材料科学与工程导论-26讲述.ppt

20.21 温度低于TC，加一个足够大的磁场，超导状态消失，这一场叫临界场HC。HC与温度有关，温度升高，HC降低。相应的电流密度存在一个临界电流密度JC。 根据材料对磁场的响应，超导材料可以分为两种类型，定义为类型I和类型II。I类材料在超导状态完全抗磁，即所有的磁场都被排斥到体外。这种现象称为麦斯纳效应（Meissner effect），图20.23所示。随着H增大，材料保持抗磁性，直到H达到临界磁场HC。当H＝HC时，电导恢复正常，磁通完全穿透材料。几种金属元素，包括铝、铅、锡和汞属于第I类。 20.22 20.23 第II类超导体在低场下完全抗磁，磁场全部被排斥到体外。然而，由超导状态到正常状态的转变是连续的，转变发生在下临界场HC1和上临界场HC2之间。在HC1磁通线开始渗透到材料体内，随磁场增大，渗透继续，当外场等于HC2时，磁场完全渗透到体内。在外场介于HC1和HC2之间时，材料处于混合状态——即存在正常导电区，又存在超导区。 20.7 20.6温度对磁性的影响 20.10 铁磁材料、亚铁磁材料：在居里温度Tc，自旋相互之间的耦合力被完全破坏，因此温度高于Tc时，成为顺磁材料。Tc随材料不同而不同。例如，铁、钴、镍和Fe3O4的居里温度分别为768、1120、335和585℃。 Curie-Weiss law: 反铁磁性也受温度的影响。其磁化强度在所谓的聂耳温度（Neel temperature）消失。当温度高于聂耳温度TN时，反铁磁材料也成为顺磁性材料。 20.7磁畴和磁滞(Domains and hysteresis) 20.11 一、磁畴 通常磁畴的尺寸处在微观量级。对多晶试样，每个晶粒可能含有一个以上的磁畴。 20.12 因此对宏观材料，将存在大量的磁畴，而且每个磁畴的磁化强度的取向可能不同，磁畴之间存在畴壁Domain wall（or Bloch wall），在整个固体内M场的大小等于所有磁畴的磁化强度的矢量和，每个磁畴的贡献需乘以体积分数权重。对未磁化试样，经过适当的权重后，所有的磁畴的矢量和为零。 磁畴的大小通常小于0.005 cm，畴壁的厚度在100 nm左右。 20.13 二、磁滞 20.14 由图20.14饱和点S，当H场反方向减小时，曲线并不沿原来的路径返回，而是产生磁滞效应，B场滞后于外加H场，或者以低的速度减小。在H＝0时（曲线上R点），存在一个残余B场，叫剩余磁化强度(Remanence)或剩余磁通密度(remanent flux density)Br。外场不存在时，材料仍处在磁化状态。 磁滞行为和永久磁化可以通过畴壁的运动进行解释。 为了将试样内部的B场降为0（图20.14 C点），需要加一个与原来磁场方向相反，大小为－Hc的场，叫矫顽场(coercivity)，或者矫顽力(coercive force)。继续沿此方向增大磁场，如上图所示，最终在反方向达到饱和，饱和点为S?。再一次使磁场反方向变化到原始饱和点（S），完成对称的磁滞回线，同时也得到了负的剩余磁化强度 （- Br）和正的矫顽场（＋Hc）。 20.15 20.8软磁材料 磁滞回线的面积表示：单位体积、单次磁化，去磁循环中材料的磁能损失。能量以热的形式散失掉，即试样生热，温度升高。 铁磁和亚铁磁材料，基于其磁特性，分为软磁和硬磁。软磁材料(soft magnetic materials)：磁滞回线的相对面积小，磁滞回线特别薄而窄，如图20.16所示。一个熟悉的例子是变压器芯。 因此软磁材料一定有高的初始磁导率和低的矫顽场。 具有这些特性的材料在比较低的磁场（即易磁化和易去磁）达到饱和磁化强度，而且仍然有低的磁滞能量损失。 饱和场或者饱和磁化强度仅由材料成分确定。例如，立方铁氧体，用二价金属离子如Ni2+替代FeO－Fe2O3中的Fe2+，将改变饱和磁化强度。然而磁化率和矫顽场（Hc）对结构变量敏感，对成分不敏感，它们也影响磁滞曲线的形状。例如矫顽场小，说明当磁场大小或方向变化时，磁畴容易运动。结构缺陷如磁性材料中的非磁性相颗粒或空隙趋向于限制磁畴的运动，因此提高了矫顽场。所以软磁材料必须消除这种结构缺陷。 20.16 软磁材料需要考虑的另一种特性是电阻率。除了上面描述的磁滞能量损失外，在大小和方向随时间变化的磁场中，磁性材料内感应的电流也可能造成能量损失。感应电流叫涡旋电流(eddy current)。增加电阻率可使得这种能量损失达到极小，这可以通过形成固溶合金实现这一目标。如铁－硅和铁－镍合金。陶瓷铁氧体常常用于要求软磁材料的应用中，因为陶瓷铁氧体是天然绝缘体，但是缺点是它们有比较小的磁化率。 20.5 20.9硬磁材料(Hard magnetic materials) 硬磁材料有高的剩余磁化强度、矫顽