《功能材料介绍》PPT课件.ppt

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1、走近科技第二讲 功能材料 Functional Materials,郝长中2010 年 5 月,目 录,概述电功能材料导电材料的分类半导体材料超导材料电接点（触头）材料磁功能材料概念软磁材料硬磁材料磁致伸缩材料,光功能材料概念软磁材料硬磁材料磁致伸缩材料点（触头）材料热功能材料膨胀材料形状记忆材料测温材料声功能材料声吸收基本原理常用吸声材料,一、概述,1、21世纪的时代特征 1)人口、资源(能源)、环境（生态）三大 压力；2)信息与经济的全球一体化；3)知识经济时代意味着科学技术与教育将 受到更高的重视；4)国防与战争仍是促进科学技术发展的动 力；,5)人类社会在发生巨大变化寿命延长(器官更换

2、，生物工程)生活水平提高(加速资源消耗)交往频繁(信息网络、交通运输)6)人的质量是社会进步的决定性因素（教育将受到重大重视，创新环境十分重要）,2、功能材料的定义 材料科学是研究材料的组织结构、性质、生产流程和使用效能，以及它们之间相互关系的科学。材料科学是多学科交叉、与工程技术密不可分的应用科学。材料是人类用来制造机器、构件、器件和其他产品的物质。但并不是所有物质都可称为材料，如燃料和化工原料、工业化学品、食物和药品等，一般都不算作材料。,材料可按多种方法进行分类。按化学状态分为金属材料、无机物非金属材料、陶瓷材料、有机材料和高分子材料；按物理性质分为高强度材料、耐高温材料、超硬材料、导电

3、材料、半导体材料、超导材料、绝缘材料、磁性材料和透光材料；按物理效应分为压电材料、热电材料、铁电材料、光电材料、电光材料、声光材料、磁光材料和激光材料；按用途分为建筑材料、结构材料、研磨材料、耐火材料、耐酸材料、电工材料、电子材料、光学材料、感光材料、能源材料、生物材料和包装材料；,按组成分为单组分材料和复合材料；实际应用中又常分为结构材料和功能材料。,结构材料是以力学性质为基础，用以制造以受力为主的构件。结构材料也有物理性质或化学性质的要求，如光泽、热导率、抗辐照能力、抗氧化、抗腐蚀能力等，根据材料用途不同，对性能的要求也不一样。,功能材料主要是利用物质的物理、化学性质或生物现象等对外界变化

4、产生的不同反应而制成的一类材料。功能材料以特殊的电、磁、声、光、热、力、化学及生物学等性能作为主要性能指标，是用于非结构目的高技术材料。1965年由美国贝尔实验室的J.A.Morton博士首先提出功能材料概念。,3、功能材料的分类 功能材料种类繁多，涉及面广，有多种分类方法。目前主要是根据材料的化学组成、应用领域、使用性能进行分类。,4、功能材料的现状,近年来，功能材料迅速发展，已有10万多品种，现已开发的以物理功能材料最多，主要有：1）单功能材料，如：导电材料、介电材料、铁电材料、磁性材料、磁信息材料、发热材料、热控材料、光学材料、激光材料、红外材料等。2）功能转换材料，如：压电材料、光电材

5、料、热电 材料、磁光材料、声光材料、电流变材料、磁敏 材料、磁致伸缩材料、电色材料等。,3）多功能材料，如防振降噪材料、三防材料（防热、防激光和防核）、电磁材料等。4）复合和综合功能材料，如：形状记忆材料、隐身材料、传感材料、智能材料、显示材料、分离功能材料、环境材料、电磁屏蔽材料等。5）新形态和新概念功能材料，如：液晶材料、梯度材料、纳米材料、非平衡材料等。,目前，化学和生物功能材料的种类虽少，但发展速度很快，其功能也更多样化。,二、电功能材料,电功能材料是以特殊的电学性能或各种电效应作为主要性能指标的一类材料。,半导体材料,超导材料,电接点（触头）材料,（一）导电材料的分类 按照导电机理分

6、为两大类：电子导电材料和离子导电材料。离子导电材料的导电机理源于离子的运动，由于离子的运动速度远小于电子的运动速度，因此其电导率较小，目前最高不超过102 S/m，一般在100 S/m以下。,电导率 S/m,绝缘体,半导体,导体,超导体：,1、电子导电材料电子导电材料又分为导体、超导体和半导体。,导体电阻率公式：,i取决于晶格缺陷的多少，缺陷越多，i越大，一般与温度无关；T取决于晶格的热振动。,电阻率随着温度升高而升高，这是导体的一个特征。,2、导体材料的种类 导体材料按照化学成分主要有以下三种：1）金属材料。电导率在107108 S/m之间；银（6.63 107 S/m）、铜（5.85 10

