緒論

功能材料簡介金屬功能材料的發展關於本課程1、材料的地位

緒論人類進化與文明的標誌一、功能材料簡介石器時代青銅時代鐵器時代資訊時代

緒論一、功能材料簡介材料是現代文明的基石材料與能源、資訊並列為現代科學技術的三大支柱現代文明生物技術資訊技術能源技術材料科學與工程

緒論材料結構材料（structuralmaterials)功能材料(functionalmaterials)能承受外加載荷而保持其形狀和結構穩定的材料，它具有優良的力學性能（如我們學過的強度、剛度、韌性、耐磨性、硬度、疲勞強度等），在物件中起著“力能”的作用。具有一種或幾種特定功能的材料，它具有優良的物理、化學和生物或相互轉化功能（例如我們物理中所學的聲、光、電、磁等物理性能），在物件中起著“功能”的作用。一、功能材料簡介2、材料的分類按性質和實際應用

緒論一、功能材料簡介1、功能材料的特徵（1）功能材料的功能對應於材料的微觀結構和微觀物體的運動，這是最本質的特徵。（2）功能材料的凝聚態和形態非常多樣化，除了晶態外，還有氣態、液態、液晶態、非晶態、準晶態、混合態和等離子體態等。除了三維體相材料外，還有二維、一維和零維材料。（3）結構材料常以材料形式為最終產品，而功能材料有相當一部分是以元器件形式為最終產品，集材料元件一體化。

緒論一、功能材料簡介（4）功能材料是利用現代化的技術，多學科交叉的知識密集型產物。（5）功能材料的製備技術不同於結構材料的傳統技術，而是採用許多先進的新工藝和新技術，如急冷、超淨、超微、超純、薄膜化、集成化、微型化、密集化、智能化以及精細控制和檢測技術。

緒論一、功能材料簡介功能材料概念是1965年由美國貝爾研究所J.A.Morton博士提出來的。20世紀60年代以來，各種現代技術如微電子、鐳射、紅外、光電、空間、能源、電腦、機器人、資訊、生物和醫學等技術的興起，強烈刺激了功能材料的發展。近20多年來，功能材料成為材料科學和工程領域中最活躍的部分，每年以5％的速度增長。功能材料是新材料領域的核心，在全球新材料研究領域中，功能材料約占

85%。功能材料是現代高技術的基礎：資訊技術、生物技術、能源技術等高技術的發展離不開功能材料。功能材料是國防建設的重要基礎材料。2、功能材料的發展一、功能材料簡介

緒論3、功能材料的分類(1)按化學成分分類：(2)按功能分類：(3)按凝聚態分類：(4)按用途分類：(5)按材料形態分類：金屬、無機非金屬、有機高分子和複合功能材料

物理（如光、電、磁、聲、熱等）、化學（如感光、催化、含能、降解等）、生物（如生物醫藥、仿生等）和核功能材料氣態、液態、固態、液晶態和混合態功能材料電子、航空、航太、兵工、建築、醫藥、包裝等材料體積、膜，纖維和顆粒等功能材料二、金屬功能材料

緒論1、發展三個階段：a)50年代中～70年代傳統的金屬功能材料精密合金b)70～80年代精密合金大市場，新材料湧現c)80年代末至今新型金屬功能材料迅速發展軟磁合金（2）永磁合金（3）彈性合金（4）膨脹合金(5)熱雙金屬（6）精密電阻

非晶態合金、稀土永磁、貯氫材料等非晶微晶材料、稀土永磁材料、納米晶材料、貯氫合金和電池等。而形狀記憶合金、生物材料、磁記錄（磁光、磁電阻、巨磁電阻）材料、薄膜和多層膜材料、高溫超導材料等取得大量成果。

三、金屬功能材料

緒論2、研究開發方向（1）國際：國際近期開發成功並投入應用的金屬功能材料有：非晶微晶合金、稀土永磁合金、隱身材料、儲氫材料和在電池中的應用、磁致伸縮材料以及形狀記憶合金等正大力研究開發的有：薄膜材料、高溫超導材料、超細粉末及阻尼減震合金等。另外，電子資訊方面的應用如積體電路晶片、電腦、高清晰度電視機、通訊設備及磁光記錄等用材均在飛速發展中。“七五”和“八五”期間音響和彩電“九五”期間微電子、通訊、國民經濟資訊化工程等電子產品“十五”乃至2010年高清晰電視、汽車電子、資訊高速公路此外，能源、環保、交通、醫療設備等領域三、金屬功能材料

緒論（2）國內：三、金屬功能材料

緒論四、關於本課程

緒論1電性材料2磁性材料3超導材料4貯氫材料5形狀記憶合金6非晶態合金7薄膜功能材料8納米材料

1、主要內容緒論2、目的（1）建立功能材料的概念，瞭解金屬功能材料的功能原理、特性、結構特點、化學組成和實際應用。

（2）試圖通過對幾種具有代表性功能材料的分析，對浩瀚的功能材料有個相貌的瞭解，以便在將來研製新材料、新工藝的過程中以及在新產品和新材料的選用上，思維新穎、產品更具有競爭力。

（3）加強基礎，拓寬專業知識面，適應知識經濟的發展和科技術中各學科的融合穿插，增強對市場經濟的適應性。四、關於本課程

緒論1、王正品張路要玉宏主編《金屬功能材料》

化學工業出版社20042、馬如璋蔣民華徐祖雄編著《功能材料學概論》冶金工業出版社19993、田蒔編著《功能材料》北京航空航太大學出版社1995四、關於本課程

3、參考書目4、徐婉棠吳英凱編著《固體物理學》北京師範大學出版社19905、程守洙江之水編著《普通物理》教育出版社2001

緒論四、關於本課程

超導材料

1911年，荷蘭物理學家昂納斯發現汞的直流電阻在4.2K時突然消失，首次觀察到超導電性。第一節超導現象及超導材料的基本性質超導材料一、超導體的基本物理現象（1）零電阻效應圖2.1電阻率ρ與溫度T的關係1－純金屬晶體2－含雜質和缺陷的金屬晶體3－超導體正常態—溫度高於Tc的狀態；超導態—溫度低於Tc的狀態。如果將這種導線做成閉合電路，電流就可以永無休止地流動下去。確實也有人做了：將一個鉛環冷卻到7.25K以下，用磁鐵在鉛環中感應出幾百安培的電流，從1954年3月16日直到1956年9月5日，鉛環中的電流不停流動，數值也沒有變化。 超導體中有電流而沒有電阻，說明超導體是等電位的，超導體內沒有電場。

Onnes由於在超導方面的卓越貢獻，獲得了1913年諾貝爾物理學獎。 注：無論哪一種超導體，只有當溫度降低到一定數值時，才會發生超導現象。從正常電阻轉變為零電阻的溫度稱為超導臨界溫度Tc。我國目前15％的電能損耗在輸電線路上，達900多億千瓦時。將超導電纜放在絕緣、絕熱的冷卻管裏，管裏盛放冷卻介質，如液氦等，保證整條輸電線路都在超導狀態下運行。這樣的超導輸電電纜比普通的地下電纜容量大25倍，可以傳輸幾萬安培的電流，電能消耗僅為所輸送電能的萬分之幾。超導電纜我國第一組超導電纜並網運行輸電能力增數倍荊楚網消息（楚天金報）據新華社電由國產超導線材製造的我國第一組超導電纜，10日在昆明正式並網運行，昆明西北地區的幾萬戶居民和多個工業企業開始用上了通過超導電纜傳輸的電力。這標誌著繼美國、丹麥之後，我國成為世界上第三個將超導電纜投入電網運行的國家。據悉，這組超導電纜於4月19日在昆明普吉變電站投入運行，兩個多月來經受了多種氣象條件的考驗，運行狀態良好，其部分性能指標優於目前已並網運行的美國和丹麥的高溫超導電纜。使用超導電纜傳輸電力，運行總損耗僅為常規電纜的50%至60%，傳輸電力的能力是傳統常規電纜的3至5倍。所以使用超導電纜還可以節約輸電系統的占地面積和空間，節省大量寶貴的土地資源。該超導電纜的並網運行，表明我國在該領域的技術趨於成熟。超導電纜有利於提高我國電網的安全性和可靠性。其長距離大容量輸電的優勢，將為我國“西電東送”提供支持。世界第一個高溫超導輸電系統部署完成

