1、走近科技第二講 功能材料 Functional Materials郝長中2010 年 5 月目 錄概述電功能材料導電材料的分類半導體材料超導材料電接點（觸頭）材料磁功能材料概念軟磁材料硬磁材料磁致伸縮材料 光功能材料概念軟磁材料硬磁材料磁致伸縮材料點（觸頭）材料熱功能材料膨脹材料形狀記憶材料測溫材料聲功能材料聲吸收基本原理常用吸聲材料一、概述 1、21世紀的時代特征 1) 人口、資源(能源)、環境（生態）三大 壓力； 2) 信息與經濟的全球一體化； 3) 知識經濟時代意味著科學技術與教育將 受到更高的重視； 4) 國防與戰爭仍是促進科學技術發展的動 力； 2、功能材料的定義 材料科學是研究材料

2、的組織結構、性質、生產流程和使用效能，以及它們之間相互關系的科學。材料科學是多學科交叉、與工程技術密不可分的應用科學。 材料是人類用來制造機器、構件、器件和其他產品的物質。但并不是所有物質都可稱為材料，如燃料和化工原料、工業化學品、食物和藥品等，一般都不算作材料。 材料可按多種方法進行分類。按化學狀態分為金屬材料、無機物非金屬材料、陶瓷材料、有機材料和高分子材料；按物理性質分為高強度材料、耐高溫材料、超硬材料、導電材料、半導體材料、超導材料、絕緣材料、磁性材料和透光材料；按物理效應分為壓電材料、熱電材料、鐵電材料、光電材料、電光材料、聲光材料、磁光材料和激光材料；按用途分為建筑材料、結構材料、

3、研磨材料、耐火材料、耐酸材料、電工材料、電子材料、光學材料、感光材料、能源材料、生物材料和包裝材料； 功能材料主要是利用物質的物理、化學性質或生物現象等對外界變化產生的不同反應而制成的一類材料。功能材料以特殊的電、磁、聲、光、熱、力、化學及生物學等性能作為主要性能指標，是用于非結構目的高技術材料。 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。 3、功能材料的分類 功能材料種類繁多，涉及面廣，有多種分類方法。目前主要是根據材料的化學組成、應用領域、使用性能進行分類。按化學組成金屬功能材料陶瓷功能材料 高分子功能材料 復合功能材料按應用領域電工電子功能材料能源功能材

4、料信息功能材料光學功能材料儀器儀表功能材料航空航天功能材料生物醫學功能材料傳感器用敏感功能材料按使用性能電功能材料磁功能材料光功能材料熱功能材料聲功能材料化學功能材料生物功能材料隱形功能材料4、功能材料的現狀 近年來，功能材料迅速發展，已有10萬多品種，現已開發的以物理功能材料最多，主要有： 1）單功能材料，如：導電材料、介電材料、 鐵電材料、磁性材料、磁信息材料、發熱材料、 熱控材料、光學材料、激光材料、紅外材料等。 2）功能轉換材料，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 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

5、光和防核）、電磁材料等。 4）復合和綜合功能材料，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、環境材料、電磁屏蔽材料等。 5）新形態和新概念功能材料，如：液晶材料、梯度材料、納米材料、非平衡材料等。 目前，化學和生物功能材料的種類雖少，但發展速度很快，其功能也更多樣化。（一）導電材料的分類 按照導電機理分為兩大類：電子導電材料和離子導電材料。 離子導電材料的導電機理源于離子的運動，由于離子的運動速度遠小于電子的運動速度，因此其電導率較小，目前最高不超過102 S/m ，一般在100 S/m以下。10-710-610-510-410-310-210-1100101

6、102103104105106電導率 S/m絕緣體半導體導體超導體：1、電子導電材料電子導電材料又分為導體、超導體和半導體。2、導體材料的種類 導體材料按照化學成分主要有以下三種：1）金屬材料。電導率在107108 S/m之間； 銀（6.63 107 S/m ）、銅（5.85 107 S/m ）和鋁 （3.45 107 S/m ）2）合金材料。電導率在105107 S/m之間； 黃銅（1.60 107 S/m ）、鎳鉻合金（9.30 105S/m ）3）無機非金屬材料。電導率在105108 S/m之間。 石墨在基晶方向為2.5106 S/m。3、導體材料的應用 金屬導體材料主要用作：電纜材料、

7、電機材料、導電引線材料、導體布線材料、輻射屏蔽材料、電池材料、開關材料、傳感器材料、信息傳輸材料、釋放靜電材料和接點材料等，還可以作成各種金屬填充材料和金屬復合材料。 合金導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。 非金屬導體材料主要用作耐腐蝕導體和導電填料。（二）半導體材料1、基本概念 導電性能介于金屬和絕緣體之間；（10-7104）具有負的電阻溫度系數。（導體具有正的電阻溫度系數）2、半導體的能帶結構 當大量原子結合成晶體時（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。帶隙 Band G

