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1、功能材料功能材料Functional Materials 功能材料功能材料Functional Materials李建忱李建忱材料馆材料馆610室室第一节第一节 概述概述定义：定义：以特殊的电、磁、声、光、热、力、化学及生物学等性能作为主要性能指标的一类材料。是用于非结构目的高技术材料。1965年由美国贝尔实验室的J.A. Morton博士首先提出功能材料概念。内容内容 1-1功能材料在电力技术、电子信息技术、微电子技术、激光技术、空间技术、海洋技术等领域得到广泛应用。例：计算机的发展历史CPU1.电子管2.晶体管3.集成电路4.大规模集成电路现代微型计算机的功能与第一台大型电子管计算机相当，
2、但运算速度快几十 倍 、 体 积 仅 1/300,000、 重 量 仅1/60,000。IBM研制的超级计算机的运算能力可达39,000次/s。（发热）材料：锗Ge半导体材料 硅Si半导体材料 硬化镓GaAs半导体材料功能材料的分类功能材料种类繁多，涉及面广，有多种分类方法。目前主要是根据材料的化学组成、应用领域、使用性能进行分类。 研究背景研究背景 2-1功能材料的现状 近几年来，功能材料迅速发展，已有几十大类，10万多品种，且每年都有大量新品种问世。现已开发的以物理功能材料最多，主要有：1）单功能材料单功能材料，如：导电材料、介电材料、铁电材料、磁性材料、磁信息材料、发热材料、热控材料、光
3、学材料、激光材料、红外材料等。2）功能转换材料功能转换材料，如：压电材料、光电材料、热电材料、磁光材料、声光材料、电流变材料、磁敏材料、磁致伸缩材料、电色材料等。3）多功能材料多功能材料：如防振降噪材料、三防材料（防热、防激光和防核）、电磁材料等。4）复合和综合功能材料复合和综合功能材料，如：形状记忆材料、隐身材料、传感材料、智能材料、显示材料、分离功能材料、环境材料、电磁屏蔽材料等。5）新形态和新概念功能材料新形态和新概念功能材料，如：液晶材料、梯度材料、纳米材料、非平衡材料等。 目前，化学和生物功能材料的种类虽较少，但其发展速度很快，其功能也更多样化。功能材料的展望展望21世纪，功能材料的
4、发展趋势为：1）开发高技术所需的新型功能材料，特别是尖端领域（航空航天、分子电子学、新能源、海洋技术和生命科学等）所需和在极端条件下（超高温、超高压、超低温、强腐蚀、高真空、强辐射等）工作的高性能功能材料；2）功能材料的功能从单功能向多功能和复合或综合功能发展，从低级功能向高级功能发展；3）功能材料和器件的一体化、高集成化、超微型化、高密积化和超分子化；4）功能材料和结构材料兼容，即功能材料结构化，结构材料功能化；5）进一步研究和发展功能材料的新概念、新设计和新工艺；6）完善和发展功能材料检测和评价的方法；7）加强功能材料的应用研究，扩展功能材料的应用领域，加强推广成熟的研究成果，以形成生产力
5、。主要内容主要内容u电功能材料u磁功能材料u热功能材料u光功能材料u其它功能材料简介第二节第二节 导电功能材料导电功能材料以特殊的电学性能或各种电效应作为主要性能指标的一类材料。半导体半导体材料材料超导超导材料材料电接点电接点（触头）（触头）材料材料导电导电材料材料电阻电阻材料材料第一节 固体导电性一、自由电子论(P. Drude , A. Lorentz)ne2L/2mv价电子参与导电无法解释低价金属导电性好？量子自由电子论（A. Sommerfeld)只有费米面的电子导电n为有效电子数无法解释电导率与温度的关系，导电性各向异性二、能带理论能带：指晶体中电子能量的本征值即不像孤立原子明显分立
6、的电子能级，也不像无限空间中自由电子所具有连续能级。满带：所有能级全部被电子添满。空带：所有能级全部都是空的。导带：部分电子的未满带价带：导带以下的第一个满带。导体：除了满带和空带外，还存在未满带绝缘体：没有未满带，更高能级全部为空带。半导体：能带添充同绝缘体，但能隙小。、近代电导理论晶格振动产生能量（热）声子。晶格振动形成的声子与电子发生相互作用引起电子散射，产生电阻。另外：晶体中的杂质和缺陷也引起电子散射，产生电阻。 (T)=0+T (TD) (T)=0+ T (T D)D德拜温度：当高于一特定温度后，摩尔热容接近一个常数（25J/mol K).低于此温度摩尔热容与T3成正比。导电材料的分
7、类 按导电机理可分为：电子导电材料和离子导电材料两大类。 电子导电材料包括导体、超导体和半导体： 10-710-610-510-410-310-210-1100101102103104105106电导率 S/m绝缘体半导体导体超导体：离子导电材料的导电机理源于离子的运动，由于离子的运动速度远小于电子的运动速度，因此其电导率较小，目前最高不超过102 S/m ，一般在100 S/m以下。导体电阻率公式 电阻率公式：i取决于晶格缺陷的多少，缺陷越多， i越大，一般与温度无关；T取决于晶格的热振动。电阻率随着温度升高而升高，这是导体的一个特征。导体材料的种类导体材料按照化学成分主要有以下三种：（1）
8、金属材料。电导率在107108 S/m之间； 银（6.63 107 S/m ）、铜（5.85 107 S/m ）和 铝 （3.45 107 S/m ）（2）合金材料。电导率在105107 S/m之间； 黄铜（1.60 107 S/m ）， 镍铬合金（9.30 105S/m ）（3）无机非金属材料。电导率在105108 S/m之间。 石墨在基晶方向为2.5106 S/m。金属导电材料1、导电引线材料Au, Ag, Cu, Al,Fe合金:AlMg, AlMgSiFe,AlMgCuFe、导体布线材料薄膜导体材料：贵金属薄膜，复合薄膜材料电阻材料、精密电阻合金MnCu,康铜，性能（）低的电阻温度系数
9、。（）良好的耐磨性和抗氧化性（）良好的加工性能和力学性能（）可焊性好、电热电阻材料CuNi，NiCrFe,NiCr，NiCrAl,FeCrAl3、热敏电阻材料较大电阻温度系数NiCr,NiCrFe4、膜电阻材料厚膜电阻：厚膜杂化制造加工薄膜电阻：溅射、蒸发等真空镀膜制成。导体材料的应用金属导体材料主要用作：电缆材料、电机材料、导电引线材料、导体布线材料、辐射屏蔽材料、电池材料、开关材料、传感器材料、信息传输材料、释放静电材料和接点材料等，还可以作成各种金属填充材料和金属复合材料。 合金导体材料主要用作电阻材料和热电偶材料，如铂铑-铂热电偶等。非金属导体材料主要用作耐腐蚀导体和导电填料。半导体材