2008年7月2號，美國超導公司正式在一個商業電網中部署了世界上第一個高溫超導輸電系統。超導體能夠快速、高效並且輕鬆地傳輸大量電力。相比同樣粗細的銅導線，他們的輸電能力高達150倍，但因為技術困難，超導體輸電的商業應用發展緩慢。

上周部署的這個系統收到了美國能源部的資助，是長島電力局電網的一部分，由三根138千伏的電纜組成。它於2008年4月開始通電，在滿負荷運轉時能夠滿足30萬戶家庭的用電需求。

然而要在電網中用超導體完全取代銅導線，目前仍然有一些技術障礙，最關鍵的問題是費用。現在在長島運行的第一代電纜十分昂貴，因為它們都鍍上了一層銀。第二代鍍銅導線能夠省下五分之四的費用，但才剛剛進入實驗階段。然而要在電網中用超導體完全取代銅導線，目前仍然有一些技術障礙，最關鍵的問題是費用。現在在長島運行的第一代電纜十分昂貴，因為它們都鍍上了一層銀。第二代鍍銅導線能夠省下五分之四的費用，但才剛剛進入實驗階段。

美國超導公司CEOGregYurek聲稱在長期看來，超導體傳輸電纜的費用將會低於增加新的地上銅電纜。埋在地下的一條超導電纜就能夠代替一套架在空中的傳統銅電纜，長島的超導電纜是通過一條寬一米左右的通道進入地下的。

超導電纜的另一部分費是用來將它們保持在一個很低的溫度的，所謂的高溫超導電纜，實際上運行在65至75開爾文之間（大概-210攝氏度到-200攝氏度），已經是對之前幾開爾文的溫度下傳統超導體的突破。而這些超導體是通過液態氮來維持低溫的。

美國超導公司希望使公用事業部門相信他們的技術就是電力輸送的未來方向。

除了經濟性，該公司宣傳的另一個優點是這種電纜能夠防止由電網短路造成的故障電流。超導體有一種天生的電流限制能力，一旦電流增強到一定程度，它們就會失去超導性而變得像普通導體一樣有電阻，使電流衰減。

美國超導公司現在正在聯合愛迪生公司合作開發紐約的超導輸電故障電流限制系統，預計2010年進入運行，美國國土安全部為該專案提供了補助。圖：細小的超導體（右）與常規的銅導線（左）製造超導通信電纜。人們對通信電纜的主要要求是信號傳遞準確、迅速、容量大、重量輕，超導通信電纜正好能滿足上述要求。因為超導通信電纜的電阻接近於零，允許用較小截面的電纜進行話路更多的通信，因此節約材料，降低電纜自重。更重要的是超導通信電纜基本上沒有信號的衰減，不論距離遠近，接收方都能準確無誤地收到發出方發出的信號，所以線上路上不必增設中間放大器，就能進行遠距離通信。超導材料（2）邁斯納效應（完全抗磁性）

只要超導體材料的溫度低於臨界溫度而進入超導態後，超導材料就會將磁力線完全排斥於體外，因此，其體積內的磁感應強度總為零，這種現象稱為“邁斯納效應”圖2.2邁斯納效應第一節超導現象及超導材料的基本性質不論在進入超導態之前金屬體內有沒有磁感應線，當它進入超導態後，只要外磁場|B0|小於臨界磁場Bc，超導體內磁感應強度總是等於零，即B=B0+

0M=0由此求得金屬在超導電狀態的磁化率為=

0M/B0=-1由此可見，超導體是一個“完全的逆磁體”。超導態是一個熱力學平衡的狀態，同怎樣進入超導態的途徑無關。超導材料二、超導體的臨界參數1、臨界溫度Tc

圖2.3超導轉變溫度展寬示意圖（1）起始轉變溫度Tc(onset)

（2）零電阻溫度Tc(n=0)

（3）轉變溫度寬△Tc（4）中間臨界溫度寬Tc(mid)

第一節超導現象及超導材料的基本性質超導材料2、臨界磁場Hc

3、臨界電流Ic

4、三個臨界參數的關係圖2.4三個臨界參數的關係第一節超導現象及超導材料的基本性質超導材料三、兩類超導體的基本特徵1、第一類超導體圖2.5第一類超導體的磁化曲線Hc

和Ic

很低，幾乎沒有實用的可能性第一節超導現象及超導材料的基本性質超導材料2、第二類超導體圖2.6第二類超導體的M-H曲線第一節超導現象及超導材料的基本性質超導材料圖2.7磁通線的三角形點陣排列第一節超導現象及超導材料的基本性質第二節超導電性的理論基礎和微觀機制超導材料一、唯象理論1、超導體的熱力學理論－二流體模型（1）超導體的熱力學性質超導體由常態轉變為超導態時樣品發生了一定的有序化比熱容發生了突變，電子熱容發生了△C的變化熵減小形成某種額外的的電子有序（2）二流體模型：包括以下三個假設：超導材料(a)超導體超導態時，傳導電子分為兩部分，一部分叫常導電子，另一部分叫超流電子，兩種電子佔據同一體積，彼此獨立運動，在空間上互相滲透；(b)常導電子的導電規律和常規導體一樣，受晶格振動而散射，因而產生電阻，對熱力學熵有貢獻。(c)超流電子處於某種凝聚狀態，即凝聚到某一低能態，所以超導態是比正常態更加有序的狀態。超導中的電子不受晶格散射，又因為超導態是低能量狀態，所以超流電子對熵沒有貢獻。2、超導體的電磁理論－倫敦方程第二節超導電性的理論基礎和微觀機制1935年，倫敦兄弟提出，超導電子產生的電流密度為js+(nse*2/m*)A=0式中：超導電子的電荷為-e*，有效品質為m*，濃度為ns，A為超導電子運動的矢勢

。利用倫敦方程可以得到穿透深度

L=（m*/0

nse*2）1/2對於大多數超導電性的金屬元素，穿透深度約為10-8~10-7米。第二節超導電性的理論基礎和微觀機制超導材料穿透深度的變化實際上說明超導電流的電子數ns並不是固定的，在接近0K時最大，隨溫度增加而減小，到轉變溫度時，ns減小到0。由於在表層流動的超導電流對外磁場起遮罩作用，才使超導體具有完全的逆磁性。通常將表層的超導電流稱為逆磁電流或遮罩電流。第二節超導電性的理論基礎和微觀機制超導材料臨界溫度Tc依賴於同位素品質的現象。當M

