功能材料概論個(gè)人整理版(考試專用)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上第一章 功能材料概論 功能材料的定義功能材料指以特殊的電、磁、聲、光、熱、力、化學(xué)及生物學(xué)等性能作為主要性能指標(biāo)的一類材料 。 功能材料的特征1）功能材料的功能對應(yīng)于材料的微觀結(jié)構(gòu)和微觀物體的運(yùn)動(dòng)，是最本質(zhì)的特征。2）功能材料的聚集態(tài)和形態(tài)非常多樣化，除晶態(tài)外，還有氣態(tài)、液態(tài)、液晶態(tài)、非晶態(tài)、混合態(tài)和等離子態(tài)。除三維材料外，還有二維、一維和零維材料。3）結(jié)構(gòu)材料常以材料形式為最終產(chǎn)品，而功能材料有相當(dāng)一部分是以元件形式為最終產(chǎn)品，即材料元件一體化。4）功能材料是利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，多學(xué)科交叉的知識密集型產(chǎn)物。5）功能材料的制備技術(shù)不同于結(jié)構(gòu)材料用的傳統(tǒng)技術(shù)，而是采用許多

2、先進(jìn)的新工藝和新技術(shù)，如急冷、超凈、超微、超純、薄膜化、集成化、微型化、智能化以及精細(xì)控制和檢測技術(shù)。功能材料的分類功能材料種類繁多，涉及面廣，有多種分類方法。目前主要是根據(jù)材料的化學(xué)組成、應(yīng)用領(lǐng)域、使用性能進(jìn)行分類。 按化學(xué)組成：金屬功能材料、陶瓷功能材料、高分子功能材料、復(fù)合功能材料按應(yīng)用領(lǐng)域: 電子材料、能源材料、信息材料、光學(xué)材料、儀器儀表材料、航空航天材料、生物醫(yī)學(xué)材料、傳感器用敏感材料。按使用性能：電功能材料、磁功能材料、光功能材料、熱功能材料、化學(xué)功能材料、生物功能材料、聲功能材料、隱形功能材料。功能材料的現(xiàn)狀近幾年來，功能材料迅速發(fā)展，已有幾十大類，10萬多品種，且每年都有大量

3、新品種問世。現(xiàn)已開發(fā)的以物理功能材料最多，主要有：1）單功能材料，如：導(dǎo)電材料、介電材料、鐵電材料、磁性材料、磁信息材料、發(fā)熱材料、熱控材料、光學(xué)材料、激光材料、紅外材料等。2）功能轉(zhuǎn)換材料，如：壓電材料、光電材料、熱電材料、磁光材料、聲光材料、電流變材料、磁敏材料、磁致伸縮材料、電色材料等。3）多功能材料：如防振降噪材料、三防材料（防熱、防激光和防核）、電磁材料等。4）復(fù)合和綜合功能材料，如：形狀記憶材料、隱身材料、傳感材料、智能材料、顯示材料、分離功能材料、環(huán)境材料、電磁屏蔽材料等。5）新形態(tài)和新概念功能材料，如：液晶材料、梯度材料、納米材料、非平衡材料等。功能材料的展望展望21世紀(jì)，功能

4、材料的發(fā)展趨勢為：1）開發(fā)高技術(shù)所需的新型功能材料，特別是尖端領(lǐng)域（航空航天、分子電子學(xué)、新能源、海洋技術(shù)和生命科學(xué)等）所需和在極端條件下（超高溫、超高壓、超低溫、強(qiáng)腐蝕、高真空、強(qiáng)輻射等）工作的高性能功能材料；2）功能材料的功能從單功能向多功能和復(fù)合或綜合功能發(fā)展，從低級功能向高級功能發(fā)展；3）功能材料和器件的一體化、高集成化、超微型化、高密積化和超分子化；4）功能材料和結(jié)構(gòu)材料兼容，即功能材料結(jié)構(gòu)化，結(jié)構(gòu)材料功能化；5）進(jìn)一步研究和發(fā)展功能材料的新概念、新設(shè)計(jì)和新工藝；6）完善和發(fā)展功能材料檢測和評價(jià)的方法；7）加強(qiáng)功能材料的應(yīng)用研究，擴(kuò)展功能材料的應(yīng)用領(lǐng)域，加強(qiáng)推廣成熟的研究成果，以形成

5、生產(chǎn)力。第二章 貯氫材料資源豐富；發(fā)熱值高；燃燒后生成水，不污染環(huán)境。光解法利用太陽能，到海水中取氫。專心-專注-專業(yè)Ø 氣態(tài)貯存ü 能量密度低ü 不安全Ø 液態(tài)貯存ü 能耗高ü 對貯罐絕熱性要求高Ø 固態(tài)貯存ü 體積儲(chǔ)氫容量高ü 無需高壓及隔熱容器ü 安全性好，無爆炸危險(xiǎn)ü 可得到高純氫2.1 金屬貯氫原理 在一定溫度和壓力條件下，固溶相(MHx)與氫反應(yīng)生成金屬氫化物(MHy)，反應(yīng)式如下反應(yīng)進(jìn)行的方向取決于溫度、壓力和合金成分。金屬氫化物類型： a.和主族元素與氫形成離子型氫化物