10、料半导体材料半导体材料半导体材料u导导电电性性能能介介于于金金属属和和绝绝缘缘体体之之间间；（10-7104）u具具有有负负的的电电阻阻温温度度系系数数。（导体具有正的电阻温度系数）基本概念基本概念当当大大量量原原子子结结合合成成晶晶体体时时（如如，1019个个原原子大约可形成子大约可形成1mm3的晶体）的晶体）由由于于相相邻邻原原子子电电子子云云相相互互交交叠叠，对对应应于于孤孤立立原原子子中中的的每每一一能能级级都都将将分分裂裂成成有有一一定定能能量量宽度的宽度的能带能带。（1）能带）能带 Energy Band（一）半导体的能带结构(2) 带隙带隙 Band Gap 能带之间的区域能带之
11、间的区域（3）禁带）禁带 Forbidden Band 带隙不存在电子的能级带隙不存在电子的能级（4）价带价带 Valence Band 对应价电子能级的能带对应价电子能级的能带(5) 空带空带 Empty Gap 价带上面的能带价带上面的能带（6）导带）导带 Conduction Band 最靠近价带的空带最靠近价带的空带（7）满带）满带 Filled Band 价带被电子填满价带被电子填满u导体的能带中都有末被填满的价带，在外电场的作用下，电子可由价带跃迁到导带，从而形成电流。u绝缘体的能带结构是满带与导带之间被一个较宽的禁带所隔开，在常温下几乎很少有电子可以被激发越过禁带，因此其电导率很
12、低。半导体能带结构下面是价带，其价带是充满了电子，因此是一个满价带。上面是导带，而导带是空的。满价带和空导带之间是禁带，其禁带宽度比较窄，一般在1ev左右。价带中的电子受能量激发后，如果激发能大于Eg，电子可以从价带跃迁到导带上，同时在价带中留下一个空的能级位置-空穴。半导体的导电机理半导体价带中的电子受激发后从满价带跃到空导带中，跃迁电子可在导带中自由运动，传导电子的负电荷。同时，在满价带中留下空穴，空穴带正电荷，在价带中空穴可按电子运动相反的方向运动而传导正电荷。因此，半导体的导电来源于电子和空穴的运动，电子和空穴都是半导体中导电的载流子。（二）典型半导体材料及其应用1. 元素半导体 高纯
13、度、无缺陷的高纯度、无缺陷的元素半导体。杂质浓度元素半导体。杂质浓度小于小于10-9 在在本本征征半半导导体体中中有有意意加加入入少少量量的的杂杂质质元元素素，以以控控制制电导率，形成杂质半导体。电导率，形成杂质半导体。 本征半导体广泛研究的元素是Si、Ge和金刚石。金刚石可看作是碳元素半导体，它的性质是1952年由Guster发现的。除了硅、锗、金刚石外，其余的半导体元素一般不单独使用。 因为本征半导体单位体积内载流子数目比较少，需要在高温下工作电导率才大，故应用不多。杂质半导体利用将杂质元素掺入纯元素中，把电子从杂质能级（带）激发到导带上或者把电子从价带激发到杂质能级上，从而在价带中产生空
14、穴的激发叫非本征激发或杂质激发。这种半导体叫杂质半导体。杂质半导体本身也存在本征激发，一般杂质半导体中掺杂杂质的浓度很低，如十亿分之一就可达到目的。掺掺杂杂原原子子的的价价电电子子多多于于纯纯元元素素的的价价电电子子，又又称称施施主型半导体主型半导体掺掺杂杂原原子子的的价价电电子子少少于于纯纯元元素素的的价价电电子子，又称受主型半导体又称受主型半导体杂质半导体un型半导体型半导体（电子型，施主型） A族元素（C、Si、Ge、Sn）中掺入以VA族元素（P、As、Sb、Bi）后，造成掺杂元素的价电子多于纯元素的价电子，其导电机理是电子导电占主导，这类半导体是n型半导体。up型半导体型半导体（空穴型
15、，受主型） A族元素（C、Si、Ge、Sn）中掺入以A族元素（如B）时，掺杂元素的价电子少于纯元素的价电子，它们的原子间生成共价键以后，还缺一个电子，而在价带其中产生空穴。以空穴导电为主，掺杂元素是电子受主，这类半导体是p型半导体。杂质半导体的能带结构N型半导体逾量电子处于施主能级，施主能级与导带底能级之差Ed远小于禁带宽度Eg（相差近三个数量级）。因此，杂质电子比本征激发更容易激发到导带。例如Si掺杂十亿分之一As时，其Eg为1.610-19 J，Ed为6.410-21 J。Ge掺杂十亿分之一Sb时，其Eg为1.1510-19 J，Ed为1.610-21 J。P型半导体逾量空穴处于受主能级。
16、由于受主能级与价带顶端的能隙Ea远小于禁带宽度Eg，价带上的电子很容易激发到受主能级上，在价带形成空穴导电。2. 化合物半导体化合物半导体二元化合物二元化合物 GaAs（砷化镓）、（砷化镓）、CdS镉、镉、SiC、GeS锗、锗、AsSe3硒等。硒等。三元化合物三元化合物 AgGeTe2、AgAsSe2、CuCdSnTe4等（碲）等（碲）GaAs制备制备发光二极管发光二极管隧道二极管隧道二极管3. 固溶体半导体固溶体半导体由两种或多种元素或化合物互溶而成的。由两种或多种元素或化合物互溶而成的。二元系固溶体半导体二元系固溶体半导体 Bi-Sb三元系固溶体半导体三元系固溶体半导体 （碲镉汞）（碲镉汞
17、）Hg1-xCdxTe （镓砷磷）（镓砷磷）GeAs1-xPx最最重重要要的的红红外外探探测测器材料器材料用用于于高高速速响响应器件、应器件、光通信等光通信等半导体材料的应用1、半导体材料在集成电路上的应用：最早用锗单晶制造二极管和三极管；现在发展硅器件，以硅单晶为基材的集成电路在电子器件中占主导地位。化合物半导体砷化镓做微波、超高频晶体管等；2、半导体在光电子器件、微波器件和电声耦合器上的应用：发光管、激光器、光电池、光集成等；3、半导体材料在传感器上的应用：半导体传感器二、超导材料二、超导材料超导材料的定义1911年荷兰Leiden大学Kamerlingh Onnes 在研究极低温度下金属