8、ap 能帶之間的區域禁帶 Forbidden Band 帶隙不存在電子的能級價帶 Valence Band 對應價電子能級的能帶空帶Empty Gap：價帶上面的能帶導帶Conduction Band：最靠近價帶的空帶 滿帶Filled Band：價帶被電子填滿導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帶，從而形成電流。絕緣體的能帶結構是滿帶與導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越過禁帶，因此其電導率很低。3、半導體的導電機理半導體價帶中的電子受激發后從滿價帶躍到空導帶中，躍遷電子可在導帶中自由運動，傳導電子的負電荷。同時，在滿價帶中留下

9、空穴，空穴帶正電荷，在價帶中空穴可按電子運動相反的方向運動而傳導正電荷。因此，半導體的導電來源于電子和空穴的運動，電子和空穴都是半導體中導電的載流子。4、典型半導體材料按組成分類元素半導體化合物半導體固溶體半導體 本征半導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體，它的性質是1952年由Guster發現的。除了硅、鍺、金剛石外，其余的半導體元素一般不單獨使用。 因為本征半導體單位體積內載流子數目比較少，需要在高溫下工作電導率才大，故應用不多。A. 本征半導體B. 雜質半導體利用將雜質元素摻入純元素中，把電子從雜質能級（帶）激發到導帶上或者把電子從價帶激發到雜質能級上，從而

10、在價帶中產生空穴的激發叫非本征激發或雜質激發。這種半導體叫雜質半導體。雜質半導體本身也存在本征激發，一般雜質半導體中摻雜雜質的濃度很低，如十億分之一就可達到目的。雜質半導體n型半導體p型半導體摻雜原子的價電子多于純元素的價電子，又稱施主型半導體摻雜原子的價電子少于純元素的價電子，又稱受主型半導體n型半導體（電子型，施主型） A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，其導電機理是電子導電占主導，這類半導體是n型半導體。p型半導體（空穴型，受主型） A族元素（C、Si、Ge、Sn）中摻入以A族元素（如B）時，摻雜元素的價電

11、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，而在價帶其中產生空穴。以空穴導電為主，摻雜元素是電子受主，這類半導體是p型半導體。雜質半導體的能帶結構N型半導體逾量電子處于施主能級，施主能級與導帶底能級之差Ed遠小于禁帶寬度Eg（相差近三個數量級）。因此，雜質電子比本征激發更容易激發到導帶。例如Si摻雜十億分之一As時，其Eg為1.610-19 J，Ed為6.410-21 J。Ge摻雜十億分之一Sb時，其Eg為1.1510-19 J，Ed為1.610-21 J。P型半導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遠小于禁帶寬度Eg，價帶上的電子很容易激發到受主能級上

12、，在價帶形成空穴導電。2）化合物半導體二元化合物：GaAs（砷化鎵）、CdS鎘、SiC、 GeS鍺、AsSe3硒等。三元化合物：AgGeTe2、AgAsSe2、 CuCdSnTe4等（碲）GaAs制備發光二極管隧道二極管主要化合物半導體及其用途領域材 料器 件用 途微電子GaAs、InP 超高速 IC電腦GaAs FET攜帶電話光電子GaAs InP Sb InAs LD光通訊GaAs 紅外 LED遙控耦合器GaP、GaAs、GaAsP、GaAlAs、InGaAlP LEP出外顯示器CdTe、CdZnTe、HgCdTe熱成像儀InSb、CdTe、HgCdTe、PbS、PbZnTe紅外探測器Ga

13、As、InP、GaSb太陽能電池3） 固溶體半導體由兩種或多種元素或化合物互溶而成的。二元系固溶體半導體：Bi-Sb三元系固溶體半導體：（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器件、光通信等5、半導體材料的應用1）半導體材料在集成電路上的應用：初期用鍺單晶制造二極管和三極管，現在以硅單晶為基材的集成電路在電子器件中占主導地位。化合物半導體砷化鎵用于微波、超高頻晶體管等；2）半導體在光電子器件、微波器件和電聲耦合器上的應用：發光管、激光器、光電池、光集成等；3）半導體材料用于制造半導體傳感器。4）顯示材料 液晶顯示(LCD)材料(1968年發