6、； b.和族過渡金屬及Pb與氫形成金屬型氫化物。2.2 貯氫合金分類貯氫材料應(yīng)具備的條件n 吸氫能力大；n 用于儲(chǔ)氫時(shí)生成熱盡量小，而用于蓄熱時(shí)生成熱盡量大；n 平衡氫壓適當(dāng)；n 吸氫、釋氫速度快；n 傳熱性能好；n 反復(fù)吸氫、釋氫時(shí)，性能穩(wěn)定；n 安全無害；n 價(jià)格便宜。貯氫合金的種類鎂系合金、稀土系合金、鈦系合金Ø 典型代表：Mg2Ni，美Brookhaven國家實(shí)驗(yàn)室首先報(bào)道。Ø 特點(diǎn)：Ø 重量輕；Ø 資源豐富；Ø 價(jià)格低廉；Ø 貯氫量?。?#216; 放氫溫度高（300以上）；Ø 吸/放氫動(dòng)力學(xué)性能較差。新開發(fā)的鎂系

7、貯氫合金Mg2Ni1-xMx (M = V，Cr，Mn，F(xiàn)e， Co) 和Mg2-xMxNi (Al， Ca) 比Mg2Ni的性能好。發(fā)展方向：機(jī)械合金化加TiFe和CaCu5球磨，或復(fù)合（加入Ni、Cu、Re等元素）。 機(jī)械合金化：納米晶Mg2Ni具有很好的動(dòng)力學(xué)性能，吸釋氫速度加快。 復(fù)合：Mg/MmNi5-x(Co,Al,Mn)x，Mg2Ni/MmNi5，Mg/FeTi等合金系Ø 典型代表： LaNi5，荷蘭Philips實(shí)驗(yàn)室首先研制。Ø 特點(diǎn)：Ø 活化容易；Ø 平衡壓力低，滯后小；Ø 抗雜質(zhì)；Ø 適合室溫操作；Ø

8、成本高。采用混合稀土(La，Ce， Sm)Mm替代La可有效降低成本，但氫分解壓升高，滯后壓差大，給使用帶來困難。采用第三組分元素M(Al，Cu，F(xiàn)e，Mn, Ga，In，Sn，B，Pt，Pd，Co，Cr，Ag，Ir) 替代部分 Ni是改善LaNi5和MmNi5儲(chǔ)氫性能的重要方法。 Ø 鈦鐵系合金Ø 典型代表：TiFe，美Brookhaven國家實(shí)驗(yàn)室首先發(fā)明。Ø 特點(diǎn)：Ø 價(jià)格低；Ø 室溫下可逆貯放氫；Ø 易被氧化；Ø 活化困難；Ø 抗雜質(zhì)氣體中毒能力差。改進(jìn)方法：以過渡金屬M(fèi)（Co、Cr、Cu、Mn、Mo、Ni

9、、Nb、V等）置換部分Fe，使合金活化性能改善，氫化物穩(wěn)定性增加。 Ø 鈦錳系合金Ø 具有Laves相結(jié)構(gòu)的金屬間化合物Ø 原子間隙由四面體構(gòu)成，間隙多，有利于氫原子的吸附Ø TiMn1.5Ø Ti0.9Zr0.1Mn1.4V0.2Cr0.42.3 貯氫合金的應(yīng)用貯氫合金的應(yīng)用領(lǐng)域很多，而且還在不斷發(fā)展之中，下面介紹應(yīng)用的幾個(gè)主要方面。高容量貯氫容器、氫能汽車、分離、回收氫，制取高純度氫氣n 氫氣靜壓機(jī)通過平衡氫壓的變化而產(chǎn)生高壓氫氣的貯氫金屬，稱為氫氣靜壓機(jī)。n 氫化物電極金屬氫化物鎳氫電池的基本化學(xué)過程是：Ø 與Ni-Cd電池相比

10、，Ni/MHx電池具有如下優(yōu)點(diǎn)：ü 比能量為Ni/Cd電池的1.52倍；ü 無重金屬Cd對人體的危害；ü 良好的耐過充、放電性能；ü 無記憶效應(yīng)；ü 主要特性與Ni/Cd電池相近?？照{(diào)、熱泵及熱貯存Ø 貯氫合金吸放氫時(shí)伴隨著巨大的熱效應(yīng)，發(fā)生熱能化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)換，這種反應(yīng)的可逆性好，反應(yīng)速度快，因而是一種持別有效的蓄熱和熱泵介質(zhì)。加氫及脫氫反應(yīng)催化劑Ø 貯氫材料可用作加氫和脫氫反應(yīng)的催化劑，如LaNi5、TiFe用作常溫常壓合成氨催化劑、電解水或燃料電池上的催化劑。它可降低電解水時(shí)的能耗，提高燃料電池的效率。溫度傳感器、控制

11、器Ø 貯氫材料的氫平衡壓隨溫度升高而升高的效應(yīng)可以用作溫度計(jì)。 貯氫材料的溫度壓力效應(yīng)還可以用作機(jī)器人動(dòng)力系統(tǒng)的激發(fā)器、控制格和動(dòng)力源、抑制溫度的各種開關(guān)裝置。貯氫合金應(yīng)用時(shí)存在的問題Ø 貯氫能力低；Ø 對氣體雜質(zhì)的高敏感性；Ø 初始活化困難；Ø 氫化物在空氣中自燃；Ø 反復(fù)吸釋氫時(shí)氫化物產(chǎn)生歧化。第三章 形狀記憶合金具有形狀記憶效應(yīng)的材料形狀記憶材料形狀記憶效應(yīng)(Shape Memory Effect ,簡稱SME)形狀記憶效應(yīng)將材料在一定條件下進(jìn)行一定限度以內(nèi)的變形后，再對材料施加適當(dāng)?shù)耐饨鐥l件，材料的變形隨之消失而回復(fù)到變形前的

