材料学基础第七章

材料学基础第七章现代功能材料与信息材料Functional&CommunicationalMaterial问题一：现代功能材料有哪些基本类型？问题二：现代信息材料包括哪些？材料学基础§7.1磁性材料MagnetismMaterials问题一：为什么有的磁性材料天生就有磁性？问题二：为什么有的磁性材料必须通电以后才有磁性？材料学基础软磁材料磁性材料磁记录材料硬磁材料一、软磁材料指在磁场中被磁化后能够显示磁性，磁场撤除之后磁性基本消失的一类铁磁物质。通常软磁材料的矫顽力Hc＜0.8kA/m材料学基础1.软磁材料性能的基本要求贮能高要求单位体积中贮存的磁能量要高，一般要求材料具有高的饱和磁感应强度Bs或剩余磁感应强度Br。灵敏度高要求在很小的磁场强度下能获得较高的起始磁导率i和最大磁导率m。这一要求对用于信息传输的元件是很重要的，因为它们一般在弱磁场下工作。效率高要求矫顽力Hc值低，电阻率高。较低的Hc和较高的有利于降低磁滞损耗和涡流损耗，其结果显著降低了反复磁化的损耗。回线矩形比高以保证噪音小，信号不失真等。稳定性好要求磁性不随外界条件的变化而改变，其变化率越小则稳定性越好。

BrO-HcHc-BrBH图3.1软磁材料的磁滞回线Bs-Bs材料学基础2.软磁材料的种类电工用纯铁含碳量wc<0.04%的铁碳合金，纯度在99.5%以上。（1）磁性能i＝300～5000，m＝6000～120000，Hc＝0.0398～0.0955kA/m。（2）电性能电阻率很低：10×10－8·m，铁损很大。（3）力学性能强度、硬度很低，塑性好：

b＝27kg/mm2，HB＝131

＝25%，＝60%

主要应用：直流磁场下工作的磁性元件，如电磁铁和继电器的铁芯。小提示：铁损是指铁磁材料在交变磁场中反复磁化所消耗的功率。材料学基础电工用硅钢片在纯铁中加入1.04.0%Si的铁碳硅合金。因Si的加入，提高了电阻率，从而减少涡流损耗。

主要应用：电动机、发电机、变压器的铁芯。热轧非织构（无取向）硅钢片电工用硅钢片冷轧非织构（无取向）硅钢片冷轧高斯织构（单取向）硅钢片冷轧立方织构（双取向）硅钢片材料学基础铁镍合金（坡莫合金，Permalloy)含Ni3090%的铁镍合金。特点：在弱磁场中具有良好的磁性能

铁铝合金

特点：电阻率高、硬度高、耐磨性好等。材料学基础二、硬磁材料（永磁材料、恒磁材料）指在磁场中被磁化后能够显示磁性，磁场撤除之后仍然保持较强磁性的一类铁磁物质。性能的基本要求最大磁能积大

以在给定的空间产生足够大的磁场H。H主要取决于(BH)m

。

决定(BH)m大小的两个因素：Hc和Br：

Hc和Br越大，(BH)m则越大。退磁曲线的形状：即退磁曲线的凸起越厉害，(BH)m则越大。磁稳定性好

要求磁铁产生的磁场不随时间、应力、温度、振动、辐射及电磁场的变化而变化，或变化很小。

HBBr-HcO硬磁材料的退磁曲线材料学基础1.硬磁材料的种类铝镍钴永磁合金主要成份：Fe、Ni、Al；添加元素：Co、Cu、Ti磁性能特点：

(BH)m

＝40～70kj/m3，Br＝0.7～1.35T，Hc＝40～60kA/m。

典型牌号：AlNiCo5

主要应用：电机器件（如发电机、电动机、继电器等）电子器件（如扬声器、电话机等）硬磁铁氧体一般形式：MO•6Fe2O3

磁性能特点：

Bs较低，Hc高，Tc低（对温度敏感）。主要应用：取代铝镍钴永磁合金制造电机器件（如发电机、电动机、继电器等）和电子器件（如扬声器、电话机等）材料学基础稀土永磁材料主要成份：稀土元素与Fe、Co、Cu、Zn或B、C、N组成的金属化合物。

