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1、第二章第二章 电功能材料电功能材料半导体材料半导体材料超导体材料超导体材料电接点（触头）材料电接点（触头）材料功能材料概论最新课件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）材料材料功能材料概论最新课件导电材料的分类导电材料的分类按导电机理可分为：按导电机理可分为：电子电子导电材料和导电材料和离子离子导电材料两导电材料两大类。大类。 电子导电材料电子导电材料包括导体、超导体和半导体：包括导体、超导体和半导体： 半导体半导体10-710-610-510-410-310-210-1100101102103104105106
2、电导率电导率 S/m绝缘体绝缘体 导体导体超导体：超导体：功能材料概论最新课件离离子子导导电电材材料料的的导导电电机机理理源源于于离离子子的的运运动动，由由于于离离子子的的运运动动速速度度远远小小于于电电子子的的运运动动速速度度，因因此此其其电电导导率率较较小小，目目前前最最高高不不超超过过102 S/m ，一一般般在在100 S/m以下。以下。功能材料概论最新课件导体电阻率公式导体电阻率公式 电阻率公式：电阻率公式：i取取决决于于晶晶格格缺缺陷陷的的多多少少，缺缺陷陷越越多多， i越越大大，一一般般与与温温度度无无关关；T取取决决于于晶晶格的热振动格的热振动。电阻率随着温度升高而升高，这是导
3、体的一个特征。功能材料概论最新课件导体材料的种类导体材料的种类导体材料按照化学成分主要有以下三种：导体材料按照化学成分主要有以下三种：（1）金属材料。电导率在）金属材料。电导率在107108 S/m之间；之间； 银（银（6.63 107 S/m ）、铜（）、铜（5.85 107 S/m ）和）和 铝铝 （3.45 107 S/m ）（2）合金材料。电导率在）合金材料。电导率在105107 S/m之间；之间； 黄铜（黄铜（1.60 107 S/m ），）， 镍铬合金（镍铬合金（9.30 105S/m ）（3）无机非金属材料。电导率在）无机非金属材料。电导率在105108 S/m之间。之间。 石墨
4、在基晶方向为石墨在基晶方向为2.5106 S/m。功能材料概论最新课件导体材料的应用导体材料的应用金金属属导导体体材材料料主主要要用用作作：电电缆缆材材料料、电电机机材材料料、导导电电引引线线材材料料、导导体体布布线线材材料料、辐辐射射屏屏蔽蔽材材料料、电电池池材材料料、开开关关材材料料、传传感感器器材材料料、信信息息传传输输材材料料、释释放放静静电电材材料料和和接接点点材材料料等等，还还可可以以作作成成各各种金属填充材料和金属复合材料。种金属填充材料和金属复合材料。 合合金金导导体体材材料料主主要要用用作作电电阻阻材材料料和和热热电电偶偶材材料料，如铂铑如铂铑-铂热电偶等。铂热电偶等。非金属
5、导体材料非金属导体材料主要用作耐腐蚀导体和导电填料。主要用作耐腐蚀导体和导电填料。功能材料概论最新课件2.1 半导体材料半导体材料导电性能介于金属和绝缘体之间导电性能介于金属和绝缘体之间;（10-7104）具有负的电阻温度系数。具有负的电阻温度系数。（导体具有正的电阻温度系数）（导体具有正的电阻温度系数）功能材料概论最新课件(一一) 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个个原原子子大大约约可可形形成成1mm3的的晶晶体体), 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将分裂成有一定能量宽度
6、的都将分裂成有一定能量宽度的能带能带。（1）能带）能带 Energy Band一、半导体的能带结构一、半导体的能带结构功能材料概论最新课件电子数量增加时能级扩展成能带电子数量增加时能级扩展成能带功能材料概论最新课件(2) 带隙带隙 Band Gap 能带之间的区域能带之间的区域（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功能材料概论最新课件(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
7、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功能材料概论最新课件u导体的能带中都有末被填满的价带，在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外电场的作用下，电子可由价带跃迁到导带，从而形成电流。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，因此很少有电子可以被激发越过禁带，因此其电导率很低。其电导率很低。功能材料概论最新课件钠的能带结构导带导带 禁带禁带 功能材料概论最新课件半半导导体体
8、能能带带结结构构下下面面是是价价带带，其其价价带带是是充充满满了了电电子子，因因此此是是一一个个满满价价带带。上上面面是是导导带带，而导带是空的。而导带是空的。满满价价带带和和空空导导带带之之间间是是禁禁带带，其其禁禁带带宽宽度度比比较较窄窄，一一般般在在1ev左左右右。价价带带中中的的电电子子受受能能量量激激发发后后，如如果果激激发发能能大大于于Eg，电电子子可可以以从从价价带带跃跃迁迁到到导导带带上上，同同时时在在价价带带中中留留下下一一个空的能级位置个空的能级位置-空穴。空穴。功能材料概论最新课件(二二)、半导体的导电机理、半导体的导电机理半半导导体体价价带带中中的的电电子子受受激激发发
9、后后从从满满价价带带跃跃到到空空导导带带中中，跃跃迁迁电电子子可可在在导导带带中中自自由由运运动动，传传导导电电子子的的负负电电荷荷。同同时时，在在满满价价带带中中留留下下空空穴穴，空空穴穴带带正正电电荷荷，在在价价带带中中空空穴穴可可按按电电子子运运动动相相反反的的方方向向运运动动而而传传导导正正电电荷荷。因因此此，半半导导体体的的导导电电来来源源于于电电子子和和空空穴穴的的运运动动，电电子子和和空空穴穴都都是是半半导导体体中中导导电电的的载流子。载流子。功能材料概论最新课件二、典型半导体材料及其应用二、典型半导体材料及其应用按组成分类按组成分类元素半导体元素半导体化合物半导体化合物半导体固