12、形狀的現(xiàn)象。具有形狀記憶效應(yīng)的金屬，通常是由2種以上的金屬元素構(gòu)成的合金，故稱為形狀記憶合金(Shape Memory Alloys，簡稱SMA)。 20世紀(jì)80年代先后在高分子聚合物、陶瓷材料、超導(dǎo)材料中發(fā)現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)。形狀記憶效應(yīng)可分為3種類型：單向形狀記憶效應(yīng)雙向形狀記憶效應(yīng)全方位形狀記憶效應(yīng) 單向形狀記憶效應(yīng)材料在高溫下制成某種形狀，在低溫相時(shí)將其任意變形，再加熱時(shí)恢復(fù)為高溫相形狀，而重新冷卻時(shí)卻不能恢復(fù)低溫相時(shí)的形狀。 圖1 單向形狀記憶效應(yīng)雙向形狀記憶效應(yīng)加熱時(shí)恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時(shí)恢復(fù)低溫相形狀，即通過溫度升降自發(fā)可逆地反復(fù)恢復(fù)高低溫相形狀的現(xiàn)象,稱為可逆形狀記憶效應(yīng)。 圖2

13、雙向形狀記憶效應(yīng)全方位形狀記憶效應(yīng)當(dāng)加熱時(shí)恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時(shí)變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹母邷叵嘈螤畹默F(xiàn)象。只能在富鎳的Ti- Ni合金中出現(xiàn)。 圖3 全方位形狀記憶效應(yīng)3.1 形狀記憶原理3.1.1 熱彈性馬氏體相變大部分形狀記憶合金的形狀記憶機(jī)理是熱彈性馬氏體相變。普通的馬氏體相變是鋼的淬火強(qiáng)化方法。普通的馬氏體相變是鋼的淬火強(qiáng)化方法，即把鋼加熱到某個(gè)臨界溫度以上保溫一段時(shí)間，然后迅速冷卻，鋼轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N馬氏體結(jié)構(gòu)，并使鋼硬化。加熱時(shí)馬氏體分解為鐵素體和碳化物。鋼的馬氏體相變不可逆在某些合金中發(fā)現(xiàn)熱彈性馬氏體相變：馬氏體一旦生成可以隨著溫度降低繼續(xù)長大，當(dāng)溫度回升時(shí)，長大的馬氏體又可以縮小，直

14、至恢復(fù)到原來的母相狀態(tài)，即馬氏體隨著溫度的變化可以可逆地長大或縮小熱彈性馬氏體。 早期提出產(chǎn)生形狀記憶效應(yīng)的條件是：（1）馬氏體相變是熱彈性的；（2）馬氏體點(diǎn)陣的不變切變是孿生，即亞結(jié)構(gòu)為孿晶；（3）母相和馬氏體均為有序結(jié)構(gòu)。圖7 形狀記憶效應(yīng)機(jī)制示意圖圖8 形狀記憶合金晶體結(jié)構(gòu)變化模型3.1.2 應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變在Tc與Ms之間的某一溫度對合金施加外力也可引起馬氏體轉(zhuǎn)變。 由外部應(yīng)力誘發(fā)產(chǎn)生的馬氏體相變稱為應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變 (Stress-Induceed Martensite Transformation)。本質(zhì)：應(yīng)力作用使材料的MS點(diǎn)升高。圖9 應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變概念圖3.1.3 超

15、彈性（偽彈性）產(chǎn)生熱彈性馬氏體相變的形狀記憶合金，在Af溫度以上由于應(yīng)力誘發(fā)產(chǎn)生的馬氏體只在應(yīng)力作用下才能穩(wěn)定地存在，應(yīng)力一旦解除，立即產(chǎn)生逆相變，回到母相狀態(tài)，在應(yīng)力作用下產(chǎn)生的宏觀變形也隨逆相變而完全消失。其中應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系表現(xiàn)出明顯的非線性，這種非線性和相變密切相關(guān)，叫做相變偽彈性，即超彈性。 圖12 形狀記憶合金發(fā)生超彈性變形的應(yīng)力應(yīng)變曲線 (Af溫度以上加載） Ti-Ni系形狀記憶合金1、Ti-Ni系形狀記憶合金 優(yōu)點(diǎn)：記憶效應(yīng)優(yōu)良、性能穩(wěn)定、生物相容性好 缺點(diǎn)：制造過程較復(fù)雜，價(jià)格高昂 Ti-Ni合金通過在1000左右固溶后，在400進(jìn)行時(shí)效處理，再淬火得到馬氏體。(1) Ti-

16、Ni系記憶合金中的基本相和相變在Ti-Ni二元合金系中有TiNi、Ti2Ni和Ti3Ni三種金屬間化合物。TiNi合金中R相的特點(diǎn)u 母相與R相之間也是晶體學(xué)可逆的。u R相變的最大特點(diǎn)是重復(fù)持性穩(wěn)定，熱循環(huán)反復(fù)動(dòng)作50萬次，其動(dòng)作持性幾乎沒有任何變化。u R相變的另一重要持征是溫度滯后很小，只有1-2K。(2) 合金元素對Ti-Ni合金相變的影響在Ti-Ni合金基礎(chǔ)上，加入Nb、Cu、Fe、Al、Si、Mo、V、Cr、Mn、Co等元素，這些元素對合金的Ms點(diǎn)有明顯影響，也使As溫度降低，即使偽彈性向低溫發(fā)展。2、Cu系形狀記憶合金 主要由Cu-Zn和Cu-A1兩個(gè)二元系發(fā)展而來。通過第三元素