18、导电性时发现，当温度降到4.2K时，汞的电阻率突然降低到接近于零。这种现象称为汞的超导现象。从此，超导材料的研究引起了广泛的关注，现已发现了上千种超导材料。定义： 超超导导电电现现象象：材料的电阻随温度降低而减小并最终出现零电阻的现象。 超导体超导体：低于某一温度出现超导电性的物质。（一）超导体的基本特性特性一：完全导电性（零电阻）完全导电性（零电阻） File和Mills利用精确核磁共振方法测量超导电流产生的磁场，来研究螺线管内超导电流的衰变，得出的结论是超导电流的衰变时间不短于10万年。特性二：完全抗磁性完全抗磁性 处于超导状态的金属，不管其经历如何，磁感应强度B始终为零。这一现象为迈斯纳
19、（Meissner）1933年发现，称为迈斯纳效应。磁力线不能进入超导体内部超导体的基本特性特性三：临界温度（临界温度（Tc）、）、临界磁场（临界磁场（Hc）、）、临临界电流界电流J JC C是约束超导现象的三大临界条件。是约束超导现象的三大临界条件。 当温度超过临界温度时，超导态就消失；同时，当超过临界电流或者临界磁场时，超导态也会消失，三者具有明显的相关性。只有当上述三个条件均满足超导材料本身的临界值时，才能发生超导现象（由Tc、Hc，Jc形成的闭合曲面内为超导态）。超导体的基本特性特性四：约瑟夫森（约瑟夫森（B D Josephson）效应效应 （承担超导电的超导电子还可以穿越极薄绝缘体
20、势垒）经典力学中，若两个区域被一个势垒隔开，则只有粒子具有足够的能量时，其才会从一个区域进入另一个区域。量子力学中，粒子具有足够的能力不再是一个必要条件，一个能量不太高的粒子也可能会以一定的概率“穿过”势垒，即所谓的“隧道效应”。（约瑟夫森语言并被后人证实）超导体的种类（按迈斯纳效应分）按照迈斯纳（按照迈斯纳（Meissner）效应分类：第一类超导体和第二类超导体效应分类：第一类超导体和第二类超导体u第一类超导体（软超导体）当H HC 时，BH第一类超导体只有一个临界磁场，即HC 只有一个特征值。除钒、铌、钌外，元素超导体都是第一类超导体超导体的种类（按迈斯纳效应分）u第二类超导体（硬超导体）
21、当H HC1 时，B0，处于迈斯纳状态，完全抗磁当Hc1H HC2 时，BH钒钒、铌铌以以及及大大多多数数合合金金或或化化合合物物超超导导体体均均属属于于第第二类二类（二）超导材料u元素超导体u合金超导体u金属间化合物超导体u陶瓷超导体u高分子超导体在低温常压下，具有超导特性的化学元素共有26种，由于临界温度太低，无太大实用价值Nb的Tc最高，仅为9.26K1. 元素超导体2.合金超导体合金超导体合金超导体是机械强度最高、应力应变较小、磁场强度低、临界电流密度高的超导体，在早期得到实际应用。超导合金主要有Ti-V、Nb-Zr、Mo-Zr、Nb-Ti等合金系，其中Ge-Nb3的临界温度最高（23
22、.2K）。3.金属间化合物超导体金属间化合物超导体金属间化合物超导体的临界温度与临界磁场一般比合金超导体的高，但此类超导体的脆性大，不易直接加工成带材或线材。1986年发现了陶瓷超导体，使超导材料获得了更高的临界温度，如YBaCuO（Tc90K）、TiBaCaCuO（Tc120K）等。最大缺点为脆性大，加工困难。高温超导材料：Tc77K（液N温度）4.陶瓷金超导体陶瓷金超导体中国制造中国制造 Made in China2002年年1月月 长长116m，宽，宽3.6mm，厚，厚0.28 mm 铋系高铋系高温超导带材试制成功。温超导带材试制成功。2002年年4月月 340m 长的铋系高温超导导线试
23、制成功。长的铋系高温超导导线试制成功。 已达到了国际先进水平已达到了国际先进水平5.高分子超导体高分子超导体高高分分子子材材料料通通常常为为绝绝缘缘体体，但但在在数数亿亿帕气压作用下也可以转变成为超导体。帕气压作用下也可以转变成为超导体。如：四硫富瓦稀四腈代对苯醌二甲烷目目前前高高分分子子超超导导体体的的最最高高临临界界温温度度仅仅仅达到仅达到10K（三）超导材料的应用超导的应用，基本上可以分为强电强磁和弱电弱磁两大类。（1）超导强电强磁应用 主要基于超导体的零电阻特性和完全抗磁性以及非理想第二类超导体所特有的高临界电流密度和高临界磁场。 主要应用在电力方面如超导电缆、超导磁体（如超导磁悬浮列
24、车）、巨大环形超导磁体、超导磁分离等。（2）超导弱电弱磁的应用 基于Josephson效应为基础，建立极灵敏的电子测量装置为目标的超导电子学，发展了低温电子学。如超导量子干涉器件是一种高灵敏度的测量装置，主要功能是测量磁场。它可以在电工仪表、医学、生物、资源开发、环境保护、固体材料、地球物理等领域应用。1. 电力输送与储存电力输送与储存目目前前有有大大约约30%的的电电能能损损耗耗在在输输电电线线路路上上，采采用用超超导导体体输输电电，可可大大大大减减少少损损耗耗，且且省省去去了了变变压压器器和变电所。和变电所。使使用用巨巨大大的的超超导导线线圈圈，经经供供电电励励磁磁产产生生磁磁场场而而储储
25、存存能能量量。超超导导磁磁储储能能系系统统所所存存能能量量几几乎乎可可以以无无损损耗的储存下去，其转换率可高达耗的储存下去，其转换率可高达95%。超导材料的应用实例2. 磁流体发电磁流体发电化学能化学能热能热能机械能机械能电能电能火力发电火力发电热能热能电能电能磁流体发电磁流体发电3. 磁悬浮列车磁悬浮列车时速时速 400 500km.4. 超导计算机超导计算机速度是计算机永远追求的主题速度是计算机永远追求的主题三、电接点（触头）材料三、电接点（触头）材料电电接接点点是是建建立立和和解解除除电电接接触触的的导导电电构构件件，广广泛泛应应用用于于电电力力系系统统、电电器器装装置置，仪器仪表、电信
26、和电子设备。仪器仪表、电信和电子设备。按按电电负负荷荷的的大大小小，电电接接点点分分为为：强强电、中电和弱电。电、中电和弱电。（一）（一） 强电接点材料强电接点材料电负荷大，要求电接点材料：接触电阻低、电负荷大，要求电接点材料：接触电阻低、耐电蚀、耐磨损、高的耐电压强度、良好的来耐电蚀、耐磨损、高的耐电压强度、良好的来电弧能力，一定的机械强度。电弧能力，一定的机械强度。一般采用合金材料。一般采用合金材料。u空气开关接点材料空气开关接点材料 银系合金银系合金 ： Ag-CdO、 Ag-Fe、Ag-W、Ag-石墨等。石墨等。 铜系合金铜系合金 如：如：Cu-W、 Cu-石墨石墨u真空开关接点材料真