磁性能特点：

极高的(BH)m

和Hc。第一代：RCo5型：金属化合物的组成为1:5

如：SmCo5，(Sm,Pr)Co5等第二代：R2Co17型：金属化合物的组成为2:17

如：Sm2Co17，Sm2(Co,Cu,Fe,Zr)17等第三代：Nd-Fe-B系

硬磁相：

Nd2Fe14B

不含Sm、Co等贵重元素，价格便宜。但Tc低，耐蚀性差。第四代：R-Fe-N系、R-Fe-C系主要应用：电机、电声器件。材料学基础可加工的永磁合金特点：合金在淬火态具有良好的塑性变形能力，可加工成各种片材、棒材、丝材、管材等。1、－铁基合金主要有：Fe-Co-Mo系、Fe-Co-W系、Fe-Co-W-Mo系一般用于电话机上。2、Fe-Mn-Ti系和Fe-Co-V系

可切削、弯曲、冲压成形。一般用来制造指南针、仪表零件等。3、Cu基合金主要有：Cu-Ni-Fe系、Cu-Ni-Co系

一般用于转速表指示器磁滞圆盘。4、Fe-Co-Cr永磁合金主要成份：27～28%Cr、23～26%Co等。

磁性能与AlNiCo5相当。主要用于制造电话器、转速表、扬声器、陀螺仪等。材料学基础三、磁记录材料磁记录材料磁头材料磁记录介质材料材料学基础§7.2导电材料ElectricMaterials导电材料是指那些具有导电特性的物质，它包括电阻材料、电热与电光材料、导电与超导材料、半导体材料、介电材料、粒子导体和导电高分子材料等。材料学基础一、导电及电阻材料

1.导电材料所谓导电材料，是指用以传送电流而只有很小电能损失的材料，它包括电力工业用的电线、电缆等强电用的导电引线材料和电子工业中传送弱电流的导体布线材料等。

2.电阻材料电阻材料是用来制作电子仪器、测量仪表、加热设备以及其它工业装置中电阻元件的一种基础材料，包括制作发热体的电热材料、绕制标准电阻器的精密电阻材料以及制作力敏、热敏传感器用的应变电阻材料和热敏电阻材料等。材料学基础二、半导体材料半导体材料的发展与器件紧密相关。

1.二极管发光二极管（LED）电子电流复合区光子当电流沿图示方向通过时，在pn结的附近，多余的载流子进行复合并发光：p+n→光子。发光二极管的颜色取决于所用的材料，若是GaAs，则发红光，若是GaP，则发绿光，与能级有关。材料学基础整流二极管

由于pn结的单向导电性，可以选择能隙较大的半导体二极管作为整流管，利用半导体二极管的单向导电性，将交流电变为直流电。

这种整流二极管可作为避雷装置，当日常使用时，电流小，二极管处于绝缘状态，在有雷电轰击时，由于其电压很高，可以击穿反向绝缘能隙，电流可以通到地上，起到避雷作用。材料学基础2.三极管三极管的放大原理三极管特点：a)基区很薄，远小于发射区和集电区；b)基区掺杂浓度远小于发射区和集电区。多余的空穴多余的电子nnp材料学基础输出输入发射区基区集电区EbEcnnp负载电阻npn发射区集电区基区外部负载IexEcEb输入发射极电流IeIe

