材料科学与技术第六

1、四、铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性的机制四、铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性的机制1、铁磁性的机制、铁磁性的机制铁磁质：铁磁质：以铁为代表的在外磁场中能产生很强磁性的物质以铁为代表的在外磁场中能产生很强磁性的物质610:mHHMmMMHB000铁磁性起源于电子的自旋磁矩，是否具有铁磁性不仅决定于原铁磁性起源于电子的自旋磁矩，是否具有铁磁性不仅决定于原子是否具有净自旋磁矩、还与原子在晶格中的排列方式有关子是否具有净自旋磁矩、还与原子在晶格中的排列方式有关原子原子3d电子电子4s电子电子净自旋磁矩净自旋磁矩)(BFe CoNi2224323d未成对电子数未成对电子数过过渡渡族族元元素素:,NiCoFe有铁磁

2、性有铁磁性原子具有未成对原子具有未成对 d 电子或电子或 f 电电子只是具有铁磁性的必要条件子只是具有铁磁性的必要条件CrMn,有未成对有未成对 d 电子电子（5个），但个），但无铁磁性无铁磁性原子接近、电子云相互叠加原子接近、电子云相互叠加量子理论铁磁性形成的条件：量子理论铁磁性形成的条件：计算结果表明：计算结果表明：相邻原子的相邻原子的电子交换积分电子交换积分为正时，相邻原子为正时，相邻原子的电子自旋磁矩同向平行排列、形成磁性的电子自旋磁矩同向平行排列、形成磁性很强的自发磁化区很强的自发磁化区 磁畴磁畴结果还表明：结果还表明：原子间距原子间距与与参与交换作用的电子轨道直径参与交换作用的电子

3、轨道直径之之比大于比大于3时时，交换积分才可能为正，交换积分才可能为正:,CrMn:,NiCoFe满足自发磁化条件满足自发磁化条件不满足自发磁化条件不满足自发磁化条件铁磁铁磁非铁磁非铁磁稀土金属铁磁性起源于未成对的稀土金属铁磁性起源于未成对的4f电子的自旋磁矩电子的自旋磁矩2、反铁磁性的机制、反铁磁性的机制反铁磁性物质相邻原子的电反铁磁性物质相邻原子的电子交换积分为负，相邻原子子交换积分为负，相邻原子磁矩大小相等、方向相反磁矩大小相等、方向相反原子磁矩相原子磁矩相互抵消、自互抵消、自发磁化为零发磁化为零;,CrMn如：如：许多金属氧化物：许多金属氧化物：NiOCuOOCrMnO,323、亚铁磁

4、性的机制、亚铁磁性的机制绝大部分是金属氧化物绝大部分是金属氧化物 铁氧体铁氧体，电，电性属半导体，常作为高频磁介质使用性属半导体，常作为高频磁介质使用由自旋磁矩大小不同的两种原子或离子组成，相同原由自旋磁矩大小不同的两种原子或离子组成，相同原子的磁矩同向平行排列，不同原子的磁矩方向相反子的磁矩同向平行排列，不同原子的磁矩方向相反两种原子的磁矩：方向相反、大小不等，两种原子的磁矩：方向相反、大小不等，不能完全抵消、对外呈现宏观磁性不能完全抵消、对外呈现宏观磁性亚铁磁性物质：亚铁磁性物质：由具有净自旋磁矩的原子组成由具有净自旋磁矩的原子组成铁磁、反铁磁、亚铁磁，磁矩的有序排列铁磁、反铁磁、亚铁磁，

5、磁矩的有序排列铁磁性铁磁性反铁磁性反铁磁性亚铁磁性亚铁磁性五、温度对磁性的影响五、温度对磁性的影响所有原子的磁矩完全沿相同方向排列，磁化强所有原子的磁矩完全沿相同方向排列，磁化强度最大、为单个原子磁矩与原子数密度的乘积度最大、为单个原子磁矩与原子数密度的乘积磁介质的饱和磁化强度：磁介质的饱和磁化强度：实际值小于这一严格意义的饱和值实际值小于这一严格意义的饱和值严格意义上严格意义上-2002000.56008001.01.52.0温度，温度，Co)10/( ,8mAM纯纯FeFe3O4饱和磁化强度饱和磁化强度温度升高：温度升高：自发磁性、磁畴消失。这自发磁性、磁畴消失。这一特征温度称为一特征温度

