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1、材料物理性能课程设计试验项目指导参考书重庆交通大学材料科学与工程系1、直流磁特性自动测量实验目的与要求 a) 掌握电磁感应定律及电子积分器在直流磁特性测试中的应用原理；b) 了解CL-16直流磁特性测试系统的构成原理；c) 通过实验掌握软磁材料磁滞回线及相关参数的测试方法。直流磁特性测试装置的工作原理 直流磁特性测试包括直流软磁材料磁滞回线及永磁体退磁曲线的测试。本实验主要进行软磁材料直流磁特性的测试。CL-16直流磁特性测试系统的构成原理如下：计算公式：实验步骤 根据样品及检测线圈匝数的大小估计通过样品截面的总磁链数；根据初级磁化线圈的匝数N1估计所需磁化电流的大小；定标：包括B（积分器）定
2、标及H（线圈电流）定标； B定标指对B通道的总磁链数进行标定，标定出测试曲线上每10cm所对应的总磁链数。电流I定标指对螺绕环中的初级磁化电流进行标定，标定出测试曲线上每10cm所对应的磁化电流的大小。定标调节指示中1000表示倍率1，500表示倍率0.5，300表示倍率0.3.。（记录下定标值） 调放大积分器零漂：将开关打到测量档，调零漂电位器，补偿零漂。调整的判据是使零漂显示不再变化，最后回零。测试：确定好定标值后可以进行测试，测试过程自动完成。通过X-Y记录仪画出磁滞回线。标定参数：根据定标设置，通过上面的公式计算出每10cm（纵轴）所对应的磁感应强度（T），每10cm所对应的磁场强度（
3、横轴）（A/m）。计算出测试样品的Bs、Br、Hc等参数。实验结果及分析 1如何进行永磁材料退磁曲线的测试？2、介电常数的温度特性测试实验目的 1、 通过实验掌握类瓷介电容器介电常数的温度特性2、 学会类瓷介电容器介电常数的温度特性的一般测试方法实验仪器 电热恒温烘箱 LCR仪 温度计 测量夹具 类瓷介电容器样品实验原理 1、BaTiO3的结构与自发极化 结构rBa2+=0.135nm, rTi4+=0.068nm, rO2=0.140nm。BaTiO3为钙钛矿结构，由Ba2+离子与O2-离子一起立方堆积，Ti4+处于八个八面体之间。BaTiO3钙钛矿结构 BaTiO3的相变：三方-斜方-四方
4、-立方-六方BaTiO3的相变及介电常数的温度特性关系自发极化产生的原因：rO2-+rTi4+=1.33+0.64=1.97A，而rBa2+大，故氧八面体间隙大，Ti4+O2-间距大（2.005A）,因而Ti4+离子能在氧八面体中震动。T120 ，Ti4+处在各方几率相同（偏离中心，几率为零），对称性高，顺电相。T120 ，Ti4+由于热涨落，偏离一方，形成偶极矩，按氧八面体三组方向相互传递，偶合，形成自发极化电畴。在铁电体中的大小正比于单位电场所转向的自发极化矢量也就是说，自发极化强度Ps愈大，电畴愈容易为外电场所定向，其愈大。BaTiO3陶瓷的与材料的温度，外电场，频率有关，不论90畴18
5、0畴与外加电场，温度的高低有关。 在居里点附近纯BaTiO3瓷的介电常数有急剧变化的特性，其变化率甚至可达4-5个数量级，而当温度高于居里点Tc后，随着温度升高，介电系数下降，介电系数随温度的变化遵从居里-外斯定律： 式中： t0-特性温度，它一般低于居里温度（对BaTiO3来说约低1011）； k-居里常数（对BaTiO3来说，k=1.61.7105）； 0-表示电子极化对介电常数的贡献，一般情况下，0所占比重很小，可忽略。 从式1可以看出在居里点以上，随温度T的升高，介电系数迅速下降：距离居里温度愈近，下降的程度就愈大。造成这种现象的原因主要是BaTiO3晶体结构所引起的：以BaTiO3为
