第八讲---金属材料和磁性材料ppt课件.ppt

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1、作业：作业：P289:9.2,9.6,9.7,9.9,9.10,9.12,9.15,9.17 金属材料金属材料 的使用与人类文明进程关系密切的使用与人类文明进程关系密切 磁性材料磁性材料 关系电子、信息、通讯及生物等广泛领域关系电子、信息、通讯及生物等广泛领域金属材料金属材料磁性材料磁性材料钢铁和新型金属材料钢铁和新型金属材料磁性理论磁性理论磁性材料磁性材料第八讲第八讲 金属材料和磁性材料金属材料和磁性材料 指南针指南针指南针指南针 司马迁司马迁司马迁司马迁史记史记史记史记描述黄帝作战用描述黄帝作战用描述黄帝作战用描述黄帝作战用 罗盘罗盘罗盘罗盘 宋朝朱或宋朝朱或宋朝朱或宋朝朱或萍洲可谈萍洲可

2、谈萍洲可谈萍洲可谈1212世纪世纪世纪世纪 磁石磁石磁石磁石 最早的著作最早的著作最早的著作最早的著作De Magnete De Magnete W.Gibert W.Gibert 18 18世纪世纪世纪世纪 奥斯特奥斯特奥斯特奥斯特 电流产生磁场电流产生磁场电流产生磁场电流产生磁场 法拉弟效应法拉弟效应法拉弟效应法拉弟效应 在磁场中运动导体产生电流在磁场中运动导体产生电流在磁场中运动导体产生电流在磁场中运动导体产生电流 ,安培定安培定安培定安培定 律构成电磁学的基础律构成电磁学的基础律构成电磁学的基础律构成电磁学的基础 ,电动机、发电机等开创现电动机、发电机等开创现电动机、发电机等开创现电动

3、机、发电机等开创现 代电气工业代电气工业代电气工业代电气工业 19071907年年年年 P.WeissP.Weiss的磁畴和分子场假设的磁畴和分子场假设的磁畴和分子场假设的磁畴和分子场假设 19191919年年年年 巴克豪森效应巴克豪森效应巴克豪森效应巴克豪森效应 19281928年年年年 海森堡模型，用量子力学解释分子场起源海森堡模型，用量子力学解释分子场起源海森堡模型，用量子力学解释分子场起源海森堡模型，用量子力学解释分子场起源 19311931年年年年 BitterBitter在显微镜下直接观察到磁畴在显微镜下直接观察到磁畴在显微镜下直接观察到磁畴在显微镜下直接观察到磁畴 1933193

4、3年年年年 加藤与武井发现含加藤与武井发现含加藤与武井发现含加藤与武井发现含CoCo的永磁铁氧体的永磁铁氧体的永磁铁氧体的永磁铁氧体磁性与磁性材料的发展史磁性与磁性材料的发展史 1935 1935年年年年 荷兰荷兰荷兰荷兰SnoekSnoek发明软磁铁氧体发明软磁铁氧体发明软磁铁氧体发明软磁铁氧体 19351935年年年年 LandauLandau和和和和LifshitzLifshitz考虑退磁场，考虑退磁场，考虑退磁场，考虑退磁场，理论上预言了理论上预言了理论上预言了理论上预言了 磁畴结构磁畴结构磁畴结构磁畴结构 19461946年年年年 BioembergenBioembergen发现发现

5、发现发现NMRNMR效应效应效应效应 19481948年年年年 NeelNeel建立亜铁磁理论建立亜铁磁理论建立亜铁磁理论建立亜铁磁理论 1954-19571954-1957年年年年 RKKYRKKY相互作用的建立相互作用的建立相互作用的建立相互作用的建立 19581958年年年年 MssbauerMssbauer效应的发现效应的发现效应的发现效应的发现 19601960年年年年 非晶态物质的理论预言非晶态物质的理论预言非晶态物质的理论预言非晶态物质的理论预言 19641964年年年年 Kondo effect Kondo effect 近藤效应近藤效应近藤效应近藤效应 19651965年年年

