功能材料課件

1、功能材料Functional Materials,功能材料Functional Materials李建忱材料館610室,第一節(jié) 概述,定義：以特殊的電、磁、聲、光、熱、力、化學(xué)及生物學(xué)等性能作為主要性能指標(biāo)的一類材料。是用于非結(jié)構(gòu)目的高技術(shù)材料。1965年由美國貝爾實驗室的J.A. Morton博士首先提出功能材料概念。,內(nèi)容 1-1,功能材料在電力技術(shù)、電子信息技術(shù)、微電子技術(shù)、激光技術(shù)、空間技術(shù)、海洋技術(shù)等領(lǐng)域得到

2、廣泛應(yīng)用。,例：計算機(jī)的發(fā)展歷史－CPU,電子管晶體管集成電路大規(guī)模集成電路,現(xiàn)代微型計算機(jī)的功能與第一臺大型電子管計算機(jī)相當(dāng)，但運(yùn)算速度快幾十倍、體積僅1/300,000、重量僅1/60,000。IBM研制的超級計算機(jī)的運(yùn)算能力可達(dá)39,000次/s。（發(fā)熱）材料：鍺Ge半導(dǎo)體材料 硅Si半導(dǎo)體材料 硬化鎵GaAs半導(dǎo)體材料,功能材料的分類,功能材料種類繁多，涉及面廣，有多種分類

3、方法。目前主要是根據(jù)材料的化學(xué)組成、應(yīng)用領(lǐng)域、使用性能進(jìn)行分類。,研究背景 2-1,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?，F(xiàn)已開發(fā)的以物理功能材料最多，主要有：1）單功能材料，如：導(dǎo)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(xué)材料、激光材料、紅外材料等。2）功能轉(zhuǎn)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

4、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(fù)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。 目前，化學(xué)和生物功能材料的種類雖較少，但其發(fā)展速度很快，其功能也更多樣化。,功能材料的展望,展望21世紀(jì)

5、，功能材料的發(fā)展趨勢為：1）開發(fā)高技術(shù)所需的新型功能材料，特別是尖端領(lǐng)域（航空航天、分子電子學(xué)、新能源、海洋技術(shù)和生命科學(xué)等）所需和在極端條件下（超高溫、超高壓、超低溫、強(qiáng)腐蝕、高真空、強(qiáng)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(fù)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(jié)構(gòu)材料兼容，即功能材料結(jié)構(gòu)化，結(jié)構(gòu)材料功能化；

6、5）進(jìn)一步研究和發(fā)展功能材料的新概念、新設(shè)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(qiáng)功能材料的應(yīng)用研究，擴(kuò)展功能材料的應(yīng)用領(lǐng)域，加強(qiáng)推廣成熟的研究成果，以形成生產(chǎn)力。,主要內(nèi)容,電功能材料磁功能材料熱功能材料光功能材料其它功能材料簡介,第二節(jié) 導(dǎo)電功能材料,以特殊的電學(xué)性能或各種電效應(yīng)作為主要性能指標(biāo)的一類材料。,半導(dǎo)體材料,超導(dǎo)材料,電接點(diǎn)（觸頭）材料,導(dǎo)電材料,電阻材料,第一節(jié) 固體導(dǎo)電性,

7、一、自由電子論(P. Drude , A. Lorentz)?＝１／?＝ne2L/2mv價電子參與導(dǎo)電無法解釋低價金屬導(dǎo)電性好？量子自由電子論（A. Sommerfeld)只有費(fèi)米面的電子導(dǎo)電　n為有效電子數(shù)無法解釋電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系，導(dǎo)電性各向異性,,二、能帶理論能帶：指晶體中電子能量的本征值即不像孤立原子明顯分立的電子能級，也不像無限空間中自由電子所具有連續(xù)能級。滿帶：所有能級全部被電子添滿。空帶：所有能級全部都是

8、空的。導(dǎo)帶：部分電子的未滿帶價帶：導(dǎo)帶以下的第一個滿帶。,,導(dǎo)體：除了滿帶和空帶外，還存在未滿帶絕緣體：沒有未滿帶，更高能級全部為空帶。半導(dǎo)體：能帶添充同絕緣體，但能隙小。,３、近代電導(dǎo)理論晶格振動產(chǎn)生能量（熱）——聲子。晶格振動形成的聲子與電子發(fā)生相互作用引起電子散射，產(chǎn)生電阻。另外：晶體中的雜質(zhì)和缺陷也引起電子散射，產(chǎn)生電阻。 ?(T)=?0+?T (T??D) ?(T)=?0+? T (T ? ?

9、D)?D德拜溫度：當(dāng)高于一特定溫度后，摩爾熱容接近一個常數(shù)（25J/mol K).低于此溫度摩爾熱容與T3成正比。,導(dǎo)電材料的分類,按導(dǎo)電機(jī)理可分為：電子導(dǎo)電材料和離子導(dǎo)電材料兩大類。 電子導(dǎo)電材料包括導(dǎo)體、超導(dǎo)體和半導(dǎo)體：,電導(dǎo)率σ S/m,絕緣體,半導(dǎo)體,導(dǎo)體,超導(dǎo)體：σ→∞,離子導(dǎo)電材料的導(dǎo)電機(jī)理源于離子的運(yùn)動，由于離子的運(yùn)動速度遠(yuǎn)小于電子的運(yùn)動速度，因此其電導(dǎo)率較小，目前最高不超過102 S/m ，一般在100

10、 S/m以下。,導(dǎo)體電阻率公式,,電阻率公式：,ρi取決于晶格缺陷的多少，缺陷越多， ρi越大，一般與溫度無關(guān)；ρT取決于晶格的熱振動。,電阻率隨著溫度升高而升高，這是導(dǎo)體的一個特征。,導(dǎo)體材料的種類,導(dǎo)體材料按照化學(xué)成分主要有以下三種：（1）金屬材料。電導(dǎo)率在107~108 S/m之間； 銀（6.63× 107 S/m ）、銅（5.85× 107 S/m ）和 鋁 （3