17、可以有效地提高形狀記憶合金的相變溫度，發(fā)展了一系列的Cu-Zn-X(X= Al, Ge, Si, Sn, Be, Ni)三元合金。3、Fe系形狀記憶合金 鐵基形狀記憶合金沒有發(fā)現(xiàn)具有偽彈性，應(yīng)用前景最好的是FeMnSiCrNi系和FeMnCoTi 系，記憶性能較好的是FeNiCoTi系和FeMnSi系。目前研究主要集中在FeMnSi系合金上。 性能特點(diǎn)：價(jià)格較Ti-Ni系和Cu基系合金便宜，原料易得，可以采用現(xiàn)有的鋼鐵工藝進(jìn)行冶煉和加工，強(qiáng)度高，剛性好，適用作結(jié)構(gòu)材料，也可作特種用途材料，在應(yīng)用方面具有明顯的競爭優(yōu)勢。形狀記憶特性比Ti-Ni合金差。高技術(shù)中的應(yīng)用 ： 制造人造衛(wèi)星天線圖16

18、Ti-Ni形狀記憶合金制造的人造衛(wèi)星天線美國宇航局的月面天線計(jì)劃：在室溫下用形狀記憶合金制成拋物面天線，然后把它揉成直徑5厘米以下的小團(tuán)，放入阿波羅11號的艙內(nèi)，在月面上經(jīng)太陽光的照射加熱使它恢復(fù)到原來的拋物面形狀,從而能用空間有限的火箭艙運(yùn)送體積龐大的天線。工程應(yīng)用: 緊固件、連接件、密封墊、管件接頭等圖17 形狀記憶合金用作鉚釘?shù)墓ぷ髟韴D智能應(yīng)用 形狀記憶合金是一種集感知和驅(qū)動(dòng)雙重功能為一體的新型材料，可廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制裝置，如各種智能、仿生機(jī)械。第四章 非晶態(tài)合金非晶態(tài)合金以極高速度使熔融狀態(tài)的合金冷卻，凝固后的合金結(jié)構(gòu)呈玻璃態(tài)。俗稱“金屬玻璃”。4.1 非晶態(tài)合金的結(jié)構(gòu)非

19、晶態(tài)合金是物質(zhì)從液態(tài)（或氣態(tài)）急速冷卻時(shí)，因來不及結(jié)晶而在室溫或低溫保留液態(tài)原子無序排列的凝聚狀態(tài)，其原子不再呈長程有序、周期性和規(guī)則排列，而是處一種長程無序排列狀態(tài)。非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的基本特征：（1）原子排列短程有序，但長程無序；（2）熱力學(xué)不穩(wěn)定，存在向晶態(tài)轉(zhuǎn)化的趨勢，即原子趨于規(guī)則排列。非晶態(tài)結(jié)構(gòu)模型：1. 微晶模型該模型認(rèn)為非晶態(tài)材料由“晶粒”非常細(xì)小的微晶粒組成，這些晶粒只有幾埃到幾十埃。微晶內(nèi)的短程有序結(jié)構(gòu)與晶態(tài)相同，但各個(gè)晶粒的取向是雜亂分布的，形成長程無序結(jié)構(gòu)。2. 拓?fù)錈o序模型該模型認(rèn)為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的主要特征是原子排列的混亂和隨機(jī)性，強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)的無序性，而把短程有序看作是無規(guī)則堆積時(shí)附

20、帶產(chǎn)生的結(jié)果。無序密堆硬球模型隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)模型非晶態(tài)形成條件：結(jié)構(gòu)判據(jù):原子的幾何排列、原子間的鍵合狀態(tài)、原子尺寸等動(dòng)力學(xué)判據(jù):考慮冷速和結(jié)晶動(dòng)力學(xué)之間的關(guān)系下圖：C曲線的左側(cè)為非晶態(tài)區(qū)，當(dāng)純金屬或合金從熔化態(tài)快速冷卻時(shí)，只要能避開C曲線的鼻尖便可以形成非晶態(tài)。從圖中可以看出，不同成分的合金，形成非晶態(tài)的臨界冷卻速度是不同的，其可通過C曲線估算出來。圖3 純Ni, Au77.8Ge13.8Si8.4, Pd82Si18, Pd77.5Cu6Si16.5的C曲線第一類為類金屬元素（或弱金屬元素）與非金屬元素的組合。 類金屬元素主要是周期表中A、A、A元素，非金屬元素主要是A和A元素，它們能形成諸如氧

21、化物、硫化物、硒化物、氟化物和氯化物等非晶態(tài)物質(zhì)。第二類是類金屬元素和金屬元素的組合，金屬元素則主要是過渡元素和貴金屬元素，例如形成Pd-Si、Co-P、Fe-C等非晶態(tài)材料。 第三類是金屬元素和金屬元素的組合，前者是A、B、B、B金屬，后者是貴金屬和稀土金屬，它們形成諸如Gd-Co、Nb-Ni、Zr-Pd、Ti-Be等非晶態(tài)材料。易獲得非晶態(tài)合金的共同特點(diǎn)：（1）組元之間有很強(qiáng)的相互作用；（2）成分范圍處于共晶成分附近；（3）液態(tài)的混合熱均為負(fù)值。力學(xué)性能（高強(qiáng)度、高硬度和高韌性）特點(diǎn)：強(qiáng)度和韌性兼具，一般的金屬這兩者是相互矛盾的，即強(qiáng)度高而韌性低，或與此相反。同時(shí)耐磨性也明顯地高于鋼鐵材料

