第二章金屬類功能材料簡介2.1超導材料2.2貯氫合金2.3形狀記憶合金2.4非晶態(tài)合金2.5磁性材料2.6半導體材料2.7熱電材料2.1超導材料

1911年，荷蘭物理學家昂納斯發(fā)現(xiàn)汞的直流電阻在4.2K時突然消失，首次觀察到超導電性。定義：在一定的低溫條件下，呈現(xiàn)出電阻等于零以及排斥磁力線的性質(zhì)的材料。2.1.1超導體的基本物理性質(zhì)1超導材料的三個基本物理參量為：Tc，Hc和Ic。A.臨界溫度Tc:指電流磁場以及其他外部條件相當?shù)偷那闆r下超導體由正常態(tài)轉(zhuǎn)變到超導態(tài)的溫度，即電阻突然消失的溫度。主要取決于材料的化學成分、晶體結(jié)構(gòu)和有序度。B.臨界磁場Hc(T)：一般指在給定溫度條件下材料由超導態(tài)轉(zhuǎn)變到正常態(tài)所需要的最小磁場，通常隨Tc值的提高而增加。超導電性可以被外加磁場所破壞。對于溫度為T(T＜Tc)的超導體,當外磁場超過某一數(shù)值Hc(T)的時候，超導電性就被破壞了，Hc(T)稱為臨界磁場。在臨界溫度Tc，臨界磁場為零。C.臨界電流Ic(T):在不加磁場的情況下，超導體中通過足夠強的電流也會破壞超導電性．導致破壞超導電性所需要的電流稱作臨界電流Ic(T)。在臨界溫度Tc，臨界電流為零。2）完全抗磁性1933年，德國物理學家邁斯納(W．Meissner)和奧森菲爾德(R．Ochsenfeld)對錫單晶球超導體做磁場分布測量時發(fā)現(xiàn)在小磁場中把金屬冷卻進入超導態(tài)時，超導體內(nèi)的磁通線似乎一下子被排斥出去．保持體內(nèi)磁感應強度B等于零，超導體的這一性質(zhì)被稱為邁斯納效應。即:超導體內(nèi)磁感應強度B總是等于零。

超導體與電阻無限小的理想導體有本質(zhì)的區(qū)別。1）零電阻效應：電阻為零，能夠無損耗的傳輸電能。2超導材料的三個基本效應：3）約瑟夫森效應:兩超導材料之間有一薄絕緣層（1nm）而形成低電阻連接時，會有電子對穿過絕緣層形成電流，而絕緣層兩側(cè)沒有電壓，即絕緣層也成了超導體。當電流超過一定值后，絕緣層兩側(cè)出現(xiàn)電壓U，（也可加一電壓），同時，直流電流變成高頻交流電，并向外輻射電磁波。

相對于氧化物高溫超導體而言，元素、合金和化合物超導體的超導轉(zhuǎn)變溫度較低(Tc＜30K)，因而通常又枝稱為常規(guī)超導體或傳統(tǒng)超導體。2.1.2常規(guī)超導體1）元素超導體已發(fā)現(xiàn)的超導元素近50種，如下圖所示。除一些元素在常壓及高壓下具有超導電性外，另部分元素在經(jīng)過持殊工藝處理(如制備成薄膜，電磁波輻照，離子注入等)后顯示出超導電性。其中Nb的Tc最高(9.2K)，與一些合金超導體相接近，而制備工藝要簡單得多。周期表中的超導元素2）合金及化合物超導體

具有超導電性的合金及化合物多達幾千種，真正能夠?qū)嶋H應用的并不多。下表列出了一些典型合金及化合物的Tc(最大值)。其中A—15超導體Nb3Sn是20世紀50年代馬梯阿斯(B．T．Matthias)首次發(fā)現(xiàn)的。在1986年以前發(fā)現(xiàn)的超導體中，這類化合物中的Tc居于領(lǐng)先地位，它們之中臨界溫度最高的是Nb3Ge薄膜，為23.2K。此外，c—15超導體的臨界溫度約l0K，上臨界場Hc2(約1.6×107A／m)高于超導合金NbTi，而在力學性質(zhì)方面優(yōu)于Nb3Sn，易于加工成型，中子輻照對它的超導電性影響較小，因而是目前受控熱核反應用高場超導磁體的理想材料。一些合金及化合物的臨界溫度一些合金及化合物的臨界溫度

