磁性陶瓷

14:54,材料科学与工程学院,1,第7章 磁性陶瓷,应掌握的内容：,1、材料的磁性 2、磁性材料的类型及主要应用 3、铁氧体材料类型及其主要制备方法,教学目的和要求,14:54,材料科学与工程学院,2,应了解的内容：,1、几个磁性效应 2、磁性材料的应用,第7章 磁性陶瓷,教学目的和要求,14:54,材料科学与工程学院,3,第7章 磁性陶瓷,教学目的和要求,重点,1. 材料的磁性特征 2. 铁氧体材料及其制备过程,14:54,材料科学与工程学院,4,第7章 磁性陶瓷,教学目的和要求,本章内容,7.1 材料的磁性 7.2 磁性陶瓷的结构类型 7.3 铁氧体材料,14:54,材料科学与工程学院,5,第7章 磁性陶瓷,教学目的和要求,7.1 材料的磁性 7.2 磁性陶瓷的结构类型 7.3 铁氧体材料,本章内容,14:54,材料科学与工程学院,6,第7章 磁性陶瓷,本节内容,7.1.1 物质的宏观磁性 7.1.2 抗磁性 7.1.3 顺磁性 7.1.4 铁磁性 7.1.5 反铁磁性 7.1.6 亚铁磁性 7.1.7 磁畴 7.1.8 磁滞回线 7.1.9 几个磁性效应,7.1 材料的磁性,14:54,材料科学与工程学院,7,第7章 磁性陶瓷,7.1.1 物质的宏观磁性,B0H0MH,0 真空磁导率； H 磁场强度 材料的有效磁导率； M 磁化强度, M / H,任何材料在磁场中都会或大或小地显示出磁性，即被磁化。此时材料的总磁通密度为,物质可根据的不同分为顺磁、抗磁及铁磁三大类.,磁化率，表示物质磁化性的重要参数。,7.1 材料的磁性,宏观上，物体被磁场磁化的程度与磁场强度有关,14:54,材料科学与工程学院,8,磁化 材料在外加磁场H的作用下，本身具有的磁矩会按磁场方向排列的现象。 自发磁化 无外磁场时，本身具有的磁矩会自发定向排列的现象。,相关概念,第7章 磁性陶瓷,7.1 材料的磁性,7.1.1 物质的宏观磁性,14:54,材料科学与工程学院,9,在外加磁场H的作用下，材料内部感生一个与外磁场H方向相反的感生磁场（抵抗外磁场），这样材料内部总的磁通密度小于外磁场的磁通密度，这种性质被称为抗磁性，具有该性质的材料称为抗磁材料, 0 。 满壳层电子结构的物质具有这种性质，如一些金属及不含过度金属离子或稀土离子的陶瓷。金属中有一半简单金属是抗磁体。,7.1.2 抗磁性,第7章 磁性陶瓷,7.1 材料的磁性,14:54,材料科学与工程学院,10,抗磁悬浮,因抗磁性产生磁浮的热解碳(pyrolytic carbon)。,与超导磁悬浮有何异同？,7.1.2 抗磁性,第7章 磁性陶瓷,7.1 材料的磁性,14:54,材料科学与工程学院,11,偏置磁体和悬浮体都是永磁材料，它们之间的磁力用来平衡悬浮体的重力，抗磁体附加在悬浮永磁体上下，用来使悬浮体平稳悬浮，在径向和辐向都有稳定悬浮的作用。,抗磁悬浮视频,超导磁悬浮,14:54,材料科学与工程学院,12,“抗磁性”一词,早在1778年，S. J. Brugmans就发现了金属铋和金属锑在磁场中存在某些抗磁性现象。 1845年，Michael Faraday（迈克尔·法拉第）发现在施加外磁场中，所有天然物质拥有不同程度的抗磁性，抗磁性一词才正式在文献中使用，后来仅限用于抗磁性很强的物质。,Michael Faraday英国物理学家,7.1.2 抗磁性,第7章 磁性陶瓷,7.1 材料的磁性,14:54,材料科学与工程学院,13,未满电子壳层结构的材料在外磁场作用下，未成对电子产生的磁矩会顺着磁场方向定向排列而产生宏观的净磁矩（在外磁场中显磁性）。磁化率0，材料内部总的感通密度大于外磁场的磁通密度，这种性质被称为顺磁性，具有这种性质的材料称为顺磁材料。如含有过度金属或稀土离子的材料。,7.1.3 顺磁性,第7章 磁性陶瓷,7.1 材料的磁性,14:54,材料科学与工程学院,14,顺磁体中，磁矩的方向杂乱无序，所以不加磁场无磁化。