的需求将空前广阔。当前我国磁性材料

30、的发展居世界之首，已经成为世界上永磁材料生产量最大的国家。基本概念 “磁磁”来源于电。一个环形电流在其运动中心产生的磁矩为P=is，i为电流强度，s为环形回路所包围的面积。原子内的电子做循轨运动和自旋运动，这必然产生磁矩，产生的磁矩分别称为轨道磁矩P1和自旋磁矩Ps。原子核虽然也产生磁矩，但它的值比电子磁矩小三个数量级，一般情况下可忽略不计。因此，原子磁矩的产生是电子的循轨运动、电子自旋这二者组合的结果。基本概念磁场强度（磁场强度（H）：）：指空间某处磁场的大小，单位：安/米；磁磁化化强强度度（M）：物质的磁性来源于内部的磁矩，只有当内部磁矩同向有序排列时才对外显示强磁性。单位体积内磁矩矢量和

31、称为M，单位：安/米；磁磁感感应应强强度度（B）：物质在外磁场作用下，其内部原子磁矩的有序排列还将产生一个附加磁场。在磁性材料内部外加磁场与附加磁场的和，称为磁感应强度。B=0(H+M)，0是一个系数，叫做真空磁导率。磁感应强度又称为磁通密度，单位是特斯拉（T）；磁磁导导率率（）：=B/H，是磁化曲线上任意一点上B和H的比值。导磁率实际上代表了磁性材料被磁化的容易程度，或者说是材料对外部磁场的灵敏程度；磁化率（磁化率（）：）：磁化强度与磁场强度的比值，=M/H。磁滞回线在外加磁场的作用下磁体会被磁化，磁体内部的磁感应强度B随外磁场H的变化是非线性的，当H减少为零时，B并未回到零值，出现剩磁Br

32、磁感应强度滞后于磁场强度变化的性质称为磁滞性。图为磁性物质的磁滞曲线；要使剩磁消失，通常需进行反向磁化。将 B=0时的 H 值称为矫顽磁力 Hc；Br称为剩余磁感应强度，Bs称为最大磁感应强度（饱和磁感应强度）。BsBrHcBHO3.1 3.1 磁学基础磁学基础物质的磁性物质的磁性(一一)物质的磁性物质的磁性将一个面积为（A)、通有电流（Is)的环型导体放入磁场中，该环型导体将会在磁场（H)的作用下发生偏转，即环型导体受到力矩的作用。力矩（M)的大小可由下式表示：M M Is x A x H H 定义Pm=Is x A为通过电流为Is、面积为A的环型导体的磁矩。IsI原子内的电子做循轨运动和

33、自旋运动，所以必然产生磁矩。前者称为轨道磁矩，后者称为自旋磁矩。电子的循轨磁矩 Pl=电子的自旋磁矩 Ps=e：单位电荷；h:普朗克常数；m:电子质量；l:轨道量子数；s:自旋量子数。原子核的磁矩比电子磁矩小三个数量级，一般情况下可忽略不计。3.1 3.1 磁学基础磁学基础物质的磁性物质的磁性物质磁性具有普遍性3.1 3.1 磁学基础磁学基础物质的磁性物质的磁性电子的循轨磁矩电子的循轨磁矩原子磁矩物质磁性原子磁矩物质表现何种磁性原子磁矩间相互作用外加磁场的作用3.1 3.1 磁学基础磁学基础物质的磁性物质的磁性细菌细胞中的磁力线200nm的Co粒子中的磁力线3.1 3.1 磁学基础磁学基础物质

34、的磁性物质的磁性磁场强度：电流强度为 I 的电流在一个每米有N匝线圈的无限长螺旋管轴线中央产生的磁场强度 H 为：H=N x I A/m（安/米）距离永磁体r处的磁场强度 H 为：H=km1r0/r2 H/m（亨利/米）m1为磁极的磁极强度，单位为Wb(韦伯)；r0是r的矢量单位；磁化强度(M):单位体积磁性材料内各磁畴磁矩的矢量和，单位为A/m。磁感应强度(B):物质在外磁场作用下，其内部原子磁矩的有序排列还将产生一个附加磁场。在磁性材料内部外加磁场与附加磁场的和,单位为T（特斯拉）。（二）基本磁性参量二）基本磁性参量B=H+M3.1 3.1 磁学基础磁学基础物质的磁性物质的磁性磁导率和磁化