（續(xù)）2.1.3高溫超導體

高溫超導體有著與傳統(tǒng)超導體相同的超導特性，即：零電阻特性、邁斯納效應、磁通量子化和約瑟夫森效應。高溫超導體的配對機理目前還不清楚。新型的氧化物高溫超導體與傳統(tǒng)超導體相比較，有其獨持的結(jié)構(gòu)和物理特征。主要表現(xiàn)在它們具有明顯的層狀結(jié)構(gòu)、較短的超導相干長度、較強的各向異性以及Tc對載流子濃度的強依賴關(guān)系。高溫超導體系列2.1.5超導材料的應用

超導體的零電阻效應顯示了其無損耗輸送電流的性質(zhì)，大功率發(fā)電機、電動機如能實現(xiàn)超導化將會大大降低能耗，并使其小型化。如將超導體應用于潛艇的動力系統(tǒng)，可以大大提高它的隱蔽性和作戰(zhàn)能力。在交通運輸方面，負載能力強，速度快的超導懸浮列車和超導船的應用，都依賴于磁場強、體積小、重量輕的超導磁體。此外,

超導體在電工、交通、國防、地質(zhì)探礦和科學研究(回旋加速器、受控熱核反應裝置)中的大工程上都有很多應用。

利用超導隧道效應，人們可以制造出世界上最靈敏的電磁信號的探測元件和用于高速運行的計算機元件。用這種探測器制造的超導量子干涉滋強計可以測量地球磁場幾十億分之一的變化，能測量人的腦磁圖和心磁圖，還可用于探測深水下的潛水艇；放在衛(wèi)星上可用于礦產(chǎn)資源普查；通過測量地球磁場的細微變化為地震預報提供信息。超導體用于微波器件可以大大改善衛(wèi)星通訊質(zhì)量。超導材料的應用顯示出巨大的優(yōu)越性。2.2貯氫合金儲氫合金能以金屬氫化物的形式吸收氫，是一種安全、經(jīng)濟而有效的儲氫方法。金屬氫化物不僅具有儲氫特性，而且具有將化學能與熱能或機械能相互轉(zhuǎn)化的機能，從而能利用反應過程中的焓變開發(fā)熱能的化學儲存與輸送，有效利用各種廢熱形式的低質(zhì)熱源。2.2.1金屬貯氫原理★金屬(M)與氫生成金屬氫化物(MHx)。

M+xH2→MH+H（生成熱）金屬與氫的反應，是一個可逆過程。正向反應，吸氫、放熱；逆向反應，釋氫、吸熱。改變溫度與壓力條件可使反應按正向、逆向反復進行，實現(xiàn)材料的吸釋氫功能?！锬壳霸谘泻鸵淹度胧褂玫暮辖鸪煞钟校篗g,Ti,Nb,V,Zr和稀土類金屬，添加成分有：Cr,Fe,Mn,Co,Ni,Cu等?！锞哂袑嵱脙r值的吸氫合金，一般應具備下列條件：1）易活化，吸氫量大；2）儲氫時生成熱盡量小，蓄熱時生成熱盡量大；3）在一個很寬的組成范圍內(nèi)應具有穩(wěn)定的合適平衡分解壓（室溫儲氫的分解壓約2—3個大氣壓為宜）；4）氫吸收和分解過程中的平衡壓差(即滯后)??；5）氫的俘獲和釋放速度快；6）金屬氫化物的有效熱導率大；7）在反復吸放氫的循環(huán)過程中，合金的粉化小，性能穩(wěn)定性好；8）便宜。2.2.2儲氫合金的分類分成：鎂系、稀土系、鈦系幾類。1）鎂系合金鎂在地殼中藏量豐富，純鎂氫化物MgH2，是惟一一種可供工業(yè)利用的二元氫化物，價格便宜，密度小，有最大的儲氫量。不足之處是氫吸放動力學性能差（釋放溫度高，250℃以上，反應速度慢，氫化困難）；其二是抗腐蝕能力差，特別是作為陰極儲氫合金材料。*