10、溶体半导体固溶体半导体功能材料概论最新课件(一一)、元素半导体元素半导体 高纯度、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，以以控控制制电电导导率率，形形成成杂杂质质半半导体。导体。元素半导体元素半导体本征半导体本征半导体杂质半导体杂质半导体功能材料概论最新课件元素半导体元素半导体元素半导体元素半导体 在元素周期表中在元素周期表中在元素周期表中在元素周期表中介于金属和非金属介于金属和非金属介于金属和非金属介于金属和非金属之间具有半导体性之间具有半导体性之间具有半导体性之间具有半导体
11、性质的元素有十二种，质的元素有十二种，质的元素有十二种，质的元素有十二种，但是其中具备实用但是其中具备实用但是其中具备实用但是其中具备实用价值的元素半导体价值的元素半导体价值的元素半导体价值的元素半导体材料只有硅、锗和硒。硒是最早使用的，而硅和锗是当材料只有硅、锗和硒。硒是最早使用的，而硅和锗是当材料只有硅、锗和硒。硒是最早使用的，而硅和锗是当材料只有硅、锗和硒。硒是最早使用的，而硅和锗是当前最重要的半导体材料，尤其是硅材料由于具有许多优前最重要的半导体材料，尤其是硅材料由于具有许多优前最重要的半导体材料，尤其是硅材料由于具有许多优前最重要的半导体材料，尤其是硅材料由于具有许多优良持性，绝大多
12、数半导体器件都是用硅材料制作的。良持性，绝大多数半导体器件都是用硅材料制作的。良持性，绝大多数半导体器件都是用硅材料制作的。良持性，绝大多数半导体器件都是用硅材料制作的。功能材料概论最新课件 本本征征半半导导体体广广泛泛研研究究的的元元素素是是Si、Ge和和金金刚刚石石。金金刚刚石石可可看看作作是是碳碳元元素素半半导导体体，它它的的性性质质是是1952年年由由Guster发发现现的的。除除了了硅硅、锗锗、金金刚刚石石外外，其其余余的的半导体元素一般不单独使用。半导体元素一般不单独使用。 因因为为本本征征半半导导体体单单位位体体积积内内载载流流子子数数目目比比较较少少，需要在高温下工作电导率才大
13、，故应用不多。需要在高温下工作电导率才大，故应用不多。1、本征半导体、本征半导体功能材料概论最新课件2、杂质半导体、杂质半导体利用将杂质元素掺入纯元素中，把电子从杂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穴的激发发到杂质能级上，从而在价带中产生空穴的激发叫非本征激发或杂质激发。这种半导体叫杂质半叫非本征激发或杂质激发。这种半导体叫杂质半导体。导体。杂杂质质半半导导体体本本身身也也存存在在本本征征激激发发，一一般般杂杂质质半半导导体体中中掺掺杂杂杂杂质质的的浓浓度度很很低低，如如十
14、十亿亿分分之之一一就就可达到目的。可达到目的。功能材料概论最新课件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杂质半导体n型半导体型半导体p型半导体型半导体功能材料概论最新课件2、杂质半导体、杂质半导体un型半导体型半导体（电子型，施主型）（电子型，施主型） A族族元元素素(C、Si、Ge、Sn)中中掺掺入入以以VA族族元元素素(P、As、Sb、Bi)后后，造造成成掺掺杂杂元元素素的的价价电电子子多多于于纯纯元元素素的的价价电
15、电子子，其其导导电电机机理理是是电电子子导导电电占占主主导导，这这类类半半导导体是体是n型半导体。型半导体。up型半导体型半导体（空穴型，受主型）（空穴型，受主型） A族族元元素素(C、Si、Ge、Sn)中中掺掺入入以以A族族元元素素（如如B）时时，掺掺杂杂元元素素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，它它们们的的原原子子间间生生成成共共价价键键以以后后，还还缺缺一一个个电电子子，而而在在价价带带其其中中产产生生空空穴穴。以以空空穴穴导导电电为为主主，掺掺杂杂元元素素是是电电子受主，这类半导体是子受主，这类半导体是p型半导体。型半导体。功能材料概论最新课件P型半导体过量空型半导
16、体过量空穴处于受主能级。穴处于受主能级。由于受主能级与价由于受主能级与价带顶端的能隙带顶端的能隙Ea远小于禁带宽度远小于禁带宽度Eg，价带上的电价带上的电子很容易激发到受子很容易激发到受主能级上，在价带主能级上，在价带形成空穴导电。形成空穴导电。杂质半导体的能带结构杂质半导体的能带结构功能材料概论最新课件杂质半导体的能带结构杂质半导体的能带结构nN型半导体逾量电子处于施主能级，施主能级与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导带底能级之差Ed远小于禁带宽度远小于禁带宽度Eg, 相差近三相差近三个数量级。因此，杂质电子比本征激发更容易激个数量级。因此，杂质电子比本征激发更容易激发
17、到导带。发到导带。n例例如如Si掺掺杂杂十十亿亿分分之之一一As时时，其其Eg为为1.610-19 J，Ed为为6.410-21 J。Ge掺掺杂杂十十亿亿分分之之一一Sb时时，其其Eg为为1.1510-19 J，Ed为为1.610-21 J。功能材料概论最新课件(二二) 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）发光二极管发光二极管GaAs制备制备隧道二极管隧道二极管功能材料概论最新课件1 1 1 1 二元化合物半导体
18、二元化合物半导体二元化合物半导体二元化合物半导体 它们由两种元素组成，而且种类很多，主它们由两种元素组成，而且种类很多，主要有要有III-V族化合物半导体、族化合物半导体、II-VI族化台物半族化台物半导体、导体、IV-VI族化合物半导体、族化合物半导体、II-IV族化合物族化合物半导体、铅化物及氧化物半导体等。二元化半导体、铅化物及氧化物半导体等。二元化合物半导体有许多为元素半导体所不具有的合物半导体有许多为元素半导体所不具有的性质，开辟了应用的新领域。性质，开辟了应用的新领域。功能材料概论最新课件n nIII-V族半导体主要由III族元素Al，Ga，In与V族元素P，As，Sb所组成，应用