22、。應(yīng)用：可制作輪胎、傳送帶、水泥制品及高壓管道的增強(qiáng)纖維、刀具、各種元器件等。軟磁特性特點(diǎn)：所謂“軟磁特性”，就是指磁導(dǎo)率和飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度高，矯頑力和損耗低。非晶態(tài)中沒有晶粒，不存在磁各向異性，易磁化。目前比較成熟的非晶態(tài)軟磁合金主要有鐵基、鐵-鎳基和鈷基三大類。應(yīng)用：可作為變壓器材料、磁頭材料、磁屏蔽材料、磁致伸縮材料及磁泡材料等。耐蝕性能特點(diǎn)：耐蝕性遠(yuǎn)優(yōu)于不銹鋼，因?yàn)槠浔砻嬉仔纬杀《旅艿拟g化膜；同時(shí)其結(jié)構(gòu)均勻，沒有金屬晶體中經(jīng)常存在的晶粒、晶界、缺陷且不易產(chǎn)生引起電化學(xué)腐蝕的陰、陽兩極。目前研究較多的是鐵基、鎳基、鈷基非晶合金。應(yīng)用：耐蝕管道、電池的電極、海底電纜屏蔽、磁分離介質(zhì)及化工用

23、的催化劑、污水處理系統(tǒng)中的零件等。第五章 磁性材料具有強(qiáng)磁性的材料稱為磁性材料。 磁性材料具有能量轉(zhuǎn)換，存儲(chǔ)或改變能量狀態(tài)的功能，是重要的功能材料。 磁性材料廣泛地應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、通訊、自動(dòng)化、音像、電視、儀器和儀表、航空航天、農(nóng)業(yè)、生物與醫(yī)療等技術(shù)領(lǐng)域。1.磁矩磁矩m是表征磁性物體磁性大小的物理量，磁矩越大，磁性越強(qiáng)，即物體在磁場中受的力越大。電子繞原子核運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電子軌道磁矩；電子本身自旋，產(chǎn)生電子自旋磁矩。這兩種微觀磁矩是物質(zhì)具有磁性的根源。2.磁化強(qiáng)度磁化強(qiáng)度M是單位體積的磁矩，表征物質(zhì)被磁化的程度，與磁感應(yīng)強(qiáng)度B和磁場強(qiáng)度H的關(guān)系為：其中：r=/0為介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率；=r-1定義為介質(zhì)的

24、磁化率，反映材料磁化的能力，無量綱，可正可負(fù)，取決于材料的不同磁性類別。3.磁滯回線磁致回線是磁性材料的主要特性。Br稱為剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度， Bs稱為最大磁感應(yīng)強(qiáng)度（飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度）， Hc為矯頑力。反向磁場使殘余磁感應(yīng)強(qiáng)度變?yōu)榱銜r(shí)的磁場強(qiáng)度稱為矯頑力Hc。4.磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率是表征磁介質(zhì)磁化性能的一個(gè)物理量。對鐵磁體來說，磁導(dǎo)率很大，且隨外加磁性的強(qiáng)度而變化。磁導(dǎo)率越大越好，已成為鑒別磁性材料性能是否優(yōu)良的主要指標(biāo)。5.最大磁能積（BH）max6.損耗系數(shù)和品質(zhì)因數(shù)利用磁性材料制作線圈或變壓器磁芯時(shí)，希望磁芯內(nèi)的能量損耗小到盡可能忽略的程度。 損耗系數(shù)tg=R/2fL 品質(zhì)因數(shù)為tg/µ

25、，這是表征鐵氧體損耗大小的一個(gè)重要參數(shù)。磁性材料的分類：u 按化學(xué)組成分類 金屬磁性材料、非金屬（鐵氧體）磁性材料 u 按磁化率大小分類 順磁性、反磁性、鐵磁性、反鐵磁性、亞鐵磁性u 按功能分類 軟磁材料、硬磁材料、半硬磁材料、矩磁材料、 旋磁材料、壓磁材料、 泡磁材料、磁光材料、磁記錄材料 5.1 軟磁材料v 定義：指矯頑力小、容易磁化和退磁的磁性材料 v 特點(diǎn)： 磁滯回線細(xì)而長 高磁導(dǎo)率 低矯頑力 容易磁化，也容易去磁v 常見軟磁材料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs和最大磁導(dǎo)率mv 分類：金屬軟磁材料、軟磁鐵氧體v 常用的金屬軟磁材料 電工用純鐵 電工用硅鋼片 鐵鎳合金與鐵鋁合金 非晶態(tài)合金：鐵基、鈷

26、基、鐵鎳基v 軟磁材料的用途：主要用于導(dǎo)磁，可用作變壓器、線圈、繼電器等電子元件的導(dǎo)磁體。電工用純鐵v 含碳量極低、純度99.95%以上v 用途：鐵芯、磁極、磁路等v 性能：機(jī)械、磁性能v 影響性能的因素：結(jié)晶軸對磁化方向的取向、雜質(zhì)、晶粒大小、金屬的塑性變形、內(nèi)應(yīng)力v 改善性能措施v 工作環(huán)境及減少渦流損耗方法電工用硅鋼片v 分類：熱軋非織構(gòu)(無取向)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v 用途：電機(jī)、發(fā)電機(jī)、變壓器、扼流圈、電磁機(jī)構(gòu)、繼電器、測量儀表v 機(jī)械性能、磁性能的影響因素：硅含量、晶粒大小、結(jié)晶結(jié)構(gòu)、有害雜質(zhì)(硝，氧，氫)含

