《功能材料》全册完整教学课件

《功能材料》全册完整教学课件功能材料

第一章概述主要内容1、引言2、功能材料的发展3、功能材料的概念及分类4、《功能材料》的课程安排1、引言材料：人类社会的物质基础和进步的里程碑。三大材料金属、陶瓷、高分子并存时代：20世纪后半期高技术新材料时代：20世纪80年代

石器时代：—公元前2000年青铜器时代：公元前2000年－公元400年铁器时代：公元400年—20世纪前半期1、引言石器铁器青铜器(越王勾践剑)工业经济时代是结构材料占主导地位的时期工业经济—

工业革命机械、动力机器力学性能（机械性能）结构材料钢铁能力曾经的国力的标志结构材料－曾经是材料科学与工程的主要研究对象1、引言钢铁1、引言以钢铁为代表的结构材料是国家实力的体现1、引言埃菲尔铁塔，1889年建成，高324米，用去钢铁7000吨。鸟巢—北京奥运会主会场，2008年建成，长轴为332.3米，短轴为296.4米，用钢42000吨。1、引言金属、无机非金属（陶瓷）、高分子三大材料并存陶瓷材料产品高分子材料产品材料：天然材料人工材料环境协调材料人类对材料的利用需求：简单生存舒适人与自然协调经济：农业经济工业经济知识经济钻木取火1、引言太阳能电池板环保型住宅1、引言功能材料—

现代社会中起主导作用的材料标志—

功能材料是信息技术、生物技术、可再生能源技术、空间技术等现代社会支柱产业的基础例：信息－计算机－相关的材料可再生能源－太阳能－相关的材料1、引言笔记本电脑：显示材料-液晶存储材料-磁头、磁记录能源材料-锂电池硬盘结构1、引言锂电池太阳能电池：光电转换材料低发射玻璃电极材料1、引言人造卫星：光电转换材料；热电材料；传感材料；辐射屏蔽材料1、引言“玉兔”号月球车1、引言“玉兔”号月球车2013年12月2日：中国西昌卫星发射中心成功发射嫦娥三号探测器：着陆器和“玉兔号”月球车（巡视器）；2013年12月15日：嫦娥三号着陆器与巡视器分离，“玉兔号”巡视器顺利驶抵月球表面。月球环境：白昼150℃，黑夜-180℃；月尘；陨石（坑）。能源：太阳能电池、锂电池、同位素热源搭载：测月雷达、全景相机、粒子激发X射线谱仪、红外成像光谱历史资料世界上第一台无人驾驶月球车1970年11月17日前苏联月球17号/月球车1号。世界首台有人驾驶月球车1971年7月31日，美国“阿波罗15号”，斯科特和欧文驾驶月球车。1、引言2004年1月3日“勇气号”火星探测车登陆。设计寿命3个月，采用太阳能电池供电。2009年4月停下脚步成为静止平台，后失去联系…2012年8月6日新一代火星车“好奇号”登陆，设计寿命2年。采用核电池（同位素热电发生器）供电。2013年2月27日发生故障，进入安全模式…结构材料与功能材料的比较与关系结构材料功能材料传统材料产量大附加值低技术较成熟劳动密集转移出发达国家新材料品种多附加值高技术发展快技术密集集中在发达国家共同构成现代社会的物质基础－多样性的必然结构材料和功能材料可能转换－性能的多样性结构材料和功能材料紧密结合－技术的集成性1、引言功能材料与结构材料相互关联1、引言Fe:既钢铁材料的主要成分，也是磁性材料的主要成分Cu基形状记忆合金：由Cu合金发展而来智能材料：结构材料与功能材料的复合2、功能材料的发展初期阶段：－－第二次世界大战以前中期阶段：二战前－20世纪60年代以前现代阶段：20世纪60年代－2、功能材料的发展磁现象的认识：天然磁石（司南、公元前二世纪）、地球磁场等电的发现：18世纪末（富兰克林、库仑）Vota电池（1800年）电磁现象和理论：磁针被电流偏转（奥斯特1820年）；欧姆定律（1826年）；电磁感应（法拉第电机1833年）；法拉第提出“电介质”和场的概念；麦克斯韦方程（1855年）。电工材料：导电材料、磁性材料光学材料：光学玻璃2、功能材料的发展－初期阶段1752－风筝雷电理论方面：20世纪初期物理学的发展—量子力学、能带理论、半导体理论等2、功能材料的发展－初期阶段技术方面：一次和二次世界大战的军事需求—声纳技术、雷达技术、无线电技术、原子能技术材料设计概念的更新－环境友好材料、仿生材料、智能材料2、功能材料的发展－初期阶段60年代半导体技术的兴起－信息技术与产业始于60年代的空间竟赛－传感器、特殊能源、信号记录70年代爆发的能源危机－各种新能源材料现代医学技术的发展－生物医学材料基础理论的突破－超导、纳米材料、纳米碳管推动功能材料发展的主要动力2、功能材料的发展－主要动力（1）新的科学理论和现象的发现（2）新的材料制备技术的出现（3）新的工程和技术要求。2、功能材料的发展－主要动力例子：高温超导现象的发现和高温材料的发展，使超导产业面临一场革命。新科学理论和现象发现的推动例子：快速凝固技术20世纪50年代发展了快速凝固技术，制备出非晶态合金。其后的研究发现非晶态铁基合金具有优异的软磁性能，从而导致了非晶软磁合金的发展与应用。90年代初又用该技术发展出非晶/纳米晶复合软磁合金单锟快淬甩带装置2、功能材料的发展－主要动力材料新制备技术的推动先进军事科技的需求

—

隐身材料能源与环保的要求—

太阳能材料对材料两面要求不同的性能—

梯度材料2、功能材料的发展－主要动力新的工程和技术要求的推动随着新材料的不断出现，性能的日益提高，材料的种类十分繁多，它所涉及的领域也十分宽广。通常按材料组成物质的属性特点将材料划分如下：金属材料——

金属键结合无机非金属材料——

离子键结合高分子材料

——

共价键结合复合材料——

以上三类材料中两种或三种复合3、功能材料的概念及分类通常是指利用材料的物理、化学和生物学等性能制造具有电、磁、光、声、热、生物等功能器件的材料。结构材料功能材料按用途将材料分为两大类通常是指利用其力学性能制造机器和工程结构中构件的材料。磁性材料光学材料电子材料储能材料……桥梁钢工具钢结构钢建筑材料……3、功能材料的概念及分类功能材料的定义

——“具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学和生物学等功能及其相互转换的功能，被用于非结构目的之高技术材料”（引自《功能材料与应用手册》

功能材料的提出

——1965年、美国贝尔实验室的J.A.Morton博士3、功能材料的概念及分类功能材料现象和机制热—力双金属片热胀冷缩形状记忆合金形状记忆效应光—力光敏凝胶光致溶涨电—力电致伸缩材料电致伸缩效应压电材料逆压电效应电流变体电场极化流体粒子电活性凝胶电场迁移离子磁—力磁致伸缩材料磁致伸缩效应磁驱动记忆合金磁致变体重排或相变化学—力智能高分子凝胶化学信号刺激收缩或溶涨部分具备功能转换和传递的材料3、功能材料的概念及分类材料的信息感知与功能传递符号3、功能材料的概念及分类性能：以材料的电、磁、声、光等物理、化学和生物学特性为主；用途：常制成元器件，材料与器件一体化；评价：器件的功能常直接体现出材料的优劣；制造：知识密集、多学科交叉、技术含量高的产品。具有品种多、批量小、更新换代快；微观结构：常有超纯、超低缺陷密度、结构高度精细等特点。

