材料磁学性能材料科学基础.ppt

4-4 材料的磁学性能(magnetic properties),4-4-1 物质的磁性 物质的磁性来源于电子的运动以及原子、电子内部的永久磁矩。1、磁学基本量（1）磁矩m 表征磁性物体磁性大小的物理量。电子轨道磁矩（电子绕原子核运动）电子自旋磁矩（电子本身自旋）磁矩只与物体本身有关，与外磁场无关。任何一个封闭的电流都具有磁矩 方向：右手法则 大小：IS(即电流与封闭环形的面积乘积)单位:Am2,（2）磁化强度 A、磁化:对于一般磁介质，无外加磁场时，其内部各磁矩的取向不一，宏观无磁性；在外磁场作用下,各磁矩规则取向，使磁介质宏观呈磁性这就叫磁化 B、磁化强度:外磁场中物质被磁化的程度.MmV,物理意义：单位体积的磁矩 单位：Am-1（即与磁场强度H的单位一致）方向：由磁体内磁矩矢量和的方向决定 磁介质在外磁场中的磁化状态，主要由磁化强度M决定。磁化强度M可正、可负，由磁体内磁矩矢量和的方向决定，因而磁化了的磁介质内部的磁感应强度B可能大于，也可能小于磁介质不存在时真空中的磁感应强度B。,介质,（3）磁感应强度 真空 B。H。B 磁感强度（Wbm-2）(magnetic flux density)H 磁场强度（Am-1）(magnetic field strength)0 真空磁导率，4l0-7（Hm）(亨/米）,M:磁化强度,（4）磁化率(magnetic susceptibility)M=（r-1）H H,r=/0 为介质的相对磁导率=r 1 为介质的磁化率,仅与磁介质性质有关，它反映材料磁化的能力。没有单位，为一纯数。可正、可负，决定于材料的不同磁性类别。,2、磁性的本质（1）电子的磁矩(Magnetic moments)电子磁矩由电子的轨道磁矩和自旋磁矩组成。因为：电子的自旋磁矩 轨道磁矩 所以：物质的磁性主要是由自旋磁矩引起的，每个电子自旋磁矩的近似值等于一个波尔磁子B，B 是原子磁矩的单位（B 9.271024A.m2）孤立原子可以具有磁矩，也可以没有，这决定于原子的结构。具有“永久磁矩”：原子中有未被填满的电子壳层（自旋磁矩未抵消）如铁原子（1s22s22p63s23p63d64s2）,其总的电子自旋磁矩为4B。不具“永久磁矩”：原子各层都充满电子（电子自旋磁矩相互抵消）如锌(3d104s2)，具有各层都充满电子的原子结构，其电子磁矩相互抵消，因而不显磁性。,a/D 3时 交换能为正值，为铁磁性a/D 3时 交换能为负值，为反铁磁性 a/D 5时 交换能趋向零,（2）“交换”作用 铁具有很强的磁性，这种磁性称为铁磁性。铁磁性除与电子结构有关外，还决定于晶体结构。处于不同原子间的、未被填满壳层上的电子发生特殊的相互作用，这种相互作用称为“交换”作用。这是因为在晶体内，参与这种相互作用的电子已不再局限于原来的原子，而是“公有化”了，原子间好象在交换电子，故称为“交换”作用。由这种“交换”作用所产生的“交换能”J与晶格的原子间距有密切关系。当距离很大时，J接近于零，随着距离的减小，相互作用有所增加。J为正值，就呈现出铁磁性，J为负值，就呈现出反铁磁性。,a：原子间距D：未被填满的电子壳层直径,3、磁性的分类根据材料磁化率的分类（1）抗磁性(Ferrimagnetism)如：Cu，Ag，Au等 当磁化强度M为负时，固体就表现为抗磁性。