第八讲金属材料和磁性材料ppt课件.ppt

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1、作业： P289: 9.2, 9.6, 9.7, 9.9, 9.10, 9.12, 9.15, 9.17,金属材料 的使用与人类文明进程关系密切 磁性材料 关系电子、信息、通讯及生物等广泛领域,第八讲 金属材料和磁性材料,指南针 司马迁史记描述黄帝作战用 罗盘 宋朝朱或萍洲可谈12世纪 磁石 最早的著作De Magnete W.Gibert 18世纪 奥斯特 电流产生磁场 法拉弟效应 在磁场中运动导体产生电流 ,安培定 律构成电磁学的基础 ,电动机、发电机等开创现 代电气工业 1907年 P.Weiss的磁畴和分子场假设 1919年 巴克豪森效应 1928年 海森堡模型，用量子力学解释分子场起

2、源 1931年 Bitter在显微镜下直接观察到磁畴 1933年 加藤与武井发现含Co的永磁铁氧体,磁性与磁性材料的发展史,1935年 荷兰Snoek发明软磁铁氧体 1935年 Landau和Lifshitz考虑退磁场， 理论上预言了 磁畴结构 1946年 Bioembergen发现NMR效应 1948年 Neel建立亜铁磁理论 1954-1957年 RKKY相互作用的建立 1958年 Mssbauer效应的发现 1960年 非晶态物质的理论预言 1964年 Kondo effect 近藤效应 1965年 Mader和Nowick制备了CoP铁磁非晶态合金 1970年 SmCo5稀土永磁材料的

3、发现 1984年 NdFeB稀土永磁材料的发现 Sagawa(佐川) 1986年 高温超导体，Bednortz-muller 1988年 巨磁电阻GMR的发现, M.N.Baibich 1994年 CMR庞磁电阻的发现，Jin等LaCaMnO3 1995年 隧道磁电阻TMR的发现,T.Miyazaki,磁学是一门古老又年轻的学科。 磁学基础研究与应用的需求相互促进，在 国防和国民经济中起着重要作用。 磁学与其它学科交叉：信息、电气、交通、 生物、药物、天文、地质、能源、选矿等。 MEMS的发展不可避免的会使用各种类型 的磁性材料，而且是小尺寸复合型的材料。,8.1 钢铁,纯铁生铁钢 炼铁和炼钢

4、,第八讲 金属材料和磁性材料,钢铁的相组成和性能,第八讲 金属材料和磁性材料,奥氏体渗碳体马氏体石墨奥氏体 铁 的间隙固溶体铁素体 铁 的间隙固溶体渗碳体化合物Fe3C 马氏体 铁过饱和间隙固溶体,铁 bcc 铁 ccp铁 bcc,第八讲 金属材料和磁性材料,锰钢不锈钢我国特种钢生产研究状况,第八讲 金属材料和磁性材料,8.2 新型金属材料,传统金属材料：铁铝铜铅锌，等 特种金属： 钛钒铟钴钽锆铍钋铌，等 特种合金： 金属玻璃形状记忆合金高温合金 超导合金储氢合金，等,非晶态合金金属玻璃 亚稳态 形状记忆合金,第八讲 金属材料和磁性材料,第八讲 金属材料和磁性材料,8.3 配位场中金属原子的能

5、级和未成对电子数,分裂能0 和 电子成对能P 高自旋(HS) 和 低自旋(LS),第八讲 金属材料和磁性材料,低自旋态: 强晶场 d EW 洪德法则不再成立.晶场下电子轨道分裂，分裂能隙(d E)大于库仑相互作用(W)时，电子由最低能级开始填充,如果电子填充到与上一个能级之间的能隙大于库仑相互作用能(dEW)时，电子将以相反的自旋填充到最低能级，因而最低能级的电子轨道同时有两个自旋相反的电子占据，而能量高的电子轨道没有电子占据，称为低自旋态。,高自旋态： 弱晶场 dEW 洪德法则成立.晶场下电子轨道分裂, 分裂能 (d E)小于库仑相互作用(W)时，电子由最低能级开始填充，一直到最高能级，过半