3、功能材料的概念及分类3、功能材料的概念及分类离子镀电子束蒸发沉积离子注入激光蒸发沉积分子束外延快速凝固机械合金化单晶生长极限条件（高温、高压、失重）功能材料微观结构特点：超纯超低缺陷密度微观结构高度精细（如超晶格、纳米多层膜、量子点等）亚稳态结构先进制备技术例：机械合金化球磨机械合金化过程Cu-Zn合金纳米铁粉3、功能材料的概念及分类Bridgman方法制备单晶3、功能材料的概念及分类大尺寸光学晶体激光蒸发薄膜制备方法3、功能材料的概念及分类功能材料有多种分类方法可按材料的物质属性分类可按材料的功能特点分类可按材料的应用领域分类3、功能材料的概念及分类基于材料的物质属性金属功能材料无机非金属功能材料高分子功能材料复合功能材料形状记忆合金储氢合金压电陶瓷电子陶瓷医用高分子材料导电高分子复合减振材料储氢合金3、功能材料的概念及分类新型压电陶瓷在信息领域的应用形状记忆合金应用于机器手基于材料的功能特点磁学功能材料电学功能材料光学功能材料声学功能材料热学功能材料力学功能材料生物医学功能材料磁记录材料磁头材料铁芯材料导线材料电阻材料介电材料线性（非线性）光学晶体激光器晶体显示材料发声材料声探测材料声阻尼材料…….3、功能材料的概念及分类基于材料的应用领域仪器仪表材料传感器材料电子材料电讯材料储能材料形状记忆材料…….3、功能材料的概念及分类课程安排

《金属功能材料》主要章节目录概述：磁性材料弹性与膨胀合金形状记忆材料生物医用材料学时数：48导电与超导材料电介质材料半导体材料能源材料纳米结构功能材料参考文献：《功能材料学概论》，马如璋等，冶金工业出版社，2006《功能材料导论》，何开元，冶金工业出版社，2000《功能材料学》，周馨我，北京理工大学出版社，2002功能材料谢谢！功能材料李岩北京航空航天大学材料科学与工程学院2014年春季学期第二章磁性材料

（一）软磁材料主要内容一、磁学基本概念和磁性材料分类二、软磁合金电工纯铁及铁硅合金镍铁合金及铁铝、铁钴合金铁氧体软磁合金一、磁学基本概念和磁性材料分类一、基本概念－磁场地球磁场：地理南北极与南北磁极不重合(1)磁场

磁场可由永磁体产生，也可由通过电流的导线产生。磁场的大小可依据通电流的线圈所产生的磁场来标定：对于一个直径为D的单匝环行线圈，当通以电流i时，在其中心点处的磁场为H=i/D式中各量的单位：i为A，D为m，H为A/m。一、基本概念－磁场磁性是物质的基本属性，就像物质具有质量和电性一样。一切物质都具有磁性。一、基本概念－磁场螺线管磁场结构磁铁磁场分布一、基本概念－磁场太阳表面不同磁极间的丝状等离子体太阳表面磁场结构美国宇航局2007年3月21日发布的“太阳-B”观测卫星拍下的高质量太阳图片细菌细胞中的磁力线Co粒子中的磁力线一、基本概念－磁力线一、基本概念—磁化与磁矩磁化：如果一种物质靠近永磁体的磁极时，与永磁体靠近的物质一端出现了永磁体相反的磁极，从而产生吸引作用，即为磁化。磁矩：物质由于磁化形成了成对的N-S磁极，由成对的N-S磁极构成的磁学量称为磁矩。物质中出现磁矩是所有磁现象的根源，是磁相互作用的基本条件。原子内的电子作循轨运动和自旋运动，必然产生磁矩。前者称为轨道磁矩，后者称为自旋磁矩。电子的轨道磁矩Pl=电子的自旋磁矩Ps=e：单位电荷；h:普朗克常数；m:电子质量；l:轨道量子数；s:自旋量子数。磁性的起源：一、基本概念－磁性原子磁矩来源于未填满壳层中的那些电子1、在填满电子的壳层中，各个电子的轨道运动分别占了所有可能的方向，其合成总角动量L＝0，所以总轨道磁矩为零。2、在填满电子的壳层中，电子自旋角动量互相抵消，即S＝0，总自旋磁矩也为零。原子核的自旋磁矩比电子磁矩小三个数量级，一般情况下可忽略不计。一、基本概念－磁矩(2)磁化强度：所有物质放在磁场中时，都会发生磁化。一个宏观磁体可看作是有很多微观小磁矩（Mm）组成。当其中各个小磁矩作平行排列时，磁体的磁化强度最高，当它们完全紊乱排练时，其磁化强度为零。因此磁化强度定义为单位体积中微观磁矩的向量和，通常用M表示：式中M的单位A/m。

也可用单位质量物质中磁矩的向量和来表示磁化强度，称为比磁化强度，通常用σ表示

:式中

d

——

物质的密度。

σ的单位为Am2/kg一、基本概念－磁化强度一、基本概念－磁化强度根据物质磁化后的磁化强度方向和大小不同，可将物质的磁性分为几类：强磁性：铁磁性（发生强烈吸引）亚铁磁性（弱磁场下发生轻微吸引，强磁场下变成铁磁体）弱磁性：顺磁性（发生轻微吸引）反铁磁性（发生轻微吸引）抗磁性：反磁性体（发生轻微排斥）完全反磁性（发生强烈排斥）(3)磁感应强度

磁感应强度B也称磁通密度，是磁体内单位面积中通过的磁力线数，单位为T。B、H和

M

存在下列关系：

材料在外磁场下磁化到饱和时的磁感应强度称为饱和磁感应强度，以Bs表示。一、基本概念－磁感应强度(4)磁导率和磁化率在真空中磁感应强度B与磁场强度H间的关系为：

B0=μ0H

在磁性材料中:

B=μ0(H+M） 磁导率定义为磁感应强度与磁场强度之比

μ=B/H

μ0

:真空磁导率，等于

μ:绝对磁导率，单位为H/m，μr:相对磁导率μr=μ/μ0磁化率定义为磁化强度与磁场强度之比：χ=M/H一、基本概念－磁导率和磁化率相对磁导率的意义：有、无磁介质的螺旋管内磁感应强度的比值，可表征材料在磁场中的性质。B0Bμr＝1+χ一、基本概念－磁导率顺磁性抗磁性铁磁性根据磁导率对物质磁性的分类：如钼、铝、钨、铂、铬等。如氮、水、铜、银、金、铋等。如铁、钴、镍、一些稀土元素等χ>0(10-3~10-6)B>B0χ<0(10-5~10-6)B<B0χ»

0(1~104)B»

B0一、基本概念－磁性分类抗磁性：原子的电子壳层都是填满的，原子磁矩为零，或者虽原子磁矩不为零，但由原子组成的分子的总磁矩为零未加磁场，宏观不现磁性加外磁场，在外磁场作用下介质中的电子产生感应磁矩，感应磁矩产生的附加磁场方向与外磁场方向相反，故削弱了外磁场

H一、基本概念－抗磁性顺磁性：具有未填满的电子壳层，所以有电子磁矩，但磁矩之间的相互作用很微弱。在未加外磁场时，由于各个电子磁矩的方向是完全混乱的，彼此抵消，宏观上不产生磁效应。加上外磁场后，电子磁矩将不同程度地沿着外磁场方向排列起来，在宏观上呈现出附加磁场，附加磁场与外磁场有相同方向