27、空开关接点材料 Cu-Bi-Ce、 Cu-Fe-Ni-Co-Bi、 W-Cu-Bi-Zr合金等合金等（二）弱电接点材料（二）弱电接点材料弱弱电电接接点点电电负负荷荷及及机机械械负负荷荷都都很很小小，要要求求接接点点材材料料有有极极好好的的导导电电性性、极极高高的的化化学学稳稳定定性性、良良好好的抗电火花烧损性和耐磨性。的抗电火花烧损性和耐磨性。大多用贵金属合金材料。大多用贵金属合金材料。常用的弱电接点材料有：常用的弱电接点材料有：Au系系 （金）（金）Ag系系 （银）（银）Pt系（铂）系（铂）Pd系（钯）系（钯）（三）复合接点材料（三）复合接点材料通过合理工艺将贵金属接点材通过合理工艺将贵金属
28、接点材料与非贵金属基体材料结合在一料与非贵金属基体材料结合在一起，起，国外国外90%以上的弱电接点采用以上的弱电接点采用复合接点材料。复合接点材料。磁功能材料磁功能材料第三章第三章 磁性功能材料磁性功能材料磁性功能材料磁性功能材料 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
29、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， 本章主要内容本章主要内容 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第三章第三章 磁性功能材料磁性功能材料简介磁性是物质的基本属性之一。磁性现象是与各种形式的电荷运动相关联的，由于物质内部的电子运动和自旋会产生一定大小的磁场，因而产生磁性。一切物质都具有磁性。但磁性材料通常是指那些在实际工程意义上具有较强磁性的材料。磁性材料是电子工业的重要基础功能材料，广泛应用于计算机、电子器
30、件、通讯、汽车和航空航天等工业领域，随着世界经济和科学技术的迅猛发展，磁性材料的需求将空前广阔。当前我国磁性材料的发展居世界之首，已经成为世界上永磁材料生产量最大的国家。 基本概念 “磁磁”来源于电。一个环形电流在其运动中心产生的磁矩为P=is，i为电流强度，s为环形回路所包围的面积。 原子内的电子做循轨运动和自旋运动，这必然产生磁矩，产生的磁矩分别称为轨道磁矩P1和自旋磁矩Ps。 原子核虽然也产生磁矩，但它的值比电子磁矩小三个数量级，一般情况下可忽略不计。因此，原子磁矩的产生是电子的循轨运动、电子自旋这二者组合的结果。基本概念磁场强度（磁场强度（H）：）：指空间某处磁场的大小，单位：安/米；
31、磁磁化化强强度度（M）：物质的磁性来源于内部的磁矩，只有当内部磁矩同向有序排列时才对外显示强磁性。单位体积内磁矩矢量和称为M，单位：安/米；磁磁感感应应强强度度（B）：物质在外磁场作用下，其内部原子磁矩的有序排列还将产生一个附加磁场。在磁性材料内部外加磁场与附加磁场的和，称为磁感应强度。B=0(H+M) ，0是一个系数，叫做真空磁导率。磁感应强度又称为磁通密度，单位是特斯拉（T）；磁磁导导率率（） ：=B/H，是磁化曲线上任意一点上B和H的比值。导磁率实际上代表了磁性材料被磁化的容易程度，或者说是材料对外部磁场的灵敏程度；磁化率（磁化率（ ）：）：磁化强度与磁场强度的比值， = M /H。磁滞
32、回线在外加磁场的作用下磁体会被磁化，磁体内部的磁感应强度B随外磁场H的变化是非线性的，当H减少为零时，B并未回到零值，出现剩磁Br。磁感应强度滞后于磁场强度变化的性质称为磁滞性。图为磁性物质的磁滞曲线；要使剩磁消失，通常需进行反向磁化。将 B=0时的 H 值称为矫顽磁力 Hc；Br称为剩余磁感应强度， Bs称为最大磁感应强度（饱和磁感应强度）。BsBrHcBHO3. 1 3. 1 磁学基础磁学基础物质的磁性物质的磁性(一一) 物质的磁性物质的磁性将一个面积为（A) 、通有电流（Is)的环型导体放入磁场中，该环型导体将会在磁场（H)的作用下发生偏转，即环型导体受到力矩的作用。力矩（M)的大小可由
33、下式表示： M M Is x A x H H 定义Pm= Is x A为通过电流为Is、面积为A的环型导体的磁矩。IsI原子内的电子做循轨运动和自旋运动，所以必然产生磁矩。前者称为轨道磁矩，后者称为自旋磁矩。电子的循轨磁矩 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。原子核的磁矩比电子磁矩小三个数量级，一般情况下可忽略不计。3. 1 3. 1 磁学基础磁学基础物质的磁性物质的磁性物质磁性具有普遍性3. 1 3. 1 磁学基础磁学基础物质的磁性物质的磁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物质表现何种磁性原子磁矩
34、间相互作用外加磁场的作用3. 1 3. 1 磁学基础磁学基础物质的磁性物质的磁性细菌细胞中的磁力线200nm的Co粒子中的磁力线3. 1 3. 1 磁学基础磁学基础物质的磁性物质的磁性磁场强度：电流强度为 I 的电流在一个每米有N匝线圈的无限长螺旋管轴线中央产生的磁场强度 H 为： H = N x I A/m （安/米）距离永磁体r处的磁场强度 H 为： H = km1r0/r2 H/m（亨利/米）m1为磁极的磁极强度，单位为Wb(韦伯)；r0是r的矢量单位；磁化强度(M ):单位体积磁性材料内各磁畴磁矩的矢量和，单位为A/m。磁感应强度(B ):物质在外磁场作用下，其内部原子磁矩的有序排列还
35、将产生一个附加磁场。在磁性材料内部外加磁场与附加磁场的和,单位为T（特斯拉）。（二）基本磁性参量二）基本磁性参量B=H+M3. 1 3. 1 磁学基础磁学基础物质的磁性物质的磁性磁导率和磁化率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： B=0H 在磁性材料中： B=0（H+ M） 在均匀的磁性材料中，上式的矢量和可改成代数和： B=0（H+M） 磁性材料的磁导率定义为磁感应强度与磁场强度之比： =B/H 0 : 真空磁导率; : 绝对磁导率，单位为 H/m，r: 相对磁导率 r =/0 磁化率定义为磁化强度与磁场强度之比： = M/H ( (三）物质磁性的分类三）物质磁性的分类
36、3. 1 3. 1 磁学基础磁学基础物质的磁性物质的磁性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，： 1 104 铁磁性被磁化后，磁化场方向与外场方向相同，：10-3-10-6被磁化后，磁化场方向与外场方向相反，： （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。3. 1 3. 1 磁学基础磁学基础物质的磁性物质的磁性抗磁性是由于外磁场作用下，原子内的电子轨道
