1、第一章 功能材料概論 功能材料的定義功能材料指以特殊的電、磁、聲、光、熱、力、化學及生物學等性能作為主要性能指標的一類材料 。 功能材料的特征1）功能材料的功能對應于材料的微觀結構和微觀物體的運動，是最本質的特征。2）功能材料的聚集態(tài)和形態(tài)非常多樣化，除晶態(tài)外，還有氣態(tài)、液態(tài)、液晶態(tài)、非晶態(tài)、混合態(tài)和等離子態(tài)。除三維材料外，還有二維、一維和零維材料。3）結構材料常以材料形式為最終產(chǎn)品，而功能材料有相當一部分是以元件形式為最終產(chǎn)品，即材料元件一體化。4）功能材料是利用現(xiàn)代科學技術，多學科交叉的知識密集型產(chǎn)物。5）功能材料的制備技術不同于結構材料用的傳統(tǒng)技術，而是采用許多先進的新工藝和新技術，如急

2、冷、超凈、超微、超純、薄膜化、集成化、微型化、智能化以及精細控制和檢測技術。功能材料的分類功能材料種類繁多，涉及面廣，有多種分類方法。目前主要是根據(jù)材料的化學組成、應用領域、使用性能進行分類。 按化學組成：金屬功能材料、陶瓷功能材料、高分子功能材料、復合功能材料按應用領域: 電子材料、能源材料、信息材料、光學材料、儀器儀表材料、航空航天材料、生物醫(yī)學材料、傳感器用敏感材料。按使用性能：電功能材料、磁功能材料、光功能材料、熱功能材料、化學功能材料、生物功能材料、聲功能材料、隱形功能材料。功能材料的現(xiàn)狀近幾年來，功能材料迅速發(fā)展，已有幾十大類，10萬多品種，且每年都有大量新品種問世。現(xiàn)已開發(fā)的以物

3、理功能材料最多，主要有：1）單功能材料，如：導電材料、介電材料、鐵電材料、磁性材料、磁信息材料、發(fā)熱材料、熱控材料、光學材料、激光材料、紅外材料等。2）功能轉換材料，如：壓電材料、光電材料、熱電材料、磁光材料、聲光材料、電流變材料、磁敏材料、磁致伸縮材料、電色材料等。3）多功能材料：如防振降噪材料、三防材料（防熱、防激光和防核）、電磁材料等。4）復合和綜合功能材料，如：形狀記憶材料、隱身材料、傳感材料、智能材料、顯示材料、分離功能材料、環(huán)境材料、電磁屏蔽材料等。5）新形態(tài)和新概念功能材料，如：液晶材料、梯度材料、納米材料、非平衡材料等。功能材料的展望展望21世紀，功能材料的發(fā)展趨勢為：1）開發(fā)

4、高技術所需的新型功能材料，特別是尖端領域（航空航天、分子電子學、新能源、海洋技術和生命科學等）所需和在極端條件下（超高溫、超高壓、超低溫、強腐蝕、高真空、強輻射等）工作的高性能功能材料；2）功能材料的功能從單功能向多功能和復合或綜合功能發(fā)展，從低級功能向高級功能發(fā)展；3）功能材料和器件的一體化、高集成化、超微型化、高密積化和超分子化；4）功能材料和結構材料兼容，即功能材料結構化，結構材料功能化；5）進一步研究和發(fā)展功能材料的新概念、新設計和新工藝；6）完善和發(fā)展功能材料檢測和評價的方法；7）加強功能材料的應用研究，擴展功能材料的應用領域，加強推廣成熟的研究成果，以形成生產(chǎn)力。第二章 貯氫材料資

5、源豐富；發(fā)熱值高；燃燒后生成水，不污染環(huán)境。光解法利用太陽能，到海水中取氫。 氣態(tài)貯存 能量密度低 不安全 液態(tài)貯存 能耗高 對貯罐絕熱性要求高 固態(tài)貯存 體積儲氫容量高 無需高壓及隔熱容器 安全性好，無爆炸危險 可得到高純氫2.1 金屬貯氫原理 在一定溫度和壓力條件下，固溶相(MHx)與氫反應生成金屬氫化物(MHy)，反應式如下反應進行的方向取決于溫度、壓力和合金成分。金屬氫化物類型： a.和主族元素與氫形成離子型氫化物； b.和族過渡金屬及Pb與氫形成金屬型氫化物。2.2 貯氫合金分類貯氫材料應具備的條件n 吸氫能力大；n 用于儲氫時生成熱盡量小，而用于蓄熱時生成熱盡量大；n 平衡氫壓適當