11、.45× 107 S/m ）（2）合金材料。電導(dǎo)率在105~107 S/m之間； 黃銅（1.60× 107 S/m ）， 鎳鉻合金（9.30× 105S/m ）（3）無機(jī)非金屬材料。電導(dǎo)率在105~108 S/m之間。 石墨在基晶方向為2.5×106 S/m。,金屬導(dǎo)電材料,1、導(dǎo)電引線材料Au, Ag, Cu, Al,Fe合金:

12、AlMg, AlMgSiFe,AlMgCuFe２、導(dǎo)體布線材料薄膜導(dǎo)體材料：貴金屬薄膜，復(fù)合薄膜材料,電阻材料,１、精密電阻合金MnCu,康銅，性能（１）低的電阻溫度系數(shù)。（２）良好的耐磨性和抗氧化性（３）良好的加工性能和力學(xué)性能（４）可焊性好２、電熱電阻材料CuNi，NiCrFe,NiCr，NiCrAl,FeCrAl3、熱敏電阻材料較大電阻溫度系數(shù)NiCr,NiCrFe4、膜電阻材料厚膜電阻：厚膜雜化制造加工薄

13、膜電阻：濺射、蒸發(fā)等真空鍍膜制成。,導(dǎo)體材料的應(yīng)用,金屬導(dǎo)體材料主要用作：電纜材料、電機(jī)材料、導(dǎo)電引線材料、導(dǎo)體布線材料、輻射屏蔽材料、電池材料、開關(guān)材料、傳感器材料、信息傳輸材料、釋放靜電材料和接點(diǎn)材料等，還可以作成各種金屬填充材料和金屬復(fù)合材料。 合金導(dǎo)體材料主要用作電阻材料和熱電偶材料，如鉑銠-鉑熱電偶等。非金屬導(dǎo)體材料主要用作耐腐蝕導(dǎo)體和導(dǎo)電填料。,半導(dǎo)體材料,半導(dǎo)體材料導(dǎo)電性能介于金屬和絕緣體之間；（σ＝10-7～

14、104）具有負(fù)的電阻溫度系數(shù)。（導(dǎo)體具有正的電阻溫度系數(shù)）,基本概念,當(dāng)大量原子結(jié)合成晶體時（如，1019個原子大約可形成1mm3的晶體）由于相鄰原子電子云相互交疊，對應(yīng)于孤立原子中的每一能級都將分裂成有一定能量寬度的能帶。,（1）能帶 Energy Band,（一）半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu),(2) 帶隙 Band Gap,能帶之間的區(qū)域,（3）禁帶 Forbidden Band,帶隙不存在電子的能級,（4）價帶 Valence Ba

15、nd,對應(yīng)價電子能級的能帶,(5) 空帶 Empty Gap,價帶上面的能帶,（6）導(dǎo)帶 Conduction Band,最靠近價帶的空帶,（7）滿帶 Filled Band,價帶被電子填滿,導(dǎo)體的能帶中都有末被填滿的價帶，在外電場的作用下，電子可由價帶躍遷到導(dǎo)帶，從而形成電流。絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)是滿帶與導(dǎo)帶之間被一個較寬的禁帶所隔開，在常溫下幾乎很少有電子可以被激發(fā)越過禁帶，因此其電導(dǎo)率很低。,半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)下面是價帶，其價帶是

16、充滿了電子，因此是一個滿價帶。上面是導(dǎo)帶，而導(dǎo)帶是空的。滿價帶和空導(dǎo)帶之間是禁帶，其禁帶寬度比較窄，一般在1ev左右。價帶中的電子受能量激發(fā)后，如果激發(fā)能大于Eg，電子可以從價帶躍遷到導(dǎo)帶上，同時在價帶中留下一個空的能級位置--空穴。,半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理,半導(dǎo)體價帶中的電子受激發(fā)后從滿價帶躍到空導(dǎo)帶中，躍遷電子可在導(dǎo)帶中自由運(yùn)動，傳導(dǎo)電子的負(fù)電荷。同時，在滿價帶中留下空穴，空穴帶正電荷，在價帶中空穴可按電子運(yùn)動相反的方向運(yùn)動而傳導(dǎo)正電荷

17、。因此，半導(dǎo)體的導(dǎo)電來源于電子和空穴的運(yùn)動，電子和空穴都是半導(dǎo)體中導(dǎo)電的載流子。,（二）典型半導(dǎo)體材料及其應(yīng)用,1. 元素半導(dǎo)體,高純度、無缺陷的元素半導(dǎo)體。雜質(zhì)濃度小于10-9,在本征半導(dǎo)體中有意加入少量的雜質(zhì)元素，以控制電導(dǎo)率，形成雜質(zhì)半導(dǎo)體。,本征半導(dǎo)體廣泛研究的元素是Si、Ge和金剛石。金剛石可看作是碳元素半導(dǎo)體，它的性質(zhì)是1952年由Guster發(fā)現(xiàn)的。除了硅、鍺、金剛石外，其余的半導(dǎo)體元素一般不單獨(dú)使用。

18、因為本征半導(dǎo)體單位體積內(nèi)載流子數(shù)目比較少，需要在高溫下工作電導(dǎo)率才大，故應(yīng)用不多。,雜質(zhì)半導(dǎo)體,利用將雜質(zhì)元素?fù)饺爰冊刂?，把電子從雜質(zhì)能級（帶）激發(fā)到導(dǎo)帶上或者把電子從價帶激發(fā)到雜質(zhì)能級上，從而在價帶中產(chǎn)生空穴的激發(fā)叫非本征激發(fā)或雜質(zhì)激發(fā)。這種半導(dǎo)體叫雜質(zhì)半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體本身也存在本征激發(fā)，一般雜質(zhì)半導(dǎo)體中摻雜雜質(zhì)的濃度很低，如十億分之一就可達(dá)到目的。,摻雜原子的價電子多于純元素的價電子，又稱施主型半導(dǎo)體,摻雜原子的價電子少于純元