抗磁性物质的孤立原子（离子）的磁矩应为0，即不存在永久磁矩。当抗磁性物质放入外磁场中，外磁场使电子轨道改变，感生出一个磁矩，其方向与外磁场方向相反，表现为抗磁性。在外磁场中，这类磁化了的介质内部，B小于真空中的B0 抗磁性物质的抗磁性一般很微弱，磁化率一般为-10-5 磁化率 0，相对磁导率r 1，磁感应强度B B0 周期表中前18个元素主要表现为抗磁性，这些元素构成了陶瓷材料中几乎所有的阴离子，如O2-、F-、Cl-、S2-等。,（2）顺磁性(Diamagnetism)顺磁性物质的主要特征是，不论外加磁场是否存在，原子内部存在永久磁矩。无外加磁场：由于顺磁物质的原子做无规则的热振动，宏观看来没有磁性；有外加磁场：每个原子磁矩比较规则地取向，物质显示极弱的磁性。磁化强度M与外磁场方向一致，M为正。磁化率很小，室温下约为10-5 顺磁性物质的磁性除了与磁场强度H有关外，还依赖于温度，其磁化率与绝对温度成反比：xC/T，C：居里常数。磁化率x0，相对磁导率r 1 一般含有奇数个电子的原子或分子，电子未填满壳层的原子或离子，如过渡元素、稀土元素、锕系元素等都属于顺磁物质。,（3）铁磁性(Ferromagnetism)抗磁和顺磁两种磁性物质，其磁化率绝对值都很小，因而属于弱磁性物质。强磁性物质，如 Fe，Co，Ni 室温下磁化率可达103 数量级。在较弱磁场内，铁磁性物质也可得到较高的磁化强度；而且当外磁场移去后，仍可保留极强的磁性；磁化率x0（而且很大），相对磁导率r 1 强磁性来源很强的内部交换场，交换能为正值，而且较大 居里点温度Tc：铁磁性只在某一温度以下才表现出来，超过 Tc，由于物质内部热骚动破坏电子自旋磁矩的平行取向，因而自发磁化强度变为0，铁磁性消失。Tc以上，材料表现为强顺磁性，其磁化率与温度的关系服从居里外斯定律：,C为居里常数,（4）亚铁磁体(Paramagnetism)类似铁磁体，磁化率x值没有铁磁体大。如：磁铁矿（Fe3O4）。晶体不同晶格内磁矩的反平行取向而导致的抵消作用不一，保留了剩余磁矩，表现出一定的铁磁性。（5）反铁磁性(Antiferromagnetism)由于“交换”作用力负值，电子自旋反向平行排列。在同一子晶格中有自发磁化强度，电子磁矩同向排列；在不同子晶格中，电子磁矩反向排列。整个晶体 M0。任何温度下，都不能观察到反铁磁性物质的任何自发磁化现象。,4-4-2 磁畴与磁滞回线(Domain and Hysteresis loop),1磁畴物质内部存在的自发磁化的小区域。磁畴结构形成的原因为保持自发磁化的稳定性，必须使强磁体的能量达最低值，因而分裂成无数微小的磁畴；各磁畴之间彼此取向不同，首尾相接，形成闭合磁路，对外不显磁性。磁畴壁：相邻磁畴间的过度层。有一定 厚度，一般10-5cm 铁磁体在很弱的外加磁场作用下能显示出强磁性，这是由于物质内部存在着自发磁化的小区域磁畴的缘故。铁磁体在外磁场中的磁化过程主要为畴壁的移动和磁畴内磁矩的转向。这一磁化过程使得铁磁体只需在很弱的外磁中就能得到较大的磁化强度。,闭合磁畴示意图,2磁滞回线铁磁材料的一个基本特征,(a):当无外施磁场，具有不同磁化方向的磁畴的磁矩大体可以互相抵消，样品对外不显磁性。