14、明)為21世紀上半葉主要顯示材料發光二級管（LED）如下表。 表 LED 發光材料及可見光區 發 光 尺襯 底發光顏色波長（nm) Ga0.65Al0.35As GaAs紅 660 GaAs0.35P0.65(N) GaP紅 650 GaAs0.1P0.9(N) GaP橙 610 GaAs0.1P0.9(N) GaP黃 583 GaP Gap綠 555 GaN-Al2O3藍 490 SiC SiC藍480(全包顯示屏) 6、以硅為基礎的微電子技術仍占十分重要位置 芯片特征尺寸以每三年縮小一倍計, 到2010年可能到極限(0.07m)（量子效應、磁場及熱效應、制作困難、投資大）。 但不同檔次的硅

15、芯片在21世紀仍大量存在，并將有所發展。* 在絕緣襯底上的硅（SOI，SiOn Insulator) :功能低、低漏電、集成度高、高速度、工藝簡單等。SOI器件用于便攜式通信系統，既耐高溫又抗輻照。* 集成系統（IS，Integrated System)：在單個芯片上完成整系統的功能，集處理器、存儲器直到器件設計于一個芯片 (System on a Chip)。* 集成電路的總發展趨勢：高集成度、微型化、高速度、低功耗、高靈敏度、低噪聲、高可靠、長壽命、多功能。為了達到上述目標，有賴于外延技術（VPE，LPE，MOCVD 及 MBE）的發展，同時對硅單晶的要求也愈來愈高。表1為集成電路的發展對

16、材料質量的要求。表 集成電路發展對材料質量的要求首批產品出現年代1999200220052008工藝水平（ m)0.180.130.100.07 DRAM256 M1 G4 G16 G硅片直徑 (mm)200300300450表面關鍵雜質 (At / cm 2) (10 9) 13 7.5 5 2.5局部平坦度（nm) 180 130 100 100光散射缺陷(個/ cm2) 0.29 0.14 0.06 0.037、第二代半導體材料是-族化合物 GaAs 電子遷移率是Si的6倍（高速），禁帶寬（高溫）廣泛用于高速、高頻、大功率、低噪音、耐高溫、抗輻射器件。 GaAs用于集成電路其處理容量大1

17、00倍，能力強10倍，抗輻射能力強2個量級，是攜帶電話的主要材料。InP 的性能比 GaAs 性能更優越，用于光纖通訊、微波、毫米波器件。8、第三代半導體材料是禁帶更寬的SiC、GaN 及金剛石。9、下一代集成電路的探索 光集成 原子操縱（三）超導材料 1、超導材料定義 超導電現象：材料的電阻隨溫度降低而減小并最終出現零電阻的現象。 超導體：低于某一溫度出現超導電性的物質。 1911年Onnes H K在研究極低溫度下金屬導電性時發現，當溫度降到4.2K時，汞的電阻率突然降低到接近于零。這種現象稱為汞的超導現象。現已發現了上千種超導材料。 低溫（液氦溫度）超導已產業化，價格問題 高溫（液氮溫度

18、）超導已發現30多種 YBaCuO，Je10 5 A/cm2 薄膜,塊體(Bi,Pb) Sr Ca Cu O (B1 2223/ Ag) 帶絲線材生產穩定，質量均一性未能解決。 探索高溫超導，及高溫超導機理問題 趨導失超后的安全問題2、超導體的基本特性 1）完全導電性（零電阻） File和Mills利用精確核磁共振方法測量超導電流產生的磁場，來研究螺線管內超導電流的衰變，得出的結論是超導電流的衰變時間不短于10萬年。 2）完全抗磁性 處于超導狀態的金屬，不管其經歷如何，磁感應強度B始終為零。這一現象為邁斯納（Meissner）1933年發現，稱為邁斯納效應。磁力線不能進入超導體內部3）臨界溫度

19、（Tc）、臨界磁場（Hc）、臨界電流JC是約束超導現象的三大臨界條件。 當溫度超過臨界溫度時，超導態就消失；同時，當超過臨界電流或者臨界磁場時，超導態也會消失，三者具有明顯的相關性。只有當上述三個條件均滿足超導材料本身的臨界值時，才能發生超導現象（由Tc、Hc，Jc形成的閉合曲面內為超導態）。 4）約瑟夫森（B D Josephson）效應（承擔超導電的 超導電子還可以穿越極薄絕緣體勢壘） 經典力學中，若兩個區域被一個勢壘隔開，則只有粒子具有足夠的能量時，其才會從一個區域進入另一個區域。 量子力學中，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

20、所謂的“隧道效應”。（約瑟夫森語言并被后人證實）3、超導體的種類（按邁斯納效應分） 按照邁斯納（Meissner）效應分類：第一類超導體和第二類超導體1）第一類超導體（軟超導體）當H HC 時，BH第一類超導體只有一個臨界磁場，即HC 只有一個特征值。除釩、鈮、釕外，元素超導體都是第一類超導體2）第二類超導體（硬超導體） 當H HC1 時，B0，處于邁斯納狀態，完全抗磁。 當Hc1H HC2 時，BH。釩、鈮以及大多數合金或化合物超導體均屬于第二類。4、超導體的種類（按組成分類）元素超導體合金超導體金屬間化合物超導體陶瓷超導體高分子超導體在低溫常壓下，具有超導特性的化學元素共有26種，由于臨界

