第10章_高分子材料的磁学性能

第10章 高分子材料的磁学性能,材料科学与工程学院,2,10.1 基本磁学性能,一、磁学基本概念与基本量,磁性：物质在一定条件下能相互吸引的性质 是由材料内部电子循轨和自旋运动产生的,磁化：物质在磁场中由于受磁场作用 而呈现出一定磁性的现象,磁介质：能够被磁化的物质,磁场：在磁极周围空间存在着磁力 作用的特殊物质,材料科学与工程学院,3,二、 材料的磁性,任一封闭电流都具有磁矩，其方向与环形电流法向方向一致，大小等于电流与环形面积乘积：,磁矩表征材料磁性大小。磁矩愈大，磁性愈强,材料科学与工程学院,4,电子轨道磁矩ml,为波尔磁子，是磁矩的最小单元,电子的自旋磁矩ms,S为自旋量子数，其值为1/2,材料科学与工程学院,5,原子的经典玻尔模型：Z个电子围绕原子核做圆周运动,核外电子结构用量子数表征：n.l.s,电子轨道大小由主量子数n决定,n=1, 2, 3, 4,的轨道群又称为K, L, M, N,.的电子壳层,轨道的形状由角动量l决定,l=0, 1, 2, 3,.n-1又称为s, p, d, f, g,.次电子层,电子自旋量子数由S决定,材料科学与工程学院,6,磁化强度和磁化率：,磁介质在磁场强度H的外磁场中被磁化时，产生附加磁场H，则总磁场强度：,无外加磁场,有外加磁场,材料科学与工程学院,7,磁化强度：单位体积内原子固有磁矩的矢量和，A/m,材料磁化强度不仅与外加磁场强度有关，还与物质 本身的磁化特性有关,材料科学与工程学院,8,磁感应强度B：通过磁场中某点，垂直于磁场方向单位面积的磁力线数,0为真空磁导率，,磁导率或导磁系数，反映了磁感应强度B随外磁场H变化的速率,材料科学与工程学院,9,10.2 材料磁性的分类,一 材料抗磁性与顺磁性的物理本质,材料被磁化后，磁化矢量与外加磁场方向相反的称为抗磁性 材料被磁化后，磁化矢量与外加磁场方向相同的称为顺磁性,存在磁化可逆性,磁化曲线,材料科学与工程学院,10,1 抗磁性材料的抗磁性来源于电子循轨运动时受外加磁场作用所产生的抗磁矩,材料科学与工程学院,11,(1) 电子轨道磁矩大小为,(2) 电子抗磁矩,无论电子顺时针运动还是逆时针运动，所产生的附加磁矩m都与外加磁场的方向相反，称为抗磁矩,材料科学与工程学院,12,(3) 原子抗磁矩,任何材料在磁场作用下都要产生抗磁性,一个原子有z个电子，每个电子的轨道半径不同，故一个原子的抗磁矩,材料科学与工程学院,13,计算有机化合物磁化率：,m,i称为原子磁化率，i代表结构增量,材料科学与工程学院,14,2. 顺磁性,材料的顺磁性主要来源于原子(离子)的固有磁矩,产生顺磁性的条件：原子的固有磁矩不为零。原子或离子不为零的几种情况： （1）具有奇数个电子的原子或点阵缺陷（2)内壳层未被填满的原子或离子,材料科学与工程学院,15,顺磁磁化率（para）,N是观测自旋数，g是平均朗德因子，B是波尔磁子；k是玻兹曼常数；T是绝对温度（K）。,材料科学与工程学院,16,当未成对电子在导带中离域时，其磁化率P则服从Pauli定律,材料科学与工程学院,17,3. 铁磁性,一 铁磁材料的原子组态和原子磁矩,铁磁性材料在外加磁场作用下，可以产生很强的磁化，其磁化矢量与外加磁场的方向一致,铁磁性来源于原子未被抵消的自旋磁矩和自发磁化,铁磁性产生条件：,（1）原子未被抵消的自旋磁矩。过渡族金属的3d壳层都未被电子填满。