35、率磁导率和磁化率在真空中磁感应强度B与磁场强度H间的关系为：B=0H 在磁性材料中：B=0（H+M）在均匀的磁性材料中，上式的矢量和可改成代数和：B=0（H+M）磁性材料的磁导率定义为磁感应强度与磁场强度之比：=B/H 0:真空磁导率;:绝对磁导率，单位为 H/m，r:相对磁导率 r=/0 磁化率定义为磁化强度与磁场强度之比：=M/H (三）物质磁性的分类三）物质磁性的分类3.1 3.1 磁学基础磁学基础物质的磁性物质的磁性物质磁性分类顺磁性被磁化后，磁化场方向与外场方向相同，：1 104 铁磁性被磁化后，磁化场方向与外场方向相同，：10-3-10-6被磁化后，磁化场方向与外场方向相反，：（1

36、0-5 10-6）抗磁性与外加磁场的关系顺磁性起因于原子或分子磁矩，在外加磁场作用下趋于沿外场方向排列，使磁质沿外场方向产生一定强度的附加磁场。顺磁性是一种弱磁性。顺磁性材料多用于磁量子放大器和光量子放大器，在工程上的应用极少。顺磁金属主要有Mo，Al，Pt，Sn等。3.1 3.1 磁学基础磁学基础物质的磁性物质的磁性抗磁性是由于外磁场作用下，原子内的电子轨道绕场向运动，获得附加的角速度和微观环形电流，从而产生与外磁场方向相反的感生磁矩。原子磁矩叠加的结果使宏观物质产生与外场方向相反的磁矩。由于属于此类的物质有C，Au，Ag，Cu，Zn，Pb等。3.1 3.1 磁学基础磁学基础物质的磁性物质的

37、磁性HmmDmkkDkDkDm产生抗磁性的原理产生抗磁性的原理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质是否表现出抗磁性要看物质的抗磁场是否大于其顺磁场物质内部原子磁矩的排列a:顺磁性 b:铁磁性 c:反铁磁性 d:亚铁磁性 3.1 3.1 磁学基础磁学基础物质的磁性物质的磁性由于原子间的交换作用使原子磁矩发生有序的排列，产生自发磁化，铁磁质中原子磁矩都平行排列（在绝对零度时)3.1 3.1 磁学基础磁学基础物质的磁性物质的磁性铁磁质：铁磁质：磁矩的有序排列随着温度升高而被破坏，温度达到居里温度（Tc）以上时有序全部被破坏，磁质由铁磁性转为顺磁性。Tc是材料的M-T曲

38、线上MS20对应的温度。顺磁质：顺磁质：朗之万（Langevin）顺磁性：磁化率服从居里(Curie)定律，即：=c/T。泡利（Pauli）顺磁性：服从居里-外斯（Curie-Weiss）定律，即：=C/(T-Tc)。（四）温度对物质磁性的影响（四）温度对物质磁性的影响Tc3.1 3.1 磁学基础磁学基础物质的磁性物质的磁性(四）磁各向异性四）磁各向异性 磁性材料在不同方向上具有不同磁性能的特性。包括：磁晶各向异性，形状各向异性，感生各向异性和应力各向异性等。单晶体的易磁化和难磁化方向 3.1 3.1 磁学基础磁学基础物质的磁性物质的磁性（五）磁致伸缩（五）磁致伸缩磁性材料磁化过程中发生沿磁化

39、方向伸长(或缩短)，在垂直磁化方向上缩短(或伸长)的现象，叫做磁致伸缩。它是一种可逆的弹性变形。材料磁致伸缩的相对大小用磁致伸缩系数表示，即：=l/l 式中，l和l分别表示磁场方向的绝对伸长与原长。在发生缩短的情况下，l为负值，因而也为负值。当磁场强度足够高，磁致伸缩趋于稳定时，磁致伸缩系数称为饱和磁致伸缩系数，用s表示。对于3d金属及合金:s约为 10-510-6。3.1 3.1 磁学基础磁学基础磁化磁化过程与技程与技术 磁参量磁参量 (一一)磁畴结构磁畴结构在铁磁性材料中，原子磁矩平行排列，以使交换作用能最低。但大量原子磁矩的平行排列增大了体系的退磁能，因而使一定区域内的原子磁矩取反平行排

40、列，出现了两个取向相反的自发磁化区域，降低退磁能，直至形成封闭畴。每一个磁矩取向一致的自发磁化区域就叫做一个磁畴。立方结构单晶铁磁材料的磁畴结构示意图3.1 3.1 磁学基础磁学基础磁化磁化过程与技程与技术 磁参量磁参量 Co中的磁畴结构磁畴结构包括磁畴和畴壁两部分。磁畴的体积为10-110-6cm3。畴壁是指磁畴交界处原子磁矩方向逐渐转变的过渡层3.1 3.1 磁学基础磁学基础磁化磁化过程与技程与技术 磁参量磁参量 畴壁布洛赫(Bloch)磁畴壁畴壁两侧的原子磁矩的旋转平面与畴壁平面平行，两个畴的磁化方向相差180 奈耳（Neel）磁畴壁畴壁内原子磁矩的旋转平面与两磁畴的磁矩在同一平面平行于