另外，Mg2Ni、Mg2Cu、La2Mg17、La2Mg16Ni更易于活化、吸氫速度快和氫釋放溫度較低，但其性能尚需進一步改進。最近開發(fā)的Mg2Ni1-xMx（M＝V、Cr、Mn、Fe、Co）和Mg2-xMxNi（M＝A1、Ca）比Mg2Ni的性能更好。鎂系吸氫合金的潛在應用在于可有效利用250-400℃的工業(yè)廢熱，工業(yè)廢熱提供氫化物分解所需的熱量。最近，Mg2Ni系合金在二次電池負極方面的應用己成為一個重要的研究方向。2）稀土系合金

以LaNi5為代表的稀土系儲氫合金，被認為是所有儲氫合金中應用性能最好的一類。金屬間化合物LaNi5具有六方晶格結(jié)構(gòu)，其中有許多間隙位置，可以固溶大量的氫。它初期氫化容易，反應速度快，20℃時的氫分解壓僅幾個大氣壓，吸—放氫性能優(yōu)良。LaNi5的主要缺點是鑭的價格高，循環(huán)退化嚴重，易于粉化，密度大，在強堿條件下的耐腐蝕性差。采用混合稀土(La、Ce、Sm)Mm替代La是降低成本的有效途徑。3）鈦系和鋯系合金

鈦、鉻系合金有AB和AB2型兩類金屬間化合物。

AB型Ti—Fe系是開發(fā)最早的鈦系合金。體心立方結(jié)構(gòu)的TiFe在室溫下與氫反應，生成氫化物TiFeH1.04（β相）和TiFeH1.95（γ相）。

Ti—Fe系特點：價格便宜，儲氫量大，氫分解壓在室溫附近只有幾個大氣壓，很合乎實用要求。缺點：活化困難和易于中毒用其他元素替代合金中部分Fe的TiFexM1-x，(M＝V，Cr，Mn，Co，Ni，Cu)，以及用Zr、Nb置換部分Ti可改善其性能。2.2.3應用1）氫的貯存、凈化和回收2）氫燃料發(fā)動機3）熱—壓傳感器和熱液激勵器4）氫同位素分離和核反應堆中的應用5）空調(diào)、熱泵及熱貯存6）加氫及脫氫反應催化劑7）氫化物—鎳電池

2.3.1形狀記憶合金概述1）基本概念

形狀記憶合金(ShapeMemoryAlloy)，簡稱SMA，是具有形狀記憶效應的合金。某些具有熱彈性馬氏體相變的合金材料，處于馬氏體狀態(tài)時，進行一定限度的變形或變形誘發(fā)馬氏體后，在隨后的加熱過程中，當超過馬氏體相消失的溫度時，變形材料就能恢復到變形前的形狀和體積，這種現(xiàn)象稱為“形狀記憶效應(ShapeMemoryEffect)”，簡稱SME。特點：（1）彎曲量大，塑性高（2）在記憶溫度以上恢復以前形狀。2.3形狀記憶合金2）形狀記憶效應(ShapeMemoryEffect)單向形狀記憶效應。(b)雙向形狀記憶效應，又稱可逆形狀記憶效應。(c)全方位形狀記憶效應。形狀記憶效應有三種形式:2.3.2形狀記憶合金的分類鎳—鈦系、銅系、鐵系合金三大類。目前已實用化的形狀記憶材料只有Ti—Ni合金和銅系形狀記憶合金。

1）Ti—Ni系合金Ti—Ni合金中有三種金屬化合物：Ti2Ni，TiNi和TiNi3。近年來在Ti—Ni合金基礎(chǔ)上，加入Nb，Cu，F(xiàn)e，Al，Si，Mo，V，Cr，Mn，Co，Zr，Pb等元素，開發(fā)了Ti—Ni—Cu，Ti—Ni—Nb，Ti—Ni—Pb，Ti—Ni—Fe，T1—Ni—Cr等新型Ti—Ni合金。上述合金元素使Ti—Ni合金的偽彈性向低溫發(fā)展。Ti—Ni系合金是最有實用前景的形狀記憶材料，性能優(yōu)良，可靠性好，并且與人體有生物相容性，但成本高，加工困難。