H一、基本概念－顺磁性物质内部原子磁矩的排列a:顺磁性b:铁磁性c:反铁磁性d:亚铁磁性由于原子间的交换作用使原子磁矩发生有序的排列，产生自发磁化，铁磁质中原子磁矩都平行排列（在绝对零度时)。一、基本概念－磁性与磁矩顺磁性：有外磁场作用时出现宏观磁性,不具有自发磁化的性质.铁磁性：在其相邻原子间,存在强的交换作用,致使分子磁矩平行排列,因此没有外磁场作用时出现宏观磁性,这称为自发磁化,其强度称为自发磁化强度.铁磁体中这些自发磁化的区域，叫做“磁畴”。铁磁性主要来源于电子的自旋磁矩。

一、基本概念－铁磁性(1)在外磁场的作用下能产生很强的附加磁场。(2)外磁场停止作用后，仍能保持其磁化状态。铁磁性特点：(3)相对磁导率和磁化率不是常数，而是随外磁场的变化而变化；具有磁滞现象—B和H之间不具有简单的线性关系。(4)具有临界温度（居里温度或居里点Tc）。在Tc以上，铁磁性完全消失而成为顺磁性，一、基本概念－铁磁性特点热运动对于交换作用起破坏作用,使分子磁矩平行排列发生明显变化,致使铁磁质的自发磁化减弱.当温度达到某一临界温度时,交换作用将会瓦解,自发磁化强度将消失，铁磁性转化为顺磁性.这个临界温度称为居里温度（Tc）或居里点。铁的居里温度:770℃铁硅合金的居里温度:690℃Tcχ一、基本概念－铁磁性特点磁畴:铁磁质中因电子自旋而引起的强烈相互作用(电子交换作用),使各电子的自旋磁矩排列整齐，从而形成磁畴。每个磁畴内的电子自旋磁矩整齐排列，磁性很强（自发磁化）。磁畴的体积约为10-1

~10-6cm3。磁畴的形成一、基本概念－磁畴磁畴与外磁场的关系无外磁场时,各个磁畴由于热运动其方向排列无序,杂乱无章，因而整体对外不显磁性。有外磁场时,各个磁畴的磁矩在外磁场的磁力矩作用下以整体的形式趋向外磁场方向排列,从而对外显示很强的磁性。H一、基本概念－磁畴当居里温度以上时,由于剧烈的热运动,磁畴瓦解,铁磁质的铁磁性消失,过渡到顺磁质。单晶磁畴结构示意图多晶磁畴结构示意图一、基本概念－磁畴纯铁硅铁钴一、基本概念－磁畴Si-Fe单晶(001)面的磁畴结构箭头表示磁化方向0.1mm一、基本概念－磁畴(5)磁化曲线和磁滞回线

强磁性（铁磁、亚铁磁）材料的B-H磁化曲线如右图所示，图中矢量箭头表示磁化的进程。OABBs曲线为磁化曲线，从Bs经Br、Hc到﹣Bs再到Bs的回线称为磁滞回线。

一、基本概念－磁化曲线和磁致回线磁化曲线HMoabcdOa：M随H呈线性缓慢增长，可逆畴壁移动过程。ab：M随H急剧增长，不可逆畴壁移动过程。bc：M的增长趋于缓慢，从此开始，M的继续增长主要靠磁畴的转动过程来实现。cd：趋于饱和过程。一、基本概念－磁化过程磁饱和状态磁饱和状态HMoabcd

随着外磁场增加，能够提供转向的磁畴越来越少，铁磁质中的磁场增加的速度变慢，最后外磁场再增加，介质内的磁场也不会增加，铁磁质达到磁饱和状态。一、基本概念－磁化过程a磁滞回线的形成过程：o-a:起始磁化曲线,未经磁化的铁磁质,起始时,B

随H

而增大,到a点达到饱和。bBrBHoa-b

:当外磁场减小时，介质中的磁场并不沿起始磁化曲线返回，而是滞后于外磁场变化——磁滞现象,当H=0时,B=Br≠0，Br——剩磁一、基本概念－磁滞回线b~c:加上反向外磁场，则B

继续减小,当H=-Hc时，B=0，Hc称为矫顽力,即为了消除剩磁所需加的反向外磁场Hc

。BrHcBHoac-d：继续增加反向磁场，介质达到反向磁饱和状态。d-e-f：改变外磁场为正向磁场，不断增加外场，介质又达到正向磁饱和状态。bcdef磁滞回线——闭合曲线abcdefa。一、基本概念－磁滞回线(6)饱和磁感应强度在外磁场的作用下，当强磁性物质的磁化强度达到饱和时，所对应的磁感应强度称为饱和磁感应强度Bs，如右图所示。此时应有

式中Hs——使物质的磁化强度达到饱和（Ms）时的磁场。对于高导磁的软磁材料来说，Hs<<Ms，故也可用μ0Ms的值作为饱和磁感应强度。一、基本概念－饱和磁化强度mi一、基本概念－磁导率(7)起始磁导率和最大磁导率

起始磁导率定义为在B-H磁化曲线起始处的斜率，即（见右图中的虚线）。但在工业应用中，为了简便易行，常规定在某一弱场下的磁导率为μi。例如规定磁场为0.08或0.4A/m下的磁导率值为μi

，可分别记作μ0.08或μ0.4。沿一条磁化曲线上，磁导率之最大值称为最大磁导率，以mm表示。(8)矫顽力矫顽力H是指在B-H饱和磁滞回线上，使B变为零所需之反磁化场。由M-H回线确定的矫顽力称为内禀矫顽力，以MHc表示。对软磁材料而言，Hc之数值很小，MHc和Hc之值差别不大，而对于矫顽力很大的永磁材料来说，两者的值差别很大。矫顽力的单位为A/m。一、基本概念－矫顽力(9)剩余磁感应强度当磁性材料磁化到饱和以后，再将磁化场下降到零，此时磁体中保留的磁感应值称为剩余磁感应强度Br，如右图所示。其单位为T。一、基本概念－剩余磁感应强度(10)交变场中的磁导率：

按磁导率的定义，m=

B

/

H。和直流磁化不同，在交流磁化条件下，由于B和H间存在位相差，因此磁导率须采用复数形式表示，这就是复数磁导率。如果B和H皆按正弦曲线变化，B落后于H位相差为δ。则那么实数部分μ1的物理意义和静态磁导率相同，表示导磁能力或磁体中能量的存储；虚数部分μ1表示能量的损耗。一、基本概念－交变场中的磁导率(11)趋肤深度

金属磁性材料在交变场中磁化时，由于涡流造成的趋肤效应使测得的磁导率随频率f的增高急剧下降。其原因是由于当金属磁体在交变磁场中磁化时，由涡流产生的磁通量是和磁场的方向相反的，因此使磁场的振幅在进入金属内部以后，随进入深度z而按指数形式下降。当磁场的振幅减少到原来振幅H0的1/e（e≈2.718）时的深度称为趋肤深度，以dz表示。一、基本概念－趋肤深度对铁氧体软磁材料而言，由于电阻很大，故涡流和趋肤效应都是很小的。(12)磁损耗磁性元件几乎都是由磁化线圈和磁芯两部分组成。在线圈中通过交流电进行磁化时要损耗能量：一部分是由线圈中的电阻造成的损耗；另一部分是由于磁性材料本身在磁化及反磁化过程中所损耗的能量，称为磁损耗，也称为铁损。磁损耗功率主要包括磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗功率3部分。一、基本概念－磁损耗(13)品质因数Q和损耗因子tanδ软磁铁芯作为电感元件使用时，它的一对重要性能指标是其品质因数Q和损耗因子tanδ。对于一个空心电感线圈，若其电感为L，电阻为R，在频率f=ω/2π下使用，则线圈的品质因数定义为Q=ωL/R，物理意义是磁能的存储与损耗之比。此值愈大表示线圈的品质愈佳。tanδ——

