1、新功能磁性材料及其應(yīng)用,Magnetic refrigeration , Magnetic record , Thermo-magnetic-electric generator,YJ.Liu,2011年12月5日,新功能磁性材料及其應(yīng)用,一、磁性的來源 簡單介紹磁性的來源、磁性材料的特點(diǎn)以及磁性材料 的磁化曲線和磁滯回線 二、磁性材料的應(yīng)用 簡單介紹磁性材料在各個領(lǐng)域的應(yīng)用，例如在日常記錄，發(fā)電、制冷等方面的應(yīng)用,一、磁性的來源,物質(zhì)的磁性是指在其在外磁場H中能夠感應(yīng)出磁矩的性能，物質(zhì)的磁性強(qiáng)弱可由磁化強(qiáng)度 M 來表示。M 定義為單位體積中的磁矩矢量總和。物質(zhì)內(nèi)的磁感應(yīng)輕度 B 定義為,磁化

2、率 x=M/H 反映了物質(zhì)磁化的難易程度，根據(jù)磁化率的大小，物質(zhì)可分為抗磁性、順磁性、反鐵磁性、鐵磁性、亞鐵磁性五大類,順磁性：,鐵磁性和亞鐵磁性：,1010的六次方數(shù)量級,強(qiáng)磁性物質(zhì) 應(yīng)用上重點(diǎn)研究,材料的磁性來源于材料中原子的磁矩，在原子內(nèi)，處于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的電子，可以簡單看成一個電流閉合回路，因此旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的電子必然伴隨著磁矩的產(chǎn)生。 實(shí)際上物質(zhì)磁性來源于原子或分子。由于物質(zhì)是由原子或分子組成，依照原子理論，磁矩的產(chǎn)生是由于：（1）原子中的電子繞原子核運(yùn)動（軌道磁矩）；（2）電子的角動量（自旋磁矩）及（3）原子核的角動量（核磁矩）,對于多電子體系，其磁性來源于未滿殼層的電子產(chǎn)生的軌道磁矩和自旋

3、磁矩提供。當(dāng)電子填滿殼層以后，各個電子的軌道運(yùn)動與自旋運(yùn)動取向占據(jù)了所有可能的方向，這些方向成對稱性分布，因此總的角動量等于零，對原子磁矩沒有貢獻(xiàn)。,鐵族過渡族元素，如Fe、Co、Ni等，原子磁矩來源于未滿殼層的3d電子；稀土元素的磁性來源于未滿殼層的4f電子，自由原子或離子的磁矩可以根據(jù)洪德法則來計算。,常用的鐵族元素和稀土離子的未滿殼層電子組態(tài)，用洪德法則可以計算出的磁矩與g有關(guān)，即朗德因子，它的大小反映了軌道磁矩和自旋磁矩對原子總磁矩的貢獻(xiàn)程度。,如果g=1，則原子磁矩都是由軌道磁矩貢獻(xiàn)；如果g=2，則原子磁矩都是由自旋磁矩貢獻(xiàn)。對于鐵族元素，3d電子處于外層軌道，因此它們的運(yùn)動會受到近

4、鄰原子的核庫侖場和其他電子的作用，等效于一個晶場，晶場作用下，3d電子軌道角動量消失，所以總得磁矩來源于電子的自旋磁矩，即軌道淬滅。,黃昆固體物理P381頁,對于4f 稀土元素，由于4f 電子處于原子深層，受到外面 5s 和 5p 電子很好的屏蔽，相對來說受晶體場影響較小，因此對于 4f 稀土元素組成的化合物或金屬，總得磁矩來源于自旋軌道和軌道角動量的耦合,自發(fā)磁化與磁疇,在經(jīng)過拋光的鐵磁體表面上，滴上含有細(xì)鐵粉末的膠體溶液后，在顯微鏡下可以看到鐵粉在拋光面上形成了一塊塊局域性的小團(tuán)，說明在鐵磁體內(nèi)部存在著局域磁場，即磁疇。磁疇產(chǎn)生的根本原因是鐵磁性物質(zhì)的自發(fā)磁化。解釋自發(fā)磁化主要有外斯分子場