21、溫度太低，無太大實用價值Nb的Tc最高，僅為9.26K1）元素超導體 2）合金超導體 合金超導體是機械強度最高、應力應變較小、磁場強度低、臨界電流密度高的超導體，在早期得到實際應用。超導合金主要有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）。 3）金屬間化合物超導體 金屬間化合物超導體的臨界溫度與臨界磁場一般比合金超導體的高，但此類超導體的脆性大，不易直接加工成帶材或線材。 1986年發現了陶瓷超導體，使超導材料獲得了更高的臨界溫度，如YBaCuO（Tc90K）、TiBaCaCuO（Tc120K）等。最大缺點為脆性大，加工困難。高溫超導材料

22、：Tc77K（液N溫度）4）陶瓷金超導體5） 高分子超導體高分子材料通常為絕緣體，但在數億帕氣壓作用下也可以轉變成為超導體。如：四硫富瓦稀四腈代對苯醌二甲烷目前高分子超導體的最高臨界溫度僅僅達到10K。5、超導材料的應用 超導的應用，基本上可以分為強電強磁和弱電弱磁兩大類。 1）超導強電強磁應用 主要基于超導體的零電阻特性和完全抗磁性以及非理想第二類超導體所特有的高臨界電流密度和高臨界磁場。 主要應用在電力方面如超導電纜、超導磁體（如超導磁懸浮列車）、巨大環形超導磁體、超導磁分離等。2）超導弱電弱磁的應用 基于Josephson效應為基礎，建立極靈敏的電子測量裝置為目標的超導電子學，發展了低溫

23、電子學。如超導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、醫學、生物、資源開發、環境保護、固體材料、地球物理等領域應用。電力輸送與儲存目前有大約30%的電能損耗在輸電線路上，采用超導體輸電，可大大減少損耗，且省去了變壓器和變電所。使用巨大的超導線圈，經供電勵磁產生磁場而儲存能量。超導磁儲能系統所存能量幾乎可以無損耗的儲存下去，其轉換率可高達95%。3）超導材料的應用實例磁懸浮列車時速 400 500km.超導計算機速度是計算機永遠追求的主題（四）電接點（觸頭）材料 電接點是建立和解除電接觸的導電構件，廣泛應用于電力系統、電器裝置，儀器儀表、電信和電子設備。 按電

24、負荷的大小，電接點分為：強電、中電和弱電。1、強電接點材料電負荷大，要求電接點材料：接觸電阻低、耐電蝕、耐磨損、高的耐電壓強度、良好的來電弧能力，一定的機械強度。一般采用合金材料。空氣開關接點材料 銀系合金 ： Ag-CdO、 Ag-Fe、Ag-W、Ag-石墨等。 銅系合金 如：Cu-W、 Cu-石墨真空開關接點材料 Cu-Bi-Ce、 Cu-Fe-Ni-Co-Bi、 W-Cu-Bi-Zr合金等2、弱電接點材料弱電接點電負荷及機械負荷都很小，要求接點材料有極好的導電性、極高的化學穩定性、良好的抗電火花燒損性和耐磨性。大多用貴金屬合金材料。常用的弱電接點材料有：Au系 （金）、Ag系 （銀） P

25、t系（鉑）、Pd系（鈀）3、復合接點材料通過合理工藝將貴金屬接點材料與非貴金屬基體材料結合在一起，國外90%以上的弱電接點采用復合接點材料。三、磁功能材料（一）基本概念 磁性是物質的基本屬性之一。一切物質都具有磁性。但磁性材料通常是指那些在實際工程意義上具有較強磁性的材料。 磁性材料是電子工業的重要基礎功能材料，廣泛應用于計算機、電子器件、通訊、汽車和航空航天等工業領域，隨著世界經濟和科學技術的迅猛發展，磁性材料的需求將空前廣闊。當前我國磁性材料的發展居世界之首，已經成為世界上永磁材料生產量最大的國家。 “磁”來源于電。一個環形電流在其運動中心產生的磁矩為P=is，i為電流強度，s為環形回路所

