材料物理性能 干货

第五章总结•1、磁性的分类•2、铁磁性的微观本质•自发磁化、磁畴、•物质磁性的起源•铁磁性产生的充要条件•3、铁磁性材料的特性•自发磁化、磁畴•磁化曲线•磁滞回线1、材料磁性分类(1)抗磁性1）磁化强度M与H方向相反；2）磁化率0，10-5的数量级；3）与磁场、温度无关。(2)顺磁性1）磁化强度M与磁场H同方向；2）其磁化率＞0，10-3一10-6数量级3）多数顺磁性物质与温度T服从居里定律χp＝C／T(3)反铁磁性(4)铁磁性(5)亚铁磁性2、铁磁性的微观本质物质磁性起源于原子磁矩原子的总磁矩=电子轨道磁矩+电子自旋磁矩电于轨道运动产生——电子轨道磁矩；电子自旋产生——电子自旋磁矩。核磁矩非常小，几乎对原子磁性不起作用3、铁磁性产生的条件1、原子内部要有未填满的电子壳层——必要条件（原子固有磁矩不为零）2、电子交换积分A0——充分条件（具有一定晶体结构）为什么温度升高铁磁性转变为顺磁性？1）温度升高，原子间距最大，交互作用降低；2）温度升高，热运动破坏了磁矩的同相排列（自发磁化）；3）当温度升高到TTc，自发磁化不存在，铁磁性转变为顺磁性。3rRab4、铁磁性物质的基本特征铁磁性物质的特性：自发磁化磁畴居里温度磁滞回线1、自发磁化：通过物质内自身某种作用将磁矩排列为有序取向的现象，称为自发磁化。2、磁畴：磁性材料内部自发磁化的小区域。3、磁致伸缩：铁磁性物质在磁场中磁化，伴随着磁化，它的长度和体积同时发生变化。这种现象称为磁致伸缩。OHOHBOHM曲线HM曲线HB曲线H铁磁体的磁化曲线磁化曲线的三种形式开始M的增加比较缓慢后来增加较快最后达到Ms(饱和磁化强度)纵坐标改为磁感应强度B，对应于平衡值Ms的磁感应强度值称为饱和磁感应强度(Bs）磁导率μ随H的变化磁导率μ是B-H曲线上的斜率在B-H曲线上，当H→0时的斜率称为初（起）始磁导率µi初（起）始磁导率是磁性材料的重要性能指标之一M(B)与H的变化关系磁导率μ随H的变化BHoc起始磁化曲线为oc,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。HcBrHc当外磁场为0时，介质中的磁场并不为0，有一剩磁Br;矫顽力——加反向磁场Hc，使介质内部的磁场为0，继续增加反向磁场，介质达到反向磁饱和状态；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。磁化曲线形成一条磁滞回线。结论铁磁质的不是一个常数，它是的函数。HrB的变化落后于H，从而具有剩磁，即磁滞效应。铁磁体的磁化曲线铁磁体的磁化曲线磁滞回线与磁畴的关系磁滞现象的本质磁畴的迁移运动受到阻力磁性流体指的是吸附有表面活性剂的磁性微粒在基载液中高度弥散分布而形成的稳定胶体体系。磁性流体不仅有强磁性，还具有液体的流动性。它在重力和电磁力的作用下能够长期保持稳定，不会出现沉淀或分层现象。磁性流体由磁性微粒、表面活性剂和基裁液组成。图5－25磁性液体的组成a）磁性流体b)吸附表面活性剂的磁性微粒1-基载液2-表面活性剂3-磁性微粒磁性微粒子功能材料5.4铁磁性物质的基本特征铁磁性物质的特性：自发磁化磁畴居里温度磁滞回线一、自发磁化铁磁性物质内的原子磁矩，通过某种作用，克服热运动的无序效应，都能有序地取向，按不同的小区域分布。通过物质内自身某种作用将磁矩排列为有序取向的现象，称为自发磁化。铁磁性基本特征磁性材料内部自发磁化的小区域。每个区域内包含大量原子，这些原子的磁矩都象一个个小磁铁那样整齐排列，但相邻的不同区域之间原子磁矩排列的方向不同。各个磁畴之间的交界面称为磁畴壁。宏观物体一般总是具有很多磁畴，磁畴的磁矩方向各不相同，结果相互抵消，矢量和为零，整个物体的磁矩为零，不对外显示出磁性。磁性材料在正常情况下并不对外显示磁性。只有当磁性材料被磁化以后，它才能对外显示出磁性。二、磁畴对于所有的磁性材料来说，并不是在任何温度下都具有磁性。