功能材料ppt課件(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 電荷； h:普朗克常數； m:電子質量； l:軌道量子數； s:自旋量子數。 原子核的磁矩比電子磁矩小三個數量級，一般情況下可忽略不計。 )1(4 ?llmeh?)1(2 ?ssmeh?3. 1 磁學基礎－ 物質的磁性 物質磁性具有普遍性 3. 1 磁學基礎－ 物質的磁性 電子的循軌磁矩 電子的循軌磁矩 原子磁矩 物質磁性 原子磁矩 ＝ Σ 物質表現何種磁性 原子磁矩間相互作用 外加磁場的作用 3. 1 磁學基礎－ 物質的磁性 細菌細胞中的磁力線 200nm的 Co粒子中的磁力線 3. 1 磁學基礎－ 物質的磁性 磁場強度： 電流強度為 I 的電流在一個每米有 N匝線圈的 無限長螺旋管軸線中央產生的磁場強度 H 為： H = N x I A/m （安 /米） 距離永磁體 r處的磁場強度 H 為： H = km1r0/r2 H/m（亨利 /米） m1為磁極的磁極強度，單位為 Wb(韋伯 )； r0是 r的矢量單 位； 磁化強度 (M ):單位體積磁性材料內各磁疇磁矩的矢量和， 單位為 A/m。 磁感應強度 (B ):物質在外磁場作用下，其內部原子磁矩 的有序排列還將產生一個附加磁場。在磁性材料內部外加 磁場與附加磁場的和 ,單位為 T（特斯拉）。 （二）基本磁性參量 B=H+M 3. 1 磁學基礎－ 物質的磁性 磁導率和磁化率 在真空中磁感應強度 B與磁場強度 H間的關系為： B=μ0H 在磁性材料中： B=μ0（ H+ M） 在均勻的磁性材料中，上式的矢量和可改成代數和： B=μ0（ H+M） 磁性材料的磁導率定義為磁感應強度與磁場強度之比： μ=B/H μ 0 : 真空磁導率 。 μ: 絕對磁導率，單位為 H/m， μr: 相對磁導率 μr =μ/μ0 磁化率定義為磁化強度與磁場強度之比： χ = M/H (三）物質磁性的分類 3. 1 磁學基礎－ 物質的磁性 物質磁性分類 順磁性 被磁化后，磁化場方向與外場方向相同， χ ： 1 – 104 鐵磁性 被磁化后，磁化場方向與外場方向相同， χ ： 103106 被磁化后，磁化場方向與外場方向相反， χ ： － （ 105 – 106 ） 抗磁性 與外加磁場的關系 順磁性起因于原子或分子磁矩，在外加磁場作用下趨于沿外場方向排列，使磁質沿外場方向產生一定強度的附加磁場。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，在工程上的應用極少。順磁金屬主要有 Mo， Al， Pt， Sn等。 3. 1 磁學基礎－ 物質的磁性 抗磁性是由于外磁場作用下，原子內的電子軌道繞場向運動，獲得附加的角速度和微觀環形電流，從而產生與外磁場方向相反的感生磁矩。原子磁矩疊加的結果使宏觀物質產生與外場方向相反的磁矩。由于屬于此類的物質有 C， Au， Ag， Cu， Zn， Pb等。 3. 1 磁學基礎－ 物質的磁性 H m m Dm k k Dk Dk Dm 產生抗磁性的原理 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 物質是否表現出抗磁性要看物質的抗磁場是否大于其順磁場 物質內部原子磁矩的排列 a:順磁性 b:鐵磁性 c:反鐵磁性 d:亞鐵磁性 3. 