19、最广的是GaAs，还有GaP，InP等已成为微波、光电器件的基础材料，人们可以根据要求来选择不同的III-V族材料。n n II-VI族半导体主要指由II族元素Zn，Cd，Hg和VI族元素S，Se，Te所组成，主要用来制作微光电器件，红外器件和光电池，在国防上有重要用途。功能材料概论最新课件( (二二) ) 化合物半导体化合物半导体二元化合物半导体二元化合物半导体(1)A族和族和A族元素组成：族元素组成：Al, Ga,In和和P, As, Sb组成组成9种种(2)B族和族和A族元素组成：族元素组成：Zn, Cd, Hg与与S, Se, Te组成组成(3)A族和族和A族元素之间形成：族元素之间形
20、成：SiC等等(4)A族和族和A族元素组成的：族元素组成的：GeS, GeSe, SnTe, PbS等等(5) A族和族和A族元素组成的：族元素组成的：AsSe3, AsTe3, AsS3等等多元化合物半导体多元化合物半导体(1)B-A-(A) 2组成的多元化合物半导体，组成的多元化合物半导体，AgGeTe2(2)B- A -(A)2组成的多元化合物半导体组成的多元化合物半导体, AgAsSe2(3)(B)2 - B-A-(A) 4组成的多元化合物半导体组成的多元化合物半导体,如如 CuCdSnTe4等（碲）等（碲）功能材料概论最新课件2 2 2 2 三元化合物半导体三元化合物半导体三元化合物
21、半导体三元化合物半导体 以以以以A1GaAsA1GaAs和和和和GaAsPGaAsP为代表的三元化合物半导体材为代表的三元化合物半导体材为代表的三元化合物半导体材为代表的三元化合物半导体材料，已为人们广泛研究，可制作发光器件；此外料，已为人们广泛研究，可制作发光器件；此外料，已为人们广泛研究，可制作发光器件；此外料，已为人们广泛研究，可制作发光器件；此外AgSbTe2AgSbTe2是良好的温差电材料；是良好的温差电材料；是良好的温差电材料；是良好的温差电材料；CdCrCdCr2 2SeSe4 4，MgCr MgCr 2 2S S4 4是磁性半导体材料；是磁性半导体材料；是磁性半导体材料；是磁性
22、半导体材料；SrTiOSrTiO3 3是超导电性半导体材料，是超导电性半导体材料，是超导电性半导体材料，是超导电性半导体材料，在氧欠缺的条件下，它表现出超导电性。在氧欠缺的条件下，它表现出超导电性。在氧欠缺的条件下，它表现出超导电性。在氧欠缺的条件下，它表现出超导电性。功能材料概论最新课件(三三)、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 Si-Ge， 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）Hg1-xCdxTe （镓砷磷）（镓砷磷）GeAs1-xPx最最重重要要的的红红外
23、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、光通信等光通信等功能材料概论最新课件元素半导体或化合物半导体相互溶解而成的半导体材料称为固元素半导体或化合物半导体相互溶解而成的半导体材料称为固溶体半导体。它的一个重要持性是禁带宽度（溶体半导体。它的一个重要持性是禁带宽度（EgEg）随固溶度的）随固溶度的成分变化，因此可以利用固溶体得到有多种性质的半导体材料。成分变化，因此可以利用固溶体得到有多种性质的半导体材料。例如例如GeSiGeSi固溶体固溶体EgEg的变化范围约在的变化范围约在0.71.2ev0.71.2ev，GaAsGaPGaAsGaP固固溶体溶体EgEg变化范围约在变化范围
24、约在1.352.25ev1.352.25ev。所以可以利用。所以可以利用GaAsGaAs1-x1-xP Px x，随，随x x变化而作出能发不同波长的发光二极管。变化而作出能发不同波长的发光二极管。SbSb2 2TeTe3 3BiBi2 2TeTe3 3相相BiBi2 2SeSe3 3BiBi2 2TeTe3 3是较好的温差电材料。是较好的温差电材料。固溶体半导体用于制备光固溶体半导体用于制备光固溶体半导体用于制备光固溶体半导体用于制备光电子器件、各种波长的激光器、探测器、光电子集成电路、特电子器件、各种波长的激光器、探测器、光电子集成电路、特电子器件、各种波长的激光器、探测器、光电子集成电路
25、、特电子器件、各种波长的激光器、探测器、光电子集成电路、特种晶体管等种晶体管等种晶体管等种晶体管等 ( (三三) )、固溶体半导体、固溶体半导体功能材料概论最新课件（四）、非晶态半导体（四）、非晶态半导体非晶态物质的特征是原子排列没有规律。从长程看杂非晶态物质的特征是原子排列没有规律。从长程看杂非晶态物质的特征是原子排列没有规律。从长程看杂非晶态物质的特征是原子排列没有规律。从长程看杂乱无章，有时也叫无定形物质。在非晶态材料中有一乱无章，有时也叫无定形物质。在非晶态材料中有一乱无章，有时也叫无定形物质。在非晶态材料中有一乱无章，有时也叫无定形物质。在非晶态材料中有一些在常态下是绝缘体或高阻体，
26、但是在达到一定值的些在常态下是绝缘体或高阻体，但是在达到一定值的些在常态下是绝缘体或高阻体，但是在达到一定值的些在常态下是绝缘体或高阻体，但是在达到一定值的外界条件（如电场、光、温度等）时，就呈现出半导外界条件（如电场、光、温度等）时，就呈现出半导外界条件（如电场、光、温度等）时，就呈现出半导外界条件（如电场、光、温度等）时，就呈现出半导体电性能，称之为非晶态半导体材料，也叫玻璃态半体电性能，称之为非晶态半导体材料，也叫玻璃态半体电性能，称之为非晶态半导体材料，也叫玻璃态半体电性能，称之为非晶态半导体材料，也叫玻璃态半导体。非晶态半导体材料在开关元件、记忆元件、固导体。非晶态半导体材料在开关元
27、件、记忆元件、固导体。非晶态半导体材料在开关元件、记忆元件、固导体。非晶态半导体材料在开关元件、记忆元件、固体显示、热敏电阻和太阳能电池等的应用方面都有令体显示、热敏电阻和太阳能电池等的应用方面都有令体显示、热敏电阻和太阳能电池等的应用方面都有令体显示、热敏电阻和太阳能电池等的应用方面都有令人鼓舞的前景。例如，人鼓舞的前景。例如，人鼓舞的前景。例如，人鼓舞的前景。例如，a-Si : H a-Si : H 太阳能电池产量已占总太阳能电池产量已占总太阳能电池产量已占总太阳能电池产量已占总太阳能电池产量的太阳能电池产量的太阳能电池产量的太阳能电池产量的3030，它不仅占领了计算器等家用，它不仅占领了