,顺磁性,物质在强磁场中的顺磁性： 顺着磁场方向定向排列,第7章 磁性陶瓷,7.1 材料的磁性,7.1.3 顺磁性,14:54,材料科学与工程学院,15,顺磁性,顺磁性物质在外磁场中显磁性，在磁天平中增重。,第7章 磁性陶瓷,7.1 材料的磁性,7.1.3 顺磁性,14:54,材料科学与工程学院,16,材料各磁畴具有自发磁化且排列一致的磁矩，在有外磁场H时，自发排列一致的磁矩趋向于与外磁场相同的方向排列。在外场撤去后仍有很强度磁性。这种现象称为铁磁性，具有这种性能的材料称为铁磁体。如磁铁矿FeOFe2O3,7.1.4 铁磁性,在较弱的磁场下，能产生很大的磁化强度。 0 1 M 0,第7章 磁性陶瓷,7.1 材料的磁性,自发磁化且排列一致的磁矩,14:54,材料科学与工程学院,17,材料具有自发磁化磁矩，但相邻晶面的磁矩排列方向正反两个方向，且大小相等，在有外磁场H时，无磁化现象发生。这种现象称为反铁磁性，具有这种性能的材料称为反铁磁体。如非金属氧化物MnO，Cr2O3， -Fe2O3等过渡元素的化合物. 0 1 M 0,7.1.5 反铁磁性,第7章 磁性陶瓷,7.1 材料的磁性,14:54,材料科学与工程学院,18,实质上是两种次晶格（相邻晶面）的反向磁矩未完全抵消的反铁磁性。因有这种性质的材料有亚铁盐及金属氧化物。故称亚铁磁性也称铁氧体磁性，具有这种特性的物质称为 亚铁磁性物质 或铁氧体磁性材料。 往往称之铁氧体。,7.1.6 亚铁磁性,第7章 磁性陶瓷,7.1 材料的磁性,14:54,材料科学与工程学院,19,几种磁性物质的MH关系,第7章 磁性陶瓷,7.1 材料的磁性,7.1.6 亚铁磁性,14:54,材料科学与工程学院,20,磁畴： 自发磁化的磁矩按相同方向排列的微小区域（magnetic domains），亦称韦斯畴。 畴壁： 磁畴之间的边界区域方向不一致磁畴之间的渐变区（约厚100nm）。,7.1.7 磁畴和畴壁,图8.3 磁畴壁中原子偶极子取向的变化 N材料表面形成的磁极,磁畴,磁畴,第7章 磁性陶瓷,7.1 材料的磁性,14:54,材料科学与工程学院,21,铁磁体或亚铁磁体在外磁场H 作用下，各磁畴随着磁场增加向着外磁场方向转变，磁感应强度增加。当磁畴全部转向形成一个单磁畴体时，磁感应强度达到饱和Bs，磁场减少到零时。有剩余磁感应强度Br，只有加一矫顽力（磁场）才能消除之。,7.1.8 磁滞曲线,图8.4 典型铁电体的磁滞曲线,饱和磁化强度,剩余磁化强度,矫顽磁场,与电滞曲线 有何异同？,第7章 磁性陶瓷,7.1 材料的磁性,14:54,材料科学与工程学院,22,极化和磁化 有哪些异同？,第7章 磁性陶瓷,7.1 材料的磁性,14:54,材料科学与工程学院,23,第7章 磁性陶瓷,7.1 材料的磁性,磁效应：物质的磁性和磁场会影响到物质其他物理性质的变化，同时，物质其他性质的变化也会引起物质磁性的变化，前者被称为磁效应，后者称为逆效应。 如 磁力效应 磁电效应 磁热效应 磁光效应 等 利用磁效应制备的材料称之为特磁材料。,7.1.9 几个磁效应,14:54,材料科学与工程学院,24,铁磁性和亚铁磁性材料磁化时，在磁化方向所发生的伸长或缩短现象称为磁致伸缩。,1. 磁滞伸缩,2. 法拉第效应 当一束线偏振电磁波通过适当的纵向磁化介质时，电磁波的偏振面将正向或反向偏转，偏转角正比于波束通过的介质厚度d和介质的磁化强度M，即KMd 应用于光通讯，如单向波导,导致什么变化？,第7章 磁性陶瓷,7.1 材料的磁性,磁-形变,电磁波-磁,7.1.9 几个磁性效应,14:54,材料科学与工程学院,25,磁滞伸缩应用例,第7章 磁性陶瓷,7.1 材料的磁性,7.1.9 几个磁性效应,磁致伸缩液位仪,应用于各类储罐的液位测量。