26、包圍的面積。 原子內的電子做循軌運動和自旋運動，這必然產生磁矩，產生的磁矩分別稱為軌道磁矩P1和自旋磁矩Ps。原子核雖然也產生磁矩，但它的值比電子磁矩小三個數量級，一般情況下可忽略不計。故原子磁矩的產生是電子的循軌運動與電子自旋這二者組合的結果。磁場強度（H）：指空間某處磁場的大小，單位：安/米；磁化強度（M）：物質的磁性來源于內部的磁矩，只有當內部磁矩同向有序排列時才對外顯示強磁性。單位體積內磁矩矢量和稱為M，單位：安/米；磁感應強度（B）：物質在外磁場作用下，其內部原子磁矩的有序排列還將產生一個附加磁場。在磁性材料內部外加磁場與附加磁場的和，稱為磁感應強度。B=0(H+M) ，0是一個系數

27、，叫做真空磁導率。磁感應強度又稱為磁通密度，單位是特斯拉（T）；磁導率（） ：=B/H，是磁化曲線上任意一點上B和H的比值。導磁率實際上代表了磁性材料被磁化的容易程度，或者說是材料對外部磁場的靈敏程度；磁化率（ ）：磁化強度與磁場強度的比值， = M /H。磁滯回線 在外加磁場的作用下磁體會被磁化，磁體內部的磁感應強度B隨外磁場H的變化是非線性的，當H減少為零時，B并未回到零值，出現剩磁Br。磁感應強度滯后于磁場強度變化的性質稱為磁滯性。右圖為磁性物質的磁滯曲線；BsBrHcBHO 要使剩磁消失，通常需進行反向磁化。將 B=0時的H值稱為矯頑磁力Hc；Br稱為剩余磁感應強度，Bs稱為最大磁感應

28、強度（飽和磁感應強度）。根據滯回曲線和磁化曲線的不同，磁性材料分成三類：(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)HBHBHB（二）軟磁材料 1、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。2、軟磁材料的特性高的磁導率和磁感應強度；矯頑力和磁滯損耗低；（矯頑力一般小于1kA/m）電阻率較高，反復磁化和退磁時產生的渦流損耗小。3、典型軟磁材料及其應用 常用的軟磁材料有：電工純鐵、硅鋼片、鐵鋁合金、鎳鐵合金、鐵氧體軟磁材料等。1）電工用純鐵電工用

29、純鐵是一種含碳量低，wFe99.95的軟鋼。它在平爐中進行冶煉時，用氧化渣除去碳、硅、錳等元素，再用還原渣除去磷和硫，出鋼時在鋼包中加入脫氧劑而得。電工用純鐵具有高的飽和磁感應強度、高的磁導率、較小的矯頑力、良好的冷加工性能，且成本低廉。缺點是電阻小，鐵損大，只適用于直流情況。主要用于制造電磁鐵的鐵心和磁極，繼電器的磁路和各種零件，電話中的振動膜等。2）硅鋼片（硅鐵合金）在電工用純鐵中加入0.54.5的硅，使之形成固溶體，可以提高材料電阻率，減少渦流損耗，這種材料稱為硅鐵合金，或者稱電工用硅鋼片。硅鐵合金屬于高飽和材料，主要用于各種形式的發電機、電動機和變壓器中。wSi3的Si-Fe合金片由于

30、其飽和磁通密度高，是電力變壓器和配電變壓器中大量采用的材料。硅鋼片是最重量要的軟磁材料（全世界650萬噸） 純鐵中加入硅后，材料的物理性能發生如下變化： 1）鐵的熱導率在加入硅后劇烈的降低。 2）隨著硅含量的增加到5，硅鐵合金的電阻率急劇上升。當wSi=0.255，電阻率與含硅量的關系如下： 13.25+11.30wSi 3）隨著含硅量的增加，比重幾乎是直線的降低。d7.8740-0.062wSi3）鎳鐵合金鎳鐵合金主要是含鎳量為34-80的Fi-Ni合金，通常稱坡莫合金。鎳鐵合金有很高的起始磁導率和最大磁導率。鎳鐵合金廣泛應用在電訊工業、儀表、電子計算機、控制系統等領域中。4）軟磁鐵氧體鐵氧

31、體是氧離子和金屬離子組成的尖晶石結構的氧化物，是以Fe2O3為主要成分的復相氧化物。根據磁滯回線特征，可分為軟磁、硬磁和矩磁鐵氧體。軟磁鐵氧體是鐵氧體材料中的一種，是一種容易磁化和退磁的鐵氧體。其特點是起始的磁導率高，矯頑力小，損耗小，使用頻率可達高頻、超高頻范圍。常用的軟磁鐵氧體有鎳鋅鐵氧體和錳鋅鐵氧體軟磁鐵氧體廣泛應用于錄音、錄像記錄磁頭，變壓器磁心等。利用軟磁鐵氧體的磁導率或飽和磁感應強度在居里溫度附件的激烈變化，還可以制成熱敏器件等。 （三）硬磁材料1、基本概念硬磁材料是具有很強的抗退磁能力和高的剩余磁感應強度的強磁性材料，又稱永磁材料。硬磁材料一旦經外加磁場飽和強化后，如果撤去外加磁