28、计算器等家用，它不仅占领了计算器等家用，它不仅占领了计算器等家用电器电源的市场，而且装备了太阳能电池汽车和模型电器电源的市场，而且装备了太阳能电池汽车和模型电器电源的市场，而且装备了太阳能电池汽车和模型电器电源的市场，而且装备了太阳能电池汽车和模型飞机；飞机；飞机；飞机；500kW500kW的电站己投入试运行。的电站己投入试运行。的电站己投入试运行。的电站己投入试运行。功能材料概论最新课件（五）、有机半导体（五）、有机半导体 有一些有机物也具有半导体性质，研有一些有机物也具有半导体性质，研究表明在固态电子器件中将会发挥其作究表明在固态电子器件中将会发挥其作用。用。功能材料概论最新课件(六六)
29、半导体材料的应用半导体材料的应用1、半半导导体体材材料料在在集集成成电电路路上上的的应应用用：最最早早用用锗锗单单晶晶制制造造二二极极管管和和三三极极管管；现现在在发发展展硅硅器器件件，以以硅硅单单晶晶为为基基材材的的集集成成电电路路在在电电子子器器件件中中占占主主导导地地位位。化化合合物物半半导导体体砷砷化化镓镓做做微微波波、超超高高频频晶晶体管等；体管等；2 2、半半导导体体在在光光电电子子器器件件、微微波波器器件件和和电电声声耦耦合合器器上上的的应应用用：发发光光管管、激激光光器器、光光电电池池、光光集集成成等；等；3 3、半导体材料在传感器上的应用：半导体传感器、半导体材料在传感器上的
30、应用：半导体传感器功能材料概论最新课件2.2 超导材料超导材料功能材料概论最新课件超导材料的定义超导材料的定义1911年年Onnes H K在在研研究究极极低低温温度度下下金金属属导导电电性性时时发发现现，当当温温度度降降到到4.2K时时，汞汞的的电电阻阻率率突突然然降降低低到到接接近近于于零零。这这种种现现象称为汞的超导现象。象称为汞的超导现象。从从此此，超超导导材材料料的的研研究究引引起起了了广广泛泛的的关关注注，现现已已发发现现了了上上千种超导材料。千种超导材料。定义：定义： 超超导导电电现现象象：材材料料的的电电阻阻随随温温度度降降低低而而减减小小并并最最终终出出现现零零电阻的现象。电
31、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。：低于某一温度出现超导电性的物质。功能材料概论最新课件一、超导体的基本特性一、超导体的基本特性特性一：特性一：完全导电性（零电阻）完全导电性（零电阻） File和和Mills利利用用精精确确核核磁磁共共振振方方法法测测量量超超导导电电流流产产生生的的磁磁场场，来来研研究究螺螺线线管管内内超超导导电电流流的的衰衰变变，得得出出的的结结论论是超导电流的衰变时间不短于是超导电流的衰变时间不短于1010万年。万年。特性二：特性二：完全抗磁性（完全抗磁性（B=0B=0） 处处于于超超导导状状态态的的金金属属，不不管管其其经经历历如如何何，磁磁感感
32、应应强强度度B B始始终终为为零零。这这一一现现象象为为迈迈斯斯纳纳（MeissnerMeissner）19331933年年发现，称为发现，称为迈斯纳效应迈斯纳效应。磁力线不能进入超导体内部功能材料概论最新课件超导体的基本特性超导体的基本特性特性三：特性三：临界温度（临界温度（TcTc）、临界磁场强度（）、临界磁场强度（HcHc）、）、临界电流临界电流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，超导当温度超过临界温度时，超导态就消失；同时，当超过临界态就消失；同时，当超过临界电流或者临界磁场时，超导态电流或者临界磁场时，超导态也会消失，三者具
33、有明显的相也会消失，三者具有明显的相关性。只有当上述三个条件均关性。只有当上述三个条件均满足超导材料本身的临界值时，满足超导材料本身的临界值时，才能发生超导现象（由才能发生超导现象（由TcTc、HcHc，JcJc形成的闭合曲面内为超导形成的闭合曲面内为超导态）。态）。功能材料概论最新课件超导体的基本特性超导体的基本特性特性四：特性四：约瑟夫森（约瑟夫森（B D Josephson）效应）效应（承担超导电的（承担超导电的超导电子超导电子还可以穿越极薄绝缘体势垒）还可以穿越极薄绝缘体势垒）经典力学中，若两个区域被一经典力学中，若两个区域被一个势垒隔开，则只有粒子具有足个势垒隔开，则只有粒子具有足够
34、的能量时，其才会从一个区域够的能量时，其才会从一个区域进入另一个区域。进入另一个区域。量量子子力力学学中中，粒粒子子具具有有足足够够的的能能力力不不再再是是一一个个必必要要条条件件，一一个个能能量量不不太太高高的的粒粒子子也也可可能能会会以以一一定定的的概概率率“穿穿过过”势势垒垒，即即所所谓谓的的“隧隧道道效效应应”。（约约瑟瑟夫夫森森语语言并被后人证实）言并被后人证实）功能材料概论最新课件超导体的种类超导体的种类（按迈斯纳效应分）（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）效应分类：第一类超导体和第二类超导体超导体和第二类超导体u第一类超导体（软超导体）第
35、一类超导体（软超导体）当当H HC 时时，BH第一类超导体只有一个临界磁场，即第一类超导体只有一个临界磁场，即HC 只有一个只有一个特征值。除特征值。除钒、铌、钌钒、铌、钌外，元素超导体都是第一类超外，元素超导体都是第一类超导体导体功能材料概论最新课件功能材料概论最新课件超导体的种类超导体的种类（按迈斯纳效应分）（按迈斯纳效应分）u第二类超导体（硬超导体）（两个临界磁场强度）第二类超导体（硬超导体）（两个临界磁场强度）当当H HC1 时时，B0，处于迈斯纳状态，完全抗磁处于迈斯纳状态，完全抗磁当当Hc1H HC2 时时，BH功能材料概论最新课件钒钒、铌铌以以及及大大多多数数合合金金或或化化合合