7、7 S/m）和铝（3.45 107 S/m）2）合金材料。电导率在105107 S/m之间；黄铜（1.60 107 S/m）、镍铬合金（9.30 105S/m）3）无机非金属材料。电导率在105108 S/m之间。石墨在基晶方向为2.5106 S/m。,3、导体材料的应用 金属导体材料主要用作：电缆材料、电机材料、导电引线材料、导体布线材料、辐射屏蔽材料、电池材料、开关材料、传感器材料、信息传输材料、释放静电材料和接点材料等，还可以作成各种金属填充材料和金属复合材料。合金导体材料主要用作电阻材料和热电偶材料，如铂铑-铂热电偶等。非金属导体材料主要用作耐腐蚀导体和导电填料。,（二）半导体材料1、

8、基本概念 导电性能介于金属和绝缘体之间；（10-7104）具有负的电阻温度系数。（导体具有正的电阻温度系数）2、半导体的能带结构 当大量原子结合成晶体时（如，1019个原子大约可形成1mm3的晶体），由于相邻原子电子云相互交叠，对应于孤立原子中的每一能级都将分裂成有一定能量宽度的能带。,带隙 Band Gap,能带之间的区域,禁带 Forbidden Band,带隙不存在电子的能级,价带 Valence Band,对应价电子能级的能带,空带Empty Gap：价带上面的能带,导带Conduction Band：最靠近价带的空带,满带Filled Band：价带被电子填满,导体的能带中都有末被填

9、满的价带，在外电场的作用下，电子可由价带跃迁到导带，从而形成电流。绝缘体的能带结构是满带与导带之间被一个较宽的禁带所隔开，在常温下几乎很少有电子可以被激发越过禁带，因此其电导率很低。,半导体能带结构下面是价带，其价带是充满了电子，因此是一个满价带。上面是导带，而导带是空的。满价带和空导带之间是禁带，其禁带宽度比较窄，一般在1ev左右。价带中的电子受能量激发后，如果激发能大于Eg，电子可以从价带跃迁到导带上，同时在价带中留下一个空的能级位置-空穴。,3、半导体的导电机理,半导体价带中的电子受激发后从满价带跃到空导带中，跃迁电子可在导带中自由运动，传导电子的负电荷。同时，在满价带中留下空穴，空穴带

10、正电荷，在价带中空穴可按电子运动相反的方向运动而传导正电荷。因此，半导体的导电来源于电子和空穴的运动，电子和空穴都是半导体中导电的载流子。,4、典型半导体材料,1）元素半导体,高纯度、无缺陷的元素半导体。杂质浓度小于10-9,在本征半导体中有意加入少量的杂质元素，以控制电导率，形成杂质半导体。,本征半导体广泛研究的元素是Si、Ge和金刚石。金刚石可看作是碳元素半导体，它的性质是1952年由Guster发现的。除了硅、锗、金刚石外，其余的半导体元素一般不单独使用。因为本征半导体单位体积内载流子数目比较少，需要在高温下工作电导率才大，故应用不多。,A.本征半导体,B.杂质半导体,利用将杂质元素掺入

11、纯元素中，把电子从杂质能级（带）激发到导带上或者把电子从价带激发到杂质能级上，从而在价带中产生空穴的激发叫非本征激发或杂质激发。这种半导体叫杂质半导体。杂质半导体本身也存在本征激发，一般杂质半导体中掺杂杂质的浓度很低，如十亿分之一就可达到目的。,掺杂原子的价电子多于纯元素的价电子，又称施主型半导体,掺杂原子的价电子少于纯元素的价电子，又称受主型半导体,n型半导体（电子型，施主型）A族元素（C、Si、Ge、Sn）中掺入以VA族元素（P、As、Sb、Bi）后，造成掺杂元素的价电子多于纯元素的价电子，其导电机理是电子导电占主导，这类半导体是n型半导体。p型半导体（空穴型，受主型）A族元素（C、Si、

12、Ge、Sn）中掺入以A族元素（如B）时，掺杂元素的价电子少于纯元素的价电子，它们的原子间生成共价键以后，还缺一个电子，而在价带其中产生空穴。以空穴导电为主，掺杂元素是电子受主，这类半导体是p型半导体。,杂质半导体的能带结构N型半导体逾量电子处于施主能级，施主能级与导带底能级之差Ed远小于禁带宽度Eg（相差近三个数量级）。因此，杂质电子比本征激发更容易激发到导带。例如Si掺杂十亿分之一As时，其Eg为1.610-19 J，Ed为6.410-21 J。Ge掺杂十亿分之一Sb时，其Eg为1.1510-19 J，Ed为1.610-21 J。,P型半导体逾量空穴处于受主能级。由于受主能级与价带顶端的能隙

13、Ea远小于禁带宽度Eg，价带上的电子很容易激发到受主能级上，在价带形成空穴导电。,2）化合物半导体,二元化合物：GaAs（砷化镓）、CdS镉、SiC、GeS锗、AsSe3硒等。三元化合物：AgGeTe2、AgAsSe2、CuCdSnTe4等（碲）,GaAs,制备,发光二极管,隧道二极管,主要化合物半导体及其用途,3）固溶体半导体,由两种或多种元素或化合物互溶而成的。二元系固溶体半导体：Bi-Sb三元系固溶体半导体：（碲镉汞）Hg1-xCdxTe（镓砷磷）GeAs1-xPx,最重要的红外探测器材料,用于高速响应器件、光通信等,5、半导体材料的应用,1）半导体材料在集成电路上的应用：初期用锗单晶制