41、界面3.1 3.1 磁学基础磁学基础磁化磁化过程与技程与技术 磁参量磁参量 布洛赫奈尔壁3.1 3.1 磁学基础磁学基础磁化磁化过程与技程与技术 磁参量磁参量 磁化过程：磁性材料在外磁场作用下由宏观的无磁状态转变为有磁状态的过程。磁化是通过磁畴的运动来实现。（二）磁畴移动与（二）磁畴移动与磁化过程磁化过程受外磁场作用时，畴内整齐排列在易磁化方向上原子磁矩一致地偏离易磁化方向而向外磁场方向转动。外场愈强，材料的磁各向异性愈弱，则磁矩就愈偏向外场方向。运动方式转动移动各磁畴内部的磁矩平行或反平行于外加磁场，不受这一磁场的力矩。而畴壁附近的磁矩方向发生改变，使畴壁产生横向移动。3.1 3.1 磁学基

42、础磁学基础磁化磁化过程与技程与技术 磁参量磁参量 畴壁的移动 磁畴的转动 3.1 3.1 磁学基础磁学基础磁化磁化过程与技程与技术 磁参量磁参量 （三）磁化曲线（三）磁化曲线 磁化过程四阶段：（1）M随H呈线性地缓慢增长，可逆畴壁移动过程。（2）M随H急剧增长，不可逆畴壁移动过程，的巴克豪森（Barkhausen）跳跃。（3）M的增长趋于缓慢。磁畴的磁化矢量已转到最接近H方向，M的增长主要靠可逆转动过程来实现。（4）磁化曲线极平缓地趋近于水平线而达到饱和状态。3.1 3.1 磁学基础磁学基础磁化磁化过程与技程与技术 磁参量磁参量 (四）磁性材料的技术磁参量四）磁性材料的技术磁参量技技术术磁磁参

43、参量量内禀磁参量:MS、Tc外禀磁参量:Hc、Mr或Br、磁导率、损耗、磁能积MS:饱和磁化强度Hc：矫顽力Mr或Br：剩磁主要取决于材料的化学成分对材料结构（如晶粒尺寸、晶体缺陷、晶粒取向等）敏感，可以通过适当的工艺改变损耗：软磁材料磁化一周总的能量损耗W，由涡流损耗，磁滞损耗Wh和剩余损耗Wr三部分组成，通常以每公斤材料损耗的功率表示，即:W=We+Wh+Wr We：在交变磁化条件下，材料垂直于磁场的平面内产生的涡流引起发热产生的损耗。循环磁化一周的涡流损耗与材料的电阻率、厚度D、磁感变化幅度Bm关系如下:WeD2Bm2/Wh：在循环磁化条件下，材料每循环磁化一周所消耗的能量，它也以热的形

44、式表现出来，其大小与磁滞回线的面积呈正比。Wr：从总损耗中扣除涡流损耗和磁滞损耗所剩的部分3.1 3.1 磁学基础磁学基础磁化磁化过程与技程与技术 磁参量磁参量 3.1 3.1 磁学基础磁学基础磁化磁化过程与技程与技术 磁参量磁参量 磁能积（BH）：磁铁在气隙空间所建立的磁能量密度。永磁体均在开路状态下使用，作为磁场源或动作源。主要作用是在磁铁的两磁极空间(或称空气隙)产生磁场Hg。Hg=(BmHmVm/0Vg)1/2 式中Vm、Bm和Hm分别是磁铁的体积、磁感强度和磁场强度，Vg、Hg是气隙的体积和磁场强度。磁场强度（Hg）除与磁体的体积及气隙体积有关外，主要取决于磁体的磁能积（BH）。最大

45、磁能积（BH）max：退磁曲线上磁能积最大的一点，工程应用中通常将(BH)max称为磁能积。对通常的永磁体的应用而言，Hg越大越好。因此、在设计磁铁时，应使其工作点在图中的D点附近。同时、(BH)max越大，Hg也越大。(BH)max越高，所需要的磁体体积就越小(BH)max的大小取决于磁感矫顽力Hc、剩磁Br和隆起系数，即:(BH)max=BrHCB 3.1 3.1 磁学基础磁学基础磁化磁化过程与技程与技术 磁参量磁参量 永磁材料的退磁曲线与磁能积(密度)曲线 3.1 3.1 磁学基础磁学基础磁化磁化过程与技程与技术 磁参量磁参量 磁滞回线族 3.1 3.1 磁学基础磁学基础磁化磁化过程与技