時，Tc應趨於零，沒有超導電性。當原子品質M趨於無限大時，晶格原子就不可能運動，當然不會有晶格振動了，由此可知：電子-晶格振動的相互作用是超導電性的根源。第二節超導電性的理論基礎和微觀機制超導材料二、超導的微觀圖像與機制1、同位素效應超導材料2、電子－聲子相互作用圖2.8電子使離子產生位移，從而吸引其他電子第二節超導電性的理論基礎和微觀機制晶體中電子是處於正離子組成的晶格環境中，帶負電荷的電子吸引正離子向它靠近；於是在電子周圍又形成正電荷聚集的區域，它又吸引附近的電子。電子間通過交換聲子能夠產生吸引作用。當電子間有淨的吸引作用時，費密面附近的兩個電子將形成束縛的電子對的狀態，它的能量比兩個獨立的電子的總能量低，這種電子對狀態稱為庫柏對。考慮到電子的自旋，最佳的配對方式是動量相反同時自旋相反的兩個電子組成庫柏對。第二節超導電性的理論基礎和微觀機制超導材料3、庫柏（Cooper)電子對第二節超導電性的理論基礎和微觀機制超導材料庫柏對之間通過交換聲子耦合在一起，拆散一個庫柏對，產生兩個正常態電子需要外界提供能量。庫柏對吸收能量變成兩個獨立的正常電子的過程稱為準粒子激發。由於受熱激發，有一些庫柏對被拆開成為正常電子，這樣就使得超導體內有兩種載流子：超導電子和被激發到能隙之上單粒子態中的正常電子。這正賦予了二流體模型新的意義。在常溫下，金屬原子失去外層電子成為正離子規則排列在晶格的結點上作微小振動。自由電子無序地充滿在正離子周圍。在電壓作用下，自由電子的定向運動就成為電流。自由電子在運動中受到的阻礙稱為電阻。當超導臨界溫度以下時，自由電子將不再完全無序地“單獨行動”，由於晶格的振動，會形成“電子對”（即“庫珀電子對”）。溫度愈低，結成的電子對愈多，電子對的結合愈牢固，不同電子對之間相互的作用力愈弱。在電壓的作用下，這種有秩序的電子對按一定方向暢通無阻地流動起來。如下圖：可以這樣簡單地理解：當溫度升高後，電子對因受熱運動的影響而遭到破壞，就失去了超導性。以上就是由JBardeen、LNCooper、JRSchrieffer在1957年提出的著名的BCS理論，它表現了目前許多科學家對超導現象的理解，但這並不是最終答案，高溫超導體的發現又需要人們進一步探索超導的奧秘。Bardeen,Cooper,SchriefferTheory(1957)超導材料4、超導能隙圖2.9絕對零度下的電子能譜第二節超導電性的理論基礎和微觀機制超導體能隙作為溫度的函數超導材料5、BCS超導微觀理論核心：（1）電子間的相互作用形成的庫柏電子對會導致能隙存在。超導體臨界場、熱學性質及大多數電磁性質都是這種電子配對的結果（2）元素或合金的超導轉變溫度與費米麵附近電子能態密度N（EF）和電子聲子相互作用能U有關。第二節超導電性的理論基礎和微觀機制

隧道效應：在微觀世界中，電子具有穿過比其自身能量還要高的勢壘的本領的量子效應。當然，穿透幾率隨勢壘的高度和寬度的增加而迅速減小。如果在兩塊Al之間夾入一層很薄的勢壘（絕緣層為Al2O3，厚度約10-10m），當在兩塊Al之間加上電勢差後，就有電流流過絕緣層，這就是正常金屬的隧道效應。三、超導隧道效應經典量子隧道效應UE＜UE＜U如果其中的Al進入超導態，就稱為約瑟夫森結（下圖）。 1962年，劍橋大學的博士後約瑟夫森（BDJosephson）理論計算表明，當絕緣層小於1.5～2×10-9m時，除了前面所述的正常電子的隧道電流外，還會出現一種與庫珀電子對相聯系的隧道電流，而且庫珀電子對穿越勢壘後，仍保持其配對的形式。這種不同於單電子隧道效應的新現象，稱為約瑟夫森效應。約瑟夫森結超導體超導體通過計算表明，當絕緣層小於1.5～2um時，除了前面所述的正常電子的隧道電流外，還會出現一種與庫珀電子對相聯系的隧道電流，而且庫珀電子對穿越勢壘後，仍保持其配對的形式。這種不同於單電子隧道效應的新現象，稱為約瑟夫森效應。超導材料圖2.10正常金屬N、絕緣層I和超導體S組成的結第二節超導電性的理論基礎和微觀機制超導材料圖2.11不同情形下的電流－電壓曲線a-被氧化層隔開的正常金屬結的電流－電壓關係b-被氧化層隔開的正常金屬與超導體結的電流－電壓關係第二節超導電性的理論基礎和微觀機制超導約瑟夫森元件示意圖第二節超導電性的理論基礎和微觀機制超導材料超導量子干涉器（SQUID）和它的生醫應用流極大；為磁通量子的半整數倍時，電流極小。由於磁通量子值很小，而且明顯地和電流有關，所以可以用該設備測量弱磁場和弱電流。兩個約瑟夫森結用超導通路並聯起來，構成超導量子干涉器。通過這一器件的總電流決定於穿過環路的磁通量：磁通量為磁通量子的整數倍時，電人體中不僅存在著生物電，也存在著生物磁。超導量子干涉器優點：（1）非接觸測量。可監視人體內的直流電效應（在人體直流電壓測量中常常被接觸電勢和表面電勢所掩蓋）；（2）給出某些電測量無法給出的人體內部資訊。人體內部組織有了損傷，就會產生損傷電流，可用體外磁場測定；（3）還可以探測與人體電位無關的磁性變化，而提供更多的醫療資訊。為什麼生物磁的研究遠遠落後於生物電的研究呢?因為生物磁極其微弱（10－10～10－13特斯拉），開始還沒有檢測如此低磁場強度的檢測手段。用超導量子干涉現象所製成的磁強計，可以探測到10－15特斯拉的磁場變化，極大地促進了生物磁學的進程。1970年首次應用超導量子干涉儀測出人體完善的心磁圖，打開了生物磁的窗口。使用磁強計可以不取肝樣而準確地測量肝中含鐵濃度。對腦神經磁場的研究能探測腦瘤的存在。 已經發現近30種單質和幾千種合金及化合物具有超導現象。但絕大多數超導材料的臨界溫度是難以達到的超低溫，限制了超導材料的應用。因此，超導材料的發展過程很大程度上就是研製高溫超導體的過程。 1986年,德國科學家柏諾茲GeorgBednorz和瑞士科學家彌勒AlexMüller發現了第一個鋇鑭銅氧化物高溫超導體,（La1.85Ba0.15CuO4，其轉變溫度“高達”35K！）使超導轉變溫度提升到了液氮溫區,從而為超導研究帶來了一場新的革命。高溫超導（非常規超導）的發現立即激起了全世界科學家的強烈興趣。他們於1988年獲得了諾貝爾物理獎（大概是歷史上，從作出工作到獲得獎之間隔最短的。從而也引發了許多爭論）。 在緊接下來的幾年,不同的高溫超導體系相繼被發現,超導溫度也迅速攀升至160K(0oC=273.15K)。然而不幸的是高溫超導的機理至今仍然是一個謎。第三節超導材料的種類及其性能Müller&BednorzHighTemperatureSuperconductors(1986)0K:Allmotionceases100oC=373K0oC=273K-145oC=138K“High”TemperatureSuperconductors77KAir(Nitrogen)liquifies4KHeliumliquifiesKelvinTemperatureScale第三節超導材料的種類及其性能在l986年之前，由於當時己知的所有超導體都要在液氯冷卻的條件下才能“工作”，這些不利因素給超導技術的實際應用範圍帶來了很多限制。因此，關於如何提高材料的Tc以及尋求高Tc材料，一直是科學家們的研究課題。下圖列出了人們探索提高超導轉變溫度的歷程。 1986年12月，中國科學院的趙忠賢研究組獲得了臨界溫度為48.6K的鍶鑭銅氧化物。（可能是最接近諾貝爾獎了） 1987年2月，美籍華裔科學家、美國休斯頓大學的朱經武教授獲得了起始轉變溫度為90K的高溫超導陶瓷。 1987年3月，中國科學院宣佈發現了起始轉變溫度為93K的8種釔鋇銅氧化物。 1988年，中國科學院發現了超導臨界溫度為120K的鈦鋇鈣銅氧化物。 這些成就顯示了我國高溫超導材料的研究已經處於國際前列。第三節超導材料的種類及其性能第三節超導材料的種類及其性能相對於氧化物高溫超導體而言，元素、合金和化合物超導體的超導轉變溫度較低(Tc＜30K)，其超導機理基本上能在BCS理論的框架內進行解釋，因而通常又枝稱為常規超導體或傳統超導體。一、元素超導體