37、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。 3. 1 3. 1 磁学基础磁学基础物质的磁性物质的磁性HmmDmkkDkDkDm产生抗磁性的原理产生抗磁性的原理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 3. 1 3. 1 磁学基础磁学基础物质的磁性物质的磁性由于原子间的交换作用使原子磁矩发生有序的排列
38、，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)3. 1 3. 1 磁学基础磁学基础物质的磁性物质的磁性铁磁质：铁磁质：磁矩的有序排列随着温度升高而被破坏，温度达到居里温度（Tc）以上时有序全部被破坏，磁质由铁磁性转为顺磁性。 Tc是材料的M-T曲线上MS20对应的温度。顺磁质：顺磁质：朗之万（Langevin）顺磁性： 磁化率服从居里(Curie)定律，即：=c/T。泡利（Pauli）顺磁性： 服从居里-外斯（Curie-Weiss）定律，即：=C/(T-Tc)。 （四）温度对物质磁性的影响（四）温度对物质磁性的影响Tc3. 1 3. 1 磁学基础磁学基础物质的磁性物质的磁性 (
39、 (四）磁各向异性四）磁各向异性 磁性材料在不同方向上具有不同磁性能的特性。包括：磁晶各向异性，形状各向异性，感生各向异性和应力各向异性等。单晶体的易磁化和难磁化方向 3. 1 3. 1 磁学基础磁学基础物质的磁性物质的磁性（五）磁致伸缩（五）磁致伸缩磁性材料磁化过程中发生沿磁化方向伸长(或缩短)，在垂直磁化方向上缩短(或伸长)的现象，叫做磁致伸缩。它是一种可逆的弹性变形。材料磁致伸缩的相对大小用磁致伸缩系数表示，即 ： =l/l 式中， l和l分别表示磁场方向的绝对伸长与原长。在发生缩短的情况下，l为负值，因而也为负值。当磁场强度足够高，磁致伸缩趋于稳定时，磁致伸缩系数称为饱和磁致伸缩系数，
40、用s表示。 对于3d金属及合金:s约为 10-510-6。 3. 1 3. 1 磁学基础磁学基础磁化磁化过程与技程与技术 磁参量磁参量 (一一) 磁畴结构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3. 1 3. 1 磁学基础磁学基础磁化磁化过程与技程与技术 磁参量磁参量 Co中的磁畴结构磁畴结构包括磁畴和畴壁两部分。磁畴的体积为10-110-6cm
41、3。畴壁是指磁畴交界处原子磁矩方向逐渐转变的过渡层3. 1 3. 1 磁学基础磁学基础磁化磁化过程与技程与技术 磁参量磁参量 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180 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3. 1 3. 1 磁学基础磁学基础磁化磁化过程与技程与技术 磁参量磁参量 布洛赫奈尔壁3. 1 3. 1 磁学基础磁学基础磁化磁化过程与技程与技术 磁参量磁参量 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。（二）磁畴移动与（二）磁畴移动
42、与磁化过程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。3. 1 3. 1 磁学基础磁学基础磁化磁化过程与技程与技术 磁参量磁参量 畴壁的移动 磁畴的转动 3. 1 3. 1 磁学基础磁学基础磁化磁化过程与技程与技术 磁参量磁参量 （三）磁化曲线（三）磁化曲线 磁化过程四阶段：（1） M随H呈线性地缓慢增长，可逆畴壁移动过程。（2） M随H急剧增长，不可逆畴壁移动
43、过程，的巴克豪森（Barkhausen）跳跃。（3）M的增长趋于缓慢。磁畴的磁化矢量已转到最接近H方向，M的增长主要靠可逆转动过程来实现。（4）磁化曲线极平缓地趋近于水平线而达到饱和状态。3. 1 3. 1 磁学基础磁学基础磁化磁化过程与技程与技术 磁参量磁参量 ( (四）磁性材料的技术磁参量四）磁性材料的技术磁参量技技术术磁磁参参量量内禀磁参量: MS、Tc外禀磁参量: Hc、Mr或Br、磁导率、损耗、磁能积MS: 饱和磁化强度Hc：矫顽力Mr或Br：剩磁主要取决于材料的化学成分对材料结构（如晶粒尺寸、晶体缺陷、晶粒取向等）敏感，可以通过适当的工艺改变损耗： 软磁材料磁化一周总的能量损耗W，
44、由涡流损耗，磁滞损耗Wh和剩余损耗Wr三部分组成，通常以每公斤材料损耗的功率表示，即: W=We+Wh+Wr We：在交变磁化条件下，材料垂直于磁场的平面内产生的涡流引起发热产生的损耗。循环磁化一周的涡流损耗与材料的电阻率、厚度D、磁感变化幅度Bm关系如下: WeD2Bm2/ Wh：在循环磁化条件下，材料每循环磁化一周所消耗的能量，它也以热的形式表现出来，其大小与磁滞回线的面积呈正比。Wr ：从总损耗中扣除涡流损耗和磁滞损耗所剩的部分3. 1 3. 1 磁学基础磁学基础磁化磁化过程与技程与技术 磁参量磁参量 3. 1 3. 1 磁学基础磁学基础磁化磁化过程与技程与技术 磁参量磁参量 磁能积（B
45、H） ：磁铁在气隙空间所建立的磁能量密度。永磁体均在开路状态下使用，作为磁场源或动作源。主要作用是在磁铁的两磁极空间(或称空气隙)产生磁场Hg。Hg=(BmHmVm/0Vg)1/2 式中Vm、Bm和Hm分别是磁铁的体积、磁感强度和磁场强度，Vg、Hg是气隙的体积和磁场强度。磁场强度（ Hg）除与磁体的体积及气隙体积有关外，主要取决于磁体的磁能积（BH） 。最大磁能积（BH）max：退磁曲线上磁能积最大的一点，工程应用中通常将(BH)max称为磁能积。对通常的永磁体的应用而言，Hg越大越好。因此、在设计磁铁时，应使其工作点在图中的D点附近。同时、(BH)max越大，Hg也越大。 (BH)max越