27、量分布狀況以及鋼板厚度有關(guān) v 高斯織構(gòu)、立方織構(gòu)硅鋼片性能鐵鎳合金v 成分：主要成分是鐵、鎳、鉻、鉬、銅等元素 v 特性：在弱磁場及中等磁場下具有高的磁導(dǎo)率，低的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，很低的矯頑力，低的損耗。v 用途：廣泛用于電訊工業(yè)、儀表、電子計(jì)算機(jī)、控制系統(tǒng)等領(lǐng)域。v 鐵鎳合金相圖與不同成分合金的性能v 鐵鎳合金的分類及其特性：1J50、1J51、1J65、1J79、1J85鐵鋁合金v 鐵鋁合金成本低，應(yīng)用范圍很廣。含鋁量在16以下時(shí)，便可以熱軋成板材或帶材；含鋁量在56以上時(shí)，合金冷軋較困難。v 鐵鋁合金特點(diǎn)： 電阻率高 高的硬度和耐磨性 比重小，可減輕鐵芯自重 對應(yīng)力不敏感 時(shí)效：材料在使

28、用時(shí)，隨時(shí)間及環(huán)境溫度的變化，磁性能發(fā)生變化 溫度穩(wěn)定性 非晶態(tài)合金v 鐵基非晶態(tài)軟磁合金： 特點(diǎn)：飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度高 、損耗低 缺點(diǎn)：磁致伸縮系數(shù)大 v 鈷基非晶態(tài)軟磁合金：飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度較低，磁導(dǎo)率高，矯頑力低，損耗小，磁致伸縮系數(shù)趨近于零v 鐵鎳基非晶態(tài)軟磁合金：性能基本上介于兩者之間 v 非晶態(tài)合金與晶態(tài)軟磁材料的比較：磁導(dǎo)率高，電阻大，損耗小5.2 硬磁材料(永磁材料)v 定義：指材料被外磁場磁化以后，去掉外磁場仍然保持著較強(qiáng)剩磁的材料 v 評價(jià)永磁材料性能好壞的指標(biāo) 剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br 矯頑力Hc 最大磁能積(BH)max 凸起系數(shù):(BH)max / BrHc v 退磁曲線: 永磁

29、材料飽和磁滯回線第二象限部分v 永磁材料種類 鋁鎳鈷系硬磁合金 永磁鐵氧體材料 稀土永磁材料 可加工的永磁合金v 永磁材料用途：硬磁材料主要用來儲(chǔ)藏和供給磁能，作為磁場源。硬磁材料在電子工業(yè)中廣泛用于各種電聲器件、在微波技術(shù)的磁控管中亦有應(yīng)用鋁鎳鈷系硬磁合金v 特點(diǎn)：鋁鎳鈷系永磁合金具有高的BH及高的Br，適中的Hc。(BH)max =4070kJ/m3，Br=0.71.35T，Hc4060kA/m。這類合金屬沉淀硬化型磁體。v 成型方法：有鑄造法和粉末燒結(jié)法兩種。v 成分：以Fe，Ni，A1為主要成分，通過加入Cu，Co，Ti等元素進(jìn)一步提高合金性能v 鋁鎳鈷合金廣泛用于電機(jī)器件上，如發(fā)電機(jī)

30、，電動(dòng)機(jī)繼電器和磁電機(jī)；電子行業(yè)中的揚(yáng)聲器，行波管，電話耳機(jī)和受話器等稀土永磁材料v 成分：稀土元素(用R表示)與過渡族金屬Fe、Co、Cu、Zr等或非金屬元素B、C、N等組成的金屬間化合物v 研究與發(fā)展的4階段： 第一代是稀土鈷永磁材料RCo5型合金(1：5)型。 第二代稀土永磁合金為R2TM17型(2：17型，TM代表過渡族金屬)。 第三代為Nd-Fe-B合金 第四代主要是R-Fe-C系與R-Fe-N系。 鈷基稀土永磁體v SmCo5、PrCo5或(SmPr)Co5 結(jié)構(gòu)：CaCu5型六方結(jié)構(gòu) 矯頑力：來源于疇的成核和晶界處疇壁釘扎 性能：飽和磁化強(qiáng)度適中，磁晶各向異性極高。 降低成本：成

31、分取代、制備方法v Sm2Co17 結(jié)構(gòu)：六方晶體結(jié)構(gòu) 矯頑力：沉淀粒子在疇壁的釘扎 性能：矯頑力低, 剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度及飽和磁化強(qiáng)度高 鐵基稀土永磁體v Nd-Fe-B系永磁合金 特點(diǎn)：磁能積最大的永磁體 分類：燒結(jié)永磁材料和粘結(jié)永磁材料 性能：價(jià)格便宜，加工性能好，有利于實(shí)現(xiàn)磁性器件的輕量化、薄型化。 缺點(diǎn)：耐蝕性差，居里溫度低(312)，磁感應(yīng)強(qiáng) 度溫度系數(shù)大，材料使用溫度低不超過(150) 改進(jìn)措施F 調(diào)整合金成分取代元素和摻雜元素 F 制備工藝控制磁粉晶粒粒度、含氧量，提高定向度 v R-Fe-N系永磁合金：第四代稀土永磁材料。其中R通常為Sm或Nd，Er，Y。 特點(diǎn)：Sm2Fe17N