6、年 MaderMader和和和和NowickNowick制备了制备了制备了制备了CoPCoP铁磁非晶态合金铁磁非晶态合金铁磁非晶态合金铁磁非晶态合金 19701970年年年年 SmCo5SmCo5稀土永磁材料的发现稀土永磁材料的发现稀土永磁材料的发现稀土永磁材料的发现 19841984年年年年 NdFeBNdFeB稀土永磁材料的发现稀土永磁材料的发现稀土永磁材料的发现稀土永磁材料的发现 Sagawa(Sagawa(佐川佐川佐川佐川)1986 1986年年年年 高温超导体，高温超导体，高温超导体，高温超导体，Bednortz-muller Bednortz-muller 1988 1988年年年

7、年 巨磁电阻巨磁电阻巨磁电阻巨磁电阻GMRGMR的发现的发现的发现的发现,M.N.Baibich,M.N.Baibich 1994 1994年年年年 CMRCMR庞磁电阻的发现，庞磁电阻的发现，庞磁电阻的发现，庞磁电阻的发现，JinJin等等等等LaCaMnO3 LaCaMnO3 1995 1995年年年年 隧道磁电阻隧道磁电阻隧道磁电阻隧道磁电阻TMRTMR的发现的发现的发现的发现,T.Miyazaki,T.Miyazaki 磁学是一门古老又年轻的学科。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。国防和国

8、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、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。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。的磁性材料，而且是小尺寸复合型的材料。8.1 钢铁钢铁 纯铁生铁钢纯铁生铁钢 炼铁和炼钢炼铁和炼钢第八讲第八讲 金属材料和磁性材料金属材料和磁性材料 钢铁的相组成和性能钢铁的相组成和性能第八讲第八讲 金属材料和磁性材料金属材料和磁性材料奥氏体渗碳体马氏体石墨奥氏体渗碳体马氏体石墨奥氏体奥氏体 铁铁 的间隙固溶体的间隙

9、固溶体铁素体铁素体 铁铁 的间隙固溶体的间隙固溶体渗碳体化合物渗碳体化合物Fe3C 马氏体马氏体 铁过饱和间隙固溶体铁过饱和间隙固溶体 铁铁 bcc 铁铁 ccp 铁铁 bcc第八讲第八讲 金属材料和磁性材料金属材料和磁性材料锰钢不锈钢锰钢不锈钢我国特种钢生产研究状况我国特种钢生产研究状况第八讲第八讲 金属材料和磁性材料金属材料和磁性材料8.2 新型金属材料新型金属材料 传统金属材料：铁铝铜铅锌，等传统金属材料：铁铝铜铅锌，等 特种金属：特种金属：钛钒铟钴钽锆铍钋铌，等钛钒铟钴钽锆铍钋铌，等 特种合金：特种合金：金属玻璃形状记忆合金高温合金金属玻璃形状记忆合金高温合金 超导合金储氢合金，等超导

10、合金储氢合金，等 非晶态合金金属玻璃非晶态合金金属玻璃 亚稳态亚稳态 形状记忆合金形状记忆合金第八讲第八讲 金属材料和磁性材料金属材料和磁性材料第八讲第八讲 金属材料和磁性材料金属材料和磁性材料8.3 配位场中金属原子的能级和未成对电子数配位场中金属原子的能级和未成对电子数分裂能分裂能0 和和 电子成对能电子成对能P 高自旋高自旋(HS)和和 低自旋低自旋(LS)第八讲第八讲 金属材料和磁性材料金属材料和磁性材料 低自旋态低自旋态:强晶场强晶场 d EW 洪洪德德法法则则不不再再成成立立.晶晶场场下下电电子子轨轨道道分分裂裂，分分裂裂能能隙隙(d E)大大于于库库仑仑相相互互作作用用(W)时时