19、素的價電子，又稱受主型半導(dǎo)體,雜質(zhì)半導(dǎo)體,n型半導(dǎo)體（電子型，施主型） ⅣA族元素（C、Si、Ge、Sn）中摻入以VA族元素（P、As、Sb、Bi）后，造成摻雜元素的價電子多于純元素的價電子，其導(dǎo)電機(jī)理是電子導(dǎo)電占主導(dǎo)，這類半導(dǎo)體是n型半導(dǎo)體。p型半導(dǎo)體（空穴型，受主型） ⅣA族元素（C、Si、Ge、Sn）中摻入以ⅢA族元素（如B）時，摻雜元素的價電子少于純元素的價電子，它們的原子間生成共價鍵以后，還缺一個電子，而

20、在價帶其中產(chǎn)生空穴。以空穴導(dǎo)電為主，摻雜元素是電子受主，這類半導(dǎo)體是p型半導(dǎo)體。,雜質(zhì)半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu),N型半導(dǎo)體逾量電子處于施主能級，施主能級與導(dǎo)帶底能級之差Ed遠(yuǎn)小于禁帶寬度Eg（相差近三個數(shù)量級）。因此，雜質(zhì)電子比本征激發(fā)更容易激發(fā)到導(dǎo)帶。例如Si摻雜十億分之一As時，其Eg為1.6×10-19 J，Ed為6.4×10-21 J。Ge摻雜十億分之一Sb時，其Eg為1.15×10-19 J，Ed為1.

21、6×10-21 J。,P型半導(dǎo)體逾量空穴處于受主能級。由于受主能級與價帶頂端的能隙Ea遠(yuǎn)小于禁帶寬度Eg，價帶上的電子很容易激發(fā)到受主能級上，在價帶形成空穴導(dǎo)電。,2. 化合物半導(dǎo)體,二元化合物 GaAs（砷化鎵）、CdS鎘、SiC、GeS鍺、AsSe3硒等。三元化合物 AgGeTe2、AgAsSe2、CuCdSnTe4等（碲）,GaAs,制備,發(fā)光二極管,隧道二極管,3. 固溶體半導(dǎo)體,由兩種或多種元素或化合物

22、互溶而成的。二元系固溶體半導(dǎo)體 Bi-Sb三元系固溶體半導(dǎo)體 （碲鎘汞）Hg1-xCdxTe （鎵砷磷）GeAs1-xPx,最重要的紅外探測器材料,用于高速響應(yīng)器件、光通信等,半導(dǎo)體材料的應(yīng)用,1、半導(dǎo)體材料在集成電路上的應(yīng)用：最早用鍺單晶制造二極管和三極管；現(xiàn)在發(fā)展硅器件，以硅單晶為基材的集成電路在電子器件中占主導(dǎo)地位?；衔锇雽?dǎo)體砷化鎵做微波、超高頻晶體管等；2、半導(dǎo)體在光電子器件、微波器

23、件和電聲耦合器上的應(yīng)用：發(fā)光管、激光器、光電池、光集成等；3、半導(dǎo)體材料在傳感器上的應(yīng)用：半導(dǎo)體傳感器,二、超導(dǎo)材料,超導(dǎo)材料的定義,1911年荷蘭Leiden大學(xué)Kamerlingh Onnes 在研究極低溫度下金屬導(dǎo)電性時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度降到4.2K時，汞的電阻率突然降低到接近于零。這種現(xiàn)象稱為汞的超導(dǎo)現(xiàn)象。從此，超導(dǎo)材料的研究引起了廣泛的關(guān)注，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)了上千種超導(dǎo)材料。定義： 超導(dǎo)電現(xiàn)象：材料的電阻隨溫度降低而減小并最終出現(xiàn)

24、零電阻的現(xiàn)象。 超導(dǎo)體：低于某一溫度出現(xiàn)超導(dǎo)電性的物質(zhì)。,（一）超導(dǎo)體的基本特性,特性一：完全導(dǎo)電性（零電阻） File和Mills利用精確核磁共振方法測量超導(dǎo)電流產(chǎn)生的磁場，來研究螺線管內(nèi)超導(dǎo)電流的衰變，得出的結(jié)論是超導(dǎo)電流的衰變時間不短于10萬年。,特性二：完全抗磁性 處于超導(dǎo)狀態(tài)的金屬，不管其經(jīng)歷如何，磁感應(yīng)強(qiáng)度B始終為零。這一現(xiàn)象為邁斯納（Meissner）1933年發(fā)現(xiàn)，稱為邁斯納效

25、應(yīng)。,磁力線不能進(jìn)入超導(dǎo)體內(nèi)部,超導(dǎo)體的基本特性,特性三：臨界溫度（Tc）、臨界磁場（Hc）、臨界電流JC是約束超導(dǎo)現(xiàn)象的三大臨界條件。,當(dāng)溫度超過臨界溫度時，超導(dǎo)態(tài)就消失；同時，當(dāng)超過臨界電流或者臨界磁場時，超導(dǎo)態(tài)也會消失，三者具有明顯的相關(guān)性。只有當(dāng)上述三個條件均滿足超導(dǎo)材料本身的臨界值時，才能發(fā)生超導(dǎo)現(xiàn)象（由Tc、Hc，Jc形成的閉合曲面內(nèi)為超導(dǎo)態(tài)）。,超導(dǎo)體的基本特性,特性四：約瑟夫森（B D Josephson）效應(yīng)