2）銅系形狀記憶合金Cu基形狀記憶合金可分為Cu—Zn—Al（Sn,Si）系和Cu—Al—Ni(Mn,Fe)系。與Ti—Ni合金相比，Cu—Zn—Al制造加工容易，價格便宜，并有良好的記憶性能，相變點可在一定溫度范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，不同成分的Cu—Zn—A1合金相變溫度不同。

Cu系形狀記憶合金由于熱穩(wěn)定性差，晶界易斷裂，及多晶合金疲勞特性差等弱點，大大限制了其實用化。3）鐵系形狀記憶合金*

鐵系形狀記憶合金主要有Fe—Pt，F(xiàn)e—Pd，F(xiàn)e—Ni—Co—Ti，F(xiàn)e—Mn—Si等合金，另外，目前己知高錳鋼和不銹鋼也具有不完全性的形狀記憶效應。鐵基形狀記憶合金成本較Ti—Ni系和銅系合金低得多，易于加工，在應用方面具有明顯的競爭優(yōu)勢。目前的研究集中在Fe—Mn—Si合金上，在鐵基記憶合金中加入Cr,Ni，Co，Ti等合金元素，可改善形狀記憶效應。如Fe14Mn6Si9Cr5Ni合金的形狀恢復率可達5％，具有實用性。有研究表明：FeMnSiCrNi合金在堿性介質(zhì)中具有較好的耐蝕性，其耐腐蝕性能是不銹鋼的4.5倍，抗晶間腐蝕性也優(yōu)于不銹鋼。2.3.3形狀記憶材料的應用1）工程應用作各種結(jié)構(gòu)件，加緊固件、連接件、密封墊等。也用于一些控制元件，如一些與溫度有關(guān)的傳感及自動控制。2）醫(yī)學應用以Ni—Ti記憶合金應用最有成效，由于Ni—Ti記憶合金具有良好的生物相容性，而且在各種生理溶液或介質(zhì)中有良好的抗腐蝕性，已將其用于牙齒整畸、脊椎側(cè)彎哈氏棒、斷骨愈合和婦女避孕環(huán)等。制作人工心臟瓣膜、血管過濾網(wǎng)、防止血栓的靜脈過濾器等。醫(yī)學應用實例3）智能應用用于各種自調(diào)節(jié)和控制裝置，如各種智能、仿生機械。形狀記憶薄膜和細絲可能成為未來機械手和機器人的理想材料，它們除溫度外不受任何其它環(huán)境條件的影響，可望在核反應堆、加速器、太空實驗室等高技術(shù)領(lǐng)城大顯身手。2.4非晶態(tài)合金（amorphousstatealloy）2.4.1概述非晶態(tài)合金俗稱“金屬玻璃”。以極高速度使熔融狀態(tài)的合金冷卻，凝固后的合金結(jié)構(gòu)呈玻璃態(tài)。一種沒有原子三維周期性排列的金屬或合金固體。它在超過幾個原子間距范圍以外，不具有長程有序的晶體點陣排列。

1960年，美國加州理工學院的P.杜威茲教授在研究Au—Si二元合金時，以極快的冷卻速度使合金凝固，得到了非晶態(tài)的Au—Si合金。這一發(fā)現(xiàn)對傳統(tǒng)的金屬結(jié)構(gòu)理論是一個不小的沖擊。非晶態(tài)合金具有許多優(yōu)良的性能：高強度，良好的軟磁性及耐腐蝕性能等?！?/p>

非晶態(tài)合金的結(jié)構(gòu)模型1）微晶模型認為非晶態(tài)材料是由“晶粒”非常細小的微晶粒組成。微晶模型用于描述非晶態(tài)結(jié)構(gòu)中原子排列情況還存在許多問題，使人們逐漸對其持否定態(tài)度。

2）拓撲無序模型

該模型認為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的主要特征是原子排列的混亂和隨機性，強調(diào)結(jié)構(gòu)的無序性，而把短程有序看作是無規(guī)堆積時附帶產(chǎn)生的結(jié)果。此模型對于描述非晶態(tài)材料的真實結(jié)構(gòu)還遠遠不夠準確。但目前用其解釋非晶態(tài)材料的某些特性如彈性，磁性等，還是取得了一定的成功。結(jié)構(gòu)特點：非晶態(tài)合金的原子結(jié)構(gòu)“長程無序，短程有序”。2.4.2非晶態(tài)合金的制備