14、造二极管和三极管，现在以硅单晶为基材的集成电路在电子器件中占主导地位。化合物半导体砷化镓用于微波、超高频晶体管等；2）半导体在光电子器件、微波器件和电声耦合器上的应用：发光管、激光器、光电池、光集成等；3）半导体材料用于制造半导体传感器。,4）显示材料 液晶显示(LCD)材料(1968年发明)为21世纪上半叶主要显示材料发光二级管（LED）如下表。表 LED 发光材料及可见光区,6、以硅为基础的微电子技术仍占十分重要位置 芯片特征尺寸以每三年缩小一倍计,到2010年可能到极限(0.07m)（量子效应、磁场及热效应、制作困难、投资大）。但不同档次的硅芯片在21世纪仍大量存在，并将有所发展。,*在

15、绝缘衬底上的硅（SOI，SiOn Insulator):功能低、低漏电、集成度高、高速度、工艺简单等。SOI器件用于便携式通信系统，既耐高温又抗辐照。*集成系统（IS，Integrated System)：在单个芯片上完成整系统的功能，集处理器、存储器直到器件设计于一个芯片(System on a Chip)。*集成电路的总发展趋势：高集成度、微型化、高速度、低功耗、高灵敏度、低噪声、高可靠、长寿命、多功能。为了达到上述目标，有赖于外延技术（VPE，LPE，MOCVD 及 MBE）的发展，同时对硅单晶的要求也愈来愈高。表1为集成电路的发展对材料质量的要求。,表 集成电路发展对材料质量的要求,7

16、、第二代半导体材料是-族化合物,GaAs 电子迁移率是Si的6倍（高速），禁带宽（高温）广泛用于高速、高频、大功率、低噪音、耐高温、抗辐射器件。GaAs用于集成电路其处理容量大100倍，能力强10倍，抗辐射能力强2个量级，是携带电话的主要材料。InP 的性能比 GaAs 性能更优越，用于光纤通讯、微波、毫米波器件。,8、第三代半导体材料是禁带更宽的SiC、GaN 及金刚石。9、下一代集成电路的探索 光集成 原子操纵,（三）超导材料,1、超导材料定义 超导电现象：材料的电阻随温度降低而减小并最终出现零电阻的现象。超导体：低于某一温度出现超导电性的物质。1911年Onnes H K在研究极低温度下

17、金属导电性时发现，当温度降到4.2K时，汞的电阻率突然降低到接近于零。这种现象称为汞的超导现象。现已发现了上千种超导材料。,低温（液氦温度）超导已产业化，价格问题 高温（液氮温度）超导已发现30多种 YBaCuO，Je10 5 A/cm2 薄膜,块体(Bi,Pb)Sr Ca Cu O(B1 2223/Ag)带丝线材生产稳定，质量均一性未能解决。探索高温超导，及高温超导机理问题 趋导失超后的安全问题,2、超导体的基本特性,1）完全导电性（零电阻）File和Mills利用精确核磁共振方法测量超导电流产生的磁场，来研究螺线管内超导电流的衰变，得出的结论是超导电流的衰变时间不短于10万年。2）完全抗磁

18、性 处于超导状态的金属，不管其经历如何，磁感应强度B始终为零。这一现象为迈斯纳（Meissner）1933年发现，称为迈斯纳效应。,磁力线不能进入超导体内部,3）临界温度（Tc）、临界磁场（Hc）、临界电流JC是约束超导现象的三大临界条件。,当温度超过临界温度时，超导态就消失；同时，当超过临界电流或者临界磁场时，超导态也会消失，三者具有明显的相关性。只有当上述三个条件均满足超导材料本身的临界值时，才能发生超导现象（由Tc、Hc，Jc形成的闭合曲面内为超导态）。,4）约瑟夫森（B D Josephson）效应（承担超导电的 超导电子还可以穿越极薄绝缘体势垒）,经典力学中，若两个区域被一个势垒隔开

19、，则只有粒子具有足够的能量时，其才会从一个区域进入另一个区域。量子力学中，粒子具有足够的能力不再是一个必要条件，一个能量不太高的粒子也可能会以一定的概率“穿过”势垒，即所谓的“隧道效应”。（约瑟夫森语言并被后人证实）,3、超导体的种类（按迈斯纳效应分）,按照迈斯纳（Meissner）效应分类：第一类超导体和第二类超导体,1）第一类超导体（软超导体）当H HC 时，BH第一类超导体只有一个临界磁场，即HC 只有一个特征值。除钒、铌、钌外，元素超导体都是第一类超导体,2）第二类超导体（硬超导体）当H HC2 时，BH。,钒、铌以及大多数合金或化合物超导体均属于第二类。,4、超导体的种类（按组成分类