26、 （承擔(dān)超導(dǎo)電的超導(dǎo)電子還可以穿越極薄絕緣體勢壘）,經(jīng)典力學(xué)中，若兩個區(qū)域被一個勢壘隔開，則只有粒子具有足夠的能量時，其才會從一個區(qū)域進(jìn)入另一個區(qū)域。量子力學(xué)中，粒子具有足夠的能力不再是一個必要條件，一個能量不太高的粒子也可能會以一定的概率“穿過”勢壘，即所謂的“隧道效應(yīng)”。（約瑟夫森語言并被后人證實）,超導(dǎo)體的種類（按邁斯納效應(yīng)分）,按照邁斯納（Meissner）效應(yīng)分類：第一類超導(dǎo)體和第二類超導(dǎo)體,第一類超

27、導(dǎo)體（軟超導(dǎo)體）當(dāng)H HC 時，B＝μH第一類超導(dǎo)體只有一個臨界磁場，即HC 只有一個特征值。除釩、鈮、釕外，元素超導(dǎo)體都是第一類超導(dǎo)體,超導(dǎo)體的種類（按邁斯納效應(yīng)分）,第二類超導(dǎo)體（硬超導(dǎo)體）當(dāng)H HC2 時，B＝μH,釩、鈮以及大多數(shù)合金或化合物超導(dǎo)體均屬于第二類,（二）超導(dǎo)材料,元素超導(dǎo)體合金超導(dǎo)體金屬間化合物超導(dǎo)體陶瓷超導(dǎo)體高分子超導(dǎo)體,,,在低溫常壓下，具有超導(dǎo)特性的化學(xué)元素共有26種，由于臨界溫度太低，無太大實

28、用價值,Nb的Tc最高，僅為9.26K,1. 元素超導(dǎo)體,合金超導(dǎo)體合金超導(dǎo)體是機(jī)械強(qiáng)度最高、應(yīng)力應(yīng)變較小、磁場強(qiáng)度低、臨界電流密度高的超導(dǎo)體，在早期得到實際應(yīng)用。超導(dǎo)合金主要有Ti-V、Nb-Zr、Mo-Zr、Nb-Ti等合金系，其中Ge-Nb3的臨界溫度最高（23.2K）。金屬間化合物超導(dǎo)體金屬間化合物超導(dǎo)體的臨界溫度與臨界磁場一般比合金超導(dǎo)體的高，但此類超導(dǎo)體的脆性大，不易直接加工成帶材或線材。,,1986年發(fā)現(xiàn)了陶瓷超導(dǎo)

29、體，使超導(dǎo)材料獲得了更高的臨界溫度，如YBaCuO（Tc＝90K）、TiBaCaCuO（Tc＝120K）等。最大缺點(diǎn)為脆性大，加工困難。高溫超導(dǎo)材料：Tc＞77K（液N溫度）,,,陶瓷金超導(dǎo)體,中國制造 Made in China,2002年1月 長116m，寬3.6mm，厚0.28 mm 鉍系高溫超導(dǎo)帶材試制成功。2002年4月 340m 長的鉍系高溫超導(dǎo)導(dǎo)線試制成功。

30、 已達(dá)到了國際先進(jìn)水平,高分子超導(dǎo)體,高分子材料通常為絕緣體，但在數(shù)億帕氣壓作用下也可以轉(zhuǎn)變成為超導(dǎo)體。如：四硫富瓦稀四腈代對苯醌二甲烷目前高分子超導(dǎo)體的最高臨界溫度僅僅達(dá)到10K,（三）超導(dǎo)材料的應(yīng)用,超導(dǎo)的應(yīng)用，基本上可以分為強(qiáng)電強(qiáng)磁和弱電弱磁兩大類。（1）超導(dǎo)強(qiáng)電強(qiáng)磁應(yīng)用 主要基于超導(dǎo)體的零電阻特性和完全抗磁性以及非理想第二類超導(dǎo)體所特有的高臨界電流密度和高臨界磁場。

31、 主要應(yīng)用在電力方面如超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)磁體（如超導(dǎo)磁懸浮列車）、巨大環(huán)形超導(dǎo)磁體、超導(dǎo)磁分離等。,（2）超導(dǎo)弱電弱磁的應(yīng)用 基于Josephson效應(yīng)為基礎(chǔ)，建立極靈敏的電子測量裝置為目標(biāo)的超導(dǎo)電子學(xué)，發(fā)展了低溫電子學(xué)。如超導(dǎo)量子干涉器件是一種高靈敏度的測量裝置，主要功能是測量磁場。它可以在電工儀表、醫(yī)學(xué)、生物、資源開發(fā)、環(huán)境保護(hù)、固體材料、地球物理等領(lǐng)域應(yīng)用。,1. 電力輸送與儲存目前有大約30%的電能損耗在輸電線路

32、上，采用超導(dǎo)體輸電，可大大減少損耗，且省去了變壓器和變電所。使用巨大的超導(dǎo)線圈，經(jīng)供電勵磁產(chǎn)生磁場而儲存能量。超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)所存能量幾乎可以無損耗的儲存下去，其轉(zhuǎn)換率可高達(dá)95%。,超導(dǎo)材料的應(yīng)用實例,2. 磁流體發(fā)電,化學(xué)能,,熱能,,機(jī)械能,,電能,火力發(fā)電,熱能,,電能,磁流體發(fā)電,3. 磁懸浮列車,時速 400 ~ 500km.,4. 超導(dǎo)計算機(jī),速度是計算機(jī)永遠(yuǎn)追求的主題,三、電接點(diǎn)（觸頭）材料,電接點(diǎn)是建立和解除電接觸的導(dǎo)

33、電構(gòu)件，廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)、電器裝置，儀器儀表、電信和電子設(shè)備。按電負(fù)荷的大小，電接點(diǎn)分為：強(qiáng)電、中電和弱電。,,（一） 強(qiáng)電接點(diǎn)材料,電負(fù)荷大，要求電接點(diǎn)材料：接觸電阻低、耐電蝕、耐磨損、高的耐電壓強(qiáng)度、良好的來電弧能力，一定的機(jī)械強(qiáng)度。一般采用合金材料。,空氣開關(guān)接點(diǎn)材料 銀系合金 ： Ag-CdO、 Ag-Fe、Ag-W、Ag-石墨等。 銅系合金 如：Cu-W、 Cu-石墨真空開關(guān)接點(diǎn)材料