损耗因子，它是品质因数的倒数。在软磁铁氧体的技术应用中，常用μ1和Q的乘积以来表示磁芯材料的技术指标，希望这个乘积愈大愈好。一、基本概念－品质因数Q和损耗因子(14)截止频率软磁材料多数是在交变场下使用的，当频率超过使用频率的上限fC以后，μ1显著下降，这个fC称为截止频率。对金属软磁材料而言，由于其电阻率低，涡流效应显著，因此使用的频率主要是在音频范围。对于很薄的金属带，能使用的频率也低于100kHz。对铁氧体软磁材料而言，其电阻率很高，涡流效应可以不计，因此使用频率可以明显提高；但是由于畴壁共振等原因，其使用频率也存在一个上限。例如对于室温下m1=800的Mn-Zn铁氧体的fC是6MHz。一、基本概念－截止频率(15)磁晶各向异性铁磁晶体沿不同晶轴方向磁化达到饱和所需要的磁化功不同，称为磁晶各向异性。磁化功最小的方向称为易磁化方向，而最大的方向称为难磁化方向。对于立方晶体，磁晶各向异性能是以立方对称的，可表示为：式中a1、a2

、a3——磁化强度的方向余弦；

K1和K2——磁晶各向异性常数。一般来说，若物质的磁晶各向异性常数小，则它易于磁化，可作为软磁材料；若物质的磁晶各向异性常数大，则它难于磁化也难于反磁化，可作为永磁材料。一、基本概念－磁晶各向异性单晶体的易磁化和难磁化方向一、基本概念－磁晶各向异性(16)磁致伸缩磁性材料在磁场中磁化时，它沿磁场方向的长度发生伸长和缩短，这一现象称为磁致伸缩。对于长度为L的磁体，磁滞伸缩系数l=ΔL/L。材料的l值通常随磁场的增加而增加，当磁化强度达到饱和时，l值也达到饱和，称为饱和磁致伸缩系数，以ls表示。对软磁材料而言，要求其ls值很小，可降低磁化时的磁弹性能。一、基本概念－磁晶各向异性磁性材料的稳定性衡量磁性材料的磁参量随外界因素作用产生的变化，主要考虑Br和Hc。（1）温度稳定性：磁性能随温度的变化。（2）时间稳定性：在某一特定工作环境下长期工作过程中磁性随时间的变化。（3）化学稳定性：在腐蚀介质的环境中磁性随时间的变化。显微组织变化引起的组织时效性能不稳定的原因磁畴结构变化引起的磁时效可逆，再次充磁时材料能恢复原来的磁性不可逆一、磁性材料分类按矫顽力分类软磁材料半硬磁材料硬（永）磁材料Hc<0.4kA/mHc:0.4～20kA/mHc>20kA/m按用途分类铁芯材料磁记录材料磁头材料磁致伸缩材料磁屏蔽材料变压器、继电器录音机通讯仪器、电器磁带、磁盘传感器主要磁性材料合金体系一、磁性材料分类二、软磁合金电工纯铁及铁硅合金镍铁合金及铁铝、铁钴合金铁氧体软磁合金应用：发电机、电动机、变压器、电磁铁、各类继电器与电感、电抗器的铁心；磁头与磁记录介质；计算机磁心等。软磁材料：由较低的外部磁场强度就可获得大的磁化强度及高密度磁通量的材料。基本要求：1、初始磁导率和最大磁导率高，磁滞损耗小：提高功能效率；2、剩余饱和磁感应强度低，饱和磁感应强度要高：省资源，利于小型化，迅速响应外界磁场的偏转；3、矫顽力小：提高高频性能；4、电阻率高：提高高频性能，减少涡流损失；5、磁致伸缩系数低：降低噪声；6、磁晶各向异性系数K低：容易磁化。二、软磁材料（高磁导率材料）单相变压器+–+–一次绕组N1二次绕组N2铁心变压器的结构和工作原理软磁材料应用示例－软磁材料应用－铁芯材料粉芯产品软磁材料应用示例－磁头材料（一）电工纯铁（用作软磁材料的工业纯铁）特点：资源丰富、价格低廉，具有良好的可加工性。早在1890年热轧纯铁就用于制造电机和变压器铁芯。用途：是直流技术中非常重要的高磁饱和材料，主要用于制造电磁铁的铁心、极头与极靴；继电器和扬声器的磁导体；电话机的振动膜；电工仪器仪表及磁屏蔽元件等。二、电工纯铁和铁硅合金电工纯铁：含碳量低于0.04%的Fe-C合金，如电磁铁用纯铁DT3。Hc＝70～90A/m，μm＝5000～1000。提高磁导率的方法：1、去除杂质处理：纯铁中的杂质（C，Mn，Si，P，S，N等）会显著降低材料的磁导率。真空重熔去除杂质和气体；湿氢退火脱碳(C<0.002%)。2、去应力退火：高温退火再结晶，消除冷加工应力。二、电工纯铁和铁硅合金人工时效处理：克服纯铁严重的自然磁时效现象，为保持纯铁元件的磁稳定性，须在热处理后进行100℃，保温100小时的人工时效处理。去杂质：加入Al或Ti，和N和C形成氮化物。纯铁的自然磁时效现象：即随着时间的增长，材料的矫顽力上升，磁导率下降。纯铁的时效在130℃附近特别明显。引起时效的原因是由于在Fe中含有N和C，逐渐形成铁的氮/碳化物所致。纯铁的缺点：电阻率低，使用时产生很大的涡流损耗，不适于制作在交变场中工作的铁心。

二、电工纯铁和铁硅合金（二）Fe-Si软磁合金（硅钢片）Fe-Si合金：Si含量<6.5%。铁中加Si的作用：可提高铁的最大磁导率和电阻率，降低磁晶各向异性常数K1，磁致伸缩系数，还可显著改善磁性时效。但也会降低饱和磁化强度和居里温度、并使材料变脆。用途：制造大电流、频率50～400Hz的中、强磁场条件下的电动机、发电机、变压器等；中、弱磁场和较高频率(达10KHz)条件下的音频变压器、高频变压器、电视机与雷达中的大功率变压器、大功率磁变压器、以及各种继电器、电感线圈、脉冲变压器和电磁式仪表等。1903年开始投入实际生产，用量极大。二、电工纯铁和铁硅合金与热轧硅钢相比，冷轧硅钢的Bs高，其厚度均匀、尺寸精度高、表面光滑平整，从而提高了填充系数和材料的磁性能。冷轧带材的厚度可低至0.02～0.05mm。冷轧硅钢的含硅量不超过3.5%，否则的材料冷轧十分困难。用快速凝固技术可制备出含硅6.5%的硅钢薄带。电工硅钢片热轧硅钢片冷轧无取向硅钢片无取向硅钢片二次冷轧取向硅钢片：戈斯织构{110}<001>；MnS一次大压下率冷轧高磁感取向硅钢片：AlN中国2002年底停止生产二、电工纯铁和铁硅合金取向硅钢片在冷轧取向硅钢带中，晶粒整齐一致地排列成戈斯(GOSS)织构，晶体的(110)面与轧制平面平行，易磁化的[001]轴在轧制方向上。垂直于轧制方向的是难磁化的[110]轴。最难磁化的[111]轴与轧制方向成54.79角。磁感高于1.8T。冷轧单取向硅钢的晶粒取向