36、物物超超导导体体均均属属于于第二类第二类功能材料概论最新课件二、超导材料二、超导材料u元素超导体元素超导体u合金超导体合金超导体u金属间化合物超导体金属间化合物超导体u陶瓷超导体陶瓷超导体u高分子超导体高分子超导体功能材料概论最新课件在在低低温温常常压压下下，具具有有超超导导特特性性的的化化学学元元素素共共有有26种种，由由于于临临界界温温度度太太低低，无无太太大实用价值大实用价值Nb的Tc最高，仅为9.26K1.1.元素超导体元素超导体功能材料概论最新课件2.合金超导体合金超导体合合金金超超导导体体是是机机械械强强度度最最高高、应应力力应应变变较较小小、磁磁场场强强度度低低、临临界界电电流流
37、密密度度高高的的超超导导体体，在在早早期期得得到到实实际际应应用用。超超导导合合金金主主要要有有Ti-V、Nb-Zr、Mo-Zr、Nb-Ti等等合合金金系系，其其中中Ge-Nb3的的临临界界温温度度最最高高（23.2K）。）。3 金属间化合物超导体金属间化合物超导体金金属属间间化化合合物物超超导导体体的的临临界界温温度度与与临临界界磁磁场场一一般般比比合合金金超超导导体体的的高高，但但此此类类超超导导体体的的脆脆性性大大，不不易易直直接加工成带材或线材。接加工成带材或线材。功能材料概论最新课件功能材料概论最新课件1986年年发发现现了了陶陶瓷瓷超超导导体体，使使超超导导材材料料获获得得了了更更
38、高高的的 临临 界界 温温 度度 ， 如如 YBaCuO（ Tc 90K） 、TiBaCaCuO（Tc120K）等等。最最大大缺缺点点为为脆脆性性大大，加加工困难。工困难。4.陶瓷超导体陶瓷超导体高温超导高温超导材料：材料：Tc77K（液（液N温温度）度）功能材料概论最新课件nYBaCuO功能材料概论最新课件超导陶瓷超导陶瓷1986年超导陶瓷的出现，使超导体的临界温度年超导陶瓷的出现，使超导体的临界温度Tc有了很大有了很大提高。出现了高温超导体。超导陶瓷主要有：提高。出现了高温超导体。超导陶瓷主要有：1。镧系高温超导陶瓷：镧系高温超导陶瓷：以以La2CuO3为代表；为代表；2。钇系高温超导陶瓷
39、钇系高温超导陶瓷：以：以YBa2Cu2Oy为代表；为代表；3。铋系高温超导陶瓷铋系高温超导陶瓷：以：以Bi-Sr-Cu-O为代表；为代表；4。铊系高温超导陶瓷铊系高温超导陶瓷：以：以Ta-Ba-Ca-Cu-O为代表；为代表；4.陶瓷超导体陶瓷超导体功能材料概论最新课件4.陶瓷超导体陶瓷超导体超导陶瓷的应用超导陶瓷的应用在信息领域：在信息领域：用作高速转换元件、通信元件和连接电路。用作高速转换元件、通信元件和连接电路。在生物医学领域：在生物医学领域：用于核磁共振断层摄像仪、量子干涉仪、用于核磁共振断层摄像仪、量子干涉仪、 粒子线治疗装置等。粒子线治疗装置等。在交通运输领域：在交通运输领域：完全抗
40、磁体制造的磁悬浮列车、电磁推进完全抗磁体制造的磁悬浮列车、电磁推进 器、飞机航天飞机发射台等。器、飞机航天飞机发射台等。在电子能源领域：在电子能源领域：用于超导磁体发电、超导输电、超导储能等用于超导磁体发电、超导输电、超导储能等在宇宙开发、军事领域：在宇宙开发、军事领域：潜艇的无螺旋浆无噪声电磁推进器、潜艇的无螺旋浆无噪声电磁推进器、 超导磁炮等。超导磁炮等。功能材料概论最新课件中国制造中国制造 Made in China2002年年1月月 长长116m，宽，宽3.6mm，厚，厚0.28 mm 铋系铋系高温超导带材试制成功。高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
41、线试制成功。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功能材料概论最新课件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帕气气压作用下也可以转变成为超导体。压作用下也可以转变成为超导体。如：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仅达达到到10K功能材料概论最新课件 超导体的超导体的零电阻效应零电阻效应显示了其无损耗输送显示了其无损耗输送电流的性质，电流的性质，大功率发电机大功率发电机、电动机电动机如能实现如能实现超导化将会大大降低能耗并使其小型化。如超导化将会
42、大大降低能耗并使其小型化。如将超导体应用于潜艇的动力系统，可以大大提将超导体应用于潜艇的动力系统，可以大大提高它的隐蔽性和作战能力。在交通运输方面，高它的隐蔽性和作战能力。在交通运输方面，负载能力强，速度快的超导悬浮列车和超导船负载能力强，速度快的超导悬浮列车和超导船的应用，都依赖于磁场强、体积小、重量轻的的应用，都依赖于磁场强、体积小、重量轻的超导磁体。超导磁体。三、超导材料的应用三、超导材料的应用功能材料概论最新课件此外此外此外此外, , , , 超导体在超导体在电工、交通、国防、地质探矿和科电工、交通、国防、地质探矿和科学研究学研究( (回旋加速器回旋加速器、受控热核反应装置受控热核反应
43、装置) )中的中的大工程上都有很多应用。大工程上都有很多应用。利用利用超导隧道效应超导隧道效应，人们可以制造出世界上最灵敏的电磁信号的探人们可以制造出世界上最灵敏的电磁信号的探测元件和用于高速运行的计算机元件。测元件和用于高速运行的计算机元件。三、超导材料的应用三、超导材料的应用功能材料概论最新课件 用这种探测器制造的用这种探测器制造的超导量子干涉滋强计超导量子干涉滋强计可以测量地球磁场几十亿分之一的变化，可以测量地球磁场几十亿分之一的变化，能测量人的脑磁图和心磁图，还可用于探能测量人的脑磁图和心磁图，还可用于探测深水下的潜水艇；放在卫星上可用于矿测深水下的潜水艇；放在卫星上可用于矿产资源普查
44、；通过测量地球磁场的细微变产资源普查；通过测量地球磁场的细微变化为地震预报提供信息。超导体用于微波化为地震预报提供信息。超导体用于微波器件可以大大改善卫星通讯质量。超导材器件可以大大改善卫星通讯质量。超导材料的应用显示出巨大的优越性。料的应用显示出巨大的优越性。三、超导材料的应用三、超导材料的应用功能材料概论最新课件三、超导材料的应用三、超导材料的应用n超导的应用，基本上可以分为强电强磁和弱电弱超导的应用，基本上可以分为强电强磁和弱电弱磁两大类。磁两大类。（1 1）超导强电强磁应用）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
