金属功能材料.ppt

金属功能材料,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,特殊功能材料,电性材料磁性材料超导材料膨胀材料及弹性材料,电介质材料功能陶瓷功能玻璃材料半导体材料,光功能高分子材料电功能高分子材料化学功能高分子材料,磁性复合材料电性复合材料梯度复合材料隐身复合材料其他功能复合材料,非晶态合金纳米材料储氢材料形状记忆材料智能材料能源材料生物医学材料,传统功能金属材料电性，磁性，弹性等,新发展起来的功能材料非晶合金，储氢合金，形状记忆合金，超塑性,电性材料磁性材料超导材料膨胀材料及弹性材料,一.电性材料,金属的电导理论金属的热电性电学性能与微观结构之间的关系一些电性材料,金属的电导理论,固体中的电子,金属中的电子输运,霍尔效应,,金属的热电性,塞贝克效应,三种热电效应塞贝克（Seebeck）效应珀耳贴Peltier效应汤姆逊Thomson效应,制作热电偶,珀耳贴效应,汤姆逊效应,,两种不同金属或半导体接头处，当电流沿某个方向通过时放出热量，而电流反向时则吸收热量。,一金属导体或半导体中维持温度梯度，当电流沿某方向通过时放出热量，而电流反向时则吸收热量。,制作热电转换器或加热（制冷）器,电学性能与微观结构之间的关系,纯金属的电阻,温度，压力，缺陷,固溶体的电阻,成分，组织，结构,,一些电性材料,导电材料电阻材料电热材料热电材料,,二.磁性材料,磁学理论物质的磁性、磁性的基本物理量磁性材料分类软磁材料、永磁材料、半硬磁材料磁性材料的基本性能与应用,磁性材料指那些有实际工程意义具有较强磁性的材料。是最古老的功能材料。公元前几世纪人类就发现自然界中存在天然磁体，磁性Magnetism一词就因盛产天然磁石的Magnesia地区而得名。早期的磁性材料主要是软铁、硅钢片、铁氧体等。二十世纪六十年代起，非晶态软磁材料、纳米晶软磁材料、稀土永磁材料等一系列的高性能磁性材料相继出现。磁性材料广泛应用于计算机及声像记录用大容量存储装置如磁盘、磁带，电工产品如变压器、电机，以及通讯、无线电、电器和各种电子装置中，是电子和电工工业、机械行业和日常生活中不可缺少的材料之一。,磁学基础－物质的磁性,物质磁性具有普遍性,电子的循轨磁矩,电子的循轨磁矩,,,,,,,原子磁矩,物质磁性,原子磁矩,＝Σ,物质表现何种磁性,,,,,原子磁矩间相互作用,外加磁场的作用,三）物质磁性的分类,物质磁性分类,顺磁性,被磁化后，磁化场方向与外场方向相同，χ1–104,铁磁性,被磁化后，磁化场方向与外场方向相同，χ10-3-10-6,被磁化后，磁化场方向与外场方向相反，χ－（10-5–10-6）,抗磁性,与外加磁场的关系,,顺磁性起因于原子或分子磁矩，在外加磁场作用下趋于沿外场方向排列，使磁质沿外场方向产生一定强度的附加磁场。顺磁性是一种弱磁性。顺磁性材料多用于磁量子放大器和光量子放大器，在工程上的应用极少。顺磁金属主要有Mo，Al，Pt，Sn等。,抗磁性是由于外磁场作用下，原子内的电子轨道绕场向运动，获得附加的角速度和微观环形电流，从而产生与外磁场方向相反的感生磁矩。原子磁矩叠加的结果使宏观物质产生与外场方向相反的磁矩。由于属于此类的物质有C，Au，Ag，Cu，Zn，Pb等。,,,,,,,,,,,,,,,,H,m,m,Dm,k,k,Dk,Dk,Dm,产生抗磁性的原理,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,物质是否表现出抗磁性要看物质的抗磁场是否大于其顺磁场,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,一磁畴结构在铁磁性材料中，原子磁矩平行排列，以使交换作用能最低。但大量原子磁矩的平行排列增大了体系的退磁能，因而使一定区域内的原子磁矩取反平行排列，出现了两个取向相反的自发磁化区域，降低退磁能，直至形成封闭畴。每一个磁矩取向一致的自发磁化区域就叫做一个磁畴。,立方结构单晶铁磁材料的磁畴结构示意图,磁畴结构包括磁畴和畴壁两部分。磁畴的体积为10-1～10-6cm3。畴壁是指磁畴交界处原子磁矩方向逐渐转变的过渡层。,畴壁,布洛赫Bloch磁畴壁,畴壁两侧的原子磁矩的旋转平面与畴壁平面平行，两个畴的磁化方向相差180⁰。,奈耳（Neel）磁畴壁,畴壁内原子磁矩的旋转平面与两磁畴的磁矩在同一平面平行于界面。,布洛赫,奈尔壁,磁化过程磁性材料在外磁场作用下由宏观的无磁状态转变为有磁状态的过程。磁化是通过磁畴的运动来实现。