1 磁學基礎－ 物質的磁性 由于原子間的交換作用使原子磁矩發生有序的排列，產生自發磁化，鐵磁質中原子磁矩都平行排列 （ 在絕對零度時 ) 3. 1 磁學基礎－ 物質的磁性 鐵磁質： 磁矩的有序排列隨著溫度升高而被破壞，溫度達到居里溫度（ Tc）以上時有序全部被破壞，磁質由鐵磁性轉為順磁性。 Tc是材料的 MT曲線上 MS2→ 0對應的溫度。 順磁質： 朗之萬（ Langevin）順磁性： 磁化率服從居里 (Curie)定律，即：χ =c/T。泡利（ Pauli）順磁性： 服從居里 外斯（ CurieWeiss）定律，即： χ =C/(TTc)。 （四）溫度對物質磁性的影響 Tc χ 3. 1 磁學基礎－ 物質的磁性 (四 ） 磁各向異性 磁性材料在不同方向上具有不同磁性能的特性 。 包括：磁晶各向異性 ， 形狀各向異性 ， 感生各向異性 和應力各向異性等 。 單晶體的易磁化和難磁化方向 3. 1 磁學基礎－ 物質的磁性 （五）磁致伸縮 磁性材料磁化過程中發生沿磁化方向伸長 (或縮短 )， 在垂直磁化方向上縮短 (或伸長 )的現象 ， 叫做磁致伸縮 。 它是一種可逆的彈性變形 。 材料磁致伸縮的相對大小用磁致伸縮系數 λ表示 ， 即 ： λ=Δl/l 式中 ， Δl和 l分別表示磁場方向的絕對伸長與原長 。 在發生縮短的情況下 ， l為負值 ， 因而 λ 也為負值 。 當磁場強度足夠高 ， 磁致伸縮趨于穩定時 ，磁致伸縮系數 λ 稱為飽和磁致伸縮系數 ， 用 λ s表示 。 對于 3d金屬及合金 :λ s約為 105—106。 3. 1 磁學基礎－ 磁化過程與技術 磁參量 (一 ) 磁疇結構 在鐵磁性材料中，原子磁矩平行排列，以使交換作用能最低。但大量原子磁矩的平行排列增大了體系的退磁能，因而使一定區域內的原子磁矩取反平行排列，出現了兩個取向相反的自發磁化區域，降低退磁能，直至形成封閉疇。每一個磁矩取向一致的自發磁化區域就叫做一個磁疇。 立方結構單晶鐵磁材料的磁疇結構示意圖 3. 1 磁學基礎－ 磁化過程與技術 磁參量 Co中的磁疇結構 磁疇結構包括磁疇和疇壁兩部分。磁疇的體積為 101～ 106cm3。疇壁是指磁疇交界處原子磁矩方向 逐漸轉變的過渡層 3. 1 磁學基礎－ 磁化過程與技術 磁參量 疇 壁 布洛赫 (Bloch)磁疇壁 疇壁兩側的原子磁矩的旋轉平面與疇壁平面平行，兩個疇的磁化方向相差 180 奈耳（ Neel）磁疇壁 疇壁內原子磁矩的旋轉平面與兩磁疇的磁矩在同一平面平行于界面 3. 1 磁學基礎－ 磁化過程與技術 磁參量 布洛赫 奈爾壁 3. 1 磁學基礎－ 磁化過程與技術 磁參量 磁化過程：磁性材料在外磁場作用下由宏觀的無磁狀 態轉變為有磁狀態的過程。磁化是通過磁疇的運動來 實現。 （ 二 ） 磁疇移動與 磁化過程 受外磁場作用時，疇內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方向轉動。外場愈強，材料的磁各向異性愈弱，則磁矩就愈偏向外場方向。 運動方式 轉動 移動 各磁疇內部的磁矩平行或反平行于外加磁場，不受這一磁場的力矩。而疇壁附近的磁矩方向發生改變，使疇壁產生橫向移動。 3. 1 磁學基礎－ 磁化過程與技術 磁參量 疇壁的移動 磁疇的轉動 3. 1 磁學基礎－ 磁化過程與技術 磁參量 （三）磁化曲線 磁化過程四階段： （ 1） M隨 H呈線性地緩慢增長，可逆疇壁移動過程。 （ 2） M隨 H急劇增長，不可逆疇壁移動過程，的巴克豪森（ Barkhausen）跳躍。 （ 3） M的增長趨于緩慢。磁疇的磁化矢量已轉到最接近 H方向， M的增長主要靠可逆轉動過程來實現。 （ 4） 磁化曲線極平緩地趨近于水平線而達到飽和狀態。 3. 1 磁學基礎－ 磁化過程與技術 磁參量 (四）磁性材料的技術磁參量 技術磁參量 內稟磁參量 : MS、 Tc 外稟磁參量 : Hc、 Mr或 Br、磁導率、損耗、磁能積 MS: 飽和磁化強度 Hc：矯頑力 Mr或 Br：剩磁 主要取決于材料的化學成分 對材料結構（如晶粒尺寸、晶體缺陷、晶粒取向等）敏感，可以通過適當的工藝改變 損耗： 軟磁材料磁化一周總的能量損耗 W， 由渦流損耗 ， 磁滯損耗 Wh和剩余損耗 Wr三部分組成 ， 通常以每公斤材料損耗的功率表示 ， 即 : W=We+Wh+Wr We：在交變磁化條件下，材料垂直于磁場的平面內產生的渦流引起發熱產生的損耗。循環磁化一周的渦流損耗與材料的電阻率、厚度 D、磁感變化幅度 Bm關系如下 : We∝ D2Bm2/ρ Wh：在循環磁化條件下 ， 材料每循環磁化一周所消耗的能量 ， 它也以熱的形式表現出來 ， 其大小與磁滯回線的面積呈正比 。 Wr ：從總損耗中扣除渦流損耗和磁滯損耗所剩的部分 3. 1 磁學基礎－ 磁化過程與技術 磁參量 3. 1 磁學基礎－ 磁化過程與技術 磁參量 磁能積 （ BH） ： 磁鐵在氣隙空間所建立的磁能量密度 。 永磁體均在開路狀態下使用 ， 作為磁場源或動作源 。 主要作用是在磁鐵的兩磁極空間 (或稱空氣隙)產生磁場 Hg。 Hg=(BmHmVm/μ0Vg)1/2 式中 Vm、 Bm和 Hm分別是磁鐵的體積 、 磁感強度和磁場強度 ， Vg、 Hg是氣隙的體積和磁場強度 。 磁場強度 （ Hg） 除與磁體的體積及氣隙體積有關外， 主要取決于磁體的 磁能積 （ BH） 。 最大磁能積 （ BH） max： 退磁曲線上磁能積最大的一點 ， 工程應用中通常將 (BH)max稱為磁能積 。 對通常的永磁體的應用而言 ， Hg越大越好 。 因此 、在設計磁鐵時 ， 應使其工作點在圖中的 D點附近 。 同時 、 (BH)max越大 ， Hg也越大 。 (BH)max越高 ， 所需要的磁體體積就越小 (BH)max的大小取決于磁感矯頑力Hc、 剩磁 Br和隆起系數 γ，即 : (BH)max =γ BrHCB 3. 1 磁學基礎－ 磁化過程與技術 磁參量 永磁材料的退磁曲線與磁能積 (密度 )曲線 3. 1 磁學基礎－ 磁化過程與技術 磁參量 磁滯回線族 3. 1 磁學基礎－ 磁化過程與技術 磁參量 （ 五 ） 磁性材料的穩定性 衡量磁性材料的磁參量隨外界因素作用產生的變化 ， 主要考慮 Br和 Hc。 （ 1） 溫度穩定性：磁性能隨溫度的變化 。 （ 2） 時間穩定性： 在某一特定工作環境下長期工 作過程中磁性隨時間的變化 。 （ 3） 化學穩定性：在 腐蝕介質的環境中磁性隨時 間的變化 。 顯微組織變化引起的組織時效 性能不穩定的原因 磁疇結構變化引起的磁時效 可逆，再次充磁時材料能恢復原來的磁性 不可逆 3. 1 磁學基礎－ 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 Hc100A/m( Oe) Hc :100～ 1000A/m (～ ) Hc1000A/m() 按用途分類 鐵芯材料 磁記錄材料 磁頭材料 磁致伸縮材