6、；n 吸氫、釋氫速度快；n 傳熱性能好；n 反復吸氫、釋氫時，性能穩(wěn)定；n 安全無害；n 價格便宜。貯氫合金的種類鎂系合金、稀土系合金、鈦系合金 典型代表：Mg2Ni，美Brookhaven國家實驗室首先報道。 特點： 重量輕； 資源豐富； 價格低廉； 貯氫量??； 放氫溫度高（300以上）； 吸/放氫動力學性能較差。新開發(fā)的鎂系貯氫合金Mg2Ni1-xMx (M = V，Cr，Mn，F(xiàn)e， Co) 和Mg2-xMxNi (Al， Ca) 比Mg2Ni的性能好。發(fā)展方向：機械合金化加TiFe和CaCu5球磨，或復合（加入Ni、Cu、Re等元素）。 機械合金化：納米晶Mg2Ni具有很好的動力學性能

7、，吸釋氫速度加快。 復合：Mg/MmNi5-x(Co,Al,Mn)x，Mg2Ni/MmNi5，Mg/FeTi等合金系 典型代表： LaNi5，荷蘭Philips實驗室首先研制。 特點： 活化容易； 平衡壓力低，滯后小； 抗雜質； 適合室溫操作； 成本高。采用混合稀土(La，Ce， Sm)Mm替代La可有效降低成本，但氫分解壓升高，滯后壓差大，給使用帶來困難。采用第三組分元素M(Al，Cu，F(xiàn)e，Mn, Ga，In，Sn，B，Pt，Pd，Co，Cr，Ag，Ir) 替代部分 Ni是改善LaNi5和MmNi5儲氫性能的重要方法。 鈦鐵系合金 典型代表：TiFe，美Brookhaven國家實驗室首先發(fā)

8、明。 特點： 價格低； 室溫下可逆貯放氫； 易被氧化； 活化困難； 抗雜質氣體中毒能力差。改進方法：以過渡金屬M（Co、Cr、Cu、Mn、Mo、Ni、Nb、V等）置換部分Fe，使合金活化性能改善，氫化物穩(wěn)定性增加。 鈦錳系合金 具有Laves相結構的金屬間化合物 原子間隙由四面體構成，間隙多，有利于氫原子的吸附 TiMn1.5 Ti0.9Zr0.1Mn1.4V0.2Cr0.42.3 貯氫合金的應用貯氫合金的應用領域很多，而且還在不斷發(fā)展之中，下面介紹應用的幾個主要方面。高容量貯氫容器、氫能汽車、分離、回收氫，制取高純度氫氣n 氫氣靜壓機通過平衡氫壓的變化而產(chǎn)生高壓氫氣的貯氫金屬，稱為氫氣靜壓機

9、。n 氫化物電極金屬氫化物鎳氫電池的基本化學過程是： 與Ni-Cd電池相比，Ni/MHx電池具有如下優(yōu)點： 比能量為Ni/Cd電池的1.52倍； 無重金屬Cd對人體的危害； 良好的耐過充、放電性能； 無記憶效應； 主要特性與Ni/Cd電池相近?？照{(diào)、熱泵及熱貯存 貯氫合金吸放氫時伴隨著巨大的熱效應，發(fā)生熱能化學能的相互轉換，這種反應的可逆性好，反應速度快，因而是一種持別有效的蓄熱和熱泵介質。加氫及脫氫反應催化劑 貯氫材料可用作加氫和脫氫反應的催化劑，如LaNi5、TiFe用作常溫常壓合成氨催化劑、電解水或燃料電池上的催化劑。它可降低電解水時的能耗，提高燃料電池的效率。溫度傳感器、控制器 貯氫材

10、料的氫平衡壓隨溫度升高而升高的效應可以用作溫度計。 貯氫材料的溫度壓力效應還可以用作機器人動力系統(tǒng)的激發(fā)器、控制格和動力源、抑制溫度的各種開關裝置。貯氫合金應用時存在的問題 貯氫能力低； 對氣體雜質的高敏感性； 初始活化困難； 氫化物在空氣中自燃； 反復吸釋氫時氫化物產(chǎn)生歧化。第三章 形狀記憶合金具有形狀記憶效應的材料形狀記憶材料形狀記憶效應(Shape Memory Effect ,簡稱SME)形狀記憶效應將材料在一定條件下進行一定限度以內(nèi)的變形后，再對材料施加適當?shù)耐饨鐥l件，材料的變形隨之消失而回復到變形前的形狀的現(xiàn)象。具有形狀記憶效應的金屬，通常是由2種以上的金屬元素構成的合金，故稱為形