,磁畴移动与磁化过程,受外磁场作用时，畴内整齐排列在易磁化方向上原子磁矩一致地偏离易磁化方向而向外磁场方向转动。外场愈强，材料的磁各向异性愈弱，则磁矩就愈偏向外场方向。,运动方式,转动,移动,各磁畴内部的磁矩平行或反平行于外加磁场，不受这一磁场的力矩。而畴壁附近的磁矩方向发生改变，使畴壁产生横向移动。,畴壁的移动,磁畴的转动,按矫顽力分类,软磁材料,半硬磁材料,硬（永）磁材料,Hc1000A/m12.5Oe,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,磁性材料分类,用途发电机、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。要求高的饱和磁感应强度、高的最大磁导率、高的居里温度和低的损耗。分类高磁饱和材料，中磁饱和中导磁材料，高导磁材料，高硬度、高电阻、高导磁材料，矩磁材料，恒磁导率材料，磁温度补偿材料，磁致伸缩材料。,软磁材料,用途变压器、电机与继电器的铁磁心。要求低的矫顽力、高的磁导率和低的铁损。主要材料高磁饱和材料Bs为2T左右，如工业纯铁、电工硅钢片、非晶态软磁合金和铁钴合金；中磁饱和中导磁材料；高导磁材料如坡莫合金等；恒磁导率材料；以及铁粉心型材料与氧化物粉心材料等,（一）工业纯铁资源丰富、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。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。,铁芯材料,（二）电工硅钢片（Fe-Si软磁合金）,铁中加Si的作用可提高铁的最大磁导率，增大电阻率，还可显著改善磁性时效。但Si加入量过多时，会降低饱和磁化强度、居里温度、磁晶各向异性常数K1、磁致伸缩系数含Si量的增大会使材料变脆。,电工硅钢片中Si的含量在0.5～4.8Si。1903年开始投入实际生产，用量极大。主要用于制造大电流、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；,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。在合金中加入少量的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Fe50Co5098.7V1.3。Fe50Co5098.7V1.3合金的国内牌号为1J22，国外牌号为V-Permendur。,铁钴合金具有高的磁导和的Bs，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。但电阻率偏低，不适于高频场合的应用。但价格昂贵。,（三）铁钴合金,随Ni含量的增加，Fe-Ni合金的m增加、Bs下降。当Ni量接近80时，Fe-Ni合金的K1和λ同时变为零，能获得高的磁导率。含wNi35～80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。,（四）Fe-Ni合金坡莫合金，Permalloy,磁记录材料,（一）磁记录介质材料,要求材料具有高的剩余磁化强度、陡的B-H曲线、大的B/H值、微细的粒子尺寸、粒子磁性的一致性及合适的矫顽力值。,用途磁带，磁盘等,记录方式纵向记录；垂直记录,记录介质材料磁性颗粒（如-Fe2O3）涂覆在高分子基片上发展到磁性薄膜记录介质,主要磁头材料高镍含量的铁镍基耐磨高导磁合金、铁硅铝合金和高导磁铁氧体材料。,（二）磁头材料,用途从磁记录介质中读出信号,用途高磁导率、低矫顽力和高电阻率之外，还要求高的耐磨性和低应力敏感性。,（一）磁致伸缩材料利用磁致伸缩现象，可将电震荡转变成超声波振动；因此磁致伸缩材料主要用于超声波发生器的振子铁心。此类材料主要包括纯镍wNi99.9、Fe-wAl13合金1J13、Fe49Co49V21J22、Fe-wNi501J50。二磁屏蔽材料在一些场合，如小型通讯机和电子仪器中，各种线圈或变压器装配位置紧密，必须进行电磁屏蔽。常用的磁屏蔽材料有纯铁、坡莫合金或铁硅铝合金，非晶态合金。,（三）磁流体在连动系统机械中，为了控制机械部件的相互连接，通常使用磁性离合器。磁流体是将羰基铁或四氧化三铁磁性粉末分散在矿物油或硅油中的一种材料。当加上磁场时，使磁性粉末磁力线方向上连续排列起来，使表观粘度增高，从而实现百分之百的连接。不加磁场时磁流体材料的粘度应很小，加上磁场时其粘度应明显提高；取消磁场时其剩磁要低、恢复到低粘性的初始状态。