已發現的超導元素近50種，如下圖所示。除一些元素在常壓及高壓下具有超導電性外，另部分元素在經過持殊工藝處理(如製備成薄膜，電磁波輻照，離子注入等)後顯示出超導電性。其中Nb的Tc最高(9.2K)，與一些合金超導體相接近，而製備工藝要簡單得多。週期表中的超導元素第三節超導材料的種類及其性能超導材料表2.1一些元素的超導轉變溫度第三節超導材料的種類及其性能具有超導電性的合金及化合物多達幾千種，真正能夠實際應用的並不多。下麵給出了一些典型合金及化合物的Tc(最大值)。其中A—15超導體Nb3Sn是20世紀50年代馬梯阿斯(B．T．Matthias)首次發現的。在1986年以前發現的超導體中，這類化合物中的Tc居於領先地位，它們之中臨界溫度最高的是Nb3Ge薄膜，為23.2K。此外，c—15超導體的臨界溫度約l0K，上臨界場Hc2(約1.6×107A／m)高於超導合金NbTi，而在力學性質方面優於Nb3Sn，易於加工成型，中子輻照對它的超導電性影響較小，因而是目前受控熱核反應用高場超導磁體的理想材料。超導材料二、合金超導體1、Nb-Zr合金優點：在高磁場下能夠承受很大的超導臨界電流，延性好，抗拉強度高，製作線圈工藝簡單缺點：覆銅較困難，需採用鍍銅或埋入法，工藝麻煩，製造成本高；與銅的結合性能較差2、Nb-Ti合金優點：線材價格便宜，機械性能優良，易於加工；並易於通過壓力加工線上上覆套銅層，獲得良好的合金結合，提高熱穩定性缺點：不易軋製成扁線第三節超導材料的種類及其性能超導材料圖3.12Nb-Ti合金製造的典型工藝流程圖圖2.13Ni-Ti線的芯結構第三節超導材料的種類及其性能超導材料3、三元合金Nb-Zr-Ti；Nb-Ti-Ta；Nb-Zr-Hf；V-Zr-Hf三、超導化合物超導化合物超導臨界參數均較高，是性能良好的強磁場超導材料,一般超過10T的超導磁體只能用化合物系超導材料。但化合物超導材料質脆，不易直接加工成線材或帶材。Nb3SnV3Ga第三節超導材料的種類及其性能圖2.14複合法制備Nb3SnV3Ga線材

圖2.15

Nb3Sn線的芯結構

第三節超導材料的種類及其性能超導材料第三節超導材料的種類及其性能四、非晶態超導體非晶態超導材料主要包括非晶態簡單金屬及其合金，和非晶態過渡金屬及其合金，它們具有高度均勻性，高強度、高耐磨、高耐腐蝕等優點非晶態超導體的臨界轉變溫度比相應的晶態超導體高。高溫超導體有著與傳統超導體相同的超導特性，即：零電阻有這些現象的特性、邁斯納效應、磁通量子化和約瑟夫森效應。BCS理論是目前能解釋所唯—理論，但這並不意味高溫超導體就是BCS超導體。高溫超導體的配對機理目前還不清楚。新型的氧化物高溫超導體與傳統超導體相比較，有其獨持的結構和物理特徵。主要表現在它們具有明顯的層狀結構、較短的超導相干長度、較強的各向異性以及Tc對載流子濃度的強依賴天系。五、高溫超導體

氧化鋯（ZrO2）單晶基片是最早被開發應用的高溫超導基片之一。由於ZrO2單晶需摻入釔（Y）以穩定其結構，

一般實際使用的是加入釔穩定劑的氧化鋯單晶。它機械、化學穩定性好，價格較低，特別適於用在試驗性薄膜製備工作中。

鈦酸鍶（SrTiO3）是當前應用最廣的優秀高溫超導單晶基片之一。它與YBaCuO等高溫超導材料的晶格匹配好，物理、機械性能優良。SrTiO3是高溫超導結技術（使用雙晶基片或臺階狀基片）及基片臺階化（按特定角度斜切並熱處理）的首選單晶材料。LSAT單晶

LSAT（鋁酸鑭·鉭酸鍶鋁）是性能優良的高溫超導基片材料。它可以克服LaAlO3高溫超導基片晶體固有的疇結構給薄膜生長帶來的不利影響。LASAT沒有疇結構，無孿晶，晶體結構完整，用作襯底材料可顯著提高薄膜的品質。LSAT基片第四節超導材料的應用超導材料超導材料的用途非常廣闊，大致可分為三類：大電流應用（強電應用）、電子學應用（弱電應用）和抗磁性應用。大電流應用即前述的超導發電、輸電和儲能；電子學應用包括超導電腦、超導天線、超導微波器件等；抗磁性主要應用於磁懸浮列車和熱核聚變反應堆等。第四節超導材料的應用超導材料一、能源領域的應用1、開發新能源（1）核聚變反應堆“磁封閉體”熱核反應堆是利用氫的同位素氘和氚的原子核實現核聚變的核反應爐。與目前核電站利用核裂變發電相比，用受控核聚變的能量來發電具有能量釋放大、實驗資源豐富、成本低、安全可靠等優點。核聚變反應堆“磁封閉體”利用超導體產生的巨大磁場，應用於受控制熱核反應。核聚變反應時，內部溫度高達1億～2億℃，沒有任何常規材料可以包容這些物質。而超導體產生的強磁場可以作為“磁封閉體”，將熱核反應堆中的超高溫等離子體包圍、約束起來，然後慢慢釋放，從而使受控核聚變能源成為21世紀前景廣闊的新能源。中國科學院合肥等離子體物理研究所超導托卡馬克HT-7巨大的電感線圈原子彈爆炸蘑菇雲第四節超導材料的應用超導材料磁約束的應用目前，磁約束主要應用在核聚變上，實現受控(熱)核聚變。著名的托卡馬克裝置即是利用磁約束原理實現受控核聚變。它是一種形如麵包圈的環流器，依靠等離子體電流和環形線圈產生的強磁場，將極高溫等離子狀態的聚變物質約束在環形容器裏，以此來實現聚變反應。托卡馬克裝置:第四節超導材料的應用超導材料2006年9月28日，中國耗時8年、耗資2億元人民幣自主設計、自主建造而成的新一代熱核聚變裝置EAST首次成功完成放電實驗，獲得電流200千安、時間接近3秒的高溫等離子體放電。EAST成為世界上第一個建成並真正運行的全超導非圓截面核聚變實驗裝置（2）超導磁流體發電磁流體發電，是利用高溫導電性氣體（等離子體）做導體，並高速通過磁場強度為5萬—6萬高斯的強磁場而發電。磁流體發電機的結構非常簡單，用於磁流體發電的高溫導電性氣體還可重複利用。”

2、節能方面（1）超導輸電（2）超導發電機和電動機（3）超導變壓器第四節超導材料的應用超導材料第四節超導材料的應用超導材料熱絕緣型和冷絕緣型高溫超導電力電纜熱絕緣結構電纜基本結構示意圖

從內到外，依次為：

管狀支撐物（一般為波紋管，內通液氮）；

超導導體層（為超導帶材分層繞制）；

熱絕緣層（為真空隔熱套件）；

常規電氣絕緣層（工作在常溫下）；

電纜屏蔽層和護層（與常規電力電纜類似）。冷絕緣結構電纜基本結構示意圖

從內到外，依次為：

管狀支撐物（內通液氮）；

超導導體層（為電纜載流導體）；

電氣絕緣層（工作在液氮低溫環境下）；

超導遮罩層（為超導帶材繞制）；

液氮回流層（與管狀支撐物內的液氮構成液氮回流循環）；

熱絕緣層（為真空隔熱套件）；

常規電纜遮罩層和護層。二、交通領域的應用超導材料圖2.16超導磁浮列車內部結構示意圖第四節超導材料的應用用超導材料制造的磁懸浮列車，速度可達550千米/小時，與民航飛機差不多；如果磁懸浮列車在真空隧道中運行，其速度可達1600千米/小時，比超音速飛機還快。