11、狀記憶合金(Shape Memory Alloys，簡稱SMA)。 20世紀80年代先后在高分子聚合物、陶瓷材料、超導材料中發(fā)現(xiàn)形狀記憶效應。形狀記憶效應可分為3種類型：單向形狀記憶效應雙向形狀記憶效應全方位形狀記憶效應 單向形狀記憶效應材料在高溫下制成某種形狀，在低溫相時將其任意變形，再加熱時恢復為高溫相形狀，而重新冷卻時卻不能恢復低溫相時的形狀。 圖1 單向形狀記憶效應雙向形狀記憶效應加熱時恢復高溫相形狀，冷卻時恢復低溫相形狀，即通過溫度升降自發(fā)可逆地反復恢復高低溫相形狀的現(xiàn)象,稱為可逆形狀記憶效應。 圖2 雙向形狀記憶效應全方位形狀記憶效應當加熱時恢復高溫相形狀，冷卻時變?yōu)樾螤钕嗤∠?/p>

12、相反的高溫相形狀的現(xiàn)象。只能在富鎳的Ti- Ni合金中出現(xiàn)。 圖3 全方位形狀記憶效應3.1 形狀記憶原理3.1.1 熱彈性馬氏體相變大部分形狀記憶合金的形狀記憶機理是熱彈性馬氏體相變。普通的馬氏體相變是鋼的淬火強化方法。普通的馬氏體相變是鋼的淬火強化方法，即把鋼加熱到某個臨界溫度以上保溫一段時間，然后迅速冷卻，鋼轉變?yōu)橐环N馬氏體結構，并使鋼硬化。加熱時馬氏體分解為鐵素體和碳化物。鋼的馬氏體相變不可逆在某些合金中發(fā)現(xiàn)熱彈性馬氏體相變：馬氏體一旦生成可以隨著溫度降低繼續(xù)長大，當溫度回升時，長大的馬氏體又可以縮小，直至恢復到原來的母相狀態(tài)，即馬氏體隨著溫度的變化可以可逆地長大或縮小熱彈性馬氏體。

13、早期提出產(chǎn)生形狀記憶效應的條件是：（1）馬氏體相變是熱彈性的；（2）馬氏體點陣的不變切變是孿生，即亞結構為孿晶；（3）母相和馬氏體均為有序結構。圖7 形狀記憶效應機制示意圖圖8 形狀記憶合金晶體結構變化模型3.1.2 應力誘發(fā)馬氏體相變在Tc與Ms之間的某一溫度對合金施加外力也可引起馬氏體轉變。 由外部應力誘發(fā)產(chǎn)生的馬氏體相變稱為應力誘發(fā)馬氏體相變 (Stress-Induceed Martensite Transformation)。本質：應力作用使材料的MS點升高。圖9 應力誘發(fā)馬氏體相變概念圖3.1.3 超彈性（偽彈性）產(chǎn)生熱彈性馬氏體相變的形狀記憶合金，在Af溫度以上由于應力誘發(fā)產(chǎn)生的

14、馬氏體只在應力作用下才能穩(wěn)定地存在，應力一旦解除，立即產(chǎn)生逆相變，回到母相狀態(tài)，在應力作用下產(chǎn)生的宏觀變形也隨逆相變而完全消失。其中應力與應變的關系表現(xiàn)出明顯的非線性，這種非線性和相變密切相關，叫做相變偽彈性，即超彈性。 圖12 形狀記憶合金發(fā)生超彈性變形的應力應變曲線 (Af溫度以上加載） Ti-Ni系形狀記憶合金1、Ti-Ni系形狀記憶合金 優(yōu)點：記憶效應優(yōu)良、性能穩(wěn)定、生物相容性好 缺點：制造過程較復雜，價格高昂 Ti-Ni合金通過在1000左右固溶后，在400進行時效處理，再淬火得到馬氏體。(1) Ti-Ni系記憶合金中的基本相和相變在Ti-Ni二元合金系中有TiNi、Ti2Ni和Ti

15、3Ni三種金屬間化合物。TiNi合金中R相的特點u 母相與R相之間也是晶體學可逆的。u R相變的最大特點是重復持性穩(wěn)定，熱循環(huán)反復動作50萬次，其動作持性幾乎沒有任何變化。u R相變的另一重要持征是溫度滯后很小，只有1-2K。(2) 合金元素對Ti-Ni合金相變的影響在Ti-Ni合金基礎上，加入Nb、Cu、Fe、Al、Si、Mo、V、Cr、Mn、Co等元素，這些元素對合金的Ms點有明顯影響，也使As溫度降低，即使偽彈性向低溫發(fā)展。2、Cu系形狀記憶合金 主要由Cu-Zn和Cu-A1兩個二元系發(fā)展而來。通過第三元素可以有效地提高形狀記憶合金的相變溫度，發(fā)展了一系列的Cu-Zn-X(X= Al,