一般地，磁性材料具有一个临界温度Tc，在这个温度以上，由于高温下原子的剧烈热运动，原子磁矩的排列是混乱无序的。在临界温度Tc温度以下，原子磁矩排列整齐，产生自发磁化，物体变成铁磁性或亚铁磁性。所以，居里温度是铁磁体或亚铁磁体的相变转变点，铁磁态或亚铁磁态顺磁态Tc三、铁磁性材料的居里温度铁磁性基本特征四、铁磁性自发磁化的起源•铁磁性自发磁化起源于电子间的静电交换相互作用。静电交换相互作用主要由电子自旋磁矩产生1）铁磁性产生的必要条件：原子的电子壳层有未被电子填满的状态。Fe3d4个未填满的状态4Ni3d2个未填满的状态2产生较大磁矩Co3d3个未填满的状态3Mn3d5个未填满的状态5不是铁磁性原子中存在未被电子填满的状态只是必要条件。不是充分条件BBBB210-1-22）铁磁性产生的充分条件根据键合理论，当原子相互接近形成分子时，电子云相互重叠，电子要相互交换位置。对于过渡金属，3d状态与s态能量相差不大，电子云相互重叠时，将引起s、d状态的电子云重新分配。交换相互作用——铁磁性产生的充分条件铁磁性产生的条件1、原子内部要有未填满的电子壳层——必要条件（原子固有磁矩不为零）2、电子交换积分A0——充分条件（具有一定晶体结构）为什么温度升高铁磁性转变为顺磁性？1）温度升高，原子间距最大，交互作用降低；2）温度升高，热运动破坏了磁矩的同相排列（自发磁化）；3）当温度升高到TTc，自发磁化不存在，铁磁性转变为顺磁性。3rRabOHOHBOHM曲线HM曲线HB曲线H铁磁体的磁化曲线磁化曲线的三种形式开始M的增加比较缓慢后来增加较快最后达到Ms(饱和磁化强度)纵坐标改为磁感应强度B，对应于平衡值Ms的磁感应强度值称为饱和磁感应强度(Bs）磁导率μ随H的变化磁导率μ是B-H曲线上的斜率在B-H曲线上，当H→0时的斜率称为初（起）始磁导率µi初（起）始磁导率是磁性材料的重要性能指标之一M(B)与H的变化关系磁导率μ随H的变化常用技术磁化量B=0(H十M)=(1+x)=B/0H起始磁导率最大磁导率拐点K处的斜率剩磁——剩余磁化强度Mr（磁感应强度Br）矫顽力Hc磁滞现象：在退磁过程中，磁化强度落后于磁场强度的现象。磁滞损耗：磁滞回线所包围的面积（磁化一周所消耗的功）HBHi0limmHdBQ三、磁各向异性与磁致伸缩同一铁磁物质的单晶体，其磁化曲线随晶轴方向不同而有所差别，即磁性随晶轴方向而异。这种现象称为磁晶各向异性。沿铁磁体不同晶轴方向磁化的难易程度不同，磁化曲线也不相同。铁磁单晶体在磁性上是各向异性的1、磁各向异性磁各向异性能从能量角度，铁磁体从退磁状态磁化到饱和状态，M-H曲线与M轴之间所包围的面积等于磁化过程做的功（5－37）磁各向异性能：饱和磁化强度矢量在铁磁体中取不同方向而改变的能量。磁晶各向异性能与磁化强度矢量在晶体中相对晶轴的取向有关。在易磁化轴方向上，磁晶各向异性能最小，而在难磁化轴方向上，磁晶各向异性能最大。MHdMW02、磁致伸缩铁磁性物质在磁场中磁化，伴随着磁化，它的长度和体积同时发生变化。这种现象称为磁致伸缩。磁致伸缩现象有三种：1）沿着外磁场方向尺寸大小的相对变化称为纵向磁致伸缩；2）垂直于外磁场方向尺寸大小的相对变化称为横向磁致伸缩。3）铁磁体被磁化时其体积大小的相对变化称为体积磁致伸缩。由磁致伸缩导致的形变一般比较小，其范围在10-5—10-6之间，虽然磁致伸缩引起的形变比较小，但它在控制畴结构和技术磁化过程中是一个很重要的因素。TbFe2——机器人、传感器、驱动器（10-3）磁致伸缩与外磁场的关系铁磁体的磁致伸缩——随外磁场的增加而变化，最终达到到饱和值s——磁性材料的饱和磁致伸缩系数。磁致伸缩产生的原因：由于每个畴内的晶格沿磁畴的磁化强度方向自发地形变，且应变轴随着磁畴磁化强度的转动而转动，从而导致磁体整体有一形变。磁致伸缩的大小与外磁场的大小有关饱和磁化状态下的磁致伸缩系数s作为磁性材料的一个磁性参数。