11、，电电子子由由最最低低能能级级开开始始填填充充,如如果果电电子子填填充充到到与与上上一一个个能能级级之之间间的的能能隙隙大大于于库库仑仑相相互互作作用用能能(dEW)时时，电电子子将将以以相相反反的的自自旋旋填填充充到到最最低低能能级级，因因而而最最低低能能级级的的电电子子轨轨道道同同时时有有两两个个自自旋旋相相反反的的电电子子占占据据，而而能能量量高高的电子轨道没有电子占据，称为低自旋态。的电子轨道没有电子占据，称为低自旋态。高自旋态：高自旋态：弱晶场弱晶场 dEW 洪洪德德法法则则成成立立.晶晶场场下下电电子子轨轨道道分分裂裂,分分裂裂能能 (d E)小小于于库库仑仑相相互互作作用用(W)

12、时时，电电子子由由最最低低能能级级开开始始填填充充，一一直直到到最最高高能能级级，过过半半满满后后，电电子子以以相相反反的的自自旋旋填填充充到到最最低能级。称为高自旋态。低能级。称为高自旋态。对同一种金属原子对同一种金属原子M，不同配体的场强不同，配体分，不同配体的场强不同，配体分 裂能的大小次序为：裂能的大小次序为：对一定的配体，分裂能随对一定的配体，分裂能随M而异，其大小次序为：而异，其大小次序为：第八讲第八讲 金属材料和磁性材料金属材料和磁性材料第八讲第八讲 金属材料和磁性材料金属材料和磁性材料第八讲第八讲 金属材料和磁性材料金属材料和磁性材料第八讲第八讲 金属材料和磁性材料金属材料和磁

13、性材料球对称场球对称场8.4 物质磁性的起源和分类物质磁性的起源和分类 电磁电磁 原子轨道或分子轨道上的电子运动原子轨道或分子轨道上的电子运动/电荷运动电荷运动 磁磁 晶格晶胞磁畴晶格晶胞磁畴第八讲第八讲 金属材料和磁性材料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，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，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速。根据楞次引起的电磁感应

14、使轨道电子加速。根据楞次定律，由轨道电子的这种加速运动所引起的定律，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，因而磁化率磁通，总是与外磁场变化相反，因而磁化率是负的。是负的。抗磁性：抗磁性：顺磁性物质的原子或离子具有一定的磁矩，这些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原子磁矩耒源于未满的电子壳层(例如过渡族元素的例如过渡族元素的3d壳层壳层)。在顺磁性物质中，磁性原子或离子分开的。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

15、是无没有外磁场时，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，其数场方向取向的趋势，从而呈现出正的磁化率，其数量级为量级为c=10-5 10-2。顺磁物质的磁化率随温度的变化顺磁物质的磁化率随温度的变化(T)有两种类型有两种类型:第一类遵从居里定律：第一类遵从居里定律：=C/T C称为居里常数称为居里常数 第二类遵从居里第二类遵从居里-外斯定律：外斯定律：=C/(T-Tp)Tp称为顺磁居里温度称为顺磁居里温度 顺磁性顺磁性第八讲第八讲 金属材料和磁性材料金属材料和磁性材料特例特例-

16、分子的磁性与磁矩：分子的磁性与磁矩：第八讲第八讲 金属材料和磁性材料金属材料和磁性材料 铁磁性铁磁性 物质具有铁磁性的基本条件：物质具有铁磁性的基本条件：物质具有铁磁性的基本条件：物质具有铁磁性的基本条件：(1)(1)物质物质物质物质中的原子有磁矩；中的原子有磁矩；中的原子有磁矩；中的原子有磁矩；(2)(2)原子磁矩之间有原子磁矩之间有原子磁矩之间有原子磁矩之间有相互作用。实验事实：铁磁性物质在相互作用。实验事实：铁磁性物质在相互作用。实验事实：铁磁性物质在相互作用。实验事实：铁磁性物质在居里温度以上是顺磁性；居里温度以居里温度以上是顺磁性；居里温度以居里温度以上是顺磁性；居里温度以居里温度以