46、高，所需要的磁体体积就越小 (BH)max的大小取决于磁感矫顽力Hc、剩磁Br和隆起系数，即:(BH)max =BrHCB 3. 1 3. 1 磁学基础磁学基础磁化磁化过程与技程与技术 磁参量磁参量 永磁材料的退磁曲线与磁能积(密度)曲线 3. 1 3. 1 磁学基础磁学基础磁化磁化过程与技程与技术 磁参量磁参量 磁滞回线族 3. 1 3. 1 磁学基础磁学基础磁化磁化过程与技程与技术 磁参量磁参量 （五）（五）磁性材料的稳定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
47、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 3. 1 3. 1 磁学基础磁学基础磁磁性材料分类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Hc1000A/m(12.5Oe)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的分类根据滞回曲线和磁化曲线的不同，分成三类：(1)软磁材料其矫顽磁力较小，磁滞回线较窄。(铁心)(2)硬磁材料其矫顽磁力较大，磁滞回线较宽。(磁铁)(3
48、)矩磁材料其剩磁大而矫顽磁力小，磁滞回线为矩形。(记忆元件)HBHBHB3. 1 3. 1 磁学基础磁学基础磁磁性材料分类性材料分类主要磁性材料分类3. 2 3. 2 软磁材料软磁材料用途：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。软磁材料定义定义：指在外磁场作用下，很容易磁化，去掉指在外磁场作用下，很容易磁化，去掉外磁场时又很容易去磁的磁性材
49、料。外磁场时又很容易去磁的磁性材料。软磁材料的特性软磁材料的特性高的磁导率和磁感应强度；矫顽力和磁滞损耗低；（矫顽力一般小于1kA/m）电阻率较高，反复磁化和退磁时产生的涡流损耗小。3. 2 3. 2 软磁材料软磁材料铁芯材料铁芯材料用途：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
50、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。3. 2 3. 2 软磁材料软磁材料非晶非晶态、微晶与、微晶与纳米米 晶晶软磁合金磁合金 最常见的是电磁纯铁，名称为电铁(代号DT)，含碳量低于0.04%的Fe-C合金，Bs达2.15T，其供应状态包括锻材、管材、圆棒、薄片或薄带等。去应力退火：消除加工应力。保护条件下860930，保温4小时后随炉冷却。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和矫顽力。通过去杂质退火处理来降低材料中杂质的含量。在纯干燥氢气
51、或真空(10-2帕以下)中，于12001300温度保温510小时。3. 2 3. 2 软磁材料软磁材料铁芯材料铁芯材料工业纯铁的热处理：纯铁材在加工成元件后必须经过热处理才能获得好的软磁性能3. 2 3. 2 软磁材料软磁材料铁芯材料铁芯材料人工时效处理：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。或选择低时效敏感性的材料。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，逐渐形成铁的氮化物所致。纯铁的缺点：电阻率低，使用时产生很大的涡流损耗
52、，不适于制作在交变场中工作的铁心。 3. 2 3. 2 软磁材料软磁材料铁芯材料铁芯材料（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0.54.8%Si。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50400Hz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
53、各种继电器、电感线圈、脉冲变压器和电磁式仪表等；3. 2 3. 2 软磁材料软磁材料铁芯材料铁芯材料与热轧硅钢相比，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0.020.05mm。冷轧硅钢的含硅量不超过3.5%，否则的材料冷轧十分困难。近年来，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（DR）冷轧无取向硅钢片（ DW）冷轧单取向硅钢片（ DQ）电讯用冷轧单取向硅钢片（ DG）中国2002年底停止生产3. 2 3. 2 软磁材料软磁材料铁芯材料铁芯材料在冷轧单取向硅钢带中，晶粒整齐一致地排列成高斯(GO
54、SS)织构，如图3-16示意，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。 冷轧单取向硅钢的晶粒取向 3. 2 3. 2 软磁材料软磁材料铁芯材料铁芯材料单取向硅钢的优点：磁性具有强烈的方向性；在易磁化的轧制方向上具有优越的高导磁与低损耗特性。取向钢带在轧制方向的铁损仅为横向的1/3，磁导率比约为6:1，其铁损约为热轧带的1/2，磁导率为后者的2.5倍。 织构取向度的影响：取向度7o加微量Al等、形成AlN,可使范围减小，取向度99.95的软钢。它在平炉中进行冶炼时，用氧化渣除去碳、硅、锰等元素
55、，再用还原渣除去磷和硫，出钢时在钢包中加入脱氧剂而得。工业纯铁在退火状态，起始磁导率为300-5000，最大磁导率为600-1200 0，矫顽力为39.8-95.5A/m。电工用纯铁具有高的饱和磁感应强度、高的磁导率、较小的矫顽力、良好的冷加工性能，且成本低廉。缺点是电阻小，铁损大，只适用于直流情况。主要用于制造电磁铁的铁心和磁极，继电器的磁路和各种零件，电话中的振动膜等。硅钢片（硅铁合金）在电工用纯铁中加入0.54.5的硅，使之形成固溶体，可以提高材料电阻率，减少涡流损耗，这种材料称为硅铁合金，或者称电工用硅钢片。纯铁中加入硅后，材料的物理性能发生如下变化：1）热导率的变化。 铁的热导率在加