原則上，所有金屬熔體都可以通過急冷制成非晶體。也就是說，只要冷卻速度足夠快．使熔體中原子來不及作規(guī)則排列就完成凝固過程，即可形成非晶態(tài)金屬。

制備非晶態(tài)材料的方法可歸納為三大類：1）由氣相直接凝聚成非晶態(tài)固體，如真空蒸發(fā)、濺射、化學氣相沉積等。該法非晶態(tài)材料的生長速率相當?shù)停话阒挥脕碇苽浔∧ぃ?）由液態(tài)快速淬火獲得非晶態(tài)固體，是目前應用最廣泛的非晶態(tài)合金的制各方法；3）由結(jié)晶材料通過輻照、離子注入、沖擊被等方法制得非晶態(tài)材料；用激光或電子束輻照金屑表面，可使表面局部融化，再快速冷卻，可在金屬表面產(chǎn)生400μm厚的非晶層。離子注入技術(shù)在材料改性及半導體工藝中應用很普遍?！锓蔷B(tài)合金的制備方法：*

氣體霧化法：是大規(guī)模生產(chǎn)非晶粉末的方法。通過高速氣體流沖擊金屬液流使其分散為微細液滴，從而實現(xiàn)快速凝固。

氣相沉積法：制備非晶態(tài)薄膜的又一重要方法，主要有真空蒸鍍法和濺射法。其特點在于可獲得更高的冷卻速度，形成非晶態(tài)的成分范圍更寬。

化學法：將金屬鹽水溶液和硼氫化鉀溶液混合，發(fā)生化學還原反應，可以制備Fe—B、FeNi—B等超細非品合金微粒。

固態(tài)反應法：包括離子注入法、擴散退火法、吸氫法和機械合金化法。固態(tài)反應法進一步擴大了非晶合金的形成和應用范圍。2.4.3常見的非晶態(tài)合金迄今為止，非晶態(tài)合金的種類已達數(shù)百種之多。1）過渡族金屬與類金屬元素形成的合金VIIB，VIIIB族及IB族元素與類金屬元素形成的合金，如Pd80Si20，Au75Si25，F(xiàn)e80B20，Pt75P25等。NiB31-34，CoB17-41，PtSb34-36.5等。在這類合金基礎(chǔ)上可加入一種或多種元素形成三元甚至多元合金，如在Pd80P20中加入Ni，形成Pd40Ni40P20。研究表明，這種三元合金形成非晶態(tài)要比對應的二元合金容易得多。此外，IVB和VIB族金屬與類金屬也可以形成非晶態(tài)合金。如TiSi15-20等。2)過渡族金屬元素之間形成的合金

這類合金在很寬的溫度范圍內(nèi)熔點都比較低、形成非晶態(tài)的成分范圍較寬。如Cu-Ti33-70,Cu—Zr27.5-75,Ni—Zr27.5-75，等。3）含IIA

族(堿金屬)元素的二元或多元臺金如Ca—A112.5-17.5，Ca—Cu12.6-62.5,Ca—Pd，Mg一Zn25-32，Be—Zr50-70，Sr70Mg30等。這類合金的缺點：化學性質(zhì)較活潑，必須在惰性氣體中淬火、最終制得的非晶態(tài)材料容易氧化。除以上三類非晶態(tài)合金外，還有以錒系金屬為基的非晶態(tài)合金，如U—Co24-40,Np—Ca30-40，Pu—Ni12-30等。2.4.4非晶態(tài)合金的性能及應用1）力學性能非晶態(tài)材料具有極高的強度和硬度，其強度遠超過晶態(tài)的高強度鋼。疲勞強度亦很高，鈷基非晶態(tài)合金可達1200MPa；延伸率一般較低，但其韌性很好，彎曲時可以彎至很小曲率半徑而不折斷。

可以被利用制做刀具以及輪胎、傳送帶、水泥制品及高壓管道的增強纖維；另一方面，利用非晶態(tài)合金的機械性能隨電學量或磁學量的變化，可制做各種元器件．如用鐵基或鎳基非晶態(tài)合金可制做壓力傳感器的敏感元件。2）軟磁特性