20、）,元素超导体合金超导体金属间化合物超导体陶瓷超导体高分子超导体,在低温常压下，具有超导特性的化学元素共有26种，由于临界温度太低，无太大实用价值,Nb的Tc最高，仅为9.26K,1）元素超导体,2）合金超导体 合金超导体是机械强度最高、应力应变较小、磁场强度低、临界电流密度高的超导体，在早期得到实际应用。超导合金主要有Ti-V、Nb-Zr、Mo-Zr、Nb-Ti等合金系，其中Ge-Nb3的临界温度最高（23.2K）。3）金属间化合物超导体 金属间化合物超导体的临界温度与临界磁场一般比合金超导体的高，但此类超导体的脆性大，不易直接加工成带材或线材。,1986年发现了陶瓷超导体，使超导材料获得了

21、更高的临界温度，如YBaCuO（Tc90K）、TiBaCaCuO（Tc120K）等。最大缺点为脆性大，加工困难。高温超导材料：Tc77K（液N温度）,4）陶瓷金超导体,5）高分子超导体,高分子材料通常为绝缘体，但在数亿帕气压作用下也可以转变成为超导体。如：四硫富瓦稀四腈代对苯醌二甲烷目前高分子超导体的最高临界温度仅仅达到10K。,5、超导材料的应用,超导的应用，基本上可以分为强电强磁和弱电弱磁两大类。1）超导强电强磁应用 主要基于超导体的零电阻特性和完全抗磁性以及非理想第二类超导体所特有的高临界电流密度和高临界磁场。主要应用在电力方面如超导电缆、超导磁体（如超导磁悬浮列车）、巨大环形超导磁体、

22、超导磁分离等。,2）超导弱电弱磁的应用 基于Josephson效应为基础，建立极灵敏的电子测量装置为目标的超导电子学，发展了低温电子学。如超导量子干涉器件是一种高灵敏度的测量装置，主要功能是测量磁场。它可以在电工仪表、医学、生物、资源开发、环境保护、固体材料、地球物理等领域应用。,电力输送与储存目前有大约30%的电能损耗在输电线路上，采用超导体输电，可大大减少损耗，且省去了变压器和变电所。使用巨大的超导线圈，经供电励磁产生磁场而储存能量。超导磁储能系统所存能量几乎可以无损耗的储存下去，其转换率可高达95%。,3）超导材料的应用实例,磁悬浮列车,时速 400 500km.,超导计算机,速度是计算

23、机永远追求的主题,（四）电接点（触头）材料,电接点是建立和解除电接触的导电构件，广泛应用于电力系统、电器装置，仪器仪表、电信和电子设备。按电负荷的大小，电接点分为：强电、中电和弱电。,1、强电接点材料,电负荷大，要求电接点材料：接触电阻低、耐电蚀、耐磨损、高的耐电压强度、良好的来电弧能力，一定的机械强度。一般采用合金材料。,空气开关接点材料 银系合金：Ag-CdO、Ag-Fe、Ag-W、Ag-石墨等。铜系合金 如：Cu-W、Cu-石墨真空开关接点材料 Cu-Bi-Ce、Cu-Fe-Ni-Co-Bi、W-Cu-Bi-Zr合金等,2、弱电接点材料,弱电接点电负荷及机械负荷都很小，要求接点材料有极好

24、的导电性、极高的化学稳定性、良好的抗电火花烧损性和耐磨性。大多用贵金属合金材料。常用的弱电接点材料有：Au系（金）、Ag系（银）Pt系（铂）、Pd系（钯）,3、复合接点材料,通过合理工艺将贵金属接点材料与非贵金属基体材料结合在一起，国外90%以上的弱电接点采用复合接点材料。,三、磁功能材料（一）基本概念 磁性是物质的基本属性之一。一切物质都具有磁性。但磁性材料通常是指那些在实际工程意义上具有较强磁性的材料。磁性材料是电子工业的重要基础功能材料，广泛应用于计算机、电子器件、通讯、汽车和航空航天等工业领域，随着世界经济和科学技术的迅猛发展，磁性材料的需求将空前广阔。当前我国磁性材料的发展居世界之首

25、，已经成为世界上永磁材料生产量最大的国家。,“磁”来源于电。一个环形电流在其运动中心产生的磁矩为P=is，i为电流强度，s为环形回路所包围的面积。原子内的电子做循轨运动和自旋运动，这必然产生磁矩，产生的磁矩分别称为轨道磁矩P1和自旋磁矩Ps。原子核虽然也产生磁矩，但它的值比电子磁矩小三个数量级，一般情况下可忽略不计。故原子磁矩的产生是电子的循轨运动与电子自旋这二者组合的结果。,磁场强度（H）：指空间某处磁场的大小，单位：安/米；磁化强度（M）：物质的磁性来源于内部的磁矩，只有当内部磁矩同向有序排列时才对外显示强磁性。单位体积内磁矩矢量和称为M，单位：安/米；磁感应强度（B）：物质在外磁场作用下

26、，其内部原子磁矩的有序排列还将产生一个附加磁场。在磁性材料内部外加磁场与附加磁场的和，称为磁感应强度。B=0(H+M)，0是一个系数，叫做真空磁导率。磁感应强度又称为磁通密度，单位是特斯拉（T）；,磁导率（）：=B/H，是磁化曲线上任意一点上B和H的比值。导磁率实际上代表了磁性材料被磁化的容易程度，或者说是材料对外部磁场的灵敏程度；磁化率（）：磁化强度与磁场强度的比值，=M/H。,磁滞回线,在外加磁场的作用下磁体会被磁化，磁体内部的磁感应强度B随外磁场H的变化是非线性的，当H减少为零时，B并未回到零值，出现剩磁Br。磁感应强度滞后于磁场强度变化的性质称为磁滞性。右图为磁性物质的磁滞曲线；,要使