磁懸浮列車的不足1.由於磁懸浮系統是以電磁力完成懸浮、導向和驅動功能的，斷電後磁懸浮的安全保障措施，尤其是列車停電後的制動問題仍然是要解決的問題。其高速穩定性和可靠性還需很長時間的運行考驗。2.常導磁懸浮技術的懸浮高度較低，因此對線路的平整度、路基下沉量及道岔結構方面的要求較超導技術更高。3.超導磁懸浮技術由於渦流效應懸浮能耗較常導技術更大，冷卻系統重，強磁場對人體與環境都有影響。為什麼磁浮鐵路並沒有出現人們所企望的那種成為主要交通工具的趨勢？首先，磁浮鐵路的造價十分昂貴。與高速鐵路相比，修建磁浮鐵路費用昂貴。根據日本方面的估計，磁浮鐵路的造價每公里約需60億日元，比新幹線高20％。如果規劃中的從東京到大阪之間的中央新幹線修建為磁浮鐵路，全線造價約需3萬億日元，而為了對建造磁浮鐵路這一方案進行可行性研究而計畫建造的一條42.8公里長的試驗線，其初步預算就達3000億日元。德國也認為磁浮鐵路的造價遠遠高於高速鐵路。根據德國在80年代初的這一項估算認為，修建一條複線磁浮鐵路其造價每公里約為659萬美元，而法國的巴黎至里昂和義大利的羅馬至佛羅倫斯的高速鐵路每公里的造價只分別為226萬和236萬美元。現在，德國規劃中的漢堡至柏林292公里長的鐵路如果建造成為磁浮鐵路，其初步預算就達59億美元，約合每公里2000萬美元。磁浮鐵路所需的投入較大，利潤回收期較長，投資的風險係數也較高，從而也在一定程度上影響了投資者的信心，制約了磁浮鐵路的發展。為什麼磁浮鐵路並沒有出現人們所企望的那種成為主要交通工具的趨勢？其次，磁浮鐵路無法利用既有的線路，必須全部重新建設。由於磁浮鐵路與常規鐵路在原理、技術等方面完全不同，因而難以在原有設備的基礎上進行利用和改造。高速鐵路則不同，可以通過加強路基、改善線路結構、減少彎度和坡度等方面的改造，某些既有線路或某些區段就可以達到高速鐵路的行車標準。如，日本1964年投入運營並大受歡迎的東京至大阪的新幹線，在沒有對機車做重大改進的情況下，僅通過修建曲線半徑較大，即沒有急轉彎和陡坡較小的鐵路等方法，從而使列車速度大大提高。再如德國的漢堡至柏林既有鐵路線，經過技術改造後，某些區段的最高速度每小時可達230公里。此外，歐洲一些國家如德國、瑞典、義大利等國的設計人員，還採用使車廂在轉向架上轉動和傾斜的升降技術來對付鐵路彎道（即採用擺式車體），這樣在無須對既有線路進行改造和更新的情況下，也使列車行駛速度提高到每小時220公里。在對既有線路進行高速鐵路改造的過程中，還可以實現高、中速混跑，列車根據不同區段的最高限速以不同的速度行駛。因而，與磁浮鐵路的全部重新建設相比，高速鐵路的線路和運行成本就大大降低了。為什麼磁浮鐵路並沒有出現人們所企望的那種成為主要交通工具的趨勢？再次，磁浮鐵路在速度上的優勢並沒有凸顯出來。30多年前，許多人認為輪軌粘著式鐵路的極限速度為每小時250公里，後來又認為是300-380公里。但是現在，法國的“高速列車”(TGV)、德國的“城際快車”(ICE)和穿越英吉利海峽的“歐洲之星”列車以及日本的新幹線，其運行速度都達到或接近每小時300公里。1990年，在巴黎西部地區運行的法國第二代高速列車TGV－A“大西洋”號更是創下了試驗時速515.3公里的世界紀錄。更何況，既便是磁浮鐵路的行車速度達到每小時450-500公里，在典型的500公里區間內的運行中，也只比時速為300公里的高速鐵路節約半小時，其優勢不是特別明顯。我國的磁懸浮列車目前，中國對磁懸浮鐵路技術的研究還處於初級階段。經過中國鐵道科學研究院、西南交大、國防科大、中科院電工所等單位對常導低速磁懸浮列車的懸浮、導向、推進等關鍵技術的基礎性研究，已對低速常導磁懸浮技術有了一定認識，初步掌握了常導低速磁懸浮穩定懸浮的控制技術。我國的磁懸浮列車繼1994年西南交大成功地進行了4個座位、自重4噸、懸浮高度為8毫米、時速為30公里的磁懸浮列車試驗之後，由鐵科院主持、長春客車廠、中科院電工所、國防科技大學參加，共同研製的長為6.5米、寬為3米、自重4噸、內設15個座位的6噸單轉向架磁懸浮試驗車在鐵科院環行試驗線的軌距為2米、長36米、設計時速為100公里的室內磁懸浮實驗線路上成功地進行了試驗，並於1998年12月通過了鐵道部科技成果鑒定。6噸單轉向架磁懸浮試驗車的研製成功，為低速常導磁懸浮列車的研究提供了技術基礎，填補了我國在磁懸浮列車技術領域的空白。我國的磁懸浮列車上海磁懸浮是中國第一條投入運行的磁懸浮鐵路，全長29．863公里，設計時速和運行時速分別為505公里和430公里；由中國與德國合作，2002年12月31日，中國總理朱鎔基和德國總理施羅德成為上海磁懸浮的第一批乘客體會首次試運行。當時採用的是已通過安全認證的比較簡單的單線折返運行方式。雙列車會車實驗在2003年7月18日已經完成。根據中德的協議，雙線折返試運行原計畫今年9月完成並接受安全認證，12月底工程驗收，全線正式通車進行商業運行。四、電子資訊領域的應用超導材料1、超導電腦第四節超導材料的應用高速電腦要求積體電路晶片上的元件和連接線密集排列，但密集排列的電路在工作時會發生大量的熱，而散熱是超大規模積體電路面臨的難題。超導電腦中的超大規模積體電路，其元件間的互連線用接近零電阻和超微發熱的超導器件來製作，不存在散熱問題，同時電腦的運算速度大大提高。此外，正在研究用半導體和超導體來製造電晶體，甚至完全用超導體來製作電晶體。三、研究領域的應用冷子管和超導電腦

一種電流開關…當控制線圈沒有電流時，門線超導；當控制線圈通過一定電流時，它的磁場使門線從超導態轉變到正常態。1935年，卡西米爾和哈斯用Pb－Ti合金做門線，用Pb繞制控制線圈，做出了第一個開關元件，1956年，巴克把這種裝置命名為冷子管，指出它可以用來做電腦的開關元件。…半導體機速度與發熱的尖銳矛盾，從1965年開始，領導IBM公司的100多人共同奮戰，終於使約瑟夫遜器件的超導電腦有了眉目。馬梯索於1967年發明的隧道冷子管中，約瑟夫遜結具有極高的開關速度（約為10-12秒數量級，速度是半導體器件的百倍以上）和極低的功耗（只有半導體器件的千分之一左右），對應邏輯器件能以驚人的速度執行“與”功能，從而為製造亞納秒電子電腦提供了一條途徑。超導電腦是使用超導體元器件的高速電腦