56、入硅后剧烈的降低。硅铁合金2）电阻率的变化随着硅含量的增加到5，硅铁合金的电阻率急剧上升。当wSi=0.255，电阻率与含硅量的关系如下： 13.25+11.30wSi3）相对密度d的变化随着含硅量的增加，比重几乎是直线的降低。d7.8740-0.062wSi硅铁合金属于高饱和材料，主要用于各种形式的发电机、电动机和变压器中。wSi3的Si-Fe合金片由于其饱和磁通密度高，是电力变压器和配电变压器中大量采用的材料。电工硅钢片的应用和磁性能镍铁合金镍铁合金主要是含镍量为34-80的Fi-Ni合金，通常称坡莫合金。镍铁合金有很高的起始磁导率和最大磁导率。镍铁合金广泛应用在电讯工业、仪表、电子计算机
57、、控制系统等领域中。软磁铁氧体铁氧体是氧离子和金属离子组成的尖晶石结构的氧化物，是以Fe2O3为主要成分的复相氧化物。根据磁滞回线特征，可分为软磁、硬磁和矩磁铁氧体。软磁铁氧体是铁氧体材料中的一种，是一种容易磁化和退磁的铁氧体。其特点是起始的磁导率高，矫顽力小，损耗小，使用频率可达高频、超高频范围。常用的软磁铁氧体有镍锌铁氧体和锰锌铁氧体软磁铁氧体广泛应用于录音、录像记录磁头，变压器磁心等。利用软磁铁氧体的磁导率或饱和磁感应强度在居里温度附件的激烈变化，还可以制成热敏器件等。铝镍钴系永磁铝镍钴系永磁主要有Fe及Al、Ni、Co组成，有良好的磁特性和热稳定性，剩余磁感应强度高，磁能积大，矫顽力适
58、中，但硬而脆，难以加工，主要用铸造和粉末烧结两种方法成形。硬磁铁氧体硬磁铁氧体包括钡铁氧体BaFe12O19，锶铁氧体SrFe12O19。它具有剩余磁通量小，矫顽力大，电阻率大，密度小，重量轻、温度系数大，制造工艺简单等优点，是硬磁材料中价格最低、用量最大的一类磁铁。稀土硬磁材料稀土硬磁合金包括稀土钴和稀土铁系金属间化合物，为硬磁材料中性能最高的一类。其中最著名的是钕铁硼永磁合金，号称磁王，具有其它永磁材料所不及的高矫顽力和最大磁能积，而且体积小、重量轻、效率高、成本较低等特点。不含战略物质Co和Ni，它能吸起相当于自重640倍的重物，而铁氧体只能吸起自重的120倍。如一台核磁共振成像仪需用铁
59、氧体永磁材料100t，而改用钕铁硼永磁后，仅需10t。第四章第四章 形状记忆材料形状记忆材料一、马氏体相变与形状记忆效应热弹性马氏体相变与形状记忆效应热力学的化学自由能减少与弹性的非化学自由能增加之和达到极小值时便停止长大.这种热效应和弹性效应之间的平衡状态。形状记忆合金一般特征：合金能够发生热弹性马氏体相变母相和马氏体的晶体结构通常是有序的。母相的晶体结构具有较高的对称性，而马氏体的晶体结构具有较低的对称性。马氏体晶体结构形状记忆效应形状记忆效应和超弹性效应与温度、应力和滑移临界应力关系TiNi基形状记忆合金是最早发现的记忆合金，记忆效应优良，性能稳定，生物相容性好，但制造复杂，成本高。Ti
60、Ni合金母相为B2结构（CsCl)高温相冷却发生马氏体相变，马氏体为单斜晶体。根据热处理条件和成分，还会形成中间相R相，然后R相转变为马氏体。合金元素对于相变的影响Ni增加Ms，变化0.1%，Ms变化10KCu增加Ms，As变化不大，Nb相反Fe，Co出现R转变杂质C,O使Ms下降。形成化合物。铜基形状记忆合金Cu-Zn,Cu-Al合金发展而来的CuZnAl,CuAlNi具有较好的形状记忆效应，价格较低，易加工，强度低，稳定性及耐疲劳性能差。成分范围在相区内。高温冷却相发生有序相转变为亚稳有序相相，下一步冷却相发生热弹性马氏体转变。相为电子化合物，相B2（CsCl)或Do3（Fe3Al)马氏体
61、有9R,18R,2H结构，密排堆垛结构Cu-Zn-Al合金稳定性及影响因素Ni,Al降低相变温度，Al更明显时效处理降低Ms点，母相有序结构发生变化造成的。如果时间过长，发生贝氏体转变，析出第二相，记忆效应降低甚至消失。热循环，循环次数增加，Ms,Af升高，As,Mf降低或不变。马氏体转变量降低。（位错密度增加，形核部位增加，Ms增加。但使得马氏体稳定性增加，马氏体转变量降低）疲劳断裂，原因：、弹性各向异性大、晶粒粗大、相变应变取向性大、晶界偏析单晶或形成定向织构，细化晶粒。铁基形状记忆合金FeMnSi系强度高，价格低，记忆效应小前提条件：、母相为单一奥氏体并存在一定数量层错、尽可能低的层错能
62、、较高的母相强度，较低弹性极限，以抑制产生永久塑性变形、Ms较低形状记忆效应影响因素：预变形量原始组织加热温度合金成分一般奥氏体形成元素有利于形状记忆。降低层错能元素Si组织均匀有利于形状记忆效应随着训练次数增加而增加预变形量越大形状恢复率降低恢复温度增加记忆效应增加记忆合金的应用记忆合金铆钉记忆合金管接头能源转换材料与储存材料、储氢材料金属储氢原理MHy金属氢化物,可逆反应正向反应，吸氢，放热逆向反应，释氢，吸热通过改变温度、压力T1下随压力升高，氢溶入金属形成固溶体()，A点时氢达到饱和，与氢发生反应形成氢化物，当所有的均转变为时，到达B点，进一步增加压力， 中H含量增大。若从C点降低压力
63、，反应逆向进行。随温度升高压力平台加大。若在T1下，压力高于P1金属生成氢化物（吸氢），若在T1下低于P1，氢化物分解（放氢）同样压力恒定，通过改变温度也可实现吸放氢。储氢材料的结构与性能特点、储氢量大，一般不应低于液态储氢、吸放氢压力和温度：能按应用要求在适当的温度和压力下吸氢或放氢、动力学特征：能迅速吸放氢、寿命长，耐中毒、易活化、抗粉化价格适中金属氢化物与储氢合金氢化物分类：离子键型氢化物；H与IA、IIA族金属反应的离子键化合物。LiH,MgH2金属型氢化物；H与过度族金属反应形成的金属键化合物。TiH1.7共价键型氢化物；指H与B及其附近元素反应形成共价键化合物。B2H6,AlH3分
64、子型氢化物；H与非金属元素形成的分子型化合物；NH3,H2O作为储氢材料要求比较容易吸收氢，同时又要不太困难释放氢。共价键氢化物：氢与元素键合作用弱，氢化物稳定性差易分解。分子型氢化物和大多数离子型氢化物：十分稳定，很难分解。适合做储氢材料：主要是金属型氢化物和少数离子型氢化物金属氢化物：、I和II主族元素与氢生成NaCl型氢化物，氢以负离子态嵌入金属离子间、III和IV族金属及Pb与氢结合，生成金属氢化物，氢以正离子固溶于金属晶格间隙中。主要储氢合金、AB5型合金：LaH5活化容易，储氢量大，但合金动力学特性差，价格昂贵。一般用混合稀土代替纯稀土。、AB型合金：TiFe储氢量较大，价格较底，