二、电工纯铁和铁硅合金二、电工纯铁和铁硅合金具有戈斯织构：{110}<001>的成品硅钢片热轧板坯脱碳退火700～800℃干氢最终退火：1200℃一次冷轧：压下率65%中间退火：800～900℃二次冷轧：压下率50%～60％湿氢连续脱碳退火（钢卷）出现戈斯织构：{110}<001>组分；抑制剂MnS在晶界上析出：抑制晶粒长大MnS排出；几乎形成单一戈斯织构：{110}<001>二次冷轧取向硅钢片的制备工艺含Ni=35～80wt.%的Fe-Ni合金称为坡莫合金。根据Ni含量对合金磁性能的影响，Fe-Ni合金分为高导磁、恒导磁率、中磁饱和中磁导率材料等。随Ni含量的增加，Fe-Ni合金的Bs下降。当Ni量接近80%时，Fe-Ni合金的K1和λ非常小，能获得高的磁导率。（一）Ni-Fe合金(坡莫合金，Permalloy)三、镍铁合金及铁铝、铁钴合金坡莫合金的热处理NiFe合金的初始磁导率与热处理制度的关系：600℃后1、急冷；2、炉冷；3、回火Ni－Fe在600℃以下的冷却过程中发生有序化转变形成Ni3Fe；不利于磁性能。解决办法：600℃后急冷三、镍铁合金及铁铝、铁钴合金（1）Ni-Fe-Mo合金：加入Mo等元素可以抑制Ni3Fe析出，可在低冷速获得高磁导率。K1和λ趋于零。（2）Ni-Fe-Cu-Mo合金：加入Cu得到高的初始磁导率。（3）Ni-Fe-Mo-Nb-Ti合金：硬坡莫合金，硬度高、提高器件耐磨性能。三、镍铁合金及铁铝、铁钴合金多元Ni-Fe合金三、镍铁合金及铁铝、铁钴合金

(二)铁铝和铁硅铝合金:（1）铁铝：价廉；高电阻率；高强度、高硬度；软磁特性易调节。（2）铁硅铝合金：(Fe-w(Si)9.6%-w(Al)5.4%)的导磁率与高镍的Fe-Ni合金相当，Hv达500，饱和磁感应强度约1T，电阻率110×10-8·m。该合金具有高的耐磨性和优良的高频特性。缺点是合金又硬又脆，不能冷轧或者热轧，难加工。三、镍铁合金及铁铝、铁钴合金纯铁中加入钴后，Bs明显提高，含钴35%的铁钴合金的Bs达2.45T，是迄今Bs最高的磁性材料。国外牌号为Permendur。加入少量的V和Cr可显著提高其电阻率。实际应用的铁钴合金主要有Fe64Co35V1(或Fe64Co35Cr1)和(Fe50Co50)98.7V1.3。(Fe50Co50)98.7V1.3合金的国内牌号为1J22，国外牌号为V-Permendur。铁钴合金适用于小型化、轻型化以及有较高要求的飞行器及仪器仪表元件的制备，制造电磁铁极头和高级耳膜震动片等。电阻率偏低，不适于高频场合的应用。价格昂贵。（三）铁钴合金三、镍铁合金及铁铝、铁钴合金四、铁氧体软磁合金铁氧体磁性材料：铁的氧化物和其他氧化物的复合磁性材料。磁性来源：被氧离子所分隔的磁性金属离子间的超交换相互作用。呈现亚铁磁性。铁氧体尖晶石型：立方晶系MeFe2O4－软磁，Mn-Zn、Ni-Zn石榴石型：立方晶系3R2O3·5Fe2O3－如：微波通讯元件YIG磁铅石型：六方晶系Me·6Fe2O3－永磁：钡、锶铁氧体；高频软磁四、铁氧体软磁合金尖晶石型铁氧体：立方晶系MeFe2O4与天然矿物尖晶石MgAl2O3结构相同。Me为二价金属离子，如：Mn2+、Ni2+、Zn2+、Fe2+、Mg2+。三价Fe可以部分由Al3+或Cr2+取代。亚铁磁性是由A、B位置上磁性离子磁距反向排列而相互不能抵消引起的。尖晶石晶胞的部分结构四、铁氧体软磁合金软磁铁氧体的分类(按应用)高导磁率材料低损耗材料低损耗高稳定性材料高频大磁场材料功率铁氧体（高Bs）材料高密度材料电磁波吸收材料软磁铁氧体的分类(按成分)1、Mn-Zn铁氧体：500KHz，磁损耗低，μi

～4×105，价廉；2、Ni-Zn铁氧体：1～100MHz，电阻率高；3、平面六角晶系铁氧体：

>102MHz。四、铁氧体软磁合金Ni-Zn铁氧体：成分配方：Fe2O3：50%～70%；ZnO：5%～40%；NiO：5%～40%。根据性能要求选择成分。（1）高起始磁导率材料：要求高Ms，低K1、λS和内应力

提高ZnO含量，可以提高Ms，但是高频特性和Tc降低。（2）高频材料（>1MHz）：要求高电阻率提高NiO含量，降低ZnO和Fe2O3含量，严格控制Fe3O4；掺杂CoO，提高电阻率；加入PbO、CaO和MnCO3等少量添加剂并配合工艺可得到高频性能。（3）高饱和磁感应强度材料。要求高密度。本节重点：概念：磁化率、磁导率、磁畴、矫顽力、磁晶各向异性。磁化曲线和磁滞回线各阶段的物理意义是什么？对软磁材料磁性能的基本要求有哪些？了解二次冷轧取向硅钢片的制备工艺特点。功能材料谢谢！功能材料李岩北京航空航天大学材料科学与工程学院2014年春季学期第二章磁性材料

（二）永磁材料主要内容一、概述二、几种典型永磁合金（一）铝镍钴系永磁合金（二）铁铬钴永磁合金（三）稀土永磁合金（四）铁氧体永磁材料三、永磁材料制备四、去磁方法一、概述一、概述－永磁材料的发展永磁材料公元前4世纪，我国发现天然磁石（Fe3O4）公元前3世纪，指南针（司南）永磁材料(硬磁材料、高矫顽力材料)：矫顽力在20kA/m以上的材料。用途：产生磁场。《吕氏春秋》九卷精通篇就有：“慈招铁，或引之也。”一、概述－永磁材料特征参数(1)剩余磁感应强度Br当磁性材料磁化到饱和以后，再将磁化场下降到零，此时磁体中保留的磁感应值称为剩余磁感应强度Br，如右图所示。其单位为T。Br=µ0Mr，Mr为剩余磁化强度（单位A/m）。(2)矫顽力矫顽力Hc是指在B-H饱和磁滞回线上，使Br变为零所需之反磁化场,单位为A/m。由M-H回线确定的矫顽力称为内禀矫顽力，以MHc表示。一、概述－永磁材料特征参数永磁材料在被外磁场磁化后，去掉外磁场，仍保持很强的磁性。永磁材料都是在开路状态下使用，利用永磁体气隙产生磁场，作为磁场源。开口环形永磁铁产生的磁场Hg。一、概述－永磁材料特征参数具有空气隙的环形磁铁Bm：磁铁内磁感应强度Hm：磁场强度Bg：空气隙磁感应强度Hg：空气隙磁场强度Vg：空气隙体积一、概述－永磁材料特征参数（3）最大磁能积：在B-H退磁曲线上任何一点的B和H的乘积成为磁能积，代表永磁体能量密度，其最大值称为最大磁能积，用（BH）max表示，单位J/m3。理想退磁曲线和最大磁能积一、概述－永磁材料特征参数（4）隆起度γW最大磁能积(BH