用約瑟夫遜器件製成電子電腦，稱為約瑟夫遜電腦，也就是超導電腦，又稱超導電腦。這種電腦的耗電僅為用半導體器件製造的電腦所耗電的幾千分之一，它執行一個指令只需十億分之一秒，比半導體元件快10倍。日本電氣技術研究所研製成世界上第一臺完善的超導電腦，它採用了4個約瑟夫遜大規模積體電路，每個積體電路晶片只有3~5立方毫米大小，每個晶片上有上千個約瑟夫遜元件。約瑟夫遜超導元件。使用鈮系列超導材料，不但速度快，而且耗電少第四節超導材料的應用超導材料2、超導電磁測量裝置五、軍事領域的應用1、超導貯能系統3、超導電磁炮2、超導粒子束武器和自由電子雷射器用電需求的波動造成電力很大的浪費，據估計約50％的能量付之東流。這就需要一種儲存能量的方法。提到電力儲藏，總會讓人聯想到電池，能量的儲藏以能量密度作為標準。10升石油所產生的能量相當於2.5噸鉛電池的能量，必須使用像小山一樣多的鉛。能量儲存和調節手段還有很多，但各種方法都有很多局限和不便之處。相比之下，超導儲能在技術上的魅力是難以抗拒的。它可以達到極高的能量密度，可以無損耗地貯存巨大的電能。

合上開關S1，打開S2和S3時，超導線圈Ls充電；合上S2，打開S1，在電路2中就有一個持續電流；合上S3，打開S2，儲存的能量就消耗在外部負載上。超導線圈電能儲放電路美國已經設計出一種大型超導磁能存儲系統，採用NbTi電纜和液氦冷卻，儲能環的半徑為750米，埋在地下洞穴內。可儲存5000兆瓦·小時的巨大電能（相當於4300噸TNT炸藥爆炸時產生的能量），充放電的功率為1000兆瓦，轉換時間為幾分之一秒，其效率達到98％。※超導粒子束武器和自由電子鐳射武器

粒子束武器和自由電子激光武器是未來反導、反衛星的新星，具有重要的戰略意義。但它們在發射時需要巨大的能量，因而使得武器系統過於龐大，這就給它們的實際使用造成了困難。 超導技術的出現，為這兩種武器帶來了新生。利用磁性極強、無損耗的超導磁體制成的高能加速器，不僅能提供巨大的能量，體積也不大，使這兩種原本威力巨大的新概念武器，又倍添靈活，其前景甚為可觀。※超導電磁炮

電磁炮是利用電磁力加速彈丸的現代化電磁發射系統。美國將它作為下一代坦克炮方案之一。超導技術使它擁有體積小、重量輕、可重復使用的電源，同時能減少導軌的磁性損失和焦耳熱損耗，提高了系統效率。 目前正在研究用超導線圈產生磁場，以便減小通過導軌的電流，從而減小導軌的剩磁損耗和熱損耗，增加彈丸的動能，達到提高電磁炮系統效率的目的。※超導電磁推進系統和超導陀螺儀

用超導材料制成的超導電磁推進系統取代艦艇的傳統推進系統，具有推進速度快、效率高、控制性能好、結構簡單、易于維修和噪聲小等特點，可使艦艇的航速和續航能力倍增，并可大大提高艦艇的機動作戰能力和生存能力。 此外，利用超導體的抗磁特性，可制成超導陀螺儀，能大大提高飛機的飛行精度。超導材料圖2.17磁腦照相術中的超導量子干涉器件第四節超導材料的應用六、醫學領域超導材料圖2.18超導磁分離裝置第四節超導材料的應用

磁性材料

第一節材料的磁性磁性材料一、磁性的產生及磁學基本參量物質磁性的本質：原子的磁矩

原子的磁矩

原子核磁矩：約為電子磁矩1/2000

電子磁矩

軌道磁矩

自旋磁矩

磁介質：在磁場作用下能磁化的物質。1、磁化強度M

單位：A/m或高斯（Gs），向量，由S極指向N極。第一節材料的磁性磁性材料磁化強度：衡量物質有無磁性或磁性大小的物理量，定義為物質單位體積中的磁矩大小。2、磁場強度H單位：A/m或高斯（Gs），向量，由S極指向N極。

第一節材料的磁性磁性材料磁場強度：是指外界磁場的大小，也是一個向量。單位同磁化強度M。磁場強度H一般是由導體中的電流或者永磁體產生的。3、磁化率χ＝M/H第一節材料的磁性磁性材料磁化強度M與磁場強度H的比值稱為磁化率：即χ＝M/H表徵物質磁性的大小4、磁感應強度B單位：特斯拉（T）或韋/米2(Wb/m2)B=μ0(H+M)第一節材料的磁性磁性材料μ0是真空磁導率，μ0=410-7H/m在真空中（M=0），當磁場強度H為（107/4

）A/m時，相應的磁感應強度為1T。5、磁偶極矩pm、磁矩m第一節材料的磁性磁性材料磁偶極子：通常把尺寸小到原子大小的小磁體稱為磁偶極子，等效為環繞回路流動的電荷。磁偶極矩pm：真空中每單位外加磁場作用在磁偶極子上的最大力矩。單位為Wb·m。磁偶極子的磁矩m和磁偶極矩pm有如下關係：m=pm/μ0

磁矩m的單位為A·m2。磁矩是表徵磁性物體磁性大小的物理量。磁矩愈大，磁性愈強，即物體在磁場中所受的力也大。磁矩只與物體本身有關，與外磁場無關。

第一節材料的磁性磁性材料6、磁通量單位為韋（Wb）第一節材料的磁性磁性材料磁通量是磁感應通量的簡稱，其定義是：將通過磁場中某一微元面積

S的磁通量

等於該處磁感應強度B在垂直於面積方向上的分量Bn和麵積

S的乘積，即

=Bn

S=BcosS式中

為磁感應強度B的方向與面積

S的垂線方向之間的夾角。7、磁導率μ第一節材料的磁性磁性材料磁導率定義為μ=B/μ0

HB與H的比值稱為絕對磁導率μ絕對。μ絕對=B/H=μ0μ磁導率就等於材料的絕對磁導率μ絕對與真空磁導率之比，故也稱為相對磁導率。磁性材料二、磁性的分類1、抗磁性物質呈抗磁性，或稱逆磁性。

＜0，M與H方向相反；磁化率

很小，-10-5～-10-6，且不隨溫度變化。屬於這類物質的金屬有：Bi、Zn、Cu、Ag、Au、Mg。物質按磁化率以及在磁場中的行為可以分為五類，即抗磁性物質、順磁性物質、鐵磁性物質、反鐵磁性物質、亞鐵磁性物質。第一節材料的磁性2、順磁性物質呈順磁性。

＞0，M與H方向相同；磁化率

在10-3～10-5。第一節材料的磁性磁性材料其特徵是組成這些物質的原子具有恒定的與外磁場無關的磁矩

。屬於這類物質的金屬有：La、Pr、MnAl、除Be以外的鹼金屬和鹼土金屬以及居裏溫度以上的鐵磁性元素Fe、Ni、Co等。3、鐵磁性物質呈鐵磁性。

＞＞0，磁化率

在可達104數量級。自發磁化：鐵磁體的原子磁矩在不加外磁場時，由於一種自身力量的作用而互相平行排列，呈飽和磁化的狀態。磁疇:這種自發磁化不是整體飽和，而是分成許多社區域，在每個社區域內飽和，這種飽和的社區域稱為磁疇。第一節材料的磁性磁性材料磁性材料鐵磁物質的原子結構特點：（1）原子存在未填滿的內電子層（例如3d或4f層），在此層中未對消的電子自旋磁矩產生原子磁矩。（2）原子間距與未滿電子層半徑之比值要求有一定的大小，這樣才能夠有足夠大的交換力，使物質中原子磁矩同相排列，才能形成鐵磁性。第一節材料的磁性磁性材料第一節材料的磁性鐵磁性物質是一種磁性很強的物質。是磁性材料的物質基礎。常見的鐵磁性金屬有：Fe、Ni、Co，某些稀土元素以及由Fe、Ni、Co組成的合金等。4、反鐵磁性物質

