金屬基復合材料磁學性能分析試題及答案一、單項選擇題（每題2分，共20分。每題只有一個正確答案，請將正確選項字母填入括號內(nèi)）1.對于FeCo顆粒增強鋁基復合材料，其飽和磁化強度Ms隨顆粒體積分數(shù)f的變化規(guī)律最接近下列哪一條曲線？A.Ms∝f^0.5??B.Ms∝f??C.Ms∝f^2??D.Ms與f無關(guān)?（?）2.在金屬基復合材料中引入非磁性SiC納米線后，測得矯頑力Hc顯著升高，其主導機制是：A.形狀各向異性增大?B.磁晶各向異性增大?C.磁彈耦合增強?D.退磁場減弱?（?）3.當NiFe2O4/銅復合材料受到0.5%拉伸應(yīng)變時，其初始磁導率μi下降約12%，該現(xiàn)象可用下列哪一理論定量解釋？A.Stoner–Wohlfarth模型?B.Kittel磁疇壁釘扎理論?C.Jiles–Atherton磁滯模型?D.有效介質(zhì)理論?（?）4.若某軟磁復合材料在1kHz下的品質(zhì)因數(shù)Q=75，在10kHz下Q降至45，其主要損耗來源變化為：A.渦流損耗→剩余損耗?B.磁滯損耗→渦流損耗?C.渦流損耗→磁滯損耗?D.剩余損耗→磁滯損耗?（?）5.對于Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9納米晶合金帶/鋁層狀復合材料，其1kHz有效磁導率μ′隨鋁層厚度tAl增加而：A.線性增大?B.線性減小?C.先增后飽和?D.先減后飽和?（?）6.在CoFe2O4/MgAl2O4顆粒梯度復合材料中，測得宏觀磁致伸縮系數(shù)λs為負值，其微觀根源是：A.CoFe2O4晶格拉伸應(yīng)變?B.MgAl2O4晶格壓縮應(yīng)變?C.界面位錯引入正磁彈性能?D.Co2+離子在八面體場中產(chǎn)生負單軸各向異性?（?）7.采用SQUID磁強計測試Al2O3/Fe65Co35層狀復合薄膜，在5K與300K測得的Ms差值ΔMs≈0，說明：A.超順磁性出現(xiàn)?B.居里溫度低于5K?C.顆粒間交換耦合消失?D.熱漲落對Ms影響可忽略?（?）8.當電磁波頻率f=1GHz時，NiZn鐵氧體/Ag復合材料的磁損耗角正切tanδμ出現(xiàn)峰值，其共振類型為：A.自然共振?B.尺寸共振?C.交換共振?D.疇壁共振?（?）9.在FeCoBSi/銅復合薄帶中引入5%Cu顆粒后，測得1kHz下的Barkhausen噪聲能量下降30%，其原因是：A.磁疇細化?B.電阻率降低?C.磁彈耦合減弱?D.有效退磁場增大?（?）10.若某金屬基復合材料的磁阻抗比ΔZ/Z0在5MHz下達到最大值，其最佳厚度t與趨膚深度δ的關(guān)系為：A.t≈0.2δ?B.t≈δ?C.t≈2δ?D.t≈5δ?（?）二、多項選擇題（每題3分，共15分。每題有兩個或兩個以上正確答案，多選少選均不得分）11.下列哪些手段可同時提高金屬基復合材料的電阻率ρ與飽和磁感應(yīng)強度Bs？A.原位生成納米FeCo顆粒?B.引入絕緣Al2O3包覆層?C.采用快淬+退火獲得雙相納米晶?D.加入Ag微米線形成三維導電網(wǎng)絡(luò)?（?）12.關(guān)于超順磁性Ni/Al復合顆粒，以下敘述正確的有：A.零場冷–場冷曲線在阻塞溫度TB處出現(xiàn)分叉?B.矯頑力Hc隨溫度升高呈T^1/2下降?C.飽和磁化強度Ms與塊體Ni相同?D.交流磁化率虛部χ″在TB處出現(xiàn)峰值?（?））13.下列哪些因素會導致FeSiAl/環(huán)氧樹脂復合磁粉芯的磁導率頻率穩(wěn)定性下降？A.顆粒尺寸分布過寬?B.絕緣包覆層不完整?C.壓制密度過低?D.顆粒形狀因子接近1?（?）14.對于CoFe2O4/銅層狀復合薄膜，下列測試手段可直接獲得界面磁交換耦合強度Jex的有：A.極化中子反射（PNR）?B.鐵磁共振（FMR）?C.磁光克爾效應(yīng)（MOKE）?D.反常霍爾效應(yīng)（AHE）?（?）15.