非晶態(tài)合金由于其結(jié)構(gòu)上的特點——無序結(jié)構(gòu)，不存在磁各向異性．因而易于磁化；而且沒有位錯、晶界等晶體缺陷，故磁導率、飽和磁感應強度高；矯頑力低、損耗小，是理想的軟磁材料。目前比較成熟的非晶態(tài)軟磁合金主要有鐵基，鐵-鎳基和鈷基三大類。金屬玻璃在磁性材料方面的應用主要是作為變壓器材料、磁頭材料、磁屏敝材料、磁致伸縮材料及磁泡材料等。3）耐蝕性能非晶態(tài)合金在中性鹽溶液和酸性溶液中的耐蝕性要比不銹鋼好得多。耐蝕性主要是由于生產(chǎn)過程中的快冷，導致擴散來不及進行，所以不存在第二相，組織均勻；其無序結(jié)構(gòu)中不存在晶界，位錯等缺陷；非晶態(tài)合金本身活性很高能夠在表面迅速形成均勻的鈍化膜，阻止內(nèi)部進一步腐蝕。利用耐蝕性，用其制造耐腐蝕管道、電池的電極、海底電纜屏蔽、磁分離介質(zhì)及化工用的催化劑、污水處理系統(tǒng)中的零件等都已達到實用階段。4）其它性能及應用2.5.1磁性材料概述具備強磁性的材料稱為磁性材料。磁性材料具有能量轉(zhuǎn)換、存儲或改變能量狀態(tài)的功能，是重要的功能材料。按矯頑力的大小可將磁性材料分為硬磁、半硬磁、軟磁材料三種。磁性材料廣泛地應用于計算機、通訊、自動化、音像、電機、儀器儀表、航空航天、農(nóng)業(yè)、生物與醫(yī)療等技術(shù)領(lǐng)域。2.5磁性材料BH軟磁材料

特點：磁導率大、矯頑力小、容易磁化也容易退磁、磁滯回線包圍面積小、磁滯損耗小BH特點：剩余磁感應強度大、矯頑力大、不容易磁化、也不容易退磁磁滯回線寬。磁滯損耗大矯頑力大，意味著磁化后剩余磁感應強度很大，稱為永磁鐵。記憶元件。硬磁材料BH矩磁材料特點：磁滯回線呈矩形狀應用：作計算機中的記憶元件，磁化時極性的反轉(zhuǎn)構(gòu)成了“0”與“1”2.5.2軟磁材料

矯頑力低(Hci≤100A／m)、磁導率高的磁性材料稱為軟磁材料。軟磁材料的磁滯回線細長，磁導率高，矯頑力低，鐵芯損耗低，容易磁化，也容易去磁。它主要應用于制造發(fā)電機和電動機的定子和轉(zhuǎn)子；變壓器、電感器、電抗器、繼電器和鎮(zhèn)流器的鐵芯；計算機磁芯；磁記錄的磁頭與磁介質(zhì)；磁屏蔽；電磁鐵的鐵芯、極頭與極靴；磁路的導磁體等。它是電機工程、無線電、通訊、計算機、家用電器和高新技術(shù)領(lǐng)域的重要功能材料。BH軟磁材料的分類按磁特性可分為：高磁感材料、高導磁材料、高矩形比材料、恒導磁材料、溫度補償材料等；若按材料的成分：可分為電工純鐵、Fe—Si合金、Ni—Fe合金、Fe—A1合金(包括Fe—Si—Al合金)和Fe—Co合金等；按聚焦狀態(tài)分為：晶態(tài)、非晶態(tài)及納米晶軟磁材料等。2.5.3硬磁材料硬磁材料也稱為永磁材料。是指材料被外磁場磁化以后，去掉外磁場仍然保持著較強剩磁的材料。它也是人類最早發(fā)現(xiàn)和應用的磁性材料。表征硬磁材料性能的主要參數(shù)是剩余磁感應強度Br、矯頑力Hc和最大磁能積（BH）max．三者愈高，硬磁材料性能越好。由此引起這類材料具有大的磁滯損耗。硬磁材料主要用于制造永久磁鐵。BH①鑄造硬磁合金；②可變形硬磁合金；③稀土硬磁合金；④硬磁鐵氧體；⑤粘結(jié)磁體等。