32、場，在磁鐵兩個磁極之間的空隙便可產生恒定磁場，對外界提供有用的磁能。硬磁材料的磁滯回線又寬又高，有較大的矯頑力，典型只為104106A/m。硬磁材料抗干擾性好，對溫度、振動、時間、輻射及其它因素的干擾不敏感。典型的硬磁材料主要包括鋁鎳鈷系永磁、鐵氧體永磁和稀土系永磁。2、鋁鎳鈷系永磁 鋁鎳鈷系永磁主要有Fe及Al、Ni、Co組成，有良好的磁特性和熱穩定性，剩余磁感應強度高，磁能積大，矯頑力適中，但硬而脆，難以加工，主要用鑄造和粉末燒結兩種方法成形。3、硬磁鐵氧體 硬磁鐵氧體包括鋇鐵氧體BaFe12O19，鍶鐵氧體SrFe12O19。它具有剩余磁通量小，矯頑力大，電阻率大，密度小，重量輕、溫度系

33、數大，制造工藝簡單等優點，是硬磁材料中價格最低、用量最大的一類磁鐵。4、稀土硬磁材料稀土硬磁合金包括稀土鈷和稀土鐵系金屬間化合物，為硬磁材料中性能最高的一類。其中最著名的是釹鐵硼永磁合金，號稱磁王，具有其它永磁材料所不及的高矯頑力和最大磁能積，而且體積小、重量輕、效率高、成本較低等特點。不含戰略物質Co和Ni，它能吸起相當于自重640倍的重物，而鐵氧體只能吸起自重的120倍。如一臺核磁共振成像儀需用鐵氧體永磁材料100t，而改用釹鐵硼永磁后，僅需10t。（四）磁致伸縮材料 1、磁致伸縮效應 磁性材料在外磁場作用下，產生伸長或縮短的現象為磁致伸縮效應。 為磁致伸縮系數，常用磁致伸縮材料室溫下的飽

34、和磁致伸縮系數為10-810-6Fe 隨磁場強度的增大而伸長Ni 隨磁場強度的增大而縮短2、磁致收縮的各種變形模式3、常用磁致伸縮材料常用磁致伸縮材料鎳鐵鎳鐵鋁鐵鈷釩鐵氧體4、磁致伸縮材料的應用在磁（電）-聲換能器中的應用聲納、超聲換能器、揚聲器等在磁(電) - 機械致動器中的應用精密流體控制、超精密加工、超精密定位、機器人、精密閥門、微馬達以及振動控制等工程領域。傳感器敏感元件超磁致伸縮材料除用于驅動之外，利用其磁致伸縮效應或逆效應還可以制作檢測磁場、電流、應變、位移、扭矩、壓力和加速度等的傳感器敏感元件。磁致伸縮液位傳感器，可實現對液位的高精度計量,其測量分辨率高于0.11 mm。四、光功

35、能材料optical function materials在外場（電、光、磁、熱、聲、力等）作用下，利用材料本身光學性質（如折射率或感應電極化）發生變化的原理，去實現對入射光信號的探測、調制以及能量或頻率轉換作用的光學材料的統稱。 按照具體作用機理或應用目的之不同，尚可把光功能材料進一步區分為電光材料、磁光材料、彈光材料、聲光材料、熱光材料、非線性光學材料以及激光材料等多種。1、電光材料 電光材料通常是指折射率在外界電場（直流或交變場）作用下發生感應雙折射式變化的材料；其作用原理一種是基于線性電光效應（泡克耳斯效應），另一種是基于二次電光效應（光學克爾效應）。 這兩類電光材料通常用來制成光開關

36、元件或光調制元件，由外加電場加以控制。 線性電光效應的特點是感應折射率變化正比于外界電場強度的一次方，因而要求產生該效應的材料必須是不具對稱中心的各向異性晶體。 二次電光效應的特點是感應折射率變化正比于外加電場強度的二次方，產生該效應的材料可以是具有任意對稱性質的晶體或各向同性介質。 常用的線性電光效應的材料是諸如磷酸二氫鉀(KDP)、磷酸二氫銨（ADP）、鈮酸鋰(LiNbO)碘酸鋰(LiIO)等不具有中心對稱性的晶體。 常用的二次電光效應的材料是一些具有較大克爾常數的有機液體如硝基苯苯kg2CS等。2、磁光材料 磁光材料指折射率在外加磁場作用下發生感應變化的一類光學材料；其作用原理是基于各種