)max除了与Br和Hc有关，还与退磁曲线的形状有关。定义：理想退磁曲线和最大磁能积永磁材料主要用途：提供永磁场永磁体的“三要素”：剩余磁感应强度Br高矫顽力Hc高最大磁能积(BH

)max大另外：高居里点高稳定性隆起度等一、概述－永磁材料特征参数一、概述－永磁材料的发展19世纪末期，高碳钢；后来—钨钢、铬钢、钴钢，磁能积～8KJ/m3。1931年，FeNiAl合金，～15KJ/m3；1932年，FeCoW（Mo）合金，～12KJ/m3，BaO·6Fe2O3铁氧体，～32KJ/m3；1960年代前，FeNiAlCo合金，～80KJ/m3；1960年代后，SmCo5（1:5）合金，第一代稀土永磁合金，～190KJ/m3；

Sm2Co17（2:17）合金，第二代稀土永磁合金，～240KJ/m3；1970年，FeCrCo，可加工，～60KJ/m31983年，Nd-Fe-B第三代稀土永磁合金，～423KJ/m3以磁能积提高为标志的永磁材料发展概况一、概述－永磁材料的发展永磁材料发展年谱一、概述－永磁材料分类1、按材料属性来源：金属永磁和铁氧体永磁2、按工艺可加工铸造烧结粘结4、按化学成分：高碳钢、钨钢、铬钢、钴钢、FeNiAl、FeCoW(Mo）、BaO·6Fe2O3铁氧体、FeNiAlCo、FeCrCo、RCo5、MnAl、Nb-Fe-B3、按磁硬化机理析出硬化型淬火硬化型单畴微粉型有序硬化型一、概述－永磁材料分类二、几种典型永磁合金二、几种典型永磁合金几种典型永磁合金铝镍钴系永磁合金铁铬钴永磁合金稀土永磁合金铁氧体永磁材料铝镍钴（AlNiCo）系合金成分：Co、Ni、Al等元素为主要成分，并加入Ti和Cu等元素进一步提高合金性能。典型合金：AlNiCo5，成分Co=24%、Ni=14%、Al=8%、Cu=3%、Fe余量。是由FeNiAl永磁合金发展而来。性能特点：具有高剩磁与低温度系数，最大磁能积仅低于稀土永磁。

Tc：757～907℃、(BH)max：16～72kJ/m3,

Br：0.78～1.30T1、铝镍钴（AlNiCo）系永磁合金1、铝镍钴（AlNiCo）系永磁合金Fe-Ni-Al-Co四元系Co=24%和Al=8%纵断面AiNiCo合金的相组成α1：富Fe和Co的强磁相α2：富Ni和Al的弱磁相α1

弥散分布在α2

上调幅（spinodal）分解磁硬化机理1、铝镍钴（AlNiCo）系永磁合金形成单一固溶体，快速冷却，避免γ相析出在Tc温度以下降温同时施加磁场，发生调幅分解，控制析出相形状成分扩散，加大两相磁性差，提高性能成分特点：以铁、铬（23.5～27.5%）、钴（11.5～21.0%）为主；加入适量硅、钼、钛。通过成分调节将其低的单轴各向异性常数提高到铝镍钴合金的水平。2、铁铬钴（FeCrCo）系永磁合金（FeCrCo）系永磁合金—可加工永磁合金制备方法：定向凝固+磁场处理(结晶与磁双重织构)，以及塑性变形与适当热处理的方法(形变时效)显著提高合金性能。2、铁铬钴（FeCrCo）系永磁合金2、铁铬钴（FeCrCo）系合金铁铬钴合金磁硬化机理：定向凝固+磁场处理：结晶与磁双重织构形变时效态：加工织构/畴壁钉扎铸造态：Spinodal分解－α1强磁相＋α2弱磁相稀土永磁合金3、稀土永磁材料Re-Co永磁铁基稀土永磁1:5型Re-Co磁体SmCo5单相与多相合金第一代稀土永磁，二十世纪六十年代2:17型Re-Co磁体Sm2Co17基合金第二代稀土永磁，二十世纪七十年代第三代稀土永磁，二十世纪八十年代Nd2Fe14B合金为代表的Re-Fe-B系永磁材料（1）稀土钴永磁材料（Re-Co）3、稀土永磁材料稀土钴永磁材料是稀土金属和3d过渡族金属钴按一定比例组成的金属间化合物：ReCo5(CuCa5结构)和Re2Co17(Th2Zn17结构)。ReCo5Re2Co17Re2Co17

的饱和磁化强度高于ReCo5；轻稀土钴化物（原子序数小于Gd）的饱和磁化强度比重稀土钴化物高。3、稀土永磁材料（1）稀土钴永磁材料（Re-Co）3、稀土永磁材料（1）稀土钴永磁材料（Re-Co）（1）稀土钴永磁材料（Sm-Co）3、稀土永磁材料SmCo5和Sm2Co17SmCo5：理论磁能积199kJ/m3。采用强磁场取向等静压和低氧工艺，SmCo5的(BH)max达196kJ/m3；居里温度为724℃，可在-50℃～150℃的温度范围内工作。缺点：含有较多的战略金属钴(～w(Co)66%)和蕴藏量稀少的稀土金属元素Sm，原材料昂贵。3、稀土永磁材料Sm2Co17：理论磁能积286kJ/m3，优于SmCo5；

Tc为930℃，可在-60～350℃范围工作，磁感温度系数也优于SmCo5。随着Fe含量的增多，内禀饱和磁化强度迅速提高Sm-Co-Cu系Sm-Co-Cu-Fe系Sm-Co-Cu-Fe-M系(M=Zr,Ti,Hf,Ni)加入Cu提高合金矫顽力，但饱和磁化强度偏低，居里温度也显著降低，不能实用。加入少量的Zr,Ti,Hf,Ni等元素，进一步提高磁性能商业化材料3、稀土永磁材料用Pr、Ce或Mm(混合稀土)取代部分Sm，可适当降低成本。Nd-Fe-B和Pr-Fe-B系；3、稀土永磁材料（2）第三代稀土永磁合金R2Fe14B型3、稀土永磁材料（2）第三代稀土永磁合金R2Fe14B型Nb2Fe14B晶体结构Nd-Fe-B系合金是以Nd2Fe14B化合物为基的一种不含Co的高性能永磁材料。1983年日本住友公司发明。Nd2Fe14B晶体结构（右图）：一个单胞由4个Nd2Fe14B化合物分子组成，空间群P42/mnm，共有68个原子，其中8个Nb原子、56个Fe原子和4个B原子。Nd2Fe14B优点最大磁能积超过400kJ/m3，矫顽力2244.7kA/m。是目前磁性能最高的实用化永磁材料，被誉为“磁王”。原材料丰富，价格便宜，其价格只相当于钐钴（SmCo）合金的50%左右。

3、稀土永磁材料（2）第三代稀土永磁合金R2Fe14B型双相纳米复合磁体：把纳米级的软磁和硬磁颗粒复合，将综合软磁Ms高，硬磁Hc高的优点，获得磁能积比现有最好的NdFeB高一倍的新型纳米永磁材料。如：α-Fe/