6、满后，电子以相反的自旋填充到最低能级。称为高自旋态。,对同一种金属原子M，不同配体的场强不同，配体分 裂能的大小次序为：,对一定的配体，分裂能随M而异，其大小次序为：,第八讲 金属材料和磁性材料,第八讲 金属材料和磁性材料,第八讲 金属材料和磁性材料,第八讲 金属材料和磁性材料,球对称场,8.4 物质磁性的起源和分类,电磁 原子轨道或分子轨道上的电子运动/电荷运动 磁 晶格晶胞磁畴,第八讲 金属材料和磁性材料,在与外磁场相反的方向诱导出磁化强度的现象称为抗磁性。它出现在没有原子磁矩的材料中，其抗磁磁化率是负的，而且很小，c10-5。 产生的机理：外磁场穿过电子轨道时，引起的电磁感应使轨道电子加

7、速。根据楞次定律，由轨道电子的这种加速运动所引起的磁通，总是与外磁场变化相反，因而磁化率是负的。,抗磁性：,顺磁性物质的原子或离子具有一定的磁矩，这些原子磁矩耒源于未满的电子壳层(例如过渡族元素的3d壳层)。在顺磁性物质中，磁性原子或离子分开的很远，以致它们之间没有明显的相互作用，因而在没有外磁场时，由于热运动的作用，原子磁矩是无规混乱取向。当有外磁场作用时，原子磁矩有沿磁场方向取向的趋势，从而呈现出正的磁化率，其数量级为c=10-510-2。 顺磁物质的磁化率随温度的变化 (T)有两种类型: 第一类遵从居里定律： =C/T C称为居里常数 第二类遵从居里-外斯定律： =C/(T-Tp) Tp

8、称为顺磁居里温度,顺磁性,第八讲 金属材料和磁性材料,特例-分子的磁性与磁矩：,第八讲 金属材料和磁性材料,铁磁性,物质具有铁磁性的基本条件：(1)物质中的原子有磁矩；(2)原子磁矩之间有相互作用。实验事实：铁磁性物质在居里温度以上是顺磁性；居里温度以下原子磁矩间的相互作用能大于热振动能，显现铁磁性。,在反铁磁性中，近邻自旋反平行排列，它们的磁矩因而相互抵消。因此反铁磁体不产生自发磁化磁矩，显现微弱的磁性。反铁磁的相对磁化率的数值为10-5到10-2。与顺磁体不同的是 自旋结构的有序化。,当施加外磁场时，由于自旋间反平行耦合的作用，正负自旋转向磁场方向的转矩很小，因而磁化率比顺磁磁化率小。随着

9、温度升高，有序的自旋结构逐渐被破坏，磁化率增加，这与正常顺磁体的情况相反。然而在某个临界温度以上，自旋有序结构完全消失，反铁磁体变成通常的顺磁体。因而磁化率在临界温度(称奈耳温度Neel point)显示出一个尖锐的极大值。,反铁磁性,第八讲 金属材料和磁性材料,在亚铁磁体中，A和B次晶格由不同的磁性原子占据，而且有时由不同数目的原子占据，A和B位中的磁性原子成反平行耦合，反铁磁的自旋排列导致一个自旋未能完全抵消的自发磁化强度，这样的磁性称为亚铁磁性。1948年奈耳根据反铁磁性分子场理论，提出亚铁磁性分子场理论，用来分析尖晶石铁氧体的自发磁化强度及其与温度的关系。,亚铁磁性,第八讲 金属材料和磁性材料,第八讲 金属材料和磁性材料,第八讲 金属材料和磁性材料,8.5 磁性材料,磁性：内禀磁性饱和磁化强度 居里温度 奈耳温度 外禀磁性矫顽力 剩磁,矫顽力,最大磁能积,剩磁,永磁材料硬磁材料 合金钢铁氧体稀土合金,第八讲 金属材料和磁性材料,软磁材料 外磁场中易磁化易退磁的磁性材料，应用广泛,第八讲 金属材料和磁性材料,Fe-Si 合金：硅钢片（矽钢片）Fe-Ni 合金：坡莫合金铁氧体非晶软磁材料,磁信息材料和特种磁性材料 磁记录材料磁光材料磁致伸缩材料,