45、超导体所特有的高临界电流密度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。和高临界磁场。 主要应用在电力方面如超导电缆、超导磁体主要应用在电力方面如超导电缆、超导磁体（如超导磁悬浮列车）、巨大环形超导磁体、超（如超导磁悬浮列车）、巨大环形超导磁体、超导磁分离等。导磁分离等。功能材料概论最新课件（2 2）超导弱电弱磁的应用）超导弱电弱磁的应用 基于基于JosephsonJosephson效应为基础，建立极效应为基础，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
46、，主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、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。体材料、地球物理等领域应用。功能材料概论最新课件1.1.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存存能能量量。超超导导磁磁储储能能系系统统所所存
47、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超导材料的应用实例功能材料概论最新课件2. 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功能材料概论最新课件3. 磁悬浮列车磁悬浮列车时速时速 400 500km.功能材料概论最新课件 速度是计算机永远追求的主题。目前制成速度是计算机永远追求的主题。目前制成的超导开关器件的开关速度，已达到几微的超导开关器件的开关速度，已达到几微微秒（微秒（10-11 秒）的高水平，比集成电路要秒）的高水平，比集成电路要快几
48、百倍。超导计算机运算速度比现在的快几百倍。超导计算机运算速度比现在的电子计算机快电子计算机快100 倍，而电能消耗仅是电倍，而电能消耗仅是电子计算机的千分之一。如果目前一台大中子计算机的千分之一。如果目前一台大中型计算机，每小时耗电型计算机，每小时耗电10 千瓦，那么，同千瓦，那么，同样一台的超导计算机只需一节干电池就可样一台的超导计算机只需一节干电池就可以工作了。以工作了。 4. 超导计算机超导计算机功能材料概论最新课件2.3 电接点（触头）材料电接点（触头）材料电接点是建立和解除电接触的导电构件，广泛电接点是建立和解除电接触的导电构件，广泛应用于电力系统、电器装置，仪器仪表、电信应用于电力
49、系统、电器装置，仪器仪表、电信和电子设备。和电子设备。按电负荷的大小，电接点分为：强电、中电和按电负荷的大小，电接点分为：强电、中电和弱电。弱电。功能材料概论最新课件一、强电接点材料一、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。功能材料概论最新课件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
50、如：如：Cu-W、 Cu-石墨石墨u真空开关接点材料真空开关接点材料 Cu-Bi-Ce、 Cu-Fe-Ni-Co-Bi、 W-Cu-Bi-Zr合金等合金等功能材料概论最新课件功能材料概论最新课件n西门子真空开关n真空开关管功能材料概论最新课件二、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、良良好的抗电火花烧损性和耐磨性。好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。功能材料概论最新课件普及型家居智能弱电箱普及型家居智能弱电箱功能材料概论
51、最新课件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）功能材料概论最新课件三、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。功能材料概论最新课件n三复合银触点三复合银触点 AgAgSnO2AgSnO2In2O3 功能材料概论最新课件第三章第三章 磁功能材料磁功能材料主要内容 软磁材料软磁材料 硬磁材料硬磁材料 磁致伸缩材料磁致伸缩材料功能材
52、料概论最新课件一、简介一、简介n磁性是物质的基本属性之一。磁性现象是与各种磁性是物质的基本属性之一。磁性现象是与各种形式的形式的电荷运动电荷运动相关联的，由于物质内部的电子相关联的，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。那些在实际工程意义上具有较强磁性的材料。n磁性材料是电子工业的重要基础功能材料，广泛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、电子器件、通讯、汽车和航空航应用于计算机、电子器件、
53、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。材料生产量最大的国家。 功能材料概论最新课件基本概念基本概念 “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
54、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。功能材料概论最新课件基本概念基本概念磁场强度（磁场强度（H）：）：指空间某处磁场的大小，单位：安指空间某处磁场的大小，单位：安/米；米；磁磁化化强强度度（M）：物物质质的的磁磁性性来来源源于于内内部部的的磁磁矩矩，只只有有当当内内部部磁磁矩矩同同向向有有序序排列时才对外显示强磁性。单位体积内磁矩矢量和称为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，单位：安/米；米；磁磁感感应应强强度度（B）：物物质质在在外外磁磁场场作作用用下下，其其内内部部原原子子磁磁矩矩的的有有序序排排列列还还