NdFeB、Fe3B/SmFeN/磁体。

纳米复合增强效应：纳米尺寸软磁相与永磁相之间的交换耦合作用，使剩磁和最大磁能积明显增大。ThMn12型化合物Sm-Fe-C和Sm-Fe-N

3、稀土永磁材料（3）其他稀土永磁合金4、永磁铁氧体性能特点及应用：Tc：450～460℃，具有高矫顽力和低剩磁，但最大磁能积偏低,不适于制作要求高稳定性的精密仪器；在产量极大的家用电器、音响设备、扬声器、电机、电话机、笛簧接点元件和转动机械等方面得到普遍应用。主要种类：钡铁氧体(BaO·6Fe2O3)锶铁氧体(SrO·6Fe2O3)晶体结构均属六角晶系。三、永磁材料制备技术

永磁体的制备方法主要包括铸造法、烧结法（粉末冶金法）粘结法。铸造法：铝镍钴和铁铬钴合金烧结法和粘结法：稀土永磁材料和永磁铁氧体三、永磁材料制备技术

不足之处在于硬度高、脆性大、难以进行机械加工。真空熔炼制粉铸锭破碎＋磨粉粉末磁场取向与成型平行取向垂直取向烧结（磁场下）热处理、磁体加工烧结磁体元件烧结法：三、永磁材料制备技术

三、永磁材料制备技术

根据成型过程中加磁场与否，烧结铁氧体材料可制成各向同性磁体和各向异性磁体。各向异性磁体是在压制成型过程中加上强磁场，使铁氧体的单畴粒子在磁场下转动，得到易磁化轴与磁场方向一致的强各向异性磁体。此类材料具有高的磁晶各向异性常数。烧结SmCo永磁体烧结NbFeB永磁体六、永磁材料制备技术

粘结法：磁粉与树脂、塑料或低熔点合金等粘结剂混合压制、挤出或注射成型，固化粘结磁体性能特点：尺寸精度高、形状自由度大、机械强度好、易于调整磁性能、易于批量生产施加取向磁场各向异性粘结磁体粘结磁体的磁性能：取决于磁粉的性能和磁体的相对密度。粘结磁体的力学性能：取决于粘结剂的性质与粘结工艺。三、永磁材料制备技术

三、永磁材料制备技术

三、永磁材料制备技术三、永磁材料制备技术粘结NbFeB磁体三、永磁材料－制备技术

四、去磁方法

永磁材料去磁方法1.加热法2.敲击法3.加反向磁场4.加交变衰减的磁场四、去磁方法1.加热法当铁磁质的温度升高到居里温度Tc以上时，磁性消失，由铁磁质变为顺磁质。当温度低于Tc时，又由顺磁质转变为铁磁质。铁的居里温度Tc=770°C利用铁磁质具有居里温度的特点，可将其制作温控元件，如电饭锅自动控温。原因：由于加热使磁介质中的分子、原子的振动加剧，使铁磁质失去磁性。四、去磁方法2.敲击法通过振动可提供磁畴转向的能量，使介质失去磁性。如敲击永久磁铁会使磁铁磁性减小。3.加反向磁场加反向磁场，提供一个矫顽力Hc使铁磁质退磁。四、去磁方法4.加交变衰减的磁场使介质中的磁场逐渐衰减为0BHoctHo四、去磁方法应用在录音机中的交流抹音磁头中。思考题：1、概念：剩余磁感应强度，矫顽力，最大磁能积；2、主要的永磁材料有哪几类，各自特点如何。3、掌握几种典型永磁合金的磁硬化机理。4、永磁材料制备工艺特点。功能材料谢谢！功能材料李岩北京航空航天大学材料科学与工程学院2014年春季学期第二章磁性材料

（三）几种典型磁性材料主要内容一、磁致伸缩材料二、磁阻材料三、磁记录材料四、巨磁化强度材料一、磁致伸缩材料一、磁致伸缩材料－概念对于长度为L的磁体，磁致伸缩系数λ=ΔL/L。材料的λ值通常随磁场的增加而增加，当磁化强度达到饱和时，λ值也达到饱和，称为饱和磁致伸缩系数，以λs表示。磁致伸缩：磁性材料在磁场中磁化时，它沿磁场方向的长度发生伸长和缩短，这一现象称为磁致伸缩（magnetostrictive）。是材料的本征特性。可以实现电/磁能与机械能之间的相互转化。一、磁致伸缩材料－发展1842年，焦耳发现磁致伸缩现象；1940年代，Ni和Co的多晶磁致伸缩材料应用—λs～10-51963～1965年，重稀土单晶金属Tb和Dy等—λs～10-31972年，TbFe2金属间化合物室温下—λs～10-3（0.1～0.2％）1973年，美国人AEClark发现Tb0.3Dy0.7Fe2(Terfenol-D)λs（0.25%）1990年代，Tb0.3Dy0.7Fe2中加入合金元素改性。2000年左右，新型FeGa合金—λs（250×10-6）一、磁致伸缩材料－种类超磁致伸缩超磁致伸缩材料典型代表：稀土铁系金属间化合物，如：TbFe2、DyFe2一、磁致伸缩材料－特性稀土铁磁致伸缩材料饱和磁场强度高磁致伸缩符号不同一、磁致伸缩材料－RFe2的结构在Laves相化合物中，沿最密排<111>方向的磁致伸缩量最大一、磁致伸缩材料－Tb0.3Dy0.7Fe2超磁致伸缩材料Tb0.3Dy0.7Fe2是由磁晶各向异性相反的化合物TbFe2和DyFe2混合而成。混晶降低了超磁致伸缩材料的磁晶各向异性能，使其在低的磁场下即可达到磁饱和。施加一定的压应力可以提高磁致伸缩量。一、磁致伸缩材料－应力效应外加压应力对磁致伸缩材料的磁致伸缩特性的影响。一、磁致伸缩材料－工艺与性能制备工艺对磁致伸缩性能影响一、磁致伸缩材料－组织结构与特性TbDyFe合金可以制备成多种晶体形式。不同机构对应不同性能。超磁致伸缩材料的制备方法（1）定向结晶法

a.布里奇曼法

b.垂直悬浮区域熔化法

c.丘克拉斯基法（2）粉末烧结法（3）粘结法（4）薄膜制备技术一、磁致伸缩材料－制备方法

a.布里奇曼法原料置入石英坩锅内感应加热，熔体自下而上移出加热区，使其发生顺序凝固，形成定向结晶。一、磁致伸缩材料－制备方法优点：设备简单，操作容易。缺点：稀土容易烧损，难以实现高的温度梯度，因此对凝固组织不利。b.垂直悬浮区域熔化法扁平线圈加热，线圈或样品以一定速度移动。一、磁致伸缩材料－制备方法优点：熔化时间短，稀土烧损少，成分容易控制，性能优良。缺点：设备要求高，实际操作困难。c.丘克拉斯基（Czchralski）法（提拉法）耔晶固定在钨棒上，插入熔体中，边旋转边提拉，熔体便以籽晶为基底形成定向结晶。一、磁致伸缩材料－制备方法优点：可以获得较大的产品。缺点：提拉速度慢，效率低，稀土烧损严重，成分不均匀，性能难以控制。TbDyFe合金的缺点：脆性大，饱和磁场高，成本高FeGa（Al）等合金：塑性好，饱和磁场小，成本低：成为新型磁弹性材料一、磁致伸缩材料－Fe基合金特点与发展早期：Fe-Al和Fe-Be合金有可观的低场磁致伸缩性能，良好的机械强度和韧性：1965年：[001]取向的Fe-15at%Al合金λs=140×10-6；1993年：室温下Fe-3.1Be合金λs＝55×10-6，而Fe-6.8Be的λs=101×10-6