16、Ge, Si, Sn, Be, Ni)三元合金。3、Fe系形狀記憶合金 鐵基形狀記憶合金沒有發(fā)現(xiàn)具有偽彈性，應用前景最好的是FeMnSiCrNi系和FeMnCoTi 系，記憶性能較好的是FeNiCoTi系和FeMnSi系。目前研究主要集中在FeMnSi系合金上。 性能特點：價格較Ti-Ni系和Cu基系合金便宜，原料易得，可以采用現(xiàn)有的鋼鐵工藝進行冶煉和加工，強度高，剛性好，適用作結構材料，也可作特種用途材料，在應用方面具有明顯的競爭優(yōu)勢。形狀記憶特性比Ti-Ni合金差。高技術中的應用 ： 制造人造衛(wèi)星天線圖16 Ti-Ni形狀記憶合金制造的人造衛(wèi)星天線美國宇航局的月面天線計劃：在室溫下用形狀記

17、憶合金制成拋物面天線，然后把它揉成直徑5厘米以下的小團，放入阿波羅11號的艙內(nèi)，在月面上經(jīng)太陽光的照射加熱使它恢復到原來的拋物面形狀,從而能用空間有限的火箭艙運送體積龐大的天線。工程應用: 緊固件、連接件、密封墊、管件接頭等圖17 形狀記憶合金用作鉚釘?shù)墓ぷ髟韴D智能應用 形狀記憶合金是一種集感知和驅動雙重功能為一體的新型材料，可廣泛應用于各種自動調(diào)節(jié)和控制裝置，如各種智能、仿生機械。第四章 非晶態(tài)合金非晶態(tài)合金以極高速度使熔融狀態(tài)的合金冷卻，凝固后的合金結構呈玻璃態(tài)。俗稱“金屬玻璃”。4.1 非晶態(tài)合金的結構非晶態(tài)合金是物質從液態(tài)（或氣態(tài)）急速冷卻時，因來不及結晶而在室溫或低溫保留液態(tài)原子無

18、序排列的凝聚狀態(tài)，其原子不再呈長程有序、周期性和規(guī)則排列，而是處一種長程無序排列狀態(tài)。非晶態(tài)結構的基本特征：（1）原子排列短程有序，但長程無序；（2）熱力學不穩(wěn)定，存在向晶態(tài)轉化的趨勢，即原子趨于規(guī)則排列。非晶態(tài)結構模型：1. 微晶模型該模型認為非晶態(tài)材料由“晶?！狈浅＜毿〉奈⒕Я＝M成，這些晶粒只有幾埃到幾十埃。微晶內(nèi)的短程有序結構與晶態(tài)相同，但各個晶粒的取向是雜亂分布的，形成長程無序結構。2. 拓撲無序模型該模型認為非晶態(tài)結構的主要特征是原子排列的混亂和隨機性，強調(diào)結構的無序性，而把短程有序看作是無規(guī)則堆積時附帶產(chǎn)生的結果。無序密堆硬球模型隨機網(wǎng)絡模型非晶態(tài)形成條件：結構判據(jù):原子的幾何排列

19、、原子間的鍵合狀態(tài)、原子尺寸等動力學判據(jù):考慮冷速和結晶動力學之間的關系下圖：C曲線的左側為非晶態(tài)區(qū)，當純金屬或合金從熔化態(tài)快速冷卻時，只要能避開C曲線的鼻尖便可以形成非晶態(tài)。從圖中可以看出，不同成分的合金，形成非晶態(tài)的臨界冷卻速度是不同的，其可通過C曲線估算出來。圖3 純Ni, Au77.8Ge13.8Si8.4, Pd82Si18, Pd77.5Cu6Si16.5的C曲線第一類為類金屬元素（或弱金屬元素）與非金屬元素的組合。 類金屬元素主要是周期表中A、A、A元素，非金屬元素主要是A和A元素，它們能形成諸如氧化物、硫化物、硒化物、氟化物和氯化物等非晶態(tài)物質。第二類是類金屬元素和金屬元素的組

20、合，金屬元素則主要是過渡元素和貴金屬元素，例如形成Pd-Si、Co-P、Fe-C等非晶態(tài)材料。 第三類是金屬元素和金屬元素的組合，前者是A、B、B、B金屬，后者是貴金屬和稀土金屬，它們形成諸如Gd-Co、Nb-Ni、Zr-Pd、Ti-Be等非晶態(tài)材料。易獲得非晶態(tài)合金的共同特點：（1）組元之間有很強的相互作用；（2）成分范圍處于共晶成分附近；（3）液態(tài)的混合熱均為負值。力學性能（高強度、高硬度和高韌性）特點：強度和韌性兼具，一般的金屬這兩者是相互矛盾的，即強度高而韌性低，或與此相反。同時耐磨性也明顯地高于鋼鐵材料。應用：可制作輪胎、傳送帶、水泥制品及高壓管道的增強纖維、刀具、各種元器件等。軟磁