34、 Cu-Bi-Ce、 Cu-Fe-Ni-Co-Bi、 W-Cu-Bi-Zr合金等,（二）弱電接點(diǎn)材料,弱電接點(diǎn)電負(fù)荷及機(jī)械負(fù)荷都很小，要求接點(diǎn)材料有極好的導(dǎo)電性、極高的化學(xué)穩(wěn)定性、良好的抗電火花燒損性和耐磨性。大多用貴金屬合金材料。,常用的弱電接點(diǎn)材料有：Au系 （金）Ag系 （銀）Pt系（鉑）Pd系（鈀）,（三）復(fù)合接點(diǎn)材料,通過合理工藝將貴金屬接點(diǎn)材料與非貴金屬基體材料結(jié)合在一起，國外90%以上的弱電接點(diǎn)采用復(fù)

35、合接點(diǎn)材料。,磁功能材料,第三章 磁性功能材料,磁性功能材料 ——磁性材料指那些有實際工程意義具有較強(qiáng)磁性的材料。是最古老的功能材料。公元前幾世紀(jì)人類就發(fā)現(xiàn)自然界中存在天然磁體，磁性(Magnetism)一詞就因盛產(chǎn)天然磁石的Magnesia地區(qū)而得名。早期的磁性材料主要是軟鐵、硅鋼片、鐵氧體等。二十世紀(jì)六十年代起，非晶態(tài)軟磁材料、納米晶軟磁材料、稀土永磁材料等一系列的高性能磁性材料相繼出現(xiàn)。磁性材料廣泛應(yīng)用于計算機(jī)及聲像記錄用大容

36、量存儲裝置如磁盤、磁帶，電工產(chǎn)品如變壓器、電機(jī)，以及通訊、無線電、電器和各種電子裝置中，是電子和電工工業(yè)、機(jī)械行業(yè)和日常生活中不可缺少的材料之一，,本章主要內(nèi)容 磁學(xué)理論 —— 物質(zhì)的磁性、磁性的基本物理量 磁性材料分類 —— 軟磁材料、永磁材料、半硬磁 材料 磁性材料的基本性能與應(yīng)用,第三章 磁性功能材料,簡介,磁性是物質(zhì)的基本屬性之一。磁性現(xiàn)象是與各種形式的電荷運(yùn)動相關(guān)聯(lián)的，由于物質(zhì)

37、內(nèi)部的電子運(yùn)動和自旋會產(chǎn)生一定大小的磁場，因而產(chǎn)生磁性。一切物質(zhì)都具有磁性。但磁性材料通常是指那些在實際工程意義上具有較強(qiáng)磁性的材料。磁性材料是電子工業(yè)的重要基礎(chǔ)功能材料，廣泛應(yīng)用于計算機(jī)、電子器件、通訊、汽車和航空航天等工業(yè)領(lǐng)域，隨著世界經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，磁性材料的需求將空前廣闊。當(dāng)前我國磁性材料的發(fā)展居世界之首，已經(jīng)成為世界上永磁材料生產(chǎn)量最大的國家。,基本概念,“磁”來源于電。一個環(huán)形電流在其運(yùn)動中心產(chǎn)生的磁矩為P=i

38、s，i為電流強(qiáng)度，s為環(huán)形回路所包圍的面積。 原子內(nèi)的電子做循軌運(yùn)動和自旋運(yùn)動，這必然產(chǎn)生磁矩，產(chǎn)生的磁矩分別稱為軌道磁矩P1和自旋磁矩Ps。 原子核雖然也產(chǎn)生磁矩，但它的值比電子磁矩小三個數(shù)量級，一般情況下可忽略不計。因此，原子磁矩的產(chǎn)生是電子的循軌運(yùn)動、電子自旋這二者組合的結(jié)果。,,基本概念,磁場強(qiáng)度（H）：指空間某處磁場的大小，單位：安/米；磁化強(qiáng)度（M）：物質(zhì)的磁性來

39、源于內(nèi)部的磁矩，只有當(dāng)內(nèi)部磁矩同向有序排列時才對外顯示強(qiáng)磁性。單位體積內(nèi)磁矩矢量和稱為M，單位：安/米；磁感應(yīng)強(qiáng)度（B）：物質(zhì)在外磁場作用下，其內(nèi)部原子磁矩的有序排列還將產(chǎn)生一個附加磁場。在磁性材料內(nèi)部外加磁場與附加磁場的和，稱為磁感應(yīng)強(qiáng)度。B=μ0(H+M) ，μ0是一個系數(shù)，叫做真空磁導(dǎo)率。磁感應(yīng)強(qiáng)度又稱為磁通密度，單位是特斯拉（T）；磁導(dǎo)率（μ） ：μ=B/H，是磁化曲線上任意一點(diǎn)上B和H的比值。導(dǎo)磁率實際上代表了磁性材料

40、被磁化的容易程度，或者說是材料對外部磁場的靈敏程度；磁化率（ χ ）：磁化強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度的比值，χ = M /H。,磁滯回線,在外加磁場的作用下磁體會被磁化，磁體內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨外磁場H的變化是非線性的，當(dāng)H減少為零時，B并未回到零值，出現(xiàn)剩磁Br。磁感應(yīng)強(qiáng)度滯后于磁場強(qiáng)度變化的性質(zhì)稱為磁滯性。圖為磁性物質(zhì)的磁滯曲線；要使剩磁消失，通常需進(jìn)行反向磁化。將 B=0時的 H 值稱為矯頑磁力 Hc；Br稱為剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度， Bs稱