27、剩磁消失，通常需进行反向磁化。将 B=0时的H值称为矫顽磁力Hc；Br称为剩余磁感应强度，Bs称为最大磁感应强度（饱和磁感应强度）。,根据滞回曲线和磁化曲线的不同，磁性材料分成三类：,(1)软磁材料其矫顽磁力较小，磁滞回线较窄。(铁心),(2)硬磁材料其矫顽磁力较大，磁滞回线较宽。(磁铁),(3)矩磁材料其剩磁大而矫顽磁力小，磁滞回线为矩形。(记忆元件),（二）软磁材料,1、定义 指在外磁场作用下，很容易磁化，去掉外磁场时又很容易去磁的磁性材料。,2、软磁材料的特性高的磁导率和磁感应强度；矫顽力和磁滞损耗低；（矫顽力一般小于1kA/m）电阻率较高，反复磁化和退磁时产生的涡流损耗小。,3、典型软

28、磁材料及其应用,常用的软磁材料有：电工纯铁、硅钢片、铁铝合金、镍铁合金、铁氧体软磁材料等。,1）电工用纯铁,电工用纯铁是一种含碳量低，wFe99.95的软钢。它在平炉中进行冶炼时，用氧化渣除去碳、硅、锰等元素，再用还原渣除去磷和硫，出钢时在钢包中加入脱氧剂而得。电工用纯铁具有高的饱和磁感应强度、高的磁导率、较小的矫顽力、良好的冷加工性能，且成本低廉。缺点是电阻小，铁损大，只适用于直流情况。主要用于制造电磁铁的铁心和磁极，继电器的磁路和各种零件，电话中的振动膜等。,2）硅钢片（硅铁合金）,在电工用纯铁中加入0.54.5的硅，使之形成固溶体，可以提高材料电阻率，减少涡流损耗，这种材料称为硅铁合金，

29、或者称电工用硅钢片。硅铁合金属于高饱和材料，主要用于各种形式的发电机、电动机和变压器中。wSi3的Si-Fe合金片由于其饱和磁通密度高，是电力变压器和配电变压器中大量采用的材料。硅钢片是最重量要的软磁材料（全世界650万吨）,纯铁中加入硅后，材料的物理性能发生如下变化：1）铁的热导率在加入硅后剧烈的降低。2）随着硅含量的增加到5，硅铁合金的电阻率急剧上升。当wSi=0.255，电阻率与含硅量的关系如下：13.25+11.30wSi 3）随着含硅量的增加，比重几乎是直线的降低。d7.8740-0.062wSi,3）镍铁合金,镍铁合金主要是含镍量为34-80的Fi-Ni合金，通常称坡莫合金。镍铁合

30、金有很高的起始磁导率和最大磁导率。镍铁合金广泛应用在电讯工业、仪表、电子计算机、控制系统等领域中。,4）软磁铁氧体,铁氧体是氧离子和金属离子组成的尖晶石结构的氧化物，是以Fe2O3为主要成分的复相氧化物。根据磁滞回线特征，可分为软磁、硬磁和矩磁铁氧体。软磁铁氧体是铁氧体材料中的一种，是一种容易磁化和退磁的铁氧体。其特点是起始的磁导率高，矫顽力小，损耗小，使用频率可达高频、超高频范围。常用的软磁铁氧体有镍锌铁氧体和锰锌铁氧体软磁铁氧体广泛应用于录音、录像记录磁头，变压器磁心等。利用软磁铁氧体的磁导率或饱和磁感应强度在居里温度附件的激烈变化，还可以制成热敏器件等。,（三）硬磁材料1、基本概念,硬磁

31、材料是具有很强的抗退磁能力和高的剩余磁感应强度的强磁性材料，又称永磁材料。硬磁材料一旦经外加磁场饱和强化后，如果撤去外加磁场，在磁铁两个磁极之间的空隙便可产生恒定磁场，对外界提供有用的磁能。,硬磁材料的磁滞回线又宽又高，有较大的矫顽力，典型只为104106A/m。硬磁材料抗干扰性好，对温度、振动、时间、辐射及其它因素的干扰不敏感。典型的硬磁材料主要包括铝镍钴系永磁、铁氧体永磁和稀土系永磁。,2、铝镍钴系永磁,铝镍钴系永磁主要有Fe及Al、Ni、Co组成，有良好的磁特性和热稳定性，剩余磁感应强度高，磁能积大，矫顽力适中，但硬而脆，难以加工，主要用铸造和粉末烧结两种方法成形。,3、硬磁铁氧体,硬磁