55、将将产产生生一一个个附附加加磁磁场场。在在磁磁性性材材料料内内部部外外加加磁磁场场与与附附加加磁磁场场的的和和，称称为为磁磁感感应应强强度度。B=0(H+M) ，0是是一一个个系系数数，叫叫做做真真空空磁磁导导率率。磁磁感感应应强强度度又又称称为磁通密度，单位是特斯拉（为磁通密度，单位是特斯拉（T）；）；磁磁导导率率（） ：=B/H，是是磁磁化化曲曲线线上上任任意意一一点点上上B和和H的的比比值值。导导磁磁率率实实际际上上代代表表了了磁磁性性材材料料被被磁磁化化的的容容易易程程度度，或或者者说说是是材材料料对对外外部部磁磁场场的的灵灵敏敏程程度；度；磁化率（磁化率（ ）：）：磁化强度与磁场强度
56、的比值磁化强度与磁场强度的比值， = M /H。功能材料概论最新课件磁滞回线磁滞回线在在外外加加磁磁场场的的作作用用下下磁磁体体会会被被磁磁化化，磁磁体体内内部部的的磁磁感感应应强强度度B随随外外磁磁场场H的的变变化化是是非非线线性性的的，当当H减减少少为为零零时时，B并并未未回回到到零零值值，出出现现剩剩磁磁Br。磁磁感感应应强强度度滞滞后后于于磁磁场场强强度度变变化化的的性性质质称称为为磁磁滞滞性性。图为磁性物质的磁滞曲线；图为磁性物质的磁滞曲线；要要使使剩剩磁磁消消失失，通通常常需需进进行行反反向向磁磁化化。将将 B=0时时的的 H 值值称称为为矫顽磁力矫顽磁力 Hc；Br称称为为剩剩余
57、余磁磁感感应应强强度度， Bs称称为为最最大大磁磁感感应应强强度度（饱饱和和磁磁感感应强度）。应强度）。BsBrHcBHO功能材料概论最新课件 磁性材料的分类磁性材料的分类n根据滞回曲线和磁化曲线的不同，分成三类：根据滞回曲线和磁化曲线的不同，分成三类：(1)(1)软磁材料软磁材料其其矫矫顽顽磁磁力力较较小小，磁磁滞回线较窄。滞回线较窄。( (铁心铁心) )(2)(2)硬磁材料硬磁材料其其矫矫顽顽磁磁力力较较大大，磁磁滞回线较宽。滞回线较宽。( (磁铁磁铁) )(3)(3)矩磁材料矩磁材料其其剩剩磁磁大大而而矫矫顽顽磁磁力力小小，磁磁滞滞回回线线为为矩矩形形。( (记忆元件记忆元件) )HBH
58、BHB功能材料概论最新课件3.1 软磁材料软磁材料n定义定义：指在外磁场作用下，很容易磁化，去指在外磁场作用下，很容易磁化，去掉外磁场时又很容易去磁的磁性材料。掉外磁场时又很容易去磁的磁性材料。n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；高的磁导率和磁感应强度；矫矫顽顽力力和和磁磁滞滞损损耗耗低低;（矫矫顽顽力力一一般般小小于于1kA/m）电电阻阻率率较较高高，反反复复磁磁化化和和退退磁磁时时产产生生的的涡涡流流损损耗小。耗小。功能材料概论最新课件n典型软磁材料及其应用典型软磁材料及其应用常用的软磁材料有：电工纯铁、硅钢片、铁铝合常用的软磁材料有：电工纯铁、硅钢片、铁铝合金、镍铁合金
59、、铁氧体软磁材料等。金、镍铁合金、铁氧体软磁材料等。功能材料概论最新课件一、电工用纯铁一、电工用纯铁n电电工工用用纯纯铁铁是是一一种种含含碳碳量量低低，w wFeFe99.9599.95的的软软钢钢。它它在在平平炉炉中中进进行行冶冶炼炼时时，用用氧氧化化渣渣除除去去碳碳、硅硅、锰锰等等元元素素，再再用用还还原原渣渣除除去去磷磷和和硫硫，出出钢时在钢包中加入脱氧剂而得。钢时在钢包中加入脱氧剂而得。n工工业业纯纯铁铁在在退退火火状状态态，起起始始磁磁导导率率为为300-500300-5000 0，最最大大磁磁导导率率为为600-600-1200 1200 0 0，矫顽力为，矫顽力为39.8-95.
60、5A/m39.8-95.5A/m。n电电工工用用纯纯铁铁具具有有高高的的饱饱和和磁磁感感应应强强度度、高高的的磁磁导导率率、较较小小的的矫矫顽顽力力、良良好好的的冷冷加加工工性性能能，且且成成本本低低廉廉。缺缺点点是是电电阻阻小小，铁铁损损大大，只只适适用用于于直流情况。直流情况。n主主要要用用于于制制造造电电磁磁铁铁的的铁铁心心和和磁磁极极，继继电电器器的的磁磁路路和和各各种种零零件件，电电话话中的振动膜等。中的振动膜等。功能材料概论最新课件二、硅钢片（硅铁合金）二、硅钢片（硅铁合金）n在电工用纯铁中加入在电工用纯铁中加入0.50.54.54.5的硅，使之形成固溶的硅，使之形成固溶体，可以提
61、高材料电阻率，减少涡流损耗，这种材料体，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。称为硅铁合金，或者称电工用硅钢片。n纯铁中加入硅后，材料的物理性能发生如下变化：纯铁中加入硅后，材料的物理性能发生如下变化：n1 1）热导率的变化。）热导率的变化。n铁的热导率在加入硅后剧烈的降低。铁的热导率在加入硅后剧烈的降低。功能材料概论最新课件硅铁合金硅铁合金n2）电阻率的变化）电阻率的变化n随着硅含量的增加到随着硅含量的增加到5，硅铁合金的电阻率急剧上升。，硅铁合金的电阻率急剧上升。n当当wSi=0.255，电阻率与含硅量的关系如下：，电阻率与含硅量的关系如下：n 13.
62、25+11.30wSin3）相对密度）相对密度d的变化的变化n随着含硅量的增加，比重几乎是直线的降低。随着含硅量的增加，比重几乎是直线的降低。nd7.8740-0.062wSin硅铁合金属于高饱和材料，主要用于各种形式的发电机、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。电动机和变压器中。wSi3的的Si-Fe合金片由于其饱和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。材料。功能材料概论最新课件电工硅钢片的应用和磁性能电工硅钢片的应用和磁性能功能材料概论最新课件镍铁合金镍铁合金n镍镍铁铁合合金金主
63、主要要是是含含镍镍量量为为34-80的的Fi-Ni合合金金，通通常常称称坡坡莫合金。莫合金。n镍镍铁铁合合金金有有很很高高的的起起始始磁磁导导率率和和最最大大磁磁导导率率。镍镍铁铁合合金金广广泛泛应应用用在在电电讯讯工工业业、仪仪表表、电电子子计计算算机机、控控制制系系统统等等领域中。领域中。功能材料概论最新课件什么是铁氧体？什么是铁氧体？铁氧体是铁和其他金属的复合氧化物，铁氧体是铁和其他金属的复合氧化物， MO-Fe2O3，M代表一价、二价金属。代表一价、二价金属。 铁氧体属半导体，电阻率在铁氧体属半导体，电阻率在1-1010m。由于电阻。由于电阻率高，涡流损失小，介质耗损低，故广泛用于高频