在金屬基復合材料的磁–力耦合實驗中，可用來計算磁彈耦合系數(shù)k33的物理量有：A.磁致伸縮應(yīng)變λ與外加應(yīng)力σ?B.磁化強度M與外加應(yīng)力σ?C.彈性模量E與磁導率μ?D.磁能密度與彈性能密度?（?）三、填空題（每空2分，共20分）16.在FeCoB/鋁復合材料中，若顆粒體積分數(shù)f=0.3，顆粒飽和磁化強度Ms0=2.0T，基體為非磁性，則復合材料的理論飽和磁化強度Ms=________T（保留兩位小數(shù)）。17.對于球形Fe顆粒（直徑d=20nm），其超順磁性阻塞溫度TB可近似表示為TB=KV/(25kB)，其中K為磁各向異性常數(shù)。若K=2×10^4J·m^3，則TB=________K（kB=1.38×10^23J·K^1，結(jié)果取整）。18.當Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9納米晶合金帶/環(huán)氧樹脂復合磁粉芯在50kHz、B=0.1T下測試時，其單位體積損耗Pcv=________W·m^3，已知Steinmetz經(jīng)驗公式系數(shù)k=1.2×10^2，α=1.6，β=2.0。19.在CoFe2O4/銅復合材料中測得1GHz下的復數(shù)磁導率μ′=120，μ″=24，則該頻率下的磁損耗角正切tanδμ=________（保留三位小數(shù)）。20.若某FeCoBSi/銅復合薄帶的趨膚深度δ在1MHz時為65μm，則其電阻率ρ=________μΩ·cm（μ0=4π×10^7H·m^1，保留一位小數(shù)）。21.對于NiZn鐵氧體/Ag復合薄膜，其鐵磁共振頻率fr與外加磁場H的關(guān)系滿足fr=γ′(H+HK)，其中γ′=2.8MHz·Oe^1。若HK=500Oe，欲使fr=5GHz，則外加磁場H=________Oe（取整）。22.在FeSiAl/鋁復合粉芯中，若有效磁導率μe=60，線圈匝數(shù)N=100，有效磁路長度le=50mm，則1MHz下的電感L=________μH（μ0=4π×10^7H·m^1，保留兩位小數(shù)）。23.當FeCo顆粒（體積分數(shù)0.4）與鋁基體復合后，測得宏觀磁致伸縮系數(shù)λs=?5×10^6，已知顆粒本征λs0=?1×10^4，基體λsAl=0，則顆粒–基體磁彈耦合系數(shù)η=________（保留兩位小數(shù)）。24.對于層狀FeCoB/銅復合薄膜，其巨磁阻抗比ΔZ/Z0最大可達________%，當驅(qū)動電流頻率f=10MHz、膜厚t=20μm、電阻率ρ=60μΩ·cm時（結(jié)果取整）。25.在CoFe2O4/MgAl2O4梯度復合材料中，若成分梯度系數(shù)β=2μm^1，則交換耦合長度Lex=________nm（取整），已知交換勁度A=1.2×10^11J·m^1，K=2×10^4J·m^3。四、簡答題（每題8分，共24分）26.簡述金屬基復合材料中“磁矩界面釘扎”效應(yīng)的產(chǎn)生機制，并說明其對矯頑力Hc的影響規(guī)律。27.試解釋為何FeCoBSi/銅復合薄帶在1MHz下的磁阻抗效應(yīng)隨拉伸應(yīng)力增大而先增強后減弱，并給出臨界應(yīng)力σc的估算思路。28.比較“顆粒型”與“層狀型”金屬基復合材料的磁噪聲來源差異，并給出降低Barkhausen噪聲的工程措施各兩條。五、計算與分析題（共71分）29.（15分）某FeCo顆粒（Ms0=2.4T，直徑d=80nm，K=1.5×10^4J·m^3）均勻分散于鋁基體中，體積分數(shù)f=0.35。(1)計算復合材料的理論飽和磁化強度Ms；(2)若顆粒呈隨機分布，求其形狀各向異性場Hs（假設(shè)顆粒為旋轉(zhuǎn)橢球，長徑比c/a=1.5）；(3)估算該復合材料的矯頑力Hc（采用Stoner–Wohlfarth模型，忽略基體磁彈耦合）。30.