37、磁光效應，如法拉第磁致旋轉、磁致二向色性以及磁致雙折射效應等。 磁光材料分為抗磁和順磁材料兩類。常用的抗磁材料為特高鉛玻璃、硫化砷玻璃等；順磁材料為含氧化鋱(TbO)玻璃以及氧化銪(EuO)、硒化銪(EuSe)晶體，此外還有鐵磁晶體如氟化鐵(FeF)釔鐵石榴石(YFeO)等。3、聲光材料 聲光材料是指其析射率特性在聲波場作用下發生感應變化的一類透明光學介質。 在聲波場作用下，材料內部的密度發生周期性起伏變化，從而引起折射率的周期性起伏變化，這使介質本身相當于一種相位光柵，從而可對定向入射光束產生衍射作用。 對聲光材料的要求是應具有較高的聲光作用的品質因數，以及較小的聲損耗與光損耗。 常用的聲光

38、材料有熔石英、高鉛玻璃以及鉬酸鉛(PbMoO)二氧化碲(TeO)和磷化鎵(GaP)晶體等。 聲光材料通常制成聲光開關，用來對光進行調制；或者制成聲光偏轉器，用來對光速指向進行控制（見聲光作用）。4、彈光材料 彈光材料通常是指其折射率在外加力場作用下發生感應雙折射式變化的一類光學材料。 彈光材料作用原理是基于彈性-光學效應，亦即在外界力場作用下,材料本身產生彈性力學應變，從而導致折射率的感應變化。 常用的彈光材料是一些具有較大彈光系數的透明光學介質，如玻璃、晶體、塑料等，它們多用在光測彈性力學研究中。 5、熱光材料thermophoto-polymer material 熱光材料指具有熱光效應的

39、高分子材料。 熱光效應是指當溫度變化時，材料對光的折射率發生變化的現象。 由于材料的各向異性，熱光效應表現為多種多樣的，可能是光率體的半軸長度發生變化、或者光軸角的變化、光軸面的轉換、光率體的旋轉等。 熱光效應可用于紅外輻射的檢測及生物中關于分子層狀結構的研究。6、激光材料（詳見激光器） 激光材料通常是指在一定泵浦方式作用下，專門用來實現粒子數反轉并產生激光發射或放大作用的光學介質。 激光：高亮度、單色、高方向性 紅寶石（Cr+:Al2O3 ） 摻釹釔鋁石榴石（Nd:YAG) 7、光導纖維 光纖是一種非常細的可彎曲的導光材料。單根光纖的直徑約為幾到幾百微米，它由內層材料（芯料）和包層材料（涂層

40、）組成的復合結構。為了保護其不受損壞、最外面再加一層塑料套管。 一條光纖帶寬所容納信息量相當于全世界無線電帶寬的1000倍. (25 T bps vs 25 G bps )總外徑125200m纖芯高透明固體材料包層折射率較纖芯低固體材料覆層高強材料全反射現象一切光纖的工作基礎都是光的全反射現象。如果一束光投射到折射率分別為n1和n2的兩種媒質的界面上時（設n1n2 ），入射光將分為反射光和折射光。入射角1與折射角 2之間服從n1/n2=sin 1/sin 2 的折射定律。當1增大時，2也相應增加，當2 =/2， 1=arcsin(n2/n1) 時，入射光全部返回原來的介質中，這種現象叫做光的全

41、反射。光在光纖中的傳播原理 光纖芯料的折射率高于包層材料的折射率，當入射光線由內層射到兩層的界面時，只要入射角小于臨界角，就可全反射折回內層，完全避免了傳輸過程中的折射損耗。 光纖材料: 石英玻璃： SiO2、SiO2-GeO2、 SiO2-B2O3-F多組分玻璃：SiO2-GaO-Na2O、 SiO2-B2O3Na2O紅外玻璃： 重金屬氧化物、鹵化物摻稀土元素玻璃： Er、Nd、 多模只適于小容量近距離（40Km,100M bps)單模可傳輸調制后的信號40Gbps 到200Km，而不需放大。發展階段波長 (m) 模 數 衰 耗 (dB/km) 中繼距離 (Km)第一階段 0.85 多 模

42、1.5 10第二階段 1.30 單 模 0.8 60第三階段 1.55 單 模 0.16 500第四階段 2 - 5 310-4 2500光纖發展階段及所需材料 8、夜光粉 夜光粉通常分為光致儲能夜光粉和帶有放射性的夜光粉兩類。 光致儲能夜光粉是熒光粉在受到自然光、日光燈光、紫外光等照射后，把光能儲存起來，在停止光照射后，緩慢地以熒光的方式釋放出來。在夜間或者黑暗處能看到發光，持續時間長達幾小時至十幾小時。 帶有放射性的夜光粉是在熒光粉中摻入放射性物質，利用放射性物質不斷發出的射線激發熒光粉發光。這類夜光粉發光時間很長，但有毒有害和環境污染等，應用范圍小。 利用夜光粉長時間發光的特性，制成弱照