＞0，M與H方向相同；磁化率

在10-5～10-3。第一節材料的磁性磁性材料反鐵磁性物質原子之間的磁矩不同與鐵磁性物質是平行的，而是反平行排列的。這種反方向的磁矩相互抵消，結果使總的磁矩為零。常見的反鐵磁性物質有：Mn、Cr,部分鐵氧體ZnFe2O4如和某些化合物MnO、NiO、FeF2等。5、亞鐵磁性物質

＞＞0第一節材料的磁性磁性材料亞鐵磁性物質的原子磁矩之間也存在反鐵磁性相互作用，只是反平行排列的磁矩大小不等，不能完全抵消。從而也引起一定程度的自發磁化。常見的亞鐵磁性物質有：尖晶石型晶體、石榴石型晶體等幾種結構類型的鐵氧體，稀土鈷金屬之間的化合物和一些過渡金屬。磁性材料三、鐵磁性物質的特性1、內稟特性參數（1）自發磁化強度Ms：鐵磁性物質中的原子磁矩按一定規律排列在晶格中，與相鄰近原子發生相互作用，使鄰近原子的磁矩方向趨於與某一晶軸方向平行，自發地產生磁化強度。Ms的大小決定於鐵磁性物質的原子結構和鄰近原子間的相互作用，並隨溫度而變化。第一節材料的磁性第一節材料的磁性磁性材料（2）居裏溫度Tc

當在某溫度以下，迫使鄰近原子取向一致的相互作用超過原子熱運動的破壞作用，則在該溫度以下，可以形成一定程度的自發磁化，該溫度叫做居裏溫度（居裏點）。

居裏溫度以上時，原子熱運動超過了原子磁矩取向一致的作用，而變為混亂狀態，呈順磁性。第一節材料的磁性磁性材料（3）磁各向異性參數K1

晶體磁性材料在不同的晶軸方向的磁性能是不一樣的，這個性質稱為磁各向異性。易於磁化的晶軸方向稱為易磁化方向；難於磁化的晶軸方向稱為難磁化方向。磁各向異性參數K1：表徵了某鐵磁性物質在外磁場下磁化時的難易程度。第一節材料的磁性磁性材料（4）飽和磁致伸縮係數λs

當鐵磁性物質在外磁場作用下被磁化時，鐵磁性物質發生尺寸及形狀的變化，這種現象稱為磁致伸縮現象。

飽和磁致伸縮係數λs：表示某一物質在外磁場作用下沿磁場方向測量到最大長度或形狀的變化。第一節材料的磁性磁性材料2、磁化鐵磁物質在外磁場作用下的磁化過程是不可逆的，這就是磁滯現象。（1）關於磁化的幾個重要概念磁化曲線表徵的是鐵磁物質在外磁場作用下所具有的磁化規律，又稱為技術磁化曲線。自發磁化：鐵磁性物質的自旋磁矩在無外加磁場條件下自發地取向一致的行為。磁性材料第一節材料的磁性

磁滯回線是當磁場在正負兩個相同數值之間變化時，磁感應強度的變化回線。這個回線的大小隨磁場的正負最大值而不同。從飽和磁化狀態開始的磁滯回線叫基本磁滯回線。磁化曲線和磁滯回線有兩種表示法：一種是磁感應強度B對磁場H的曲線。這是工程技術中常用的表示方法；另一種是磁化強度M對磁場H的曲線，這是磁學中常用的表示方法。磁性材料第一節材料的磁性Bs—飽和磁感應強度Hc－矯頑力Br—剩餘磁感應強度μ—磁導率μm－最大磁導率（2）與磁化過程有關的特性參數Bs—

飽和磁感應強度，是指用足夠大的磁場來磁化磁性物質時，其磁化曲線接近水準不再隨外磁場的加大而增加時的相應B值，單位為T或Gs；Hc－矯頑力，是指當磁性物質磁化到飽和後，由於有磁滯現象，故要使B減為零需有一定的負磁場，單位為安/米（A/m）或（Oe）；磁性材料第一節材料的磁性磁性材料第一節材料的磁性Br

—

剩餘磁感應強度，是指當以足夠大的磁場使磁性物質達到飽和後，又將磁場減小到零時的相應的磁感應強度；Br/Bm

—矩形比，是指剩餘磁感Br與規定磁場強度所對應的磁感強度Bm的比值。一般以Br/Bs之比為標準；μ—磁導率，是B-H曲線上任意一點的B和H的比值，μ＝B/H，單位是H/m或Gs/Oe；μ0

—初始磁導率，是指當H0時的磁導率；μm

—最大磁導率，是指以原點作直線與B-H曲線相切，切線的斜率即為μm。

磁性材料第一節材料的磁性磁性材料四、磁致伸縮和磁彈性能隨著溫度的升高，一般磁致伸縮的絕對值會減小，並在自發磁化消失的居裏點處變為零。磁彈性能：因磁致伸縮現象而產生的形變能為磁彈性能。第一節材料的磁性第二節軟磁材料及應用磁性材料磁性材料的分類：按材料組分和結構特點分類金屬磁性材料鐵氧體磁性材料金屬磁性材料晶態合金磁性材料非晶態合金磁性材料第二節軟磁材料及應用磁性材料按材料磁性能特點分類硬磁合金軟磁合金矩磁合金壓磁合金矩磁合金和壓磁合金都具有很低的矯頑力，接近軟磁合金的特點。Hc0.8kA/mHc0.8kA/m第二節軟磁材料及應用磁性材料軟磁材料：容易反復磁化，且在外磁場去掉後，容易退磁的材料。特點：軟磁材料磁滯回線細長，磁導率高，矯頑力低，鐵芯損耗低，容易磁化，也容易去磁。圖3.2軟磁合金的磁化曲線用途：發電機、電動機、變壓器、電磁鐵、各類繼電器與電感、電抗器的鐵心；磁頭與磁記錄介質；電腦磁心等。要求：高的飽和磁感應強度、高的最大磁導率、高的居裏溫度和低的損耗。分類：高磁飽和材料，中磁飽和中導磁材料，高導磁材料，高硬度、高電阻、高導磁材料，矩磁材料，恒磁導率材料，磁溫度補償材料，磁致伸縮材料。第二節軟磁材料及應用磁性材料第二節軟磁材料及應用磁性材料分類：金屬軟磁材料電工用純鐵電工用矽鋼片合金非晶態合金軟磁鐵氧體鐵鎳合金鐵鈷合金鐵鋁合金第二節軟磁材料及應用磁性材料

在強磁場下工作的磁性部件，如電力工業中大量使用的電動機、發電機、大功率變壓器、電磁鐵等，要求所用的磁性材料應具有高的飽和磁感強度，價格便宜，生產工藝簡單，便於大批生產。

在通訊技術中常用的變壓器、換能器的鐵心、磁遮罩材料以及開關等磁性元件，絕大部分在弱磁場下工作，它要求材料應具有高的磁導率。作為金屬軟磁材料，由於它們工作條件不同，對材料的要求也不一樣：磁性材料一、電工用純鐵含碳量極低，其純度在99.95％以上，在退火狀態，起始磁導率為300~500