32、铁氧体包括钡铁氧体BaFe12O19，锶铁氧体SrFe12O19。它具有剩余磁通量小，矫顽力大，电阻率大，密度小，重量轻、温度系数大，制造工艺简单等优点，是硬磁材料中价格最低、用量最大的一类磁铁。,4、稀土硬磁材料,稀土硬磁合金包括稀土钴和稀土铁系金属间化合物，为硬磁材料中性能最高的一类。其中最著名的是钕铁硼永磁合金，号称磁王，具有其它永磁材料所不及的高矫顽力和最大磁能积，而且体积小、重量轻、效率高、成本较低等特点。不含战略物质Co和Ni，它能吸起相当于自重640倍的重物，而铁氧体只能吸起自重的120倍。如一台核磁共振成像仪需用铁氧体永磁材料100t，而改用钕铁硼永磁后，仅需10t。,（四）磁

33、致伸缩材料,1、磁致伸缩效应 磁性材料在外磁场作用下，产生伸长或缩短的现象为磁致伸缩效应。,为磁致伸缩系数，常用磁致伸缩材料室温下的饱和磁致伸缩系数为10-810-6,Fe 随磁场强度的增大而伸长,Ni 随磁场强度的增大而缩短,2、磁致收缩的各种变形模式,3、常用磁致伸缩材料,4、磁致伸缩材料的应用,在磁（电）-声换能器中的应用声纳、超声换能器、扬声器等在磁(电)-机械致动器中的应用精密流体控制、超精密加工、超精密定位、机器人、精密阀门、微马达以及振动控制等工程领域。传感器敏感元件,超磁致伸缩材料除用于驱动之外，利用其磁致伸缩效应或逆效应还可以制作检测磁场、电流、应变、位移、扭矩、压力和加速度

34、等的传感器敏感元件。磁致伸缩液位传感器，可实现对液位的高精度计量,其测量分辨率高于0.11 mm。,四、光功能材料optical function materials在外场（电、光、磁、热、声、力等）作用下，利用材料本身光学性质（如折射率或感应电极化）发生变化的原理，去实现对入射光信号的探测、调制以及能量或频率转换作用的光学材料的统称。按照具体作用机理或应用目的之不同，尚可把光功能材料进一步区分为电光材料、磁光材料、弹光材料、声光材料、热光材料、非线性光学材料以及激光材料等多种。,1、电光材料 电光材料通常是指折射率在外界电场（直流或交变场）作用下发生感应双折射式变化的材料；其作用原理一种是基

35、于线性电光效应（泡克耳斯效应），另一种是基于二次电光效应（光学克尔效应）。这两类电光材料通常用来制成光开关元件或光调制元件，由外加电场加以控制。线性电光效应的特点是感应折射率变化正比于外界电场强度的一次方，因而要求产生该效应的材料必须是不具对称中心的各向异性晶体。,二次电光效应的特点是感应折射率变化正比于外加电场强度的二次方，产生该效应的材料可以是具有任意对称性质的晶体或各向同性介质。常用的线性电光效应的材料是诸如磷酸二氢钾(KDP)、磷酸二氢铵（ADP）、铌酸锂(LiNbO)碘酸锂(LiIO)等不具有中心对称性的晶体。常用的二次电光效应的材料是一些具有较大克尔常数的有机液体如硝基苯苯kg2C

36、S等。,2、磁光材料 磁光材料指折射率在外加磁场作用下发生感应变化的一类光学材料；其作用原理是基于各种磁光效应，如法拉第磁致旋转、磁致二向色性以及磁致双折射效应等。磁光材料分为抗磁和顺磁材料两类。常用的抗磁材料为特高铅玻璃、硫化砷玻璃等；顺磁材料为含氧化铽(TbO)玻璃以及氧化铕(EuO)、硒化铕(EuSe)晶体，此外还有铁磁晶体如氟化铁(FeF)钇铁石榴石(YFeO)等。,3、声光材料 声光材料是指其析射率特性在声波场作用下发生感应变化的一类透明光学介质。在声波场作用下，材料内部的密度发生周期性起伏变化，从而引起折射率的周期性起伏变化，这使介质本身相当于一种相位光栅，从而可对定向入射光束产生

37、衍射作用。,对声光材料的要求是应具有较高的声光作用的品质因数，以及较小的声损耗与光损耗。常用的声光材料有熔石英、高铅玻璃以及钼酸铅(PbMoO)二氧化碲(TeO)和磷化镓(GaP)晶体等。声光材料通常制成声光开关，用来对光进行调制；或者制成声光偏转器，用来对光速指向进行控制（见声光作用）。,4、弹光材料 弹光材料通常是指其折射率在外加力场作用下发生感应双折射式变化的一类光学材料。弹光材料作用原理是基于弹性-光学效应，亦即在外界力场作用下,材料本身产生弹性力学应变，从而导致折射率的感应变化。常用的弹光材料是一些具有较大弹光系数的透明光学介质，如玻璃、晶体、塑料等，它们多用在光测弹性力学研究中。,

38、5、热光材料thermophoto-polymer material 热光材料指具有热光效应的高分子材料。热光效应是指当温度变化时，材料对光的折射率发生变化的现象。由于材料的各向异性，热光效应表现为多种多样的，可能是光率体的半轴长度发生变化、或者光轴角的变化、光轴面的转换、光率体的旋转等。热光效应可用于红外辐射的检测及生物中关于分子层状结构的研究。,6、激光材料（详见激光器）激光材料通常是指在一定泵浦方式作用下，专门用来实现粒子数反转并产生激光发射或放大作用的光学介质。激光：高亮度、单色、高方向性 红宝石（Cr+:Al2O3）掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG),7、光导纤维,光纤是一种非常细的可弯