（16分）對Ni0.5Zn0.5Fe2O4/Ag復合薄膜進行鐵磁共振測試，得到共振線寬ΔH=120Oe，共振頻率fr=3GHz。(1)求旋磁比γ′與g因子；(2)若薄膜厚度t=200nm，線寬來源于Gilbert阻尼，求Gilbert阻尼系數(shù)α；(3)當外加磁場方向與膜面法向夾角θ=45°時，計算新的共振頻率fr′。31.（20分）Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9納米晶合金帶/環(huán)氧樹脂復合磁粉芯環(huán)形樣品，外徑D=30mm，內(nèi)徑d=20mm，高度h=5mm，線圈匝數(shù)N=80。(1)測得1kHz下電感L=320μH，求有效磁導率μe；(2)在50kHz、B=0.05T正弦激勵下，測得總損耗P=0.28W，分離得到磁滯損耗Ph=0.18W，求渦流損耗Pe與剩余損耗Pr；(3)若顆粒平均直徑減小至原尺寸的0.7倍，而保持f與絕緣層厚度不變，估算50kHz下總損耗變化百分比（假設(shè)Steinmetz系數(shù)不變，渦流損耗∝d^2）。32.（20分）CoFe2O4/銅層狀復合薄膜，膜厚t=100nm，CoFe2O4層厚t1=40nm，銅層厚t2=60nm，周期數(shù)n=20。(1)采用平行模型估算飽和磁化強度Ms（CoFe2O4Ms1=0.5T，銅非磁性）；(2)若沿膜面施加磁場H=2kOe，測得磁致伸縮應(yīng)變λ=?120×10^6，求磁彈耦合系數(shù)k33；(3)當沿膜面通交變電流I=10mA（頻率f=5GHz），測得縱向巨磁阻抗比ΔZ/Z0=?48%，求電阻變化ΔR與電感變化ΔL的相對貢獻（已知薄膜總電阻R0=12Ω，品質(zhì)因數(shù)Q=6）。六、綜合設(shè)計題（25分）33.某高頻功率電感需求：工作頻率f=3MHz，額定電流I=5A，電感值L=4.7μH，溫升ΔT≤40K，要求磁導率μ′≥80且tanδμ≤0.05。現(xiàn)有FeCoBSi納米晶帶（Bs=1.8T，ρ=45μΩ·cm，λs=+2×10^6）與環(huán)氧樹脂體系。(1)設(shè)計顆粒體積分數(shù)f、平均粒徑d、絕緣包覆層厚度δins，并給出磁粉芯幾何尺寸（外徑D、內(nèi)徑d、高度h）與線圈匝數(shù)N；(2)計算3MHz下的總損耗P與溫升ΔT（散熱系數(shù)hconv=80W·m^2·K^1，表面積按環(huán)形估算）；(3)若要求tanδμ降至0.03，提出兩條可行工藝改進路線，并定量預測改進后損耗下降百分比。參考答案與評分標準一、單項選擇題1.B?2.A?3.C?4.B?5.C?6.D?7.D?8.A?9.A?10.B二、多項選擇題11.BC?12.ACD?13.ABC?14.AB?15.ABD三、填空題16.0.6017.5818.1.2×10^519.0.20020.104.021.128622.7.5423.0.5024.5625.24四、簡答題26.界面釘扎源于界面位錯、氧化物或成分梯度導致的局域各向異性Kloc增大，阻礙疇壁位移；Hc≈Kloc/(μ0Ms)隨界面密度增加而線性升高。27.應(yīng)力誘導磁各向異性場HKσ=3λsσ/μ0Ms，隨σ增大HKσ先與退磁場平衡使阻抗增大；當σ>σc≈μ0Ms^2/(3λs)，HKσ過大導致磁化難轉(zhuǎn)動，阻抗下降。28.顆粒型噪聲源于顆粒間交換耦合漲落；層狀型源于層間疇壁跳躍。降噪：顆粒型—減小粒徑分布、優(yōu)化絕緣包覆；層狀型—降低表面粗糙度、引入梯度成分緩沖層。五、計算與分析題29.(1)Ms=0.84T；(2)Hs=0.28T；(3)Hc=K/(μ0Ms)=14kA·m^1。30.(1)γ′=2.8MHz·Oe^1，g=2.09；(2)α=γ′ΔH/(4πfr)=0.011；(3)fr′=γ′(Hcosθ+HK)=2.1GHz。31.(1)μe=62；(2)Pe=0.08W，Pr=0.02W；(3)總損耗下降≈30%。32.(1)Ms=0.20T；(2)