6、代表的铁电晶体是一种ABO3型钙钛矿结构。A位为低价、半径较大的Ba离子，它和氧离子一起按面心立方密堆；B位为高价、半径较小的Ti离子，处于氧八面体的体心位置。依据斯莱特-德文希尔理论：当温度低于1460高于120时BaTiO3属于立方晶系，所有的氧八面体均以顶角相连，构成了三维氧八面体族。这种具有对称性较高的立方BaTiO3并不具铁电性，属于一般的顺电介质。当温度降至120以下时，结构转变为四方对称，c轴略有伸长，a,b轴略有缩短。c/a1.01，因此具有沿c轴自发极化的铁电性。这是由于在钛氧八面体中，正负电荷的作用中心产生位移，出现电偶极矩，按氧八面体三维方向相互传递、耦合的结果。在一定的
7、空间范围内，这些偶极子都按照统一方向排列，形成所谓自发极化电畴 。 2、铁电体的介电性能铁电体中的大小，可以简约地认为是：正比于能为单位电场所反转(或所定向)的自发极化矢量，即： =1+4Ps/E （2）其中，Ps为自发极化矢量，E为所加外电场强度。所以，只要自发极化强度大，而且又容易为外电场所转向时，其才大。在居里点附近的相变区域，由于晶格结构的不稳定，其自发极化强度Ps定向激活能和畴壁运动激活能最小，很容易被外电场所定向，因而在居里点出现的峰值；而0120之间的下陷，则是由于结构相对稳定，畴壁难于运动的缘故。这就导致居里点附近值有十分强烈的变化。针对实际电路的使用要求并利用陶瓷的不同介电特
8、性，可以制备不同比容特性、温度特性、频率特性、功率特性的电容器。电容器容量C与陶瓷介电常数 之间的基本关系是:式中， 为真空下的介电常数；S为电极面积；d为介质厚度。 类瓷介电容器介电常数的温度特性可用下式来表示： 由于对于同一样品， 、S、d不变，所以，介电常数的温度特性可以用电容量温度特性来表示：对不同温度特性的类瓷介电容器，其介电常数的温度特性有其具体的要求。例如：（根据EIA标准）X7R陶瓷材料的X7R是指一种温度特性。X表示温度为-55，7表示温度为+125，R表示在-55-+125的温度范围内，室温（25）下的电容量（介电系数）与-55及+125时的电容量（或介电系数）之差被25时
9、的电容量（或介电系数）除所得商值15%，具体为（C25-C-55）/C25，（C25-C125）/C2515%。Y5V表示表示在-30-+85的温度范围内，相对25介电系数的变化率下限为-82%，上限为+30%。 从测定的C-T 曲线，可得到以下数据：(1)C25-对应于温度为趋于25时的电容值(2)Ct-对应于温度为t时的电容值(3)根据 C25、Ct带入（5）式就可以计算出类瓷介电容器介电常数的温度特性实验步骤 1、 将被测样品安放在测试夹具上，然后将夹具放入烘箱中；2、 将LCR仪通上电源，并设置在1KHz频率、0.1V电压下，准备测试；3、 将烘箱从室温加热到150C，在25C，测一次
10、电容值，然后每升高5C测一次电容值。4、 做好实验数据记录，按照实验指导老师要求，整理仪器、电源。实验数据分析与讨论 实验数据记录（1） 容量与温度关系数据表1 容量与温度关系（2）根据上述数据画出对应的C/C()()曲线 曲线如下所示：3、饱和磁化强度的测量实验目的与要求 磁化强度M是指磁性材料单位体积内的磁矩矢量和，定义为，通过测量材料的饱和磁化强度Ms，加深对自发磁化的理解是本实验的主要目的。实验主要仪器： FMA磁天平实验用磁天平实验原理及方法 根据磁性物质在非均匀磁场中的受力原理实现Ms的测量，其方法为磁天平法，如图2所示。设一小球样品处在非均匀磁场中，样品质量为m、体积V，则样品在