65、但活化困难，易中毒。采用过渡族元素取代一部分Fe、AB型合金：ZrV2，储氢量大，抗中毒好，难活化，成本高、Mg及Mg合金：储氢量达，但放氢温度高，速度慢。、复合合金和纳米合金：Mg-LiNi5、碳储氢材料：碳纳米管，石墨烯、光电转换材料与太阳能电池材料光伏生效应：光照射下半导体的p-n结的两端产生电位差现象成为光伏生效应。P区为正极，n区为负极。根据光伏生效应设计太阳能电池电池材料由半导体、表面涂层、电极组成基本要求：、能充分利用太阳能辐射，即半导体禁带不能太宽。、有较高的光电转换效率、材料对环境无污染、便于工业化生产太阳能电池半导体材料：单晶硅，非晶硅，多晶硅，GaAs,CdS/CdTe保
66、护涂层作用：降低光的反射，提高转换效率；保护膜的腐蚀破坏。金属间化合物，导电聚合物两类RuO2,Ru和Ti的混合氧化物，In和Sn混合氧化物聚苯胺，聚乙烯，聚吡咯电极材料：TiO2,ZnO热电转换材料热电效应在不同导体构成的闭合回路中，如结合部出现温度差，则在闭合回路中将有热电流流过，产生热电势。塞贝克效应在不同导体构成的电路开路时，若其接点分别保持在不同温度下，则回路内产生电动势（热电势）为塞贝克系数珀尔帖效应若在两种不同导体构成的闭合电路中流过电流，则在两个接点的一个接点处产生热量，而在另一个接点处吸收热量。（异种导体）是塞贝克效应逆效应汤姆逊效应在温度随位置不同而不同的导体中流过电流而产
67、生热现象。（同种导体）热电偶，铜康铜(60%Cu+40%Ni)，低温。镍铬镍铝(90%+10%Ni+5Al)，中温。铂铑(Pt-13%Rh)，高温。金铁（Au+0.03%Fe)超低温。热电制冷：利用珀尔帖效应低温区(300-400C)，Bi2Te3,ZnTe中温区(700C)，PbTe,SbTe高温区(700C)，CrSi2,FeSi2温差发电：压电材料压电效应由于晶体在外力作用下发生变形，电荷重心发生相对位移，从而使晶体总电矩发生改变，反之为逆压电效应正压电效应：将机械能转变为电能。声探测材料逆正压电效应：将电能转变为机械能。发声材料压电材料：压电晶体、压电陶瓷。压电晶体：石英，LiNbO3
68、,LiTaO3压电陶瓷:BaTiO3,PbTiO3，磁光材料磁光效应：置于磁场中的物体，受磁场作用其光学特性发生变化的现象。磁光法拉第效应和磁光克尔效应。磁光法拉第效应：平面偏振光通过带磁性物体时，其偏振光发生偏转。磁光克尔效应：照射到强电磁铁上的直线偏振光反射时，其偏振面偏转角度随磁场强度变化而变化。当光对于材料有好的穿透特性时，可利用法拉第效应制备敏感元器件。当光对于材料不能穿透材料，只能在材料表面反射时，只能利用光克尔效应制备敏感元器件。磁光材料是在可见光和红外光波段具有磁光效应的光信息功能材料钡铁氧体、铬的三价卤化物、二价铕的化合物、亚铁磁性石榴石、稀土过渡族金属薄膜、Ge,Si,声光
69、材料声光效应声波作用于物体，物体光学特性发生变化现象。这是由于超声波能够引起物质密度的周期性疏密变化，进而使得正在该物质中传输的光改变行进方向。有两种表现形式:外加的超声波频率较高时,产生布拉格反射;外加的超声波频率较低时,产生拉曼衍射。声光材料分为玻璃和晶体两大类熔融石英玻璃、Te玻璃、As12Se555Ce33、As2S3PbMoO4, TeO2,HgCl,LiNbO3可做声光偏转器，声光调制器，声光可谐滤波器，声光信号处理技术领域。声阻尼材料通过吸声、隔声、消声、阻尼减振等方法降低噪声和振动。阻尼材料分为两类：金属基阻尼材料和非金属基阻尼材料。属于粘弹性材料，应变滞后与应力。弹性模量为复
70、数。为损耗因子：E虚部，E实部。损耗因数。即每振动一次所损耗的能量与储存的能量的比值。金属基阻尼材料又称减振合金或哑金属、合金是复相：如铸铁（片状石墨）、铁磁合金：FeCrAl，磁畴在外力作用下发生消长和磁致伸缩。、位错合金：、共格界面型合金：、其他：泡沫铝合金非金属基阻尼材料橡胶系，塑料系，沥青系光学材料分为光介质材料和光功能材料光介质材料：传输光线材料，材料以折射、反射、和透射方式，改变光线的方向、强度和位相。也可以吸收或透过一定波长的光线而改变光线的光谱成分。如光学玻璃；光学塑料；光导纤维；光学晶体。光功能材料：在电、声、磁、热、压力等外场作用下其光学性质发生变化。或在光作用下其结构和性
71、能发生变化的材料。如激光材料、电光材料、声光材料、非线形光学材料、光信息存储材料。可分为单晶体光学材料；多晶体光学材料；液晶态光学材料；玻璃（非晶态）光学材料；塑料光学材料生物医学材料生物医学材料基本要求、生物相容性：对人体无毒，无刺激，无致畸、致敏，或致癌；在体内不被排斥，不慢性感染。无溶血，凝血反应、化学稳定性：耐体液腐蚀不产生有害降解物，不产生吸水膨润，软化变质，自身不变化。、力学性能：足够的强度，适当的弹性，耐疲劳、摩擦、磨损、润滑性能、其他：良好的空隙度，体液及软硬组织易于长入；易加工成型；热稳定性好分类：医用金属材料；生物陶瓷；医用高分子材料，医用复合材料，天然生物组织医用金属材料
72、、不锈钢：奥氏体不锈钢；铁素体不锈钢；马氏体不锈钢；沉淀硬化型不锈钢、钴基合金：比不锈钢稳定耐磨、钛基合金：、其他贵金属：金、银、铂等；TiNi形状记忆合金金属表面活化、钛合金表面制备活性TiO、表面涂覆HAP或其它磷酸盐涂层方法：、阳极氧化法、溶胶凝胶法、碱处理法、酸碱两步法、表面诱导矿化思考题思考题 1.精密电阻材料和热敏电阻材料最主要的特点是什么？2.物质处于超导状态的条件是什么？何为第一类超导体、第二类超导体？分别举例3.解释物质的顺磁性？抗磁性？铁磁性？ 4.磁性材料根据矫顽力通常分几类？分别举例。5.磁性材料的技术参量中那些是内稟参量？那些是结构敏感参量？6.何为满带，未满带，空带？用能带理论解释导体、半导体和绝缘体？ 7.记忆合金分为哪几类？其形状记忆机制是什么？分别举例。8. 记忆合金的形状记忆效应和超弹性分别是在哪个温度下变形来获得的。9. 铁基形状记忆合金通常需要满足基本条件？10. 贮氢材料的结构与性能的特点。贮氢材料的贮氢原理。11.何为光生伏特效应？太阳能电池材料有何基本要求条件？12. 解释压电效应？发声材料和声探测材料利用什么原理？ 13. 何谓磁光效应？如何利用磁光法拉第效应和磁光克尔效应来选择材料？14. 解释塞贝克效应？珀尔帖效应？汤姆逊效应？掌握测温材料、电热制冷、和温差发电的工作原理。