（2）自旋磁矩能自发地排列在同一方向上-自发磁化,材料科学与工程学院,18,二 自发磁化,1 自发磁化：无外磁场的情况下 ,材料所发生的磁化,2 交换能: 因交换作用所产生的附加能量 交换积分常数A 当ar3时，A0； 当ar3时，A0,金属内部的自发磁化是由于电子间的相互作用产生的,当两个原子相接近时，迫使相邻原子自旋磁矩产生有序排列,材料科学与工程学院,19,3 自发磁化条件（1）在A0，自旋磁矩同向排列时能量最低 （2）在A0，自旋磁矩反向排列时能量最低,铁、钴、镍因其交换积分常数A具有较大的正值，有较强的自发磁化倾向稀土元素常温下为顺磁性,材料科学与工程学院,20,三 磁各向异性与磁致伸缩,1 磁各向异性,沿不同晶轴方向的磁化强度不同:磁化矢量沿易磁化方向时能量最低;磁化矢量沿难磁化方向时能量最高,在单晶体的不同晶体学方向上，其磁学性能不同。这种特性称为磁晶各向异性,磁化功小的方向称为易磁化方向，磁化功大的方向称为难磁化方向,材料科学与工程学院,21,2 磁致伸缩效应,铁磁物质磁化时，沿磁化方向发生长度的伸长或缩短,（1）磁致伸缩系数 0，表示沿磁化方向上的尺寸伸长，称为 正磁致伸缩,Fe 0，表示沿磁化方向的尺寸缩短,Ni,（2）饱和磁致伸缩系数: 磁化强度达到饱和值时的磁致伸缩系数,s0的材料磁化时，若沿磁场方向加以拉应力，有利于磁化 s0的材料磁化时，若沿磁场方向加以压应力，有利于磁化,材料科学与工程学院,22,四 磁畴结构,(1) 磁畴:在铁磁性物质中，存在的微小自发磁化区域,（2）退磁能：由于铁磁体产生的外磁场与内磁场方向相反，从而使铁磁体的磁性减弱，造成磁化能增加,材料科学与工程学院,23,（3）磁畴壁：相邻磁畴的交界处，两相反磁畴之间形成一个过渡层畴壁面积越大，能量越高，而磁畴越小，磁畴壁面积就越大没有外磁场时，磁畴呈细小扁平的薄片状或细长的棱柱状，磁化矢量指向易磁化方向,材料科学与工程学院,24,五 磁化曲线与磁滞回线,1.磁化曲线,第一部分：H，BM（缓慢） 磁化是可逆的,第二部分：H，BM（急剧） 磁导率增长非常快，并且出现极大值 磁化是不可逆的 第三部分： H，BM（变缓） 磁导率减小，并趋向稳定 当磁场强度达到Hs时，磁化强度便达到饱和值,材料科学与工程学院,25,2.磁滞回线,磁化到饱和磁化状态后当H0时，磁感应强度B并不等于零，而是保留一定大小的数值Br铁磁金属的剩磁现象,当H等于一定值Hc时，B=0，Hc为去掉剩磁的临界外磁场，称为矫顽力,磁化一周得到的闭合回线，称为磁滞回线；所包围的面积相当于磁化一周所产生的能量损耗，称为磁滞损耗,材料科学与工程学院,26,3.退磁曲线,磁滞回线中，第二象限部分也称为退磁曲线,最大磁能积: (BH)m=Bd.Hd隆起度(凸出系数): =(BH)m/Br.Hc回复系数: Tan=B/H,材料科学与工程学院,27,磁性物质的分类,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)永磁材料,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),材料科学与工程学院,28,磁性基本测量方法,1 磁称法测量磁化率,材料科学与工程学院,29,2 磁化曲线和磁滞回线的测量,材料科学与工程学院,30,10.3 磁共振,（1）与电子磁矩在稳恒外磁场中重新取向有关的跃迁，这种效应称为顺磁共振（ESR）。