；2000年：Fe85Ga15单晶—λs>250×10-6A.E.Clark,etal.IEEETrans

On

Magnetics,36(2000)3238部分Fe基合金的磁致伸缩性能一、磁致伸缩材料－Fe基合金性能A.E.Clerk,,MagnetostrictivepropertiesofFe-Gaalloysunderlargecompressivestresses,IEEE2000,BS-12室温下Fe85Ga15单晶在[100]取向上的（a）磁致伸缩特性和（b）磁化曲线与应力的关系。一、磁致伸缩材料－FeGa合金Fe100-xGax合金经过800oC热处理水淬（空心方）和炉冷（黑三角）后的磁致伸缩性能与成分关系。一、磁致伸缩材料－FeGa合金在Ga含量为17%时，磁致伸缩性能最好。对于相同成分的合金，水淬比热处理状态的磁致伸缩性能高。

45.3MPa外加应力下Fe81Ga19单晶在不同温度下的磁致伸缩温度升高后磁致伸缩下降一、磁致伸缩材料－FeGa合金一、磁致伸缩材料－应用大应变、大应力（并具有相应的强度）高响应速度软磁性低驱动磁场高居里温度对温度变化不敏感高可靠性从应用角度，超磁致伸缩材料应具备的条件：超磁致伸缩材料和压电陶瓷的性能比较

Tb0.3Dy0.7Fe1.9压电陶瓷λs×10－61500-2000400居里温度Tc℃380300机电耦合系数k330.720.68能量密度J/m314000－25000960密度g/cm39.257.5抗拉强度MPa2876相对原料费用301一、磁致伸缩材料－性能比较应用领域振动主动控制大功率低频声纳系统新型飞机自适应机翼高精度快速微位移致动器微型机械功率源

滤波器件军事航天航空工业民用特点：应变值高,能量密度大,响应快,精度高新型换能材料磁能/电能

机械能/声能一、磁致伸缩材料－应用一、磁致伸缩材料－TbDyFe合金定向凝固TbDyFe合金一、磁致伸缩材料－应用在精密控制方面：通过调整磁致伸缩量的大小控制喷嘴流量TbDyFe材料可通过作动器的形式实现其功能MagActⅠ型作动器实物图MagActⅡ型作动器实物图一、磁致伸缩材料－应用

水下发射型声纳是稀土超磁致伸缩材料最早和最重要的应用，主要用于水下通讯、探测、侦察、伪装和制导等军事用途，还可用于捕渔、海底测绘、油井井深探测、输油管道堵塞探测等其它用途。磁-声换能器

一、磁致伸缩材料－应用超声波释放器——增加采油量一、磁致伸缩材料－应用二、磁阻材料二、磁阻材料－磁致电阻效应横磁致电阻效应：施加的磁场与电流垂直引起电阻减少纵磁致电阻效应：施加的磁场与电流平行引起电阻增加起源于自旋—轨道相互作用。磁致电阻效应（magneto-resistanceeffect）:MRRH(ρH)为磁场为H时的电阻（率）R0(ρ0)为磁场为0时的电阻（率）表征磁致电阻大小的物理量为MR比，即磁电阻系数η。MR效应：η＝2％～6％，如：坡莫合金（Ni-Fe合金）及Ni-Co合金。1988年，巨磁致电阻效应GMR（gaintmagneto-resistanceeffect）：η可达50％，如：Fe/Cr纳米金属多层膜（金属超晶格）。二、磁阻材料－各种磁致电阻效应用途：小型化、微型化高密度磁记录读出头、随机存储器和传感器1993年，超巨磁电阻效应CMR（colossalmagneto-resistanceeffect

）：η＝103~106，如：类钙钛矿结构锰氧化物。二、磁阻材料－巨磁致电阻效应法国科学家阿尔贝·费尔（左）和德国科学家彼得·格林贝格尔（右）因先后独立发现了“巨磁电阻”效应，分享2007年诺贝尔物理学奖。金属超晶格的巨磁电阻效应二、磁阻材料－巨磁致电阻效应二、磁阻材料－巨磁致电阻效应金属超晶格具有GMR效应的三个条件：（1）在铁磁性导体/非磁性导体超晶格中，构成反平行自旋结构。（如右图）（2）金属超晶格的周期（每一个重复层的厚度）应比载流子电子的平均自由程短。（3）自旋取向不同的两种电子（向上和向下），在磁性原子上的散射差别必须很大。磁性层：Fe、Co、Ni及其合金非磁性导体层：Cu、Ag、Au贵金属、Cr二、磁阻材料－巨磁致电阻效应金属超晶格GMR效应的特点：（1）电阻变化率大；（2）负效应：随磁场增加，电阻只是减小而不增加，无横纵效应之分；（3）电阻变化与磁化强——磁场之间角度无关；（4）对非磁性导体隔离层厚度十分敏感；（5）具有积层数效应：如Fe/Cr系，在60层以下，随积层数增加，MR比增加，逐渐趋于最大。二、磁阻材料－巨磁致电阻效应典型的金属超晶格系统Co/Cu、(Co-Fe)/Cu，Co/Ag(Ni-Fe)/Ag、(Ni-Fe)/Cu、(Ni-Fe-Co)/Cu(Ni-Fe-Co)/Cu/Co二、磁阻材料－超巨磁致电阻效应1993年超巨磁电阻效应：（colossalmagneto-resistanceeffect

）：η＝103~106，如：钙钛矿结构氧化物：La2/3Ba1/3MnO3机制：磁场使系统的绝缘体状态转变成具有金属特性状态所致。二、磁阻材料－超巨磁致电阻效应三、磁记录材料三、磁记录材料－概述磁记录：在磁记录介质铁磁性材料上，对应要记录的信息，记录下不同的残留磁化强度。磁记录是在磁性介质表面，按信号要求，形成微小永磁体三、磁记录材料－磁记录模式三、磁记录材料－磁头材料通过读写磁头在磁盘上记录或获取信息三、磁记录材料－磁头工作原理磁记录材料磁头材料磁记录介质材料三、磁记录材料－磁头种类三、磁记录材料－磁头材料三、磁记录材料－磁头材料三、磁记录材料－磁记录介质三、磁记录材料－磁记录介质三、磁记录材料－磁记录介质磁记录介质制备工艺：电镀法。真空蒸镀法（生产效率高）溅射法三、磁记录材料－磁记录介质四、巨磁化强度材料四、巨磁化强度材料－Fe16N2经典的SLATER-PAULING曲线说明3d过渡金属系最高磁化强度为2.45T四、巨磁化强度材料－Fe16N2Fe16N2四、巨磁化强度材料－Fe16N2

”-Fe16N2

Fe4N+

-FeFe16N2为准稳定相，400℃以上共晶分解四、巨磁化强度材料－Fe16N2InGaAs单晶基板上分子束外延制备Fe16N2单晶薄膜晶格常数匹配好，几乎不产生失配位错。思考题概念：磁致伸缩、磁阻效应、三种典型单晶生长方法的特点；金属超晶格具有GMR效应的条件及其特点；了解典型巨磁阻材料特点；各种磁记录模式的特点和对磁记录介质的性能要求；巨磁化强度材料的结构和性能特点。功能材料谢谢！功能材料李岩北京航空航天大学材料科学与工程学院2014年春季学期第三章弹性合金与膨胀合金（二）膨胀合金主要内容一、基本概念二、低膨胀合金（因瓦合金）

三、定膨胀合金四、热双金属片

一、基本概念热膨胀：一般固体材料受热时体积膨胀，冷却时体积收缩，由于温度的改变而导致材料的体积和长度变化的现象称热膨胀。