32、x的居里溫度可達(dá)746K，大大高于Nd-Fe-B的583K。 N以間隙原子形式溶入Sm2Fe17晶格，產(chǎn)生晶格畸變，磁化方向改變，具有單軸磁各向異性；磁晶各向異性場約為Nd2Fe14B的兩倍，理論磁能積與Nd2Fe14B相近?？杉庸さ挠来藕辖饁 在淬火態(tài)具有可塑性，可以進(jìn)行各種機(jī)械加工。合金的矯頑力是通過塑性變形和時(shí)效(回火)硬化后得到的 v 四個(gè)主要系列 -鐵基合金 Fe-Mn-Ti及Fe-Co-V合金 銅基合金 Fe-Cr-Co永磁合金磁記錄材料v 磁記錄原理 3種記錄模式：水平(縱向)、垂直、雜化 磁記錄系統(tǒng)基本單元：換能器、存貯介質(zhì)、傳送介質(zhì)裝置以及相匹配的電子線路 磁記錄原理 3種信

33、號類型：音頻信號、數(shù)字信號、調(diào)頻信號 兩種記錄方式：模擬、數(shù)字 磁記錄介質(zhì)：磁帶、磁盤、磁鼓、磁卡片 v 磁記錄材料 磁頭材料v 磁頭的基本結(jié)構(gòu) v 基本功能：寫入、讀出v 磁頭材料的基本性能要求：高的、高的Bs、低的Br和Hc、高的電阻率和耐磨性 v 磁頭材料種類：合金、鐵氧體、非晶態(tài)合金、 薄膜材料v 磁記錄介質(zhì)材料 磁記錄介質(zhì)的基本性能要求v Br高v Hc適當(dāng)v 磁滯回線接近矩形，Hc附近的磁導(dǎo)率盡量高v 磁層均勻，厚度適當(dāng)，記錄密度越高，磁層愈薄v 磁性粒子的尺寸均勻，呈單疇狀態(tài)v 磁致伸縮小，不產(chǎn)生明顯的加壓退磁效應(yīng)v 基本磁特性的溫度系數(shù)小，不產(chǎn)生明顯的加熱退磁效應(yīng)v 磁粉粒子易

34、分散，在磁場作用下容易取向排列，不形成磁路閉合的粒子集團(tuán)v 磁記錄介質(zhì)材料的種類 顆粒(磁粉)涂布型介質(zhì)：將磁粉與非磁性粘合劑等含少量添加劑形成的磁漿涂布于聚脂薄膜(滌綸)基體上制成。 連續(xù)薄膜型磁記錄介質(zhì)：連續(xù)磁性薄膜無須采用粘合劑等非磁性物質(zhì)，制備方法有兩種v 濕法，如電鍍和化學(xué)鍍v 干法，如濺射法、真空蒸鍍法及離子噴鍍法其他磁性材料v 超磁致伸縮材料v 巨磁電阻材料v 巨磁化強(qiáng)度材料v 磁光效應(yīng)材料v 磁制冷材料第六章 納米材料u 納米(nm): 納米是長度單位，1nm=10-9m。 相當(dāng)于萬分之一頭發(fā)的粗細(xì).u 納米技術(shù):在納米尺度上對物質(zhì)和材料進(jìn)行研究和處理的技術(shù)被稱為納米技術(shù).u

35、納米材料:指尺寸在1100nm之間的超細(xì)微粒。u 納米材料科學(xué)：對介于團(tuán)簇和亞微米級體系之間1-100nm微小體系的制備及其特性的研究的一個(gè)分支學(xué)科。6.1 納米材料分類u 納米材料的結(jié)構(gòu)零維材料（顆粒）、一維材料（纖維）、二維材料（薄膜）、三維材料（塊體）納米顆粒：也稱納米粉末,一般指粒度在100nm以下的粉末或顆粒，是一種介于原子、分子與宏觀物體之間處于中間物態(tài)的固體顆粒材料。 納米纖維：指直徑為納米尺度而長度較大的線狀材料。納米薄膜：納米膜分為顆粒膜與致密膜。顆粒膜是納米顆粒粘在一起，中間有極為細(xì)小的間隙的薄膜。致密膜指膜層致密但晶粒尺寸為納米級的薄膜。納米塊體：是將納米粉末高壓成型或控

36、制金屬液體結(jié)晶而得到的納米晶粒材料。6.2 納米粒材料的特性u 四大特點(diǎn)：尺寸小、比表面積大、表面能高、表面原子比例大。u 四大效應(yīng)：表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)。小尺寸效應(yīng)隨著顆粒尺寸的量變，在一定條件下會(huì)引起顆粒性質(zhì)的質(zhì)變。由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化稱為小尺寸效應(yīng)。 v 量子尺寸效應(yīng)當(dāng)微粒納米尺寸降到某一值時(shí)，金屬費(fèi)米能級附近的電子能級出現(xiàn)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散的現(xiàn)象。當(dāng)能級間距大于熱能、磁能、電能或超導(dǎo)態(tài)的凝聚能時(shí)，納米微粒會(huì)呈現(xiàn)一系列與宏觀物體截然不同的反常特性，稱之為量子尺寸效應(yīng)。v 宏觀量子隧道效應(yīng)納米材料中的粒子具有穿過勢壘的能力叫隧道效應(yīng)。宏觀

37、物理量在量子相干器件中的隧道效應(yīng)叫宏觀量子隧道效應(yīng)。納米材料的性能力學(xué)性能、電學(xué)性質(zhì)、磁學(xué)性質(zhì)、熱學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)v 力學(xué)性能超塑性超塑性從現(xiàn)象學(xué)上定義為，在一定應(yīng)力拉伸時(shí)，產(chǎn)生極大的伸長量，其l/l100%。某些納米陶瓷材料具有超塑性，如氧化鋁和羥基磷灰石及復(fù)相陶瓷ZrO2/Al2O3等。研究表明，陶瓷材料出現(xiàn)超塑性的臨界顆粒尺寸范圍約200-500nm。 陶瓷材料超塑性的機(jī)制主要為極大的界面以及界面間原子排列混亂。Ø 硬度和強(qiáng)度隨晶粒尺寸減小到納米量級，納米材料的強(qiáng)度和硬度提高。如：納米相Fe的晶粒尺寸由100nm減少到6nm時(shí)，硬度增加4-5倍。Ø 模量納米