6、称为居里温度居里温度原子热运动加剧、原子原子热运动加剧、原子磁矩取向混乱，磁畴磁磁矩取向混乱，磁畴磁矩、饱和磁化强度降低矩、饱和磁化强度降低温度升高到某一值：温度升高到某一值：:CTT 铁磁变成顺磁铁磁变成顺磁43,OFeNiCoFe的居里温度：的居里温度：Co585,335,1120,768五、磁化和退磁化五、磁化和退磁化1、磁畴和磁畴壁、磁畴和磁畴壁未经磁化的铁磁体各磁畴的取向无序、未经磁化的铁磁体各磁畴的取向无序、磁矩矢量和为零，对外不显磁性磁矩矢量和为零，对外不显磁性磁畴壁：磁畴壁：相邻磁畴间的界限、一个相邻磁畴间的界限、一个有一定厚度的过渡层有一定厚度的过渡层o180磁畴壁磁畴壁磁畴

7、壁磁畴壁o90两种磁畴壁两种磁畴壁过渡层（过渡层（磁壁磁壁）中原）中原子磁矩的方向子磁矩的方向:逐渐从一个磁畴逐渐从一个磁畴方向向另一个磁方向向另一个磁畴方向改变畴方向改变2、磁化曲线、磁化曲线H)(MBoab)(ssMBc或或非线性非线性未曾磁化过的铁磁质：未曾磁化过的铁磁质：:oa:ab:bc:c缓慢增加，缓慢增加，迅速增加，迅速增加，缓慢增加，缓慢增加，饱和饱和饱和磁感应饱和磁感应(磁化）强度磁化）强度dHdB变化变化HB HM 铁磁体的磁化曲线铁磁体的磁化曲线：3、磁化过程的本质、磁化过程的本质磁化过程：磁化过程：磁畴结构的变化过程磁畴结构的变化过程H0:HSH磁矩方向与磁场方向接近磁

8、矩方向与磁场方向接近的磁畴长大；磁矩方向与的磁畴长大；磁矩方向与磁场方向相背的磁畴变小磁场方向相背的磁畴变小磁畴转向外场的磁畴转向外场的方向、饱和状态方向、饱和状态4、退磁化曲线及磁滞回线、退磁化曲线及磁滞回线HBoabcdefgcHcHsBrBh:cde退磁化过程，退磁化过程， 退磁化曲线退磁化曲线B:0H不按原路返回不按原路返回:0HrBB 剩磁剩磁:CHH0B:CH矫顽力矫顽力ssHHH:磁滞现象：磁滞现象： B 始终滞后于始终滞后于 H 磁滞回线：磁滞回线：cdefghc磁滞现象的本质：磁滞现象的本质：磁畴在变化过程中受到阻力磁畴在变化过程中受到阻力一个周期内的一个周期内的磁滞损失：磁

9、滞损失：（磁滞回线所围的面积）（磁滞回线所围的面积）BdHQ磁滞损失与交磁滞损失与交变磁场的振幅变磁场的振幅及频率有关及频率有关七、磁性材料七、磁性材料1、软磁材料、软磁材料按矫顽力磁性材料分为两类：按矫顽力磁性材料分为两类：HB硬磁硬磁软磁软磁特点：特点：低矫顽力、高磁导率、低磁滞损耗低矫顽力、高磁导率、低磁滞损耗磁滞回线：细窄、陡峭磁滞回线：细窄、陡峭软磁材料主要应用于：软磁材料主要应用于：导磁体导磁体 变压器、继电器的铁心；变压器、继电器的铁心；马达的定子、转子；开关元件马达的定子、转子；开关元件材料中的析出相、杂质会导致矫顽力材料中的析出相、杂质会导致矫顽力增加、磁导率下降、磁滞损失增

10、加增加、磁导率下降、磁滞损失增加优良软磁材料应优良软磁材料应是质匀、纯度高是质匀、纯度高易磁化、易退磁易磁化、易退磁2、硬磁材料、硬磁材料 HB硬磁硬磁软磁软磁交变磁场中材料不仅存在交变磁场中材料不仅存在磁滞损失还有涡流损失磁滞损失还有涡流损失用于铁芯等的材料不仅要软用于铁芯等的材料不仅要软磁特性好、电阻率也要高磁特性好、电阻率也要高常用软磁材料：常用软磁材料：固溶体合金（固溶体合金（ Fe-Si, Fe-Ni ）、铁氧体）、铁氧体特点：特点：剩余磁感应强度大、矫顽力大剩余磁感应强度大、矫顽力大磁滞曲线宽、高磁滞曲线宽、高磁化后具有强的剩磁、用于永磁材料磁化后具有强的剩磁、用于永磁材料三个高的

11、磁性指标：三个高的磁性指标：,CH,rBmax)(BH最大磁能积最大磁能积最大磁能积：最大磁能积： 退磁曲线上退磁曲线上 B, H 乘积的最大值乘积的最大值越大、在空间产生的磁场越强越大、在空间产生的磁场越强材料中的析出颗粒能有效阻碍磁畴壁的运动、提高材料中的析出颗粒能有效阻碍磁畴壁的运动、提高 HCCrWCFeCrW,如：如： 合金中合金中 碳化物沉淀颗粒碳化物沉淀颗粒硬磁材料有：硬磁材料有：铁氧体、铝镍钴、稀土钴及稀土铁类合金铁氧体、铝镍钴、稀土钴及稀土铁类合金应用于：应用于：扬声器、电表、磁力举重设备、磁力选矿设备扬声器、电表、磁力举重设备、磁力选矿设备第三节第三节 材料的热性能材料的热