该种液位仪具有精度高、环境适应性强、安装方便等特点。因此，广泛应用于石油、化工等液位测量领域，并逐渐取代了其它传统的传感器，成为液位测量中的精品。,14:54,材料科学与工程学院,26,4. 维拉尔效应 强磁材料在力的作用下，其磁化率将发生变化。这种力对强磁材料磁化性能的影响叫做维拉尔效应。,5. 磁热效应 在绝热条件下，铁磁材料受到突然增加的磁场作用时，材料的温度升高，这种现象称为磁热效应。,3. 克尔效应 一束偏振光被抛光的磁极表面反射后，其偏振面发生旋转，旋转角正比于材料的磁化强度M， KRM KR常数。 可用于磁畴观察及光储存技术。,第7章 磁性陶瓷,7.1 材料的磁性,7.1.9 几个磁性效应,光-磁,力-磁,磁-热,14:54,材料科学与工程学院,27,第7章 磁性陶瓷,教学目的和要求,7.1 材料的磁性 7.2 磁性陶瓷的结构类型 7.3 铁氧体材料,本章内容,14:54,材料科学与工程学院,28,第7章 磁性陶瓷,教学目的和要求,本节内容,7.2.1 磁性陶瓷分类 7.2.2 尖晶石型铁氧体 7.2.3 六方晶系铁氧体 7.2.4 石榴石铁氧体 7.2.5 钙钛矿结构铁氧体,7.2 磁性陶瓷的结构类型,14:54,材料科学与工程学院,29,7.2.1 磁性陶瓷分类,尖晶石型MFe2O4 按晶体结构分 六方晶系MFe12O19 (铁氧体) 石榴石型R3Fe5O12,单晶 按结晶状态分 多晶,软磁 磁记忆 按磁性性质分 半硬磁 （HC的大小） 磁记录 硬磁,铁氧体是磁性陶瓷的主力军，其组成及晶体结构很非常泛，故以此为主介绍。,粉体 按形态分 液体 块体 薄膜等,第7章 磁性陶瓷,7.2 磁性陶瓷的结构类型,14:54,材料科学与工程学院,30,尖晶石：一种较复杂的面心立方结构，每个立方晶胞中含有8个AB2O4的分子式，A、B分别代表二、三价的金属离子。 正尖晶石：A位为正二价离子、B位为三价离子。 通式： M2Fe23O4 M2 Zn、Cd 反尖晶石：A位为三价离子，B位为二价三价离子。通式：Fe3M2Fe3O4 M2 Ni、Co、Fe、Mn、Cu 软磁铁氧体通常的结构,7.2.2 尖晶石型铁氧体,第7章 磁性陶瓷,7.2 磁性陶瓷的结构类型,14:54,材料科学与工程学院,31,图7.6 尖晶石结构 四面体阳离子；八面体阳离子； 氧离子,第7章 磁性陶瓷,7.2 磁性陶瓷的结构类型,7.2.2 尖晶石型铁氧体,14:54,材料科学与工程学院,32,六方晶系： 存在于BaOMOFe2O3三元系统中。 化学式：MO·6Fe2O3，MBa、Sr、Pb。 钡铁氧体最常见。 钡铁氧体： 由立方尖晶石晶格的块 S 和含Ba的六方密堆块 R 组成，相互交替排列。 化学式：S块Fe2O3，R块BaFe6O11,7.2.3 六方晶系铁氧体,第7章 磁性陶瓷,7.2 磁性陶瓷的结构类型,14:54,材料科学与工程学院,33,第7章 磁性陶瓷,7.2 磁性陶瓷的结构类型,7.2.3 六方晶系铁氧体,14:54,材料科学与工程学院,34,7.2.4 石榴石铁氧体,通式：Mc3Fea2Fed3O12，M稀土离子或钇离子，上标c、a、d表示该离子所占晶格位置的类型。每个晶胞包括8个化学式单元，共160个原子。 石榴石铁氧体的净磁矩起因于反平行自旋磁矩的贡献。磁矩还有来自自旋轨道的耦合。,第7章 磁性陶瓷,7.2 磁性陶瓷的结构类型,14:54,材料科学与工程学院,35,7.2.4 石榴石铁氧体,第7章 磁性陶瓷,7.2 磁性陶瓷的结构类型,14:54,材料科学与工程学院,36,钙钛矿结构 通式：ABO3 （见第6章相关）。 具有此结构的物质具有非常大的磁电阻效应，因此成为当今功能陶瓷的研究热点。,7.2.5 钙钛矿结构铁氧体（*）,第7章 磁性陶瓷,7.2 磁性陶瓷的结构类型,14:54,材料科学与工程学院,37