硬磁材料可分成以下幾類：c）稀土永磁材料

稀土永磁材料是稀土元素(用RE表示)與過渡族金屬Fe，Co，Cu，Zr等或非金屬元素B，C，N等組成的金屬間化合物。是一種高能積、高剩磁、高矯頑力的材科。2.5.4磁記錄材料廣泛應用于錄音、錄像技術(shù)；計算機中的數(shù)據(jù)存貯、處理、科學研究的各個領(lǐng)域；軍事及日常生活中。

（1）磁頭材料磁頭的基本結(jié)構(gòu)如右圖所示，由帶縫隙的鐵芯、線圈、屏蔽殼等部分組成。*

對磁頭材料的基本性能要求：①高的磁導率；②高的飽和磁感應強度Bs；③低的Br和Hc；④高的電阻率和耐磨性。目前，磁頭鐵芯材料主要有合金材料、鐵氧體材料、非晶態(tài)合金材料、薄膜材料等幾類。

（2）磁記錄介質(zhì)材料對做記錄介質(zhì)的磁性材料（磁粉及磁性薄膜）提出以下要求：1）剩磁Br高；2）矯頑力適當?shù)母撸?）磁滯回線接近矩形，Hc附近的磁導率盡量高；4）磁層均勻，厚度適當，記錄密度越高，磁層愈??；5）磁性粒子的尺寸均勻，呈單疇狀態(tài)；6）磁致伸縮小，不產(chǎn)生明顯的加壓退磁效應；7）基本磁特性的溫度系數(shù)小，不產(chǎn)生明顯的加熱退磁效應；8）磁粉粒子易分散，在磁場作用下容易取向排列，不形成磁路閉合的粒子基團。*

目前使用的磁記錄介質(zhì)有磁帶、磁盤、磁鼓、磁卡片等。從結(jié)構(gòu)上看又可分為磁粉涂布型介質(zhì)和連續(xù)薄膜型介質(zhì)兩大類。一般來說，磁粉涂布型介質(zhì)有利于水平記錄模式，而垂直記錄宜采用薄膜介質(zhì)。2.6半導體材料2.6.1半導體材料的概念物質(zhì)按其導電的難易程度可以分為三大類：導體、半導體和絕緣體。半導體材料的電阻率介于導體和絕緣體之間，數(shù)值一般在10-4~1010Ω·cm范圍內(nèi)，但是單從電阻率的數(shù)值上來區(qū)分是不充分的。半導體的電阻率還具有以下一些特性：加入微量的雜質(zhì)、光照、外加電場、磁場、壓力以及外界環(huán)境（溫度、濕度、氣氛）改變或輕微改變晶格缺陷的密度都可能使電阻率改變?nèi)舾蓴?shù)量級。因此人們通常把電阻率在10-4~1010Ω·cm范圍內(nèi)，并對外界因素，如電場、磁場、光、溫度、壓力及周圍環(huán)境氣氛非常敏感的材料稱為半導體材料。2.6.2半導體材料的分類

元素半導體結(jié)晶態(tài)半導體化合物半導體無機半導體固溶體半導體半導體非晶態(tài)半導體有機半導體半導體材料的分類1）元素半導體

在元素周期表中介于金屬和非金屬之間具有半導體性質(zhì)的元素有十二種，但是其中具備實用價值的元素半導體材料只有硅、鍺和硒。硒是最早使用的，而硅和鍺是當前最重要的半導體材料，尤其是硅材料由于具有許多優(yōu)良持性，絕大多數(shù)半導體器件都是用硅材料制作的。2）二元化合物半導體主要有III—V族、II—VI族、IV—VI族、II—IV族化合物半導體、鉛化物及氧化物半導體等。二元化合物半導體有許多為元素半導體所不具有的性質(zhì)，開辟了應用的新領(lǐng)域。

III—V族半導體主要由III族元素Al，Ga，In與V族元素P，As，Sb所組成，應用最廣的是GaAs，還有GaP，InP等,已成為微波、光電器件的基礎(chǔ)材料，人們可以根據(jù)要求來選擇不同的III—V族材料。