12、性能材料材料热性能包括热性能包括：热容、热膨胀、热传导等：热容、热膨胀、热传导等材料热性质是工程设计、选材的重要参数、是热分析的基础材料热性质是工程设计、选材的重要参数、是热分析的基础一、材料的热容一、材料的热容基本概念：基本概念：热容、比热、定容（定压）摩尔热容热容、比热、定容（定压）摩尔热容固体吸收的固体吸收的热能主要用于热能主要用于增加原子振动能量和自由电子动能增加原子振动能量和自由电子动能AeCC 自由电子热容（即使金属）自由电子热容（即使金属）远小于原子振动热容：远小于原子振动热容：固体热容固体热容ACC 热容本质及热容随温度变化的认识历程热容本质及热容随温度变化的认识历程：经典热经

13、典热容理论容理论爱因斯坦量爱因斯坦量子热容理论子热容理论德拜量子德拜量子热容理论热容理论1、经典热容理论、经典热容理论气体分子热容理论在固体中的推广气体分子热容理论在固体中的推广在平衡态下，在平衡态下，物质物质分子的每一个分子的每一个自由度都具有相同的平均动能自由度都具有相同的平均动能kT21物质：物质：气体、气体、液体或固体液体或固体19世纪，世纪，Dulong petit 认为：认为：)21(2kTkT3NkT3)/(9 .2433)()(0kmolJRkNdTdEdTdQCVVmV与温度无关的常量与温度无关的常量结果的局限性：结果的局限性： 仅适用于处于仅适用于处于较高温度较高温度的部分

14、金属的部分金属2、爱因斯坦热容模型、爱因斯坦热容模型 爱因斯坦爱因斯坦晶格振动量子化理论晶格振动量子化理论 假定：假定：晶格中的每个原子做独立振动、振动频率为晶格中的每个原子做独立振动、振动频率为 ；原子振动能量是量子化的原子振动能量是量子化的每个振子的每个振子的振动能量：振动能量：hnhEn21:h:n:21hPlank 常数，常数，声子量子数声子量子数 (0, 1, 2, 3,.)零点能零点能能量为能量为 En 的振子数：的振子数：)exp(kTEn( Boltzmann 几率分布几率分布 )温度温度 T 、振动频率为、振动频率为 的振子的平均能量：的振子的平均能量：1)exp(kThh平

15、均振动能量：平均振动能量：03NE )/(3)(TRfTECEEVmV221)/exp()/exp()()/(kThkThkThTfEE爱因斯坦函数爱因斯坦函数khE/爱因斯坦温度爱因斯坦温度（2）晶体温度很低：）晶体温度很低：讨论：讨论： （1）晶体温度较高）晶体温度较高:RCmV3与经典理论一致与经典理论一致hkT kTh)/exp()(32kThkThRCmV3TCmV实验结果实验结果：比实验结果更比实验结果更快地趋于零快地趋于零1)/(TfEE低温时爱因斯坦热容模型与实验不一致低温时爱因斯坦热容模型与实验不一致振动频率也不完全相同振动频率也不完全相同每个原子振动不独立、存在联系；每个原

16、子振动不独立、存在联系；3、德拜热容模型、德拜热容模型理论认为：理论认为：晶体可看作连续介质，晶体中原子间存在弹性晶体可看作连续介质，晶体中原子间存在弹性原子的振动原子的振动整体振动整体振动晶格振动晶格振动晶格波、弹性波晶格波、弹性波原子具有宽的振动频谱：原子具有宽的振动频谱：max0频率在频率在 间振子数：间振子数：ddg)(: )(gNdg3)(max0频率分布函数频率分布函数,斥力和引力，原子的振动相互牵连、相互制约斥力和引力，原子的振动相互牵连、相互制约晶体中的原子数晶体中的原子数:N原因：原因：302v12)(g频率分布函数频率分布函数:(可由晶格振动的可由晶格振动的弹性波理论推得弹性波理论推得)3t330/v2/v1/v3l:v0:v,vtl晶体中的纵、横波传播速度晶体中的纵、横波传播速度Ndg3)(max030max62vNv1)exp(kThh温度温度 T 、振动频率为、振动频率为 的振子的平均能量：的振子的平均能量：(遵循遵循Boltzmann 几率分布几率分布 )振动能量：振动能量：dxexhTkdgExxmaxmax033304401v12)(kThxdxexeTNkTECTxxDVVD/0243) 1(