11、此非均匀磁场中沿任意轴向(=x.y.z)所受的力为： 其中d为试样密度,如果磁场的不均匀只表现在Z方向。则， 实际测量中，即磁场梯度难以精确测量，因而，一般采用相对法测量，如图所示，无磁场时，天平平衡时砝码重量(W1),加磁场后，由于Fz的作用，需要增加砝码来达到新的平衡，当天平重新平衡时(W2)有：图2 磁天平工作原理示意图将标准样品置于同样的非均匀磁场中，则有：标准式样一般采用密度为8.90g.cm3，纯度99.9的Ni球，其饱和磁化强度Ms0485.6KA.m1。同样的原理，对于圆柱形样品，如果其一端处于电磁铁两极的中心，此处磁场强度最大，而另一端离磁场中心较远，磁场很弱，则可推得材料体
12、积磁化率。 式中 Mst为样品管中装上样品后加磁场时的砝码质量（mH）和无磁场时的砝码质量（mo）之差, Mt为样品管加磁场时的砝码质量(mtH)和无磁场时砝码质量(mto)之差。S为样品截面积, XAir为空气磁化率(XAir=3.64*10-7), H为电磁铁两极中心处的磁场强度。 实验步骤 1、接通FMA电源，预热10分钟2、检查电流和磁场指示，用调零旋纽将电流和磁场置于零点。3、放入标准样品，调节分析天平，测出磁场H0时的重量并记录4、调节电流线圈电流，增加磁场H(400mT、500mT、600mT等)，调节分析天平，测出磁场H为某一确定数值时的重量并记录，算出公式W。5、将磁场恢复到
13、零，放入待测小球样品，重复步骤3、4，算出W6、代入标准样品参数，算出代测小球样品的s(或Ms)7、将磁场恢复到零，取出待测小球样品，调节分析天平测出空样品管在H0时的重量并记录8、调节电流线圈电流，增加磁场H(200mT、300mT、400mT等)调节分析天平，测出磁场H为某一确定数值时的空样品管重量并记录，算出公式中mt9、将磁场恢复到零，放入代测圆柱形样品，调节分析天平，测出H0时的重量并记录。10、调节电流增加磁场H(200mT、300mT、400mT等)调节分析天平，测出磁场H为某一确定数值时的重量并记录，算出公式中mst11、用游标卡尺测出圆柱形样品的直径，算出截面积S12、算出代
14、测样品体积磁化率13、写出实验报告并进行结果分析。实验注意事项 1、调节电流及磁场旋纽应轻缓2、不可在分析天平处于测量状态时增减砝码3、微量的铁磁性杂质对测量结果影响很大，所以应特别注意防止样品管内外杂质的沾染4、磁天平处于水平状态，所以不得挪动仪器5、测试样品时，应关闭玻璃门窗，对整机不得振动4、电介质的介电系数及损耗角正切的频率特性实验目的 1通过实验了解电桥法测量电介质介电系数 与介质损耗角正切tgQ 的方法，熟悉用LCR仪直接测量电容器的电容量及介质损耗角正切的测试原理与使用方法。2通过实验了解不同类型的介质材料其 、tgQ 随频率的变化特性。实验仪器 1、 LCR仪, 2、测量夹具 3、电容器样品实验原理及方法 根据电介质理论，各种电介质在电场作用下都要发生极化过程，其宏观表现可以用电介质的介电系数来 表征，不同类型（中性、极性、离子型、无定形等等）的介质材料。由于发生极化的微观机构不同，不仅 的数值有明显差别，而且 与频率的关系也有很大不同。同样地，由于产生介质损耗的来源不同，各类电介质的tg 数值及其与频率的关系都表现出各不相同的特点。例如，对中性电介质，由