21、特性特點：所謂“軟磁特性”，就是指磁導率和飽和磁感應強度高，矯頑力和損耗低。非晶態(tài)中沒有晶粒，不存在磁各向異性，易磁化。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。應用：可作為變壓器材料、磁頭材料、磁屏蔽材料、磁致伸縮材料及磁泡材料等。耐蝕性能特點：耐蝕性遠優(yōu)于不銹鋼，因為其表面易形成薄而致密的鈍化膜；同時其結構均勻，沒有金屬晶體中經(jīng)常存在的晶粒、晶界、缺陷且不易產(chǎn)生引起電化學腐蝕的陰、陽兩極。目前研究較多的是鐵基、鎳基、鈷基非晶合金。應用：耐蝕管道、電池的電極、海底電纜屏蔽、磁分離介質及化工用的催化劑、污水處理系統(tǒng)中的零件等。第五章 磁性材料具有強磁性的材料稱為磁性材料。

22、磁性材料具有能量轉換，存儲或改變能量狀態(tài)的功能，是重要的功能材料。 磁性材料廣泛地應用于計算機、通訊、自動化、音像、電視、儀器和儀表、航空航天、農(nóng)業(yè)、生物與醫(yī)療等技術領域。1.磁矩磁矩m是表征磁性物體磁性大小的物理量，磁矩越大，磁性越強，即物體在磁場中受的力越大。電子繞原子核運動產(chǎn)生電子軌道磁矩；電子本身自旋，產(chǎn)生電子自旋磁矩。這兩種微觀磁矩是物質具有磁性的根源。2.磁化強度磁化強度M是單位體積的磁矩，表征物質被磁化的程度，與磁感應強度B和磁場強度H的關系為：其中：r=/0為介質的相對磁導率；=r-1定義為介質的磁化率，反映材料磁化的能力，無量綱，可正可負，取決于材料的不同磁性類別。3.磁滯回

23、線磁致回線是磁性材料的主要特性。Br稱為剩余磁感應強度， Bs稱為最大磁感應強度（飽和磁感應強度）， Hc為矯頑力。反向磁場使殘余磁感應強度變?yōu)榱銜r的磁場強度稱為矯頑力Hc。4.磁導率磁導率是表征磁介質磁化性能的一個物理量。對鐵磁體來說，磁導率很大，且隨外加磁性的強度而變化。磁導率越大越好，已成為鑒別磁性材料性能是否優(yōu)良的主要指標。5.最大磁能積（BH）max6.損耗系數(shù)和品質因數(shù)利用磁性材料制作線圈或變壓器磁芯時，希望磁芯內(nèi)的能量損耗小到盡可能忽略的程度。 損耗系數(shù)tg=R/2fL 品質因數(shù)為tg/，這是表征鐵氧體損耗大小的一個重要參數(shù)。磁性材料的分類：u 按化學組成分類 金屬磁性材料、非金

24、屬（鐵氧體）磁性材料 u 按磁化率大小分類 順磁性、反磁性、鐵磁性、反鐵磁性、亞鐵磁性u 按功能分類 軟磁材料、硬磁材料、半硬磁材料、矩磁材料、 旋磁材料、壓磁材料、 泡磁材料、磁光材料、磁記錄材料 5.1 軟磁材料v 定義：指矯頑力小、容易磁化和退磁的磁性材料 v 特點： 磁滯回線細而長 高磁導率 低矯頑力 容易磁化，也容易去磁v 常見軟磁材料的飽和磁感應強度Bs和最大磁導率mv 分類：金屬軟磁材料、軟磁鐵氧體v 常用的金屬軟磁材料 電工用純鐵 電工用硅鋼片 鐵鎳合金與鐵鋁合金 非晶態(tài)合金：鐵基、鈷基、鐵鎳基v 軟磁材料的用途：主要用于導磁，可用作變壓器、線圈、繼電器等電子元件的導磁體。電工

25、用純鐵v 含碳量極低、純度99.95%以上v 用途：鐵芯、磁極、磁路等v 性能：機械、磁性能v 影響性能的因素：結晶軸對磁化方向的取向、雜質、晶粒大小、金屬的塑性變形、內(nèi)應力v 改善性能措施v 工作環(huán)境及減少渦流損耗方法電工用硅鋼片v 分類：熱軋非織構(無取向)硅鋼片、冷軋非織構(無取向)硅鋼片、冷軋高斯織構(單取向)硅鋼片、冷軋立方織構(雙取向)硅鋼片v 用途：電機、發(fā)電機、變壓器、扼流圈、電磁機構、繼電器、測量儀表v 機械性能、磁性能的影響因素：硅含量、晶粒大小、結晶結構、有害雜質(硝，氧，氫)含量分布狀況以及鋼板厚度有關 v 高斯織構、立方織構硅鋼片性能鐵鎳合金v 成分：主要成分是鐵、鎳