5、理論和1928年海森堡提出的局域電子交換理論。,順磁性、強(qiáng)磁性、其熱磁曲線和磁滯回線,不同的鐵磁材料，磁化曲線有很大的差異，軟磁材料的矯頑力Hc只有1 A/m量級，而一般的硬磁材料矯頑力Hc在10 A/m以上，正是利用這一點(diǎn)，做出了許多功能各異的磁性材料,磁化曲線，磁滯回線,二、磁性材料的應(yīng)用,1、普通磁記錄、現(xiàn)代磁光記錄材料 2、磁性流體材料 3、非晶、納米晶軟磁材料 4、高性能新型永磁材料 5、磁致伸縮材料 6、磁制冷材料 7、熱磁發(fā)電材料 ,1、傳統(tǒng)磁記錄和現(xiàn)代磁光材料,原理：,磁記錄材料按形態(tài)分為顆粒狀和連續(xù)薄膜材料兩類，按性質(zhì)又分為金屬材料和非金屬材料。廣泛使用的磁記錄介質(zhì)是-Fe2

6、O3系材料，此外還有CrO2系、Fe-Co系和 Co-Cr系材料等。磁頭材料主要有Mn-Zn系和Ni-Zn系鐵氧體 、Fe-Al系、Ni-Fe-Nb系及Fe-Al-Si系合金材料等。,2、磁性流體材料,3、非晶，納米晶軟磁材料,通過快速冷凝技術(shù)制備的亞穩(wěn)態(tài)非晶、納米晶材料的磁晶各向異性近似為零，因此它具有一般晶體材料所沒有的、獨(dú)特的軟磁特性。而且非晶納米晶的制備工藝相對簡單，可以快淬成薄帶，提高材料的利用率。近些年了，非晶納米晶材料得到了迅速的發(fā)展，成為不可替代的軟磁材料，在變壓器鐵芯，傳感元件，薄膜磁頭等方面得到了很好的應(yīng)用。,4、高性能永磁材料,稀土永磁材料的出現(xiàn)對推動工業(yè)進(jìn)步, 特別是電

7、機(jī)工業(yè)、辦公自動化等起到了積極的作用。在實(shí)現(xiàn)元器件的小型化、輕量化、高性能、高可靠性方面, 稀土永磁材料更是顯示出其優(yōu)秀的特性。 稀土永磁材料發(fā)展到今天, 已經(jīng)經(jīng)歷了第一代SmCo5、第二代Sm2Co17、第三代Nd2Fe14B 三個發(fā)展階段, 其中Nd- Fe- B 永磁材料以其優(yōu)良的磁學(xué)性能成為目前應(yīng)用最廣泛的一類稀土永磁材料。 近年來, 材料科學(xué)工作者又研發(fā)了一些新型的稀土永磁材料, 最有代表性的有3 種:ThMn12 型稀土永磁材料; 間隙稀土金屬間化合物永磁材料, 如Sm2Fe17Mx( M=C, N) 等; 納米晶復(fù)合交換耦合永磁材料。,5、磁致伸縮材料,物質(zhì)在磁場中被磁化時，其長

8、度會發(fā)生微小的變化，這現(xiàn)象稱為磁致伸縮。磁致伸縮系數(shù)a=dL/L，磁致伸縮系數(shù)隨外加磁場的變化而變化，當(dāng)材料磁化到飽和，a也達(dá)到相應(yīng)的飽和值。 磁致伸縮系數(shù)大的材料可以用來做電信號與機(jī)械信號的變換元件。目前主要用于雷達(dá)系統(tǒng)，水下聲納系統(tǒng)，科學(xué)家們一直期望將它用在超聲波上,6、磁制冷材料,Refrigeration,Vapor compression refrigeration 30% Energy consumption: high Refrigerants: CFCs, HCFCs, HFCs ODP&GWP,Thermoelectric refrigeration 10% Energy c

9、onsumption: low Semiconductors,Thermoacoustic refrigeration 30% Energy consumption: high Inert gases: helium or xenon,Magnetocaloric refrigeration 60% Energy consumption: low Magnetic materials:,Mechanical,Sound waves,Peltier effect,Magnetocaloric effect,Magnetocaloric effect (MCE),T,Entropy, S,Temp

10、erature, T,A magnetic field change causes a magnetic material to warm or to cool.,The nature of MCE is magnetic entropy change,磁熱效應(yīng) (MCE) In 1881, E. Warburg first observed the MCE in Iron. 一種制冷方法 In 1933, W.F. Giauque and D.P. Macdougall experimentally demonstrated the use of MCE to achieve low temperatures below 1 K. 室溫磁制冷 In 1976, G. Brown ushered in the dawn of room-temperature magnetic refrigeratio