=Ipe+IneIpe是基区注入发射区的空穴电流，Ine是发射区注入基区的电流；所以两者跟掺杂浓度和输入电压有关，是确定的。Ine=Irb

+IcIrb是基区中的复合电流；Ic是集电极电流Ie

=Ipe+Irb

+IcIb

=Ipe+IrbIb是基极电流由于基区很薄，所以Irb复合电流很小，即Ie≈Ic。

IcIbIe材料学基础3.半导体陶瓷半导体陶瓷种类很多，主要用作各种传感器。

PTC半导体陶瓷：

PTC热敏半导体，是指一类具有正温度系数的半导体陶瓷材料。以BaTiO3半导体陶瓷材料最具代表性，也是当前研究得最成熟，适用范围最宽的PTC半导体陶瓷材料。

107106105104103102101电阻率（Ω·cm）0

100200

温度（℃）PTC陶瓷的电阻率随温度的变化关系aTc材料学基础氧化物半导体气敏陶瓷以SnO2和ZnSnO3为代表，其气敏机理是：氧化性或还原性气体吸附在氧化物陶瓷上时，会引起导电性能变化，通过测量这些变化，就可知道气体的类型和浓度。

光敏陶瓷

光敏陶瓷也称为光敏电阻，属半导体型陶瓷。当光照到这种陶瓷材料上时，在光子能量的作用下，材料的电导增加，即出现光电导效应。可用来制造光电池，也称为太阳能电池。光敏电阻一般用CdS、CdSe等原料制造。材料学基础压电陶瓷

1880年，P．居里和J.居里兄弟发现，当对α石英晶体在某些特定的方向上加力时，在力方向的垂直平面上出现正、负束缚电荷，这种现象称为压电效应。

＋－＋－常用的压电材料有压电晶体和压电陶瓷两种。压电晶体主要有石英晶体、酒石酸钾钠等晶体材料。压电陶瓷主要是钛酸钡和钛酸铅等。目前，压电材料主要用作点火器、水声能换器等。材料学基础§7.3激光材料LaserMaterial激光器的三个基本组成部分材料学基础a)YAG:Nd（Y3Al5O12）b)KTP（KTiOPO4）c)CLBO（CsLiB6O12）一些激光晶体材料学基础红宝石激光器的基本构造能量E0E3E2E1非辐射跃迁受激辐射跃迁694.3nm红宝石中铬离子能级示意图材料学基础+++++-----反射镜面（晶体劈开面）激光束激光束电极空穴流电子流活性区p区n区半导体激光器的基本结构热池金属激光束正向偏压SiO2P掺杂GaAsP掺杂GaAlAsAlAsN掺杂GaAlAsN掺杂GaAs异质结半导体激光器金属材料学基础§7.4现代信息材料CommunicationalMaterial材料学基础一、光纤材料

光纤材料是一种非常细的可弯曲的导光材料。单根光纤的直径约为几到几十微米，结构为由内层材料（芯料）和包层材料组成的复合结构。再在最外面加一层塑料套管防磨损。

纤芯（高石英玻璃）包层（有损耗石英玻璃）a)二次被覆层（尼龙）缓冲层（硅树脂）一次被覆层（变性硅）光纤b)光纤横截面结构示意图a)光纤b)三层结构芯线材料学基础

1

c

2n1n2n1>n2光的全反射原理n1n2折射率n1>n2光在光学纤维中的传输路径材料学基础包层包层包层包层包层包层纤芯纤芯ABCABCA折射率分布折射率分布折射率分布a)n2n1n2n1n2n1b)c)光纤的种类和光的传播a)阶跃型多模光纤（SI光纤）b)梯度型多模光纤（GI光纤）c)单模光纤（SM光纤）材料学基础四、信息显示材料

信息显示材料是把人们看不到的电学信息转变为可见的光学信号的一种光功能材料。信息显示可分为主动显示和被动显示两种，在主动显示中，像元本身就是光源，可以发射反映信号特点的光，这种显示方式白天黑夜都能使用；在被动显示中像元只能靠环境光的照射而显示出来，这种显示方式只能在白天或有照明的地方使用。

信息显示材料主要有两类：一是主动显示用的发光材料，如阴极射线发光材料和场致发光材料等；二是被动式显示用的材料，如液晶、电着色材料和电泳材料等。材料学基础1．主动式显示发光材料这类材料主要有阴极射线发光材料和场致发光材料两种。阴极射线发光材料目前，最常用的阴极射线发光材料是CRT荧光材料，它一般是在合适的基质材料中有