磁性陶瓷

1、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,1

2、4:54,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

3、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

4、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,1

5、7,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

6、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

7、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

8、 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

9、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：MO6Fe2O3，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

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