（2）由于核磁矩在稳恒外磁场中重新取向发生的跃迁，这种效应称为核磁共振（NMR）,材料科学与工程学院,31,10.4 磁性高分子材料,复合型磁性高分子材料：是指以高分子材料与各种各种无机磁性材料通过混合粘结、填充复合、表面复合、层积复合等方式加工制得的磁性体，从复合材料概念出发，通称为磁性树脂基复合材料。如磁性橡胶、磁性树脂、磁性薄膜、磁性高分子微球等,结构型磁性高分子材料：指不用加入无机磁性物而高分子自身就具有强磁性的材料，如聚双炔和聚炔类聚合物，含氮基团取代苯衍生物，聚丙稀热解产物等。,材料科学与工程学院,32,复合型磁性高分子材料,可分为树脂基铁氧体类高分子共混磁性材料和树脂基稀土填充类高分子共混磁性材料两类,1 构成：由磁性无机物和高分子材料组成,1）磁性无机物：主要是永磁铁氧体类磁粉和稀土类磁粉,永磁铁氧体粉：有锶（Sr）、钡（Ba）铁氧体磁粉等；稀土永磁粉：有SmCo、NdFeB、SmFeN永磁粉等,材料科学与工程学院,33,2）高分子材料：,橡胶：有天然和合成两类，主要用于柔性复合磁体制造，成型加工困难，可用注塑机来成型等；热固性树脂：分环氧树脂、酚醛树脂；热塑性树脂：以聚酰胺、聚丙烯、聚乙烯等，聚酰胺（PA）类最为常见，具有机械加工性、热塑性、吸湿性,材料科学与工程学院,34,2 制备方法,制备磁性塑脂主要有共混、原位聚合和化学转化三种方法,共混法：比较成熟，例如将聚乙烯、对苯二甲酸脂与SrO.6Fe2O3磁粉、可塑剂、稳定剂、表面处理剂共混制备聚脂单纤维丝。,原位聚合法：使聚合物单体在活化处理过的磁粉表面聚合，形成以磁粉为核、聚合物为包复层的复合磁性粒子，磁性粒子在聚合物单体中分散均匀。,材料科学与工程学院,35,磁性高分子微球,材料科学与工程学院,36,结构型磁性高分子材料,分为：纯有机铁磁体、高分子金属络合物和电荷转移复合物,制造分子的(而不是原子的) 强磁体的关键是制备电子数为奇数的,至少有一个不成对电子的分子,再利用聚合、结晶、氢键、掺杂等手段,加强其分子间的作用力,使分子有序排列和自旋有序取向,就能实现有机物质的宏观磁性。,材料科学与工程学院,37,纯有机磁性高分子,所谓纯有机磁性高分子是指高分子中不含任何金属，仅由C、H、N、O、S等组成的磁性高分子。 最引人注目的是1987年前苏联莫斯科化学物理研究所ovchinnikov等设想的将含自由基的单体聚合，使自由基稳定通过主链的传递耦合作用；再使自由基未配对电子间产生铁磁自旋耦合而获得宏观铁磁性高分子,材料科学与工程学院,38,将两个稳定的4-氧-2，2，6，4-甲基哌啶-1-氧自由基接到丁二炔上，得到如式所示的单体BIPO，再在100左右聚合成磁性高分子聚BIPO,材料科学与工程学院,39,(1)高储存信息的新一代记忆材料,磁性高分子材料的应用,(2)轻质、宽带微波吸收剂,(3)磁控传感器的开发,(4)生物体中的药物定向输送,(5)低磁损高频、微波通讯器件的开发,材料科学与工程学院,40,磁性高分子与导电材料复合可制成电、磁双损型的轻质、宽带微波吸波剂，这将在航天、电磁屏蔽和隐身材料等方面获得重要用途磁控传感器的开发 利用磁场变化控制温度、溶剂和气体等的传感器件以及受光、热控制的新型电磁流体的开发是磁性高分子重要的应用方向,材料科学与工程学院,41,生物体中的药物定向输送 低密度可任意加工的磁性高分子的诞生，可实现生物体中的药物