41、為最大磁感應(yīng)強(qiáng)度（飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度）。,3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)－物質(zhì)的磁性,(一) 物質(zhì)的磁性將一個面積為（A) 、通有電流（Is)的環(huán)型導(dǎo)體放入磁場中，該環(huán)型導(dǎo)體將會在磁場（H)的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，即環(huán)型導(dǎo)體受到力矩的作用。力矩（M)的大小可由下式表示： M ? Is x A x H 定義Pm= Is x A為通過電流為Is、面積為A的環(huán)型導(dǎo)體的磁矩。,,,,,,,,,Is,,,I,原子內(nèi)的電子做循軌運(yùn)動和自旋運(yùn)動

42、，所以必然產(chǎn)生磁矩。前者稱為軌道磁矩，后者稱為自旋磁矩。電子的循軌磁矩 Pl = 電子的自旋磁矩 Ps = e：單位電荷；h:普朗克常數(shù)；m:電子質(zhì)量；l:軌道量子數(shù)；s:自旋量子數(shù)。原子核的磁矩比電子磁矩小三個數(shù)量級，一般情況下可忽略不計。,3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)－物質(zhì)的磁性,物質(zhì)磁性具有普遍性,3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)－物質(zhì)的磁性,電子的循軌磁矩,電子的循軌磁矩,,,,,,,原子磁矩,物質(zhì)磁性,原子磁矩,＝

43、Σ,物質(zhì)表現(xiàn)何種磁性,,,,,原子磁矩間相互作用,外加磁場的作用,3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)－物質(zhì)的磁性,細(xì)菌細(xì)胞中的磁力線,200nm的Co粒子中的磁力線,3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)－物質(zhì)的磁性,磁場強(qiáng)度：電流強(qiáng)度為 I 的電流在一個每米有N匝線圈的無限長螺旋管軸線中央產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度 H 為： H = N x I A/m （安/米）距離永磁體r處的磁場強(qiáng)

44、度 H 為： H = km1r0/r2 H/m（亨利/米）m1為磁極的磁極強(qiáng)度，單位為Wb(韋伯)；r0是r的矢量單位；磁化強(qiáng)度(M ):單位體積磁性材料內(nèi)各磁疇磁矩的矢量和，單位為A/m。磁感應(yīng)強(qiáng)度(B ):物質(zhì)在外磁場作用下，其內(nèi)部原子磁矩的有序排列還將產(chǎn)生一個附加磁場。在磁性材料內(nèi)部外加磁場與附加磁場的和,單位為T（特斯拉）

45、。,（二）基本磁性參量,B=H+M,3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)－物質(zhì)的磁性,磁導(dǎo)率和磁化率在真空中磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁場強(qiáng)度H間的關(guān)系為： B=μ0H 在磁性材料中： B=μ0（H+ M） 在均勻的磁性材料中，上式的矢量和可改成代數(shù)和： B=μ0（H+M）

46、 磁性材料的磁導(dǎo)率定義為磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度之比： μ=B/H μ0 : 真空磁導(dǎo)率; μ: 絕對磁導(dǎo)率，單位為 H/m，μr: 相對磁導(dǎo)率 μr =μ/μ0

47、 磁化率定義為磁化強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度之比： χ= M/H,(三）物質(zhì)磁性的分類,3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)－物質(zhì)的磁性,物質(zhì)磁性分類,順磁性,被磁化后，磁化場方向與外場方向相同，χ： 1 – 104,鐵磁性,被磁化后，磁化場方向與外場方向相同，χ：10-3-10-6,被磁化后，磁化場方向與外場方向

48、相反，χ： －（10-5 – 10-6 ）,抗磁性,與外加磁場的關(guān)系,,順磁性起因于原子或分子磁矩，在外加磁場作用下趨于沿外場方向排列，使磁質(zhì)沿外場方向產(chǎn)生一定強(qiáng)度的附加磁場。順磁性是一種弱磁性。順磁性材料多用于磁量子放大器和光量子放大器，在工程上的應(yīng)用極少。順磁金屬主要有Mo，Al，Pt，Sn等。,3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)－物質(zhì)的磁性,抗磁性是由于外磁場作用下，原子內(nèi)的電子軌道繞場向運(yùn)動，獲得附加的角速度和微觀環(huán)形電流，從而產(chǎn)生與外磁場方

49、向相反的感生磁矩。原子磁矩疊加的結(jié)果使宏觀物質(zhì)產(chǎn)生與外場方向相反的磁矩。由于屬于此類的物質(zhì)有C，Au，Ag，Cu，Zn，Pb等。,3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)－物質(zhì)的磁性,,,,,,,,,,,,,,,,H,m,m,Dm,k,k,Dk,Dk,Dm,產(chǎn)生抗磁性的原理,m：磁矩,Dm ：附加磁矩,Dk ：附加向心力,k：向心力,抗磁性具有普遍性,物質(zhì)是否表現(xiàn)出抗磁性要看物質(zhì)的抗磁場是否大于其順磁場,,物質(zhì)內(nèi)部原子磁矩的排列a:順磁性 b:鐵磁性 c

50、:反鐵磁性 d:亞鐵磁性,3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)－物質(zhì)的磁性,由于原子間的交換作用使原子磁矩發(fā)生有序的排列，產(chǎn)生自發(fā)磁化，鐵磁質(zhì)中原子磁矩都平行排列 （在絕對零度時),3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)－物質(zhì)的磁性,鐵磁質(zhì)：磁矩的有序排列隨著溫度升高而被破壞，溫度達(dá)到居里溫度（Tc）以上時有序全部被破壞，磁質(zhì)由鐵磁性轉(zhuǎn)為順磁性。 Tc是材料的M-T曲線上MS2→0對應(yīng)的溫度。順磁質(zhì)：朗之萬（Langevin）順磁性： 磁化率服從居里(Curie)