II—VI族半導體主要指由II族元素Zn，Cd，Hg和VI族元素S，Se，Te所組成，主要用來制作微光電器件，紅外器件和光電池，在國防上有重要用途。3）三元化合物半導體

以A1GaAs和GaAsP為代表的三元化合物半導體材料，已為人們廣泛研究，可制作發(fā)光器件；此外AgSbTe2是良好的溫差電材料；CdCr2Se4，MgCr2S4是磁性半導體材料；SrTiO3是超導電性半導體材料，在氧欠缺的條件下，它表現(xiàn)出超導電性。4）固溶體半導體

元素半導體或化合物半導體相互溶解而成的半導體材料稱為固溶體半導體。它的一個重要特性是禁帶寬度（Eg）隨固溶度的成分變化，因此可以利用固溶體得到多種性質(zhì)的半導體材料。例如Ge—Si固溶體Eg的變化范圍約在0.7~1.2ev，GaAs—GaP固溶體Eg變化范圍約在1.35~2.25ev。所以可以利用GaAs1-xPx，隨x變化而作出能發(fā)不同波長的發(fā)光二極管。Sb2Te3—Bi2Te3相Bi2Se3—Bi2Te3是較好的溫差電材料。5）非晶態(tài)半導體在非晶態(tài)材料中有一些在常態(tài)下是絕緣體或高阻體，但是在達到一定值的外界條件（如電場、光、溫度等）時，就呈現(xiàn)出半導體電性能，稱之為非晶態(tài)半導體材料，也叫玻璃態(tài)半導體。非晶態(tài)半導體材料在開關(guān)元件、記憶元件、固體顯示、熱敏電阻和太陽能電池等的應用方面都有令人鼓舞的前景。一些有機物也具有半導體性質(zhì)，研究表明在固態(tài)電子器件中將會發(fā)揮其作用。6）有機半導體非晶態(tài)半導體的各種現(xiàn)象和應用2.7熱電材料定義：（也稱溫差電材料，thermoelectricmaterials）是一種利用固體內(nèi)部載流子運動，實現(xiàn)熱能和電能直接相互轉(zhuǎn)換的功能材料。熱電效應：熱電效應是電流引起的可逆熱效應和溫差引起的電效應的總稱，包括Seebeck效應、Peltier效應和Thomson效應（1）Seebeck效應：溫差熱效應，在材料的兩端外加一定的溫度差時，相應材料的兩端會產(chǎn)生一定的電動勢。這一效應是制造熱電偶測量溫度和將熱能直接轉(zhuǎn)換成電能的理論基礎(chǔ)（2）Peltier效應：是Seebeck效應的逆效應，指在材料中通以一定方向的電流時，相應材料兩端分別會產(chǎn)生吸放熱現(xiàn)象。改變電流方向，吸放熱端也隨之反向。冷熱溫差幅度由電流大小而定。（3）Thomson效應：當電流通過一跟兩端溫度不同的導體（鉛以外）時，若電流方向與熱流方向一致則會放出熱量（電流產(chǎn)生的焦耳熱之外），反之則會吸熱。熱電器件工作原理HeatSourceHeatSinkIPNActiveCoolingHeatRejectionIPN(a)PowerGenerationMode(b)CoolingModeSeebeck效應Peltier效應CroninBV.Semiconductorsarecool.Nature.2001,413:577~578熱電發(fā)電熱電制冷HeatSourceー＋P-typeelementN-typeelementCeramic

plateHeatSink熱電器件實物圖熱電器件模型綠色能源：體積小重量輕結(jié)構(gòu)簡單堅固耐用無需運動部件無磨損無噪音無污染熱電性能評價優(yōu)異熱電性能：Seebeck系數(shù)大電導率高熱導率低ZT：熱電優(yōu)值3熱電效率材料的熱電效率可定義為熱電優(yōu)值，用ZT來評估：ZT=S2σT/KS為熱電勢或Seebeck系數(shù)；T絕對溫度；σ電導率；K熱導率S2σ稱功率因子提高熱電材料的ZT：1）提高功率因子

2）降低熱導率影響功率因子的物理機制：散射參數(shù)、能態(tài)密度、載流子移動度及費米能級等四項，前三項是材料的本質(zhì)性質(zhì)，