(b):在外施磁场强度不太大时，畴壁发生移动，使与外磁场方向一致的磁畴范围扩大，其他方向的相应缩小。这种效应不能进行到底。(c):当外施磁场增至比较大时，与外磁场方向不一致的磁畴的磁化矢量会按外场方向转动。这样在每一个磁畴中，磁矩都向外磁场H方向排列，处于饱和状态。,磁化曲线(Hysteresis curve)C 点（处于饱和状态）此时，饱和磁感应强度Bs饱和磁化强度 Ms对应的外磁场Hs,C点过后，H再增加，B增加极其缓慢，磁化强度的微小提高主要是由于外磁场克服了部分热骚动能量，使磁畴内部各电子自旋方向逐渐都和外磁场方向一致造成的。,4-4-3 金属材料的磁学性能,1金属的抗磁性和顺磁性 电子轨道磁矩 电子自旋磁矩 原子核磁矩（很小）（1）正离子的抗磁性和顺磁性 去除自由电子后，剩余电子绕核运动 抗磁性：外磁场作用下，电子在轨道回路产生一个附加的感应电流，从而产生和外磁场方向相反的轨道磁矩 次电子层填满了电子的物质，才能表现出抗磁性效应,抗磁性来源于电子轨道运动，故可以说任何物质在外磁场作用下均应有抗磁性效应。但只有次电子层填满了电子的物质，抗磁性才能表现出来，否则抗磁性就被别的磁性掩盖了。,顺磁性：来源于原子的固有磁矩。即电子轨道磁矩和电子自旋磁矩的矢量和（又称本征磁矩）。条件：（1）具有奇数个电子的原子或点阵缺陷；（2）内壳层未被填满的原子或离子。过渡族金属（d壳层没有填满电子）和稀土族金属（f 壳层没有填满电子）单位体积内金属顺磁磁化率 居里定律：xMHn0Pm23kTCT顺磁性物质的磁化率是抗磁性物质磁化率的1103倍，所以在顺磁性物质中抗磁性被掩盖了。大多数金属都属于顺磁性物质，如室温下的稀土金属，过渡族金属的盐等。,（2）自由电子的顺磁性和抗磁性 顺磁性来源于电子的自旋磁矩 30NB2在外磁场作用下，自由电子的顺磁磁化率 x 2EF0 由量子电子理论得出的以上公式 N为单位体积中的自由电子数，B为自旋磁矩；EF0为电子具有的最高能量 抗磁性 自由电子在磁场方向的分运动保持不变，而在垂直于磁场方向的平面内的运动因受洛伦兹力而做圆周运动，这圆周运动产生的磁矩同外磁场方向相反，具有抗磁性。抗=-1/3 泡利,某些元素族的磁性分析,顺铁磁性,研究金属磁性一般要从前述四点来分析，哪一个因素影响最大，就决定了材料的磁性行为。,2、金属材料的铁磁性 在不很强的磁场作用下，就可得到很大的磁化强度 铁、钴、镍及其合金，以及稀土族元素钆 纯铁B0=10-6T时，其磁化强度M=104A/m,居里温度 高于某一温度后，饱和磁化强度Ms降低到零，表示铁磁性消失，材料变成顺磁性材料,它是决定材料磁性能温度稳定性的一个十分重要的物理量,4-4-4 无机非金属材料的磁学性能,磁性无机材料一般是含铁及其它元素的复合氧化物，通常称为铁氧体。见课本 p 376,4-4-5 高分子材料的磁学性能,1、高分子材料本身是非铁磁的。大多数体系为抗磁性材料。（因为无论分子是否具有永久磁矩，在磁场中都要产生一个与磁场方向相反的诱导磁矩，从而表现为抗磁性，其对磁化率的贡献为绝对值很小的负值。）2、顺磁性仅存在于两类有机物 含有过渡金属的 含有属于定域态或较少离域的未成对电子（不饱和键、自由基等）。电子本身（自旋）是一个磁偶极，从而使磁化率x为正，原子核自旋磁矩和分子转动磁矩的数值都很小，因而，材料的顺磁性主要来自于电子自旋磁矩。,