46、程与技术 磁参量磁参量 （五）（五）磁性材料的稳定性磁性材料的稳定性衡量磁性材料的磁参量随外界因素作用产生的变化，主要考虑Br和Hc。（1）温度稳定性：磁性能随温度的变化。（2）时间稳定性：在某一特定工作环境下长期工 作过程中磁性随时间的变化。（3）化学稳定性：在腐蚀介质的环境中磁性随时 间的变化。显微组织变化引起的组织时效性能不稳定的原因磁畴结构变化引起的磁时效可逆，再次充磁时材料能恢复原来的磁性不可逆 3.1 3.1 磁学基础磁学基础磁磁性材料分类性材料分类按矫顽力分类软磁材料半硬磁材料硬（永）磁材料Hc1000A/m(12.5Oe)按用途分类铁芯材料磁记录材料磁头材料磁致伸缩材料磁屏蔽材

47、料变压器、继电器录音机通讯仪器、电器磁带、磁盘传感器磁性材料的分类根据滞回曲线和磁化曲线的不同，分成三类：(1)软磁材料其矫顽磁力较小，磁滞回线较窄。(铁心)(2)硬磁材料其矫顽磁力较大，磁滞回线较宽。(磁铁)(3)矩磁材料其剩磁大而矫顽磁力小，磁滞回线为矩形。(记忆元件)HBHBHB3.1 3.1 磁学基础磁学基础磁磁性材料分类性材料分类主要磁性材料分类3.2 3.2 软磁材料软磁材料用途：发电机、电动机、变压器、电磁铁、各类继电器与电感、电抗器的铁心；磁头与磁记录介质；计算机磁心等。要求：高的饱和磁感应强度、高的最大磁导率、高的居里温度和低的损耗。分类：高磁饱和材料，中磁饱和中导磁材料，高

48、导磁材料，高硬度、高电阻、高导磁材料，矩磁材料，恒磁导率材料，磁温度补偿材料，磁致伸缩材料。软磁材料定义定义：指在外磁场作用下，很容易磁化，去掉指在外磁场作用下，很容易磁化，去掉外磁场时又很容易去磁的磁性材料。外磁场时又很容易去磁的磁性材料。软磁材料的特性软磁材料的特性高的磁导率和磁感应强度；矫顽力和磁滞损耗低；（矫顽力一般小于1kA/m）电阻率较高，反复磁化和退磁时产生的涡流损耗小。3.2 3.2 软磁材料软磁材料铁芯材料铁芯材料用途：变压器、电机与继电器的铁(磁)心。要求：低的矫顽力、高的磁导率和低的铁损。主要材料：高磁饱和材料(Bs为2T左右)，如工业纯铁、电工硅钢片、非晶态软磁合金和铁

49、钴合金；中磁饱和中导磁材料；高导磁材料如坡莫合金等；恒磁导率材料；以及铁粉心型材料与氧化物粉心材料等（一）工业纯铁资源丰富、价格低廉，具有良好的可加工性。早在1890年热轧纯铁就用于制造电机和变压器铁芯。是直流技术中非常重要的高磁饱和材料，主要用于制造电磁铁的铁心、极头与极靴；继电器和扬声器的磁导体；电话机的振动膜；电工仪器仪表及磁屏蔽元件等。3.2 3.2 软磁材料软磁材料非晶非晶态、微晶与、微晶与纳米米 晶晶软磁合金磁合金 最常见的是电磁纯铁，名称为电铁(代号DT)，含碳量低于0.04%的Fe-C合金，Bs达2.15T，其供应状态包括锻材、管材、圆棒、薄片或薄带等。去应力退火：消除加工应力

50、保护条件下860930，保温4小时后随炉冷却。去除杂质处理：纯铁中的杂质（C，Mn，Si，P，S，N等）会显著降低材料的磁导率和矫顽力。通过去杂质退火处理来降低材料中杂质的含量。在纯干燥氢气或真空(10-2帕以下)中，于12001300温度保温510小时。3.2 3.2 软磁材料软磁材料铁芯材料铁芯材料工业纯铁的热处理：纯铁材在加工成元件后必须经过热处理才能获得好的软磁性能3.2 3.2 软磁材料软磁材料铁芯材料铁芯材料人工时效处理：克服纯铁严重的自然磁时效现象，为保持纯铁元件的磁稳定性，须在热处理后进行100，保温100小时的人工时效处理。或选择低时效敏感性的材料。纯铁的自然磁时效现象：即