51、定律，即：χ=c/T。泡利（Pauli）順磁性： 服從居里-外斯（Curie-Weiss）定律，即：χ=C/(T-Tc)。,（四）溫度對物質(zhì)磁性的影響,,,,Tc,χ,3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)－物質(zhì)的磁性,(四）磁各向異性 磁性材料在不同方向上具有不同磁性能的特性。包括：磁晶各向異性，形狀各向異性，感生各向異性和應(yīng)力各向異性等。,,單晶體的易磁化和難磁化方向,3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)－物質(zhì)的磁性,（五）磁致伸縮磁性材料磁化過程中發(fā)

52、生沿磁化方向伸長(或縮短)，在垂直磁化方向上縮短(或伸長)的現(xiàn)象，叫做磁致伸縮。它是一種可逆的彈性變形。材料磁致伸縮的相對大小用磁致伸縮系數(shù)λ表示，即 ： λ=Δl/l 式中， Δl和l分別表示磁場方向的絕對伸長與原長。在發(fā)生縮短的情況下，l為負(fù)值，因而λ

53、也為負(fù)值。當(dāng)磁場強(qiáng)度足夠高，磁致伸縮趨于穩(wěn)定時，磁致伸縮系數(shù)λ稱為飽和磁致伸縮系數(shù)，用λs表示。 對于3d金屬及合金:λs約為 10-5—10-6。,3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)－磁化過程與技術(shù) 磁參量,(一) 磁疇結(jié)構(gòu)在鐵磁性材料中，原子磁矩平行排列，以使交換作用能最低。但大量原子磁矩的平行排列增大了體系的退磁能，因而使一定區(qū)域內(nèi)的原子磁矩取反平行排列，出現(xiàn)了兩個取向相反的自發(fā)磁化區(qū)域，降低退磁能，直至形

54、成封閉疇。每一個磁矩取向一致的自發(fā)磁化區(qū)域就叫做一個磁疇。,立方結(jié)構(gòu)單晶鐵磁材料的磁疇結(jié)構(gòu)示意圖,3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)－磁化過程與技術(shù) 磁參量,Co中的磁疇結(jié)構(gòu),磁疇結(jié)構(gòu)包括磁疇和疇壁兩部分。磁疇的體積為10-1～10-6cm3。疇壁是指磁疇交界處原子磁矩方向逐漸轉(zhuǎn)變的過渡層,3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)－磁化過程與技術(shù) 磁參量,疇壁,布洛赫(Bloch)磁疇壁,疇

55、壁兩側(cè)的原子磁矩的旋轉(zhuǎn)平面與疇壁平面平行，兩個疇的磁化方向相差180,奈耳（Neel）磁疇壁,疇壁內(nèi)原子磁矩的旋轉(zhuǎn)平面與兩磁疇的磁矩在同一平面平行于界面,3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)－磁化過程與技術(shù) 磁參量,布洛赫,奈爾壁,3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)－磁化過程與技術(shù) 磁參量,磁化過程：磁性材料在外磁場作用下由宏觀的無磁狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛写艩顟B(tài)的過程。磁化是通過磁疇的運(yùn)動來實現(xiàn)。,（

56、二）磁疇移動與磁化過程,受外磁場作用時，疇內(nèi)整齊排列在易磁化方向上原子磁矩一致地偏離易磁化方向而向外磁場方向轉(zhuǎn)動。外場愈強(qiáng)，材料的磁各向異性愈弱，則磁矩就愈偏向外場方向。,運(yùn)動方式,轉(zhuǎn)動,移動,各磁疇內(nèi)部的磁矩平行或反平行于外加磁場，不受這一磁場的力矩。而疇壁附近的磁矩方向發(fā)生改變，使疇壁產(chǎn)生橫向移動。,3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)－磁化過程與技術(shù) 磁參量,,疇壁的移動,,磁疇的轉(zhuǎn)動,3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)－磁

57、化過程與技術(shù) 磁參量,（三）磁化曲線,,磁化過程四階段：,（1） M隨H呈線性地緩慢增長，可逆疇壁移動過程。（2） M隨H急劇增長，不可逆疇壁移動過程，的巴克豪森（Barkhausen）跳躍。（3）M的增長趨于緩慢。磁疇的磁化矢量已轉(zhuǎn)到最接近H方向，M的增長主要靠可逆轉(zhuǎn)動過程來實現(xiàn)。（4）磁化曲線極平緩地趨近于水平線而達(dá)到飽和狀態(tài)。,3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)－磁化過程與技術(shù)

58、 磁參量,,(四）磁性材料的技術(shù)磁參量,技術(shù)磁參量,,,內(nèi)稟磁參量: MS、Tc,外稟磁參量: Hc、Mr或Br、磁導(dǎo)率、損耗、磁能積,MS: 飽和磁化強(qiáng)度Hc：矯頑力Mr或Br：剩磁,主要取決于材料的化學(xué)成分,對材料結(jié)構(gòu)（如晶粒尺寸、晶體缺陷、晶粒取向等）敏感，可以通過適當(dāng)?shù)墓に嚫淖?,,損耗： 軟磁材料磁化一周總的能量損耗W，由渦流損耗，磁滯損耗Wh和剩余損耗Wr三部分組成，通常以每公斤材料損耗的功率表示，即:

59、 W=We+Wh+Wr We：在交變磁化條件下，材料垂直于磁場的平面內(nèi)產(chǎn)生的渦流引起發(fā)熱產(chǎn)生的損耗。循環(huán)磁化一周的渦流損耗與材料的電阻率、厚度D、磁感變化幅度Bm關(guān)系如下: We∝D2Bm2/ρ Wh：在循環(huán)磁化條件下，材料每循環(huán)磁化一周所消耗的能量，它也以熱的形式表現(xiàn)出來，其大小與磁滯回線的面積呈正比。Wr ：從總損耗中扣除渦流損耗和磁滯損

60、耗所剩的部分,3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)－磁化過程與技術(shù) 磁參量,3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)－磁化過程與技術(shù) 磁參量,磁能積（BH） ：磁鐵在氣隙空間所建立的磁能量密度。永磁體均在開路狀態(tài)下使用，作為磁場源或動作源。主要作用是在磁鐵的兩磁極空間(或稱空氣隙)產(chǎn)生磁場Hg。Hg=(BmHmVm/μ0Vg)1/2  式中Vm、Bm和Hm分別是磁