26、、鉻、鉬、銅等元素 v 特性：在弱磁場及中等磁場下具有高的磁導率，低的飽和磁感應強度，很低的矯頑力，低的損耗。v 用途：廣泛用于電訊工業(yè)、儀表、電子計算機、控制系統(tǒng)等領域。v 鐵鎳合金相圖與不同成分合金的性能v 鐵鎳合金的分類及其特性：1J50、1J51、1J65、1J79、1J85鐵鋁合金v 鐵鋁合金成本低，應用范圍很廣。含鋁量在16以下時，便可以熱軋成板材或帶材；含鋁量在56以上時，合金冷軋較困難。v 鐵鋁合金特點： 電阻率高 高的硬度和耐磨性 比重小，可減輕鐵芯自重 對應力不敏感 時效：材料在使用時，隨時間及環(huán)境溫度的變化，磁性能發(fā)生變化 溫度穩(wěn)定性 非晶態(tài)合金v 鐵基非晶態(tài)軟磁合金：

27、特點：飽和磁感應強度高 、損耗低 缺點：磁致伸縮系數(shù)大 v 鈷基非晶態(tài)軟磁合金：飽和磁感應強度較低，磁導率高，矯頑力低，損耗小，磁致伸縮系數(shù)趨近于零v 鐵鎳基非晶態(tài)軟磁合金：性能基本上介于兩者之間 v 非晶態(tài)合金與晶態(tài)軟磁材料的比較：磁導率高，電阻大，損耗小5.2 硬磁材料(永磁材料)v 定義：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 v 評價永磁材料性能好壞的指標 剩余磁感應強度Br 矯頑力Hc 最大磁能積(BH)max 凸起系數(shù):(BH)max / BrHc v 退磁曲線: 永磁材料飽和磁滯回線第二象限部分v 永磁材料種類 鋁鎳鈷系硬磁合金 永磁鐵氧體材料 稀土永磁材料

28、可加工的永磁合金v 永磁材料用途：硬磁材料主要用來儲藏和供給磁能，作為磁場源。硬磁材料在電子工業(yè)中廣泛用于各種電聲器件、在微波技術的磁控管中亦有應用鋁鎳鈷系硬磁合金v 特點：鋁鎳鈷系永磁合金具有高的BH及高的Br，適中的Hc。(BH)max =4070kJ/m3，Br=0.71.35T，Hc4060kA/m。這類合金屬沉淀硬化型磁體。v 成型方法：有鑄造法和粉末燒結法兩種。v 成分：以Fe，Ni，A1為主要成分，通過加入Cu，Co，Ti等元素進一步提高合金性能v 鋁鎳鈷合金廣泛用于電機器件上，如發(fā)電機，電動機繼電器和磁電機；電子行業(yè)中的揚聲器，行波管，電話耳機和受話器等稀土永磁材料v 成分：稀

29、土元素(用R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v 研究與發(fā)展的4階段： 第一代是稀土鈷永磁材料RCo5型合金(1：5)型。 第二代稀土永磁合金為R2TM17型(2：17型，TM代表過渡族金屬)。 第三代為Nd-Fe-B合金 第四代主要是R-Fe-C系與R-Fe-N系。 鈷基稀土永磁體v SmCo5、PrCo5或(SmPr)Co5 結構：CaCu5型六方結構 矯頑力：來源于疇的成核和晶界處疇壁釘扎 性能：飽和磁化強度適中，磁晶各向異性極高。 降低成本：成分取代、制備方法v Sm2Co17 結構：六方晶體結構 矯頑力：沉淀粒子在疇壁的釘扎 性能：矯

30、頑力低, 剩余磁感應強度及飽和磁化強度高 鐵基稀土永磁體v Nd-Fe-B系永磁合金 特點：磁能積最大的永磁體 分類：燒結永磁材料和粘結永磁材料 性能：價格便宜，加工性能好，有利于實現(xiàn)磁性器件的輕量化、薄型化。 缺點：耐蝕性差，居里溫度低(312)，磁感應強 度溫度系數(shù)大，材料使用溫度低不超過(150) 改進措施F 調(diào)整合金成分取代元素和摻雜元素 F 制備工藝控制磁粉晶粒粒度、含氧量，提高定向度 v R-Fe-N系永磁合金：第四代稀土永磁材料。其中R通常為Sm或Nd，Er，Y。 特點：Sm2Fe17Nx的居里溫度可達746K，大大高于Nd-Fe-B的583K。 N以間隙原子形式溶入Sm2Fe1