39、曲的导光材料。单根光纤的直径约为几到几百微米，它由内层材料（芯料）和包层材料（涂层）组成的复合结构。为了保护其不受损坏、最外面再加一层塑料套管。一条光纤带宽所容纳信息量相当于全世界无线电带宽的1000倍.(25 T bps vs 25 G bps),总外径125200m,纤芯高透明固体材料,包层折射率较纤芯低固体材料,覆层高强材料,全反射现象,一切光纤的工作基础都是光的全反射现象。如果一束光投射到折射率分别为n1和n2的两种媒质的界面上时（设n1n2），入射光将分为反射光和折射光。入射角1与折射角 2之间服从n1/n2=sin 1/sin 2 的折射定律。当1增大时，2也相应增加，当2=/2，

40、1=arcsin(n2/n1)时，入射光全部返回原来的介质中，这种现象叫做光的全反射。,光在光纤中的传播原理,光纤芯料的折射率高于包层材料的折射率，当入射光线由内层射到两层的界面时，只要入射角小于临界角，就可全反射折回内层，完全避免了传输过程中的折射损耗。,光纤材料:石英玻璃：SiO2、SiO2-GeO2、SiO2-B2O3-F多组分玻璃：SiO2-GaO-Na2O、SiO2-B2O3Na2O红外玻璃：重金属氧化物、卤化物掺稀土元素玻璃：Er、Nd、多模只适于小容量近距离（40Km,100M bps)单模可传输调制后的信号40Gbps 到200Km，而不需放大。,光纤发展阶段及所需材料,8、夜

41、光粉 夜光粉通常分为光致储能夜光粉和带有放射性的夜光粉两类。光致储能夜光粉是荧光粉在受到自然光、日光灯光、紫外光等照射后，把光能储存起来，在停止光照射后，缓慢地以荧光的方式释放出来。在夜间或者黑暗处能看到发光，持续时间长达几小时至十几小时。带有放射性的夜光粉是在荧光粉中掺入放射性物质，利用放射性物质不断发出的射线激发荧光粉发光。这类夜光粉发光时间很长，但有毒有害和环境污染等，应用范围小。,利用夜光粉长时间发光的特性，制成弱照明光源。把这种材料涂在航空仪表、钟表、窗户、机器上各种开关标志、门的把手等处，也可用各种透光塑料一起压制成各种符号、部件、用品(如电源开关、插座、钓鱼钩等)。这些发光部件经

42、光照射后，夜间或意外停电时仍在持续发光，为工作和生活带来方便。把夜光材料超细粒子掺入纺织品中，使颜色更鲜艳，小孩子穿上有夜光的纺织品，可减少交通事故。,随着温度的变化，有些材料的某些物理性能会发生显著变化，如热胀冷缩、出现形状记忆效应或热电效应等，这类材料称为热功能材料。热功能材料分为：膨胀材料形状记忆材料测温材料,内容 1-1,五、热功能材料,1、膨胀材料,热膨胀是指材料的长度或体积在不加外力时随温度的升高而变大的现象。材料热膨胀的本质是原子间的平均距离随温度的升高而增大，即是由原子的非简谐振动引起的。材料热膨胀系数的大小与其原子间的接合键强弱有关，结合键越强，则给定温度下的热膨胀系数越小，

43、材料中陶瓷的结合键（离子键和共价键）最强，金属的（金属键）次之，高聚物的（范德华力）最弱，因此热膨胀系数依次增大。常用的膨胀材料包括低膨胀材料、定膨胀材料和热双金属材料。,低膨胀材料是热膨胀系数较小的材料，也叫因瓦（Invar）合金。主要应用于精密仪器、标准量具等以保证仪器精度的稳定及设备的可靠性。定膨胀材料是指在某一温度范围内具有一定膨胀系数的材料，也称可伐（Kovar）合金；主要用于与玻璃、陶瓷等材料相封接，要求与被封接材料的膨胀系数相匹配。,热双金属材料是由膨胀系数不同的两种金属片沿层间焊合在一起的叠层复合材料。较高膨胀系数金属层为主动层，较低的为被动层。如5J11热双金属是由Mn75N

44、i15Cu10（主动层）与Ni36（被动层）组成。受热时，双金属片向被动层弯曲，将热能转化成机械能。可用作各种测量和控制仪表的传感元件。,未受热,受热后,可作为各种测量和控制仪表的传感元件,2、形状记忆材料,形状记忆材料：将具有某种初始形状的制品进行变形后，通过加热等手段处理时，制品又恢复到初始形状。形状记忆材料通常包括：形状记忆合金形状记忆聚合物形状记忆陶瓷。,1）形状记忆合金,合金的形状记忆效应实质上是在温度和应力的作用下，合金内部热弹性马氏体形成、变化、消失的相变过程的宏观表现。这种热弹性马氏体不像Fe-C合金中的马氏体那样，在加热转变成它的母相（奥氏体）之前即发生分解，而是加热时直接转