38、氧化物材料的模量與燒結(jié)溫度有密切關(guān)系。未燒結(jié)的納米材料切變模量低于粗晶；經(jīng)燒結(jié)后，隨燒結(jié)溫度的升高，切變模量提高。這一特點(diǎn)在納米金屬材料中尚未觀察到。 這主要是燒結(jié)前大體積分?jǐn)?shù)的界面內(nèi)存在著不飽和鍵和懸鍵，從而導(dǎo)致界面的鍵結(jié)合弱；燒結(jié)后界面體積分?jǐn)?shù)下降，不飽和鍵和懸鍵減少，因此鍵結(jié)合增強(qiáng)。v 電學(xué)性質(zhì)1.電阻高于同類粗晶材料，比電阻隨溫度的上升而上升；2.隨顆粒尺寸減小，電阻溫度系數(shù)下降；當(dāng)顆粒小于某一臨界尺寸時(shí)，電阻溫度系數(shù)可能由正變負(fù)；3.磁場中電阻顯著下降。磁學(xué)性質(zhì)納米材料具有很高的磁化率和矯頑力，具有低飽和磁矩和低磁滯損耗。如20nm純鐵納米微粒的矯頑力是大塊鐵的1000倍。Ø

39、; 超順磁性鐵磁性納米顆粒的尺寸減小到一定臨界值時(shí)，進(jìn)入超順磁狀態(tài)。其原因是：在小尺寸下，當(dāng)各向異性能減小到與熱運(yùn)動(dòng)能可比擬時(shí)，磁化方向就不再固定在一個(gè)易磁化方向，易磁化方向作無規(guī)律的變化，結(jié)果導(dǎo)致超順磁性的出現(xiàn)。臨界值：-Fe：5nm Fe3O4:16nm -Fe3O4:20nmØ 磁熱效應(yīng)在非磁或弱磁基體中包含很小的磁微粒，當(dāng)其處于磁場時(shí)，微粒的磁旋方向會(huì)與磁場相匹配，因而增加磁有序性，降低了自旋系統(tǒng)的磁熵，若此過程是絕熱的，則樣品溫度升高。如：在1T磁場中,磁性納米材料的Gd3Ga3.25Fe1.75O12的磁熱效應(yīng)在630K之間，超過此溫度范圍是最好的致冷劑。v 熱學(xué)性質(zhì)1.

40、比熱較大：納米金屬或合金的比熱比同類粗晶材料高出10%80%。2.熔點(diǎn)顯著降低3.燒結(jié)溫度顯著降低所謂燒結(jié)溫度是指把粉末先用高壓壓制成形，然后在低于熔點(diǎn)的溫度下使這些粉末互相結(jié)合成塊，密度接近常規(guī)材料的最低加熱溫度。因此，在較低溫度下燒結(jié)就能達(dá)到致密化目的。4.非晶納米粒子的晶化溫度低5.熔點(diǎn)降低、燒結(jié)溫度降低、晶化溫度降低等熱學(xué)性質(zhì)的顯著變化來源于納米材料的表（界）面效應(yīng)。v 光學(xué)性質(zhì)1.寬頻帶強(qiáng)吸收：大塊金屬具有不同的金屬光澤，表明它們對可見光中各種波長的光的反射和吸收能力不同。2.藍(lán)移現(xiàn)象納米顆粒的吸收帶通常發(fā)生藍(lán)移。例如，SiC納米顆粒的紅外吸收峰為814cm-1，而塊體SiC固體為7

41、94cm-1。吸收光譜藍(lán)移的原因：a.量子尺寸效應(yīng)；b.表面效應(yīng)。3.紅移現(xiàn)象有時(shí)候，當(dāng)粒徑減小至納米級時(shí)，會(huì)觀察到光吸收帶相對粗晶材料的“紅移”現(xiàn)象。例如，在2001400nm范圍，塊體NiO單晶有八個(gè)吸收帶，而在粒徑為5484nm的NiO材料中，有4個(gè)吸收帶發(fā)生藍(lán)移，有3個(gè)吸收帶發(fā)生紅移，有一個(gè)峰未出現(xiàn)。 通常認(rèn)為，紅移和蘭移兩種因素共同發(fā)揮作用，結(jié)果視孰強(qiáng)而定。隨著粒徑的減小，量子尺寸效應(yīng)導(dǎo)致蘭移；而顆粒內(nèi)部的內(nèi)應(yīng)力的增加會(huì)導(dǎo)致能帶結(jié)構(gòu)變化，電子波函數(shù)重疊加大，結(jié)果帶隙、能級間距變窄，從而引起紅移。v 化學(xué)性質(zhì)比表面積大、界面原子數(shù)多、界面區(qū)原子擴(kuò)散系數(shù)高、表面原子配位不飽和-à納米材料具有較高的化學(xué)活性>納米粒子的催化作用6.3 納米材料的應(yīng)用由于納米微粒的表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等使得它們在磁、光、電、敏感性等方面呈現(xiàn)常規(guī)材料不具備的特性。因此納米微粒在磁性材料、電子材料、光學(xué)材料、高致密度材料的燒結(jié)、催化、