43、明光源。把這種材料涂在航空儀表、鐘表、窗戶、機器上各種開關標志、門的把手等處，也可用各種透光塑料一起壓制成各種符號、部件、用品(如電源開關、插座、釣魚鉤等)。這些發光部件經光照射后，夜間或意外停電時仍在持續發光，為工作和生活帶來方便。 把夜光材料超細粒子摻入紡織品中，使顏色更鮮艷，小孩子穿上有夜光的紡織品，可減少交通事故。 隨著溫度的變化，有些材料的某些物理性能會發生顯著變化，如熱脹冷縮、出現形狀記憶效應或熱電效應等，這類材料稱為熱功能材料。 熱功能材料分為：膨脹材料形狀記憶材料測溫材料內容 1-1五、熱功能材料1、膨脹材料 熱膨脹是指材料的長度或體積在不加外力時隨溫度的升高而變大的現象。材料

44、熱膨脹的本質是原子間的平均距離隨溫度的升高而增大，即是由原子的非簡諧振動引起的。 材料熱膨脹系數的大小與其原子間的接合鍵強弱有關，結合鍵越強，則給定溫度下的熱膨脹系數越小，材料中陶瓷的結合鍵（離子鍵和共價鍵）最強，金屬的（金屬鍵）次之，高聚物的（范德華力）最弱，因此熱膨脹系數依次增大。 常用的膨脹材料包括低膨脹材料、定膨脹材料和熱雙金屬材料。 低膨脹材料是熱膨脹系數較小的材料，也叫因瓦（Invar）合金。 主要應用于精密儀器、標準量具等以保證儀器精度的穩定及設備的可靠性。 定膨脹材料是指在某一溫度范圍內具有一定膨脹系數的材料，也稱可伐（Kovar）合金； 主要用于與玻璃、陶瓷等材料相封接，要求

45、與被封接材料的膨脹系數相匹配。 熱雙金屬材料是由膨脹系數不同的兩種金屬片沿層間焊合在一起的疊層復合材料。 較高膨脹系數金屬層為主動層，較低的為被動層。如5J11熱雙金屬是由Mn75Ni15Cu10（主動層）與Ni36（被動層）組成。受熱時，雙金屬片向被動層彎曲，將熱能轉化成機械能。 可用作各種測量和控制儀表的傳感元件。高 主動層 Mn75Ni15Cu10低 被動層 Ni36未受熱受熱后可作為各種測量和控制儀表的傳感元件2、形狀記憶材料 形狀記憶材料：將具有某種初始形狀的制品進行變形后，通過加熱等手段處理時，制品又恢復到初始形狀。 形狀記憶材料通常包括：形狀記憶合金形狀記憶聚合物形狀記憶陶瓷。1

46、）形狀記憶合金合金的形狀記憶效應實質上是在溫度和應力的作用下，合金內部熱彈性馬氏體形成、變化、消失的相變過程的宏觀表現。這種熱彈性馬氏體不像Fe-C合金中的馬氏體那樣，在加熱轉變成它的母相（奧氏體）之前即發生分解，而是加熱時直接轉成它的母體。熱彈性馬氏體冷卻時馬氏體長大，加熱時馬氏體收縮，熱彈性馬氏體的相變是可逆的，且相變的過冷度很小。熱彈性馬氏體形狀記憶效應將一定形狀的記憶合金試樣冷卻到Mf點以下，對之進行一定限度的變形，卸去載荷后，變形被保留下來；將變形了的試樣加熱到As以上，試樣開始恢復，加熱到Af點，試樣恢復到變形前的形狀。常用形狀記憶合金形狀記憶合金鎳-鈦系銅系鐵系目前用量最大優點：抗拉強度高、疲勞強度高、耐蝕性好、密度小、與人體有生物相容性缺點：成本高、加工困難缺點：功能不如鎳-鈦系優點：成本低、加工容易缺點：功能不如銅系優點：具有價格競爭優勢2）形狀記憶聚合物形狀記憶聚合物不同于馬氏體相變，而是基于高分子材料中分子鏈的取向與分布的變化過程；這種聚合物具有兩相結構，即固定相和可逆相；可逆相是能夠隨溫度變化在結晶與熔融態間，或者在玻璃態與高彈狀態間可逆轉變的相，隨溫度的升高或降低，可逆相的結構發生變化，使之發生軟化、硬化。固定相則在工作溫度范圍內保持不變。聚合物的形狀記憶原理兩相結構： 固定相+可逆相冷卻加熱冷卻加熱TTf(粘流態）進行初次成型TTg(玻璃態）