45、成它的母体。热弹性马氏体冷却时马氏体长大，加热时马氏体收缩，热弹性马氏体的相变是可逆的，且相变的过冷度很小。,热弹性马氏体形状记忆效应,将一定形状的记忆合金试样冷却到Mf点以下，对之进行一定限度的变形，卸去载荷后，变形被保留下来；将变形了的试样加热到As以上，试样开始恢复，加热到Af点，试样恢复到变形前的形状。,常用形状记忆合金,目前用量最大优点：抗拉强度高、疲劳强度高、耐蚀性好、密度小、与人体有生物相容性缺点：成本高、加工困难,缺点：功能不如镍-钛系优点：成本低、加工容易,缺点：功能不如铜系优点：具有价格竞争优势,2）形状记忆聚合物,形状记忆聚合物不同于马氏体相变，而是基于高分子材料中分子链

46、的取向与分布的变化过程；这种聚合物具有两相结构，即固定相和可逆相；可逆相是能够随温度变化在结晶与熔融态间，或者在玻璃态与高弹状态间可逆转变的相，随温度的升高或降低，可逆相的结构发生变化，使之发生软化、硬化。固定相则在工作温度范围内保持不变。,聚合物的形状记忆原理,两相结构：固定相+可逆相,冷却,加热,冷却,加热,TTf(粘流态）进行初次成型,TTg(玻璃态）使制成品变形，固定相分子链的缠绕确定了制成品的初次形状,TgTTf(高弹态），可逆相软化，施加应力,TTg，制成品形状发生改变，固定相处于高应力状态,TTg，可逆相软化，固定相在回复应力的作用下使制品恢复到初始形状,密度小、强度较低、塑韧性

47、较高形状恢复可能允许的变形量大形状恢复的温度范围窄形状恢复应力及形状变化所需要的外力小成本低,形状记忆聚合物的特点,3）形状记忆陶瓷,20世纪60年底人们确认陶瓷材料也存在马氏体相变，一个著名的例子就是ZrO2陶瓷中的马氏体相变，这一相变现象可以使陶瓷材料具有形状记忆效应。随温度的变化纯ZrO2有三种晶型：单斜晶系、四方晶系、立方晶系。单斜向四方转变有5的体积变化，而且应力也可诱发单斜向四方的转变。,氧化锆陶瓷的形状记忆效应,第一步：在室温下施加压力，样品首先发生弹性变形，接着在近乎恒定的应力下发生流变；第二步：卸载。卸载后弹性变形消失而塑性变形则保留下来。第三步：加热到Af以上，样品从60o

48、C开始逆转变，到200oC逆转变结束，变形也随着消失。,4）形状记忆材料的应用,机械工程领域：热套,生物医学方面：接骨板、人工关节等,空间技术：压缩天线,记忆合金的应用,将记忆合金制成在Af温度以上具有（a）所示形状铆钉，铆接时先将其冷却到Mf温度以下，这时合金处于完全的马氏体态很容易变形，略施加一点力将铆钉扳成（b）所示并插入铆钉孔（c），然后随温度回升到Af以上，铆钉回复到变形前的形状达到铆接的目的（d）。,3、测温材料,热电偶是应用最广的一种测温原件，它是由两种不同材料导线连接成的回路，其感温的基本原理是热电效应。,由两种不同的导体（或半导体）A、B组成闭合回路，当两接触点保持在不同的温

49、度T1，T2时，回路中将有电流通过，此回路称为热电回路。回路中出现的电流称为热电流。回路中出现的电动势EAB称为珀尔贴电动势。,常用热电偶材料,适合温度范围-200-400,适合温度范围1300,适合温度范围1350 短期可达1600,适合温度范围2500 短期可达2800,适合温度范围-269-0,适合温度范围-270-0,常用热电偶材料,六、声功能材料,主要用在声发射、声接收、声光转换 以及声吸收等方面。本节主要介绍声吸收材料。,声吸收基本原理,声波,一部分被反射,一部分被吸收,一部分透过材料,声波入射到刚性界面时，大部分被反射。而当声波入射到多孔、透气或纤维材料时，声波会进入材料并引起空

50、隙中的空气和纤维振动，从而使一部分声能转化为热量而耗散，故材料有吸声功能。,常用吸声材料,玻璃丝、玻璃棉、岩棉、矿渣棉,氨基甲酸酯、脲醛泡沫塑料,棉、麻等植物纤维,七、化学功能材料 化学功能材料是具有一定化学功能的功能性化工材料。可利用其某种化学性质产生某种功能，其应用涵盖了化学、化工、冶金、电子、机械、医药、食品、艺术、科研、教育、国防、军事等各个领域。从材料科学的角度，化学功能材料可分为纳米材料、催化剂材料、有机硅材料、膜材料、分子筛材料、防腐材料、蚀刻材料、显影材料、显色材料、发热材料、制冷材料、电能材料、生物活性物质、有机氟材料、电子信息材料、智能材料及功能色素材料等上万个品种。,八、