磁流体中磁粉与机油的比例一般为41，与硅油的比例为81。,永磁材料,主要用途提供永磁场,主要种类铝镍钴系永磁合金、永磁铁氧体、铁铬钴系永磁合金、稀土永磁材料和复合粘结永磁材料。,主要性能要求高的磁能积，高的轿顽力，高的居里点，高稳定性，好的经济性。,（一）铝镍钴系合金,成分特点Fe、Ni、Al等元素为主要成分，并加入Cu、Co和Ti等元素进一步提高合金性能。包括铝镍型、铝镍钴型和铝镍钴钛型三种。其中又有各向同性合金、磁场取向合金和定向结晶合金。,制备方法铸造磁钢与烧结磁钢，铸造铝镍钴合金具有生产工艺简单和产品性能高等特点。绝大部分铝镍钴合金都采用铸造法生产。,性能特点高剩磁与低温度系数，最大磁能积仅低于稀土永磁。Tc757～907℃、BHmax约为16～72kJ/m3,Br0.78～1.30T,HCB52～112kA/m。,主要永磁材料,（二）永磁铁氧体主要种类钡铁氧体BaO6Fe2O3和锶铁氧体SrO6Fe2O3。晶体结构均属六角晶系。制备方法以Fe2O3、BaCO3和SrCO3为原料，经混合、预烧、球磨、压制成型、烧结制成。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。,（三）铁铬钴系合金成分特点以铁、铬（23.5～27.5）、钴（11.5～21.0）为主；加入适量硅、钼、钛。此类合金可以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。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。性能特点高剩磁Br1.53T，Hc66.5KA/m，BHmax76kJ/m3。,二十世纪八十年代称为第三代稀土永磁材料。,稀土永磁合金,Re-Co永磁稀土Co永磁,铁基稀土永磁型Nd2Fe14B合金为代表的Re-Fe-B系永磁材料,15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,217型Re-Co磁体Sm2Co17基合金,二十世纪七十年代;第二代稀土永磁,三.超导材料,超导材料的基本性质两类超导体的基本特征超导隧道效应超导材料的发展,超导材料的基本性质,零电阻效应,迈斯纳（Meissner）效应,,两类超导体,第一类超导体,第二类超导体,只有一个临界磁场，,有两个临界磁场下临界磁场Hc1和上临界磁场Hc2,,超导隧道效应,正常电子隧道效应,约瑟夫森子隧道电流效应,,超导材料的发展,自1911年Onnes发现Hg，现已有5000种。从一元二元三元，以至多元。19011932年元素超导体，Pb、Sn、In、Ta、Nb、Ti等。19321953年合金、过渡金属碳化物和氮化物。19531973年A15型-钨结构，原子间距比一般晶体要小，态密度高等，Tc17K的V3Si、Nb3Sn，Laves型ZrV2、ZrRe2等，70年代初Nb3Al0.75Ge0.25，Nb7Ga、NbGe等，最高Tc23.2K。,氧化物1964年Schooley第一个氧化物SrTiO30.4K,BaPb1-xBixO3钙钛矿、Li1xTi2-xO4,1978年Bednorz和Binning，SrTiO3掺Nb，Tc约1.2K。1986年Mller,Ba-La-Cu-O，Tc约35K1987年哈沃（Raveau）发现BiSrCuO，Tc722K；1988年日本前田（Maeda）La-Sr-Cu-O掺Ca，80K，110K。1988年美ArkansasHermann，Tl-Ba-Ca-Cu-O,Tc125K1993年SchillingPutilin,Hg–Ba-Ca-Cu-O,Tc约135K,有机超导1980年Jerome,TMTSF2PF6高压Tc0.9K1987年BEDT-TTF2CuSCN2Tc7.8K1990年C60,,超导材料,常规超导材料,超导元素近50种,合金及化合物超导体几千种,高温超导体,主要有La系、Y系、Bi系、Tl系、Hg系等。,高温超导的结构与性能,钙钛矿特点高超晶体结构晶场配位电子结构缺陷和掺杂结构共性,,四.膨胀材料与弹性材料,膨胀合金,低膨胀合金（因瓦合金）,定膨胀合金（封接合金）,高膨胀合金,精密仪器仪表,封接，引线,热双金属,高弹性合金,高弹性极限、高强度及低滞弹性效应,主要用于膜片、膜盒、扭杆、发条、弹簧及仪表的轴承和轴。,恒弹性合金,主要用于游丝和悬丝，标准频率元件、延迟线等。,弹性模量几乎不随温度变化,弹性合金,Fe-Ni基、Co基等,Fe-Ni系、Co-Fe系等,