31、7晶格，產(chǎn)生晶格畸變，磁化方向改變，具有單軸磁各向異性；磁晶各向異性場約為Nd2Fe14B的兩倍，理論磁能積與Nd2Fe14B相近。可加工的永磁合金v 在淬火態(tài)具有可塑性，可以進行各種機械加工。合金的矯頑力是通過塑性變形和時效(回火)硬化后得到的 v 四個主要系列 -鐵基合金 Fe-Mn-Ti及Fe-Co-V合金 銅基合金 Fe-Cr-Co永磁合金磁記錄材料v 磁記錄原理 3種記錄模式：水平(縱向)、垂直、雜化 磁記錄系統(tǒng)基本單元：換能器、存貯介質、傳送介質裝置以及相匹配的電子線路 磁記錄原理 3種信號類型：音頻信號、數(shù)字信號、調(diào)頻信號 兩種記錄方式：模擬、數(shù)字 磁記錄介質：磁帶、磁盤、磁鼓、

32、磁卡片 v 磁記錄材料 磁頭材料v 磁頭的基本結構 v 基本功能：寫入、讀出v 磁頭材料的基本性能要求：高的、高的Bs、低的Br和Hc、高的電阻率和耐磨性 v 磁頭材料種類：合金、鐵氧體、非晶態(tài)合金、 薄膜材料v 磁記錄介質材料 磁記錄介質的基本性能要求v Br高v Hc適當v 磁滯回線接近矩形，Hc附近的磁導率盡量高v 磁層均勻，厚度適當，記錄密度越高，磁層愈薄v 磁性粒子的尺寸均勻，呈單疇狀態(tài)v 磁致伸縮小，不產(chǎn)生明顯的加壓退磁效應v 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v 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集團v 磁記錄介質材料的種類 顆粒(磁粉)

33、涂布型介質：將磁粉與非磁性粘合劑等含少量添加劑形成的磁漿涂布于聚脂薄膜(滌綸)基體上制成。 連續(xù)薄膜型磁記錄介質：連續(xù)磁性薄膜無須采用粘合劑等非磁性物質，制備方法有兩種v 濕法，如電鍍和化學鍍v 干法，如濺射法、真空蒸鍍法及離子噴鍍法其他磁性材料v 超磁致伸縮材料v 巨磁電阻材料v 巨磁化強度材料v 磁光效應材料v 磁制冷材料第六章 納米材料u 納米(nm): 納米是長度單位，1nm=10-9m。 相當于萬分之一頭發(fā)的粗細.u 納米技術:在納米尺度上對物質和材料進行研究和處理的技術被稱為納米技術.u 納米材料:指尺寸在1100nm之間的超細微粒。u 納米材料科學：對介于團簇和亞微米級體系之間1

34、-100nm微小體系的制備及其特性的研究的一個分支學科。6.1 納米材料分類u 納米材料的結構零維材料（顆粒）、一維材料（纖維）、二維材料（薄膜）、三維材料（塊體）納米顆粒：也稱納米粉末,一般指粒度在100nm以下的粉末或顆粒，是一種介于原子、分子與宏觀物體之間處于中間物態(tài)的固體顆粒材料。 納米纖維：指直徑為納米尺度而長度較大的線狀材料。納米薄膜：納米膜分為顆粒膜與致密膜。顆粒膜是納米顆粒粘在一起，中間有極為細小的間隙的薄膜。致密膜指膜層致密但晶粒尺寸為納米級的薄膜。納米塊體：是將納米粉末高壓成型或控制金屬液體結晶而得到的納米晶粒材料。6.2 納米粒材料的特性u 四大特點：尺寸小、比表面積大、

35、表面能高、表面原子比例大。u 四大效應：表面效應、小尺寸效應、量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應。小尺寸效應隨著顆粒尺寸的量變，在一定條件下會引起顆粒性質的質變。由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質的變化稱為小尺寸效應。 v 量子尺寸效應當微粒納米尺寸降到某一值時，金屬費米能級附近的電子能級出現(xiàn)由準連續(xù)變?yōu)殡x散的現(xiàn)象。當能級間距大于熱能、磁能、電能或超導態(tài)的凝聚能時，納米微粒會呈現(xiàn)一系列與宏觀物體截然不同的反常特性，稱之為量子尺寸效應。v 宏觀量子隧道效應納米材料中的粒子具有穿過勢壘的能力叫隧道效應。宏觀物理量在量子相干器件中的隧道效應叫宏觀量子隧道效應。納米材料的性能力學性能、電學性質、磁學性質