17、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下原子磁矩间的相互作用能大于热振下原子磁矩间的相互作用能大于热振下原子磁矩间的相互作用能大于热振动能，显现铁磁性。动能，显现铁磁性。动能，显现铁磁性。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现微弱的磁性。反铁磁的相对磁化率 的数值为的数值为10-5到到10-2。与顺磁体不同的是。与顺磁体不同的是 自旋结构的有序化。自旋结构的有序化。当施加外磁场时，由

18、于自旋间反平行耦合的作用，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。随着温度升高，有序的自旋结构逐渐被磁磁化率小。随着温度升高，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铁磁体变成通常的顺磁体。因而磁化率在临界温度(称称奈耳温度奈耳温度Neel point)显示出一个尖锐的极大值。显示出

19、一个尖锐的极大值。反铁磁性反铁磁性第八讲第八讲 金属材料和磁性材料金属材料和磁性材料 在亚铁磁体中，在亚铁磁体中，在亚铁磁体中，在亚铁磁体中，A A和和和和B B次晶格由不同的磁性原次晶格由不同的磁性原次晶格由不同的磁性原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，子占据，而且有时由不同数目的原子占据，子占据，而且有时由不同数目的原子占据，子占据，而且有时由不同数目的原子占据，A A和和和和B B位中的磁性原子成反平行耦合，反铁磁的位中的磁性原子成反平行耦合，反铁磁的位中的磁性原子成反平行耦合，反铁磁的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自

20、旋排列导致一个自旋未能完全抵消的自发磁自旋排列导致一个自旋未能完全抵消的自发磁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。化强度，这样的磁性称为亚铁磁性。化强度，这样的磁性称为亚铁磁性。化强度，这样的磁性称为亚铁磁性。19481948年奈年奈年奈年奈耳根据反铁磁性分子场理论，提出亚铁磁性分耳根据反铁磁性分子场理论，提出亚铁磁性分耳根据反铁磁性分子场理论，提出亚铁磁性分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子场理论，用来分析尖晶石铁氧体的自发磁化子场理论，用来分析尖晶石铁氧体的自发磁化子场理论，用来分析尖晶石铁氧体的自发磁化强

21、度及其与温度的关系。强度及其与温度的关系。强度及其与温度的关系。强度及其与温度的关系。亚铁磁性亚铁磁性 第八讲第八讲 金属材料和磁性材料金属材料和磁性材料第八讲第八讲 金属材料和磁性材料金属材料和磁性材料第八讲第八讲 金属材料和磁性材料金属材料和磁性材料8.5 磁性材料磁性材料 磁性：内禀磁性饱和磁化强度磁性：内禀磁性饱和磁化强度 居里温度居里温度 奈耳温度奈耳温度 外禀磁性矫顽力外禀磁性矫顽力 剩磁剩磁 矫顽力矫顽力最大磁能积最大磁能积剩磁剩磁 永磁材料硬磁材料永磁材料硬磁材料 合金钢铁氧体稀土合金合金钢铁氧体稀土合金第八讲第八讲 金属材料和磁性材料金属材料和磁性材料 软磁材料软磁材料 外磁场中易磁化易退磁的磁性材料，应用广泛外磁场中易磁化易退磁的磁性材料，应用广泛第八讲第八讲 金属材料和磁性材料金属材料和磁性材料Fe-Si 合金：硅钢片（矽钢片）合金：硅钢片（矽钢片）Fe-Ni 合金：坡莫合金合金：坡莫合金铁氧体铁氧体非晶软磁材料非晶软磁材料 磁信息材料和特种磁性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磁记录材料磁光材料磁致伸缩材料