不同的材料的磁致伸缩系数s也是不同的：s＞0的称为正磁致伸缩——正磁致伸缩是指沿磁场方向伸长，而垂直于磁场方向缩短，例如铁就是属于这一类。s＜0的则称为负磁致伸缩。负磁致伸缩则是沿场磁化方向缩短，在垂直于磁化方向伸长，镍属于这一类。软磁材料的特征•具有较高的磁导率和较高的饱和磁感应强度；•较小的矫顽力（矫顽力很小，即磁场的方向和大小发生变化时磁畴壁很容易运动）和较低磁滞损耗，磁滞回线很窄；•在磁场作用下非常容易磁化；•取消磁场后很容易退磁化BHo软铁、坡莫合金、硒钢片、铁铝合金、铁镍合金等。由于软磁材料磁滞损耗小，适合用在交变磁场中，如变压器铁芯、继电器、电动机转子、定子都是用软件磁性材料制成。磁性材料(二)硬磁材料硬磁材料又称永磁材料，难于磁化又难于退磁。主要特点具有较大的矫顽力，典型值Hc＝104～106A/m；磁滞回线较粗，具有较高的最大磁能积(BH)max；剩磁很大；这种材料充磁后不易退磁，适合做永久磁铁。硬磁性材料如碳钢、铝镍钴合金和铝钢等。BHo磁性材料习题1、试述物质磁性的分类及其特点，并绘出磁化曲线。2、自发磁化的物理本质是什么?物质具有铁磁性的充要条件是哪些？3、根据居里-外斯定律，说明磁化率与温度的关系。并在磁化率~温度曲线上标出其代表的相应磁性。4、简述磁性材料的主要应用领域，说明其应用对磁性能的要求。FTTCx材料的电性能的差别主要由其外层电子来决定，而外层电子由于受原子核和周围势场的影响，使电子分布在不同能带上，从而导致了不同材料电性能的差别。•理想完整的晶体在绝对零度时的电阻为零.电阻的产生总是伴随着晶体的不完整性。为什么产生电阻？resistance（1）温度引起晶格的热振动加大，使晶格对自由电子的散射增大，产生电阻。thermalvibration（2）其它组元的加入及晶格畸变,引起晶格周期性势场的规律性和能带结构的改变等.crystallatticeaberrance§3-1材料的导电性1、载流子（carrier;chargecarrier）导电性源于载流子在电场作用下迁移运动。电荷的定向运动产生了电流，电荷的载体称为载流子。载流子是具有电荷的自由粒子，在电场作用下可产生电流。载流子:电子、空穴、正、负离子、杂质。•不同材料的载流子•①金属——自由电子（电导率高导电性好）•②半导体——自由电子、空穴•③离子固体——自由电子、空穴、正负离子•（室温绝缘体T高电导率大）（无机非金属）•④高分子材料——正负离子、杂质（导电性）1、材料的电导在一定温度下，自由电子作无规则的热运动，没有定向的流动。当有电场E的存在时，电子产生定向运动，形成电流，电流的大小用电流强度I度量。根据导电性原理，可以用载流子的数量、迁移率及所带电量来反映电流的大小。电流强度I或电流密度J为•（3-1）•（3-2）u===QnqlsInqsttum===IjnqnqEs如何理解材料的电导现象必须明确几个问题参与迁移的是哪种载流子——有关载流子类别的问题carriersort载流子的数量有多大——有关载流子浓度、载流子产生过程的问题carrierdensity载流子迁移速度的大小——有关载流子输运过程的问题carriertransferspeed2、决定电导率的基本参数conductanceparameters载流子电量——电子、空穴、正离子、负离子载流子数chargecarrierdensity----n,个/m3载流子迁移率electronmobility---μ(物理意义为载流子在单位电场中的迁移速度)μ=/E电流密度——单位时间（1s）通过单位截面积的电荷量）J＝nq电导率σ=J/Eσ=nq／Eσ=nqμ电导的宏观参数1、电阻率2、电导率3、相对电导率（IACS%）工程中常用——表示导体材料的导电性能。国际上把标准软铜在室温20。C下的电阻率=0.01724mm2/m的电阻率作为100%，其他材料的电导率与之相比的百分数为该材料的相对电导率。RSLr=13.2金属的导电性•金属的导电——自由电子的定