36、、熱學性質、光學性質、化學性質v 力學性能超塑性超塑性從現(xiàn)象學上定義為，在一定應力拉伸時，產(chǎn)生極大的伸長量，其l/l100%。某些納米陶瓷材料具有超塑性，如氧化鋁和羥基磷灰石及復相陶瓷ZrO2/Al2O3等。研究表明，陶瓷材料出現(xiàn)超塑性的臨界顆粒尺寸范圍約200-500nm。 陶瓷材料超塑性的機制主要為極大的界面以及界面間原子排列混亂。 硬度和強度隨晶粒尺寸減小到納米量級，納米材料的強度和硬度提高。如：納米相Fe的晶粒尺寸由100nm減少到6nm時，硬度增加4-5倍。 模量納米氧化物材料的模量與燒結溫度有密切關系。未燒結的納米材料切變模量低于粗晶；經(jīng)燒結后，隨燒結溫度的升高，切變模量提高。這一

37、特點在納米金屬材料中尚未觀察到。 這主要是燒結前大體積分數(shù)的界面內(nèi)存在著不飽和鍵和懸鍵，從而導致界面的鍵結合弱；燒結后界面體積分數(shù)下降，不飽和鍵和懸鍵減少，因此鍵結合增強。v 電學性質1.電阻高于同類粗晶材料，比電阻隨溫度的上升而上升；2.隨顆粒尺寸減小，電阻溫度系數(shù)下降；當顆粒小于某一臨界尺寸時，電阻溫度系數(shù)可能由正變負；3.磁場中電阻顯著下降。磁學性質納米材料具有很高的磁化率和矯頑力，具有低飽和磁矩和低磁滯損耗。如20nm純鐵納米微粒的矯頑力是大塊鐵的1000倍。 超順磁性鐵磁性納米顆粒的尺寸減小到一定臨界值時，進入超順磁狀態(tài)。其原因是：在小尺寸下，當各向異性能減小到與熱運動能可比擬時，磁

38、化方向就不再固定在一個易磁化方向，易磁化方向作無規(guī)律的變化，結果導致超順磁性的出現(xiàn)。臨界值：-Fe：5nm Fe3O4:16nm -Fe3O4:20nm 磁熱效應在非磁或弱磁基體中包含很小的磁微粒，當其處于磁場時，微粒的磁旋方向會與磁場相匹配，因而增加磁有序性，降低了自旋系統(tǒng)的磁熵，若此過程是絕熱的，則樣品溫度升高。如：在1T磁場中,磁性納米材料的Gd3Ga3.25Fe1.75O12的磁熱效應在630K之間，超過此溫度范圍是最好的致冷劑。v 熱學性質1.比熱較大：納米金屬或合金的比熱比同類粗晶材料高出10%80%。2.熔點顯著降低3.燒結溫度顯著降低所謂燒結溫度是指把粉末先用高壓壓制成形，然后

39、在低于熔點的溫度下使這些粉末互相結合成塊，密度接近常規(guī)材料的最低加熱溫度。因此，在較低溫度下燒結就能達到致密化目的。4.非晶納米粒子的晶化溫度低5.熔點降低、燒結溫度降低、晶化溫度降低等熱學性質的顯著變化來源于納米材料的表（界）面效應。v 光學性質1.寬頻帶強吸收：大塊金屬具有不同的金屬光澤，表明它們對可見光中各種波長的光的反射和吸收能力不同。2.藍移現(xiàn)象納米顆粒的吸收帶通常發(fā)生藍移。例如，SiC納米顆粒的紅外吸收峰為814cm-1，而塊體SiC固體為794cm-1。吸收光譜藍移的原因：a.量子尺寸效應；b.表面效應。3.紅移現(xiàn)象有時候，當粒徑減小至納米級時，會觀察到光吸收帶相對粗晶材料的“紅

40、移”現(xiàn)象。例如，在2001400nm范圍，塊體NiO單晶有八個吸收帶，而在粒徑為5484nm的NiO材料中，有4個吸收帶發(fā)生藍移，有3個吸收帶發(fā)生紅移，有一個峰未出現(xiàn)。 通常認為，紅移和蘭移兩種因素共同發(fā)揮作用，結果視孰強而定。隨著粒徑的減小，量子尺寸效應導致蘭移；而顆粒內(nèi)部的內(nèi)應力的增加會導致能帶結構變化，電子波函數(shù)重疊加大，結果帶隙、能級間距變窄，從而引起紅移。v 化學性質比表面積大、界面原子數(shù)多、界面區(qū)原子擴散系數(shù)高、表面原子配位不飽和-納米材料具有較高的化學活性納米粒子的催化作用6.3 納米材料的應用由于納米微粒的表面效應、小尺寸效應、量子尺寸效應和宏觀量子隧道效應等使得它們在磁、光、電、敏感性等方面呈現(xiàn)常規(guī)材料不具備的特性。因此納米微粒在磁性材料、電子材料、光學材料、高