第八讲---金属材料和磁性材料

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金属材料磁性材料钢铁和新型金属材料磁性理论磁性材料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《DeMagnete》W.Gibert18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Mössbauer效应的发现1960年非晶态物质的理论预言1964年Kondoeffect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-muller1988年巨磁电阻GMR的发现,M.N.Baibich1994年CMR庞磁电阻的发现，Jin等LaCaMnO31995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级和未成对电子数分裂能Δ0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dEW洪德法则不再成立.晶场下电子轨道分裂，分裂能隙(dE)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(dE)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，c~10-5。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=10-510-2。顺磁物质的磁化率随温度的变化χ(T)有两种类型:第一类遵从居里定律：χ=C/TC称为居里常数第二类遵从居里-外斯定律：χ=C/(T-Tp)Tp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Neelpoint)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