61、鐵的體積、磁感強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度，Vg、Hg是氣隙的體積和磁場強(qiáng)度。磁場強(qiáng)度（ Hg）除與磁體的體積及氣隙體積有關(guān)外，主要取決于磁體的磁能積（BH） 。最大磁能積（BH）max：退磁曲線上磁能積最大的一點(diǎn)，工程應(yīng)用中通常將(BH)max稱為磁能積。,對通常的永磁體的應(yīng)用而言，Hg越大越好。因此、在設(shè)計磁鐵時，應(yīng)使其工作點(diǎn)在圖中的D點(diǎn)附近。同時、(BH)max越大，Hg也越大。 (BH)max越高，所需要的磁體體積就越小 (BH)max的大

62、小取決于磁感矯頑力Hc、剩磁Br和隆起系數(shù)γ，即:(BH)max =γ·Br·HCB,3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)－磁化過程與技術(shù) 磁參量,,永磁材料的退磁曲線與磁能積(密度)曲線,3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)－磁化過程與技術(shù) 磁參量,磁滯回線族,3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)－磁化過程與技術(shù) 磁參量,（五）磁性材料的穩(wěn)定性,衡量磁性

63、材料的磁參量隨外界因素作用產(chǎn)生的變化，主要考慮Br和Hc。（1）溫度穩(wěn)定性：磁性能隨溫度的變化。（2）時間穩(wěn)定性：在某一特定工作環(huán)境下長期工 作過程中磁性隨時間的變化。 （3）化學(xué)穩(wěn)定性：在腐蝕介質(zhì)的環(huán)境中磁性隨時 間的變化。,顯微組織變化引起的組織時效,性能不穩(wěn)定的原因,,磁疇結(jié)構(gòu)變化引起的磁時效,可逆，再次充磁時材料能恢復(fù)原來的磁性,不可逆,3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)－磁性材料分類,按矯頑力分類,軟磁材料,半硬

64、磁材料,硬（永）磁材料,Hc<100A/m(1.25 Oe),Hc :100～1000A/m(1.25～12.5Oe),Hc>1000A/m(12.5Oe),按用途分類,,鐵芯材料,磁記錄材料,磁頭材料,磁致伸縮材料,磁屏蔽材料,變壓器、繼電器,錄音機(jī),通訊儀器、電器,磁帶、磁盤,傳感器,磁性材料的分類,根據(jù)滯回曲線和磁化曲線的不同，分成三類：,(1)軟磁材料其矯頑磁力較小，磁滯回線較窄。(鐵心),(2)硬磁材料其矯頑

65、磁力較大，磁滯回線較寬。(磁鐵),(3)矩磁材料其剩磁大而矯頑磁力小，磁滯回線為矩形。(記憶元件),3. 1 磁學(xué)基礎(chǔ)－磁性材料分類,,主要磁性材料分類,3. 2 軟磁材料,用途：發(fā)電機(jī)、電動機(jī)、變壓器、電磁鐵、各類繼電器與電感、電抗器的鐵心；磁頭與磁記錄介質(zhì)；計算機(jī)磁心等。要求：高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、高的最大磁導(dǎo)率、高的居里溫度和低的損耗。分類：高磁飽和材料，中磁飽和中導(dǎo)磁材料，高導(dǎo)磁材料，高硬度、高電阻、高導(dǎo)磁材料，矩磁

66、材料，恒磁導(dǎo)率材料，磁溫度補(bǔ)償材料，磁致伸縮材料。,軟磁材料,定義：指在外磁場作用下，很容易磁化，去掉外磁場時又很容易去磁的磁性材料。,軟磁材料的特性高的磁導(dǎo)率和磁感應(yīng)強(qiáng)度；矯頑力和磁滯損耗低；（矯頑力一般小于1kA/m）電阻率較高，反復(fù)磁化和退磁時產(chǎn)生的渦流損耗小。,3. 2 軟磁材料－鐵芯材料,用途：變壓器、電機(jī)與繼電器的鐵(磁)心。要求：低的矯頑力、高的磁導(dǎo)率和低的鐵損。主要材料：高磁飽和材料(Bs為2T左右)，如工業(yè)

67、純鐵、電工硅鋼片、非晶態(tài)軟磁合金和鐵鈷合金；中磁飽和中導(dǎo)磁材料；高導(dǎo)磁材料如坡莫合金等；恒磁導(dǎo)率材料；以及鐵粉心型材料與氧化物粉心材料等,（一） 工業(yè)純鐵資源豐富、價格低廉，具有良好的可加工性。早在1890年熱軋純鐵就用于制造電機(jī)和變壓器鐵芯。是直流技術(shù)中非常重要的高磁飽和材料，主要用于制造電磁鐵的鐵心、極頭與極靴；繼電器和揚(yáng)聲器的磁導(dǎo)體；電話機(jī)的振動膜；電工儀器儀表及磁屏蔽元件等。,3. 2 軟磁材料－非晶態(tài)、微晶與納米

68、 晶軟磁合金,最常見的是電磁純鐵，名稱為電鐵(代號DT)，含碳量低于0.04%的Fe-C合金，Bs達(dá)2.15T，其供應(yīng)狀態(tài)包括鍛材、管材、圓棒、薄片或薄帶等。,去應(yīng)力退火：消除加工應(yīng)力。保護(hù)條件下860～930℃，保溫4小時后隨爐冷卻。去除雜質(zhì)處理：純鐵中的雜質(zhì)（ C，Mn，Si，P，S，N等）會顯著降低材料的磁導(dǎo)率和矯頑力。通過去雜質(zhì)退火處理來降低材料中雜質(zhì)的含量。在純干燥氫氣或真空(10-2帕以下)中，于