64、和微率高，涡流损失小，介质耗损低，故广泛用于高频和微波领域。波领域。磁性陶瓷主要指铁氧体磁性陶瓷主要指铁氧体铁氧体铁氧体软磁铁氧体软磁铁氧体硬磁铁氧体硬磁铁氧体软磁铁氧体软磁铁氧体根据磁滞回线特征，可分为软磁、硬磁和矩磁铁氧体。根据磁滞回线特征，可分为软磁、硬磁和矩磁铁氧体。功能材料概论最新课件软磁铁氧体软磁铁氧体主要有：尖晶石型的主要有：尖晶石型的Mn-Zn铁氧体、铁氧体、 Ni-Zn铁氧体、铁氧体、Mg-Zn铁氧体、铁氧体、 Li-Zn铁氧体和磁铅石型的甚高频铁氧体和磁铅石型的甚高频铁氧体（铁氧体（Ba3Co2Fe24O41）。）。软磁铁氧体主要用于无线电电子学和电讯工程等弱点技术软磁铁氧
65、体主要用于无线电电子学和电讯工程等弱点技术中，如各种中，如各种电感线圈的磁芯、天线磁芯、变压器磁芯、滤电感线圈的磁芯、天线磁芯、变压器磁芯、滤波器磁芯以及录音与录像磁头波器磁芯以及录音与录像磁头等。等。软磁铁氧体要求起始软磁铁氧体要求起始磁化率高磁化率高，磁导率温度系数小磁导率温度系数小，矫顽力小，比损耗因数小矫顽力小，比损耗因数小。功能材料概论最新课件3.2 硬磁材料硬磁材料n硬硬磁磁材材料料是是具具有有很很强强的的抗抗退退磁磁能能力力和和高高的的剩剩余余磁感应强度的强磁性材料，又称永磁材料。磁感应强度的强磁性材料，又称永磁材料。n硬硬磁磁材材料料一一旦旦经经外外加加磁磁场场饱饱和和强强化化
66、后后，如如果果撤撤去去外外加加磁磁场场，在在磁磁铁铁两两个个磁磁极极之之间间的的空空隙隙便便可可产生恒定磁场，对外界提供有用的磁能。产生恒定磁场，对外界提供有用的磁能。n硬硬磁磁材材料料的的磁磁滞滞回回线线又又宽宽又又高高，有有较较大大的的矫矫顽顽力，典型只为力，典型只为104106A/m。n硬硬磁磁材材料料抗抗干干扰扰性性好好，对对温温度度、振振动动、时时间间、辐射及其它因素的干扰不敏感。辐射及其它因素的干扰不敏感。n典典型型的的硬硬磁磁材材料料主主要要包包括括铝铝镍镍钴钴系系永永磁磁、铁铁氧氧体永磁和稀土系永磁。体永磁和稀土系永磁。功能材料概论最新课件铝镍钴系永磁铝镍钴系永磁n铝镍钴系永磁
67、主要有铝镍钴系永磁主要有Fe及及Al、Ni、Co组成，有良好的磁特性和组成，有良好的磁特性和热稳定性，剩余磁感应强度高，磁能积大，矫顽力适中，但硬热稳定性，剩余磁感应强度高，磁能积大，矫顽力适中，但硬而脆，难以加工，主要用铸造和粉末烧结两种方法成形。而脆，难以加工，主要用铸造和粉末烧结两种方法成形。功能材料概论最新课件硬磁铁氧体硬磁铁氧体主要有两类：一类是主要有两类：一类是CoFe2O4-Fe2O3； 另一类是另一类是BaO-xFe2O3。硬磁铁氧体可用作永磁体，用于高频磁场领域。由于硬磁铁氧体可用作永磁体，用于高频磁场领域。由于Hc值值大，可制成片状或粉末状，应用在与橡胶和树脂混合制成的大，
68、可制成片状或粉末状，应用在与橡胶和树脂混合制成的复合磁铁上。复合磁铁上。软磁铁氧体要求具有较大的软磁铁氧体要求具有较大的矫顽力矫顽力Hc、较高的剩余磁、较高的剩余磁Br和高的最大磁积能（和高的最大磁积能（BH）max。功能材料概论最新课件稀土硬磁材料稀土硬磁材料n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。材料中性能最高的一类。n其中最著名的是钕铁硼永磁合金，号称磁王，具有其它永磁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、材料所不及的高矫顽力和最大磁
69、能积，而且体积小、重量轻、效率高、成本较低等特点。效率高、成本较低等特点。n不含战略物质不含战略物质Co和和Ni，它能吸起相当于自重，它能吸起相当于自重640倍的重物，而倍的重物，而铁氧体只能吸起自重的铁氧体只能吸起自重的120倍。倍。n如一台核磁共振成像仪需用铁氧体永磁材料如一台核磁共振成像仪需用铁氧体永磁材料100t，而改用钕铁，而改用钕铁硼永磁后，仅需硼永磁后，仅需10t。功能材料概论最新课件3.3 磁致伸缩材料磁致伸缩材料磁致伸缩效应：磁致伸缩效应：n磁性材料在外磁场作用下，产生伸长或缩短的现象磁性材料在外磁场作用下，产生伸长或缩短的现象为磁致伸缩效应。为磁致伸缩效应。 为磁致伸缩系数
70、为磁致伸缩系数常用磁致伸缩材料室温下的饱和磁致伸缩系数为常用磁致伸缩材料室温下的饱和磁致伸缩系数为1010-8-81010-6-6Fe 随磁场强度随磁场强度的增大而伸长的增大而伸长Ni 随磁场强度随磁场强度的增大而缩短的增大而缩短功能材料概论最新课件磁致收缩的各种变形模式磁致收缩的各种变形模式功能材料概论最新课件常用磁致伸缩材料常用磁致伸缩材料常用磁致伸缩材料常用磁致伸缩材料镍镍铁镍铁镍铁铝铁铝铁钴钒铁钴钒铁氧体铁氧体功能材料概论最新课件磁致伸缩材料的应用磁致伸缩材料的应用n在磁（电）在磁（电） - - 声换能器中的应用声换能器中的应用声纳、超声换能器、扬声器等。声纳、超声换能器、扬声器等。n
71、在磁在磁( (电电) - ) - 机械致动器中的应用机械致动器中的应用精精密密流流体体控控制制、超超精精密密加加工工、超超精精密密定定位位、机机器器人人、精精密阀门、微马达以及振动控制等工程领域。密阀门、微马达以及振动控制等工程领域。n传感器敏感元件传感器敏感元件超超磁磁致致伸伸缩缩材材料料除除用用于于驱驱动动之之外外，利利用用其其磁磁致致伸伸缩缩效效应应或或逆逆效效应应还还可可以以制制作作检检测测磁磁场场、电电流流、应应变变、位位移移、扭扭矩矩、压力和加速度等的传感器敏感元件。压力和加速度等的传感器敏感元件。磁磁致致伸伸缩缩液液位位传传感感器器，可可实实现现对对液液位位的的高高精精度度计计量量,其其测测量分辨率高于量分辨率高于0.11 mm。功能材料概论最新课件要点总结要点总结 电功能材料：电功能材料： 半导体材料半导体材料 超导材料超导材料 磁功能材料磁功能材料 软磁材料软磁材料 硬磁材料硬磁材料 磁致伸缩材料磁致伸缩材料功能材料概论最新课件谢谢观赏！功能材料概论最新课件