0，最大磁導率為6000~12000

0，矯頑力Hc為40～95A/m。第二節軟磁材料及應用影響純鐵磁性能的因素：晶粒和結晶軸對磁化方向的取向關係，純鐵中的雜質，晶粒大小，金屬的塑性變形，加工過程中的內應力等.磁性材料第二節軟磁材料及應用主要用途：電磁鐵的鐵芯和磁極，繼電器的磁路和各種零件，感應式和電磁式測量儀錶的各種零件，揚聲器的磁路，電話中的振動膜，磁遮罩等。性能特點：電工用純鐵具有矯頑力低、磁導率高、導熱性和加工性好、易焊接並有一定的耐腐蝕性和價格便宜等優點，被廣泛地用於直流應用中。最常見的是電磁純鐵，名稱為電鐵(代號DT)，含碳量低於0.04%的Fe-C合金，Bs達2.15T，其供應狀態包括鍛材、管材、圓棒、薄片或薄帶等。去應力退火：消除加工應力。保護條件下860～930℃，保溫4小時後隨爐冷卻。去除雜質處理：純鐵中的雜質（C，Mn，Si，P，S，N等）會顯著降低材料的磁導率和矯頑力。通過去雜質退火處理來降低材料中雜質的含量。在純乾燥氫氣或真空(10-2帕以下)中，於1200～1300℃溫度保溫5～10小時。工業純鐵的熱處理：純鐵材在加工成元件後必須經過熱處理才能獲得好的軟磁性能磁性材料第二節軟磁材料及應用人工時效處理：克服純鐵嚴重的自然磁時效現象，為保持純鐵元件的磁穩定性，須在熱處理後進行100℃，保溫100小時的人工時效處理。或選擇低時效敏感性的材料。純鐵的自然磁時效現象：即隨著時間的增長，材料的矯頑力上升，磁導率下降。純鐵的時效在130℃附近特別明顯。引起時效的原因是由於在Fe中含有N，逐漸形成鐵的氮化物所致。純鐵的缺點：電阻率低，使用時產生很大的渦流損耗，不適於製作在交變場中工作的鐵心。

磁性材料第二節軟磁材料及應用磁性材料第二節軟磁材料及應用二、電工用矽鋼片（Fe-Si合金）低碳（C≤0.015wt%)低矽（(Si+Al)≤1wt%)鐵中加Si的作用：可提高鐵的最大磁導率，增大電阻率，還可顯著改善磁性時效。但Si加入量過多時，會降低飽和磁化強度、居裏溫度、磁晶各向異性常數K1、磁致伸縮係數含Si量的增大會使材料變脆。

矽鋼片的機械性能與矽含量、晶粒大小、結晶結構、有害雜質(碳，氧，氫)含量分佈狀況以及鋼板厚度有關；在很大程度上取決於有害雜質含量、冶煉方法、軋製的壓下制度、退火溫度和介質以及鋼板表面狀況等。矽鋼片的磁性能同樣與矽含量、冶煉過程、熱處理工藝、晶粒大小有關。磁性材料第二節軟磁材料及應用一般認為，矽含量在6％~6.5％的鋼具有高的磁導率，矽也使鐵的磁各向異性和磁致伸縮降低。考慮到矽鋼的機械性能及加工工藝性能，其中矽的含量不宜超過4％。另外，碳、氫、硫、錳等元素均對合金的磁性能有不利影響；增大晶粒可以改善矽鋼的磁性能，但使磁滯損耗增加。磁性材料第二節軟磁材料及應用磁性材料主要用途：各種形式的電機、發電機和變壓器中；在扼流線圈、繼電器和測量儀錶中也大量使用分類：熱軋(無取向矽鋼片)(D11、D31)；冷軋(無取向)矽鋼片(DW270、DW310-35)；冷軋取向(DQ122G-30、DQ133G-30)第二節軟磁材料及應用中國2002年底停止生產電訊用冷軋單取向矽鋼片（DG）與熱軋矽鋼相比，冷軋矽鋼的Bs高，其厚度均勻、尺寸精度高、表面光滑平整，從而提高了填充係數和材料的磁性能。冷軋帶材的厚度可低至0.02～0.05mm。冷軋矽鋼的含矽量不超過3.5%，否則的材料冷軋十分困難。近年來，用快速凝固技術可製備出含矽6.5%的矽鋼薄帶。磁性材料第二節軟磁材料及應用磁性材料第二節軟磁材料及應用(1)冷軋高斯織構（單取向）矽鋼片提高磁感應強度冷軋高斯織構（單取向）矽鋼片；冷軋立方織構（雙取向）矽鋼片圖3.3Fe－Si合金單晶體磁化方向示意圖冷軋單取向矽鋼的晶粒取向

單取向矽鋼的優點：磁性具有強烈的方向性；在易磁化的軋製方向上具有優越的高導磁與低損耗特性。取向鋼帶在軋製方向的鐵損僅為橫向的1/3，磁導率比約為6:1，其鐵損約為熱軋帶的1/2，磁導率為後者的2.5倍。

去應力退火處理：用矽鋼片製成的電磁元件成型之後，應消除應力（800～850℃，保溫5～15min），恢復材料磁性

磁性材料第二節軟磁材料及應用圖3.4Fe-Si合金冷軋立方織構示意圖(2)冷軋立方織構(雙取向)矽鋼片具有較高的磁導率

磁性材料三、鐵鎳合金、鐵鈷合金、鐵鋁合金特點：在較弱的磁場下，具有較高的磁導率，高的飽和磁感應強度，低的矯頑力和磁損耗，加工成型性也比較好。1、鐵鎳合金(坡莫合金Permalloy)用途：電訊工業、儀錶、電子電腦，控制系統等領域第二節軟磁材料及應用含鎳量為30~90%的鐵鎳合金，主要成分為鐵、鎳、鉻、鉬、銅等。磁性材料第二節軟磁材料及應用（1）Ni（36～50%）：具有較低磁導率和較高的飽和磁感應強度及矯頑力。在熱處理中如能適當提高溫度，延長時間，可降低矯頑力，提高磁導率。主要用在中等磁場，適用於做中小功率變壓器、微電機、繼電器、扼流圈、電磁離合器的鐵心、遮罩罩、話筒振動片以及力矩馬達銜鐵和導磁體等，主要牌號有1J46、1J50和1J54等。主要類型：磁性材料第二節軟磁材料及應用（2）Ni（34～50%）：結構上具有晶體結構與磁疇結構，沿易磁化方向磁化，可獲得矩形磁滯回線，在中等磁場下，有較高磁導率和磁感應強度；如經縱向磁場熱處理，可使材料沿磁路方向的磁導率和矩形比增加，矯頑力降低。主要用於中小功率高靈敏度的磁放大器和磁調製器、中小功率的脈衝變壓器以及電腦中的元件等。主要牌號有1J51、1J52和1J34等。磁性材料第二節軟磁材料及應用（3）Ni（65%）：可以通過磁場熱處理改善磁性能。主要牌號有1J65和1J76等。1J67合金是在1J65成分的基礎上加入2％的Mo，從而提高了電阻率，改善了合金的直流性能和交流性能。這類合金經磁場處理後獲得磁疇取向，具有高的最大磁導率

m和矩形磁滯回線。主要用於中等功率的磁放大器及扼流圈、電腦元件和繼電器等。磁性材料第二節軟磁材料及應用（4）Ni（79%）：在弱磁場中，也有極高的磁導率和低的飽和磁感應強度。主要用於弱磁場下工作的高靈敏度和小型的功率變壓器、小型磁放大器、繼電器、錄音磁頭和磁遮罩等。主要牌號有1J76、1J79、1J80和lJ83等。磁性材料第二節軟磁材料及應用（5）Ni（85%）：在軟磁合金中只有相當高的初始磁導率和最大磁導率以及極低的矯頑力，對微弱信號反應靈敏。主要用作扼流圈、音頻變壓器、高精度電橋變壓器、互感器、磁調製器、快速磁放大器和錄音磁頭等的鐵心和精密電錶中的動片。主要牌號有1J85、1J86和1J87等。磁性材料第二節軟磁材料及應用鐵鈷合金主要是指含鈷量為50％的鐵鈷合金，具有高的飽和磁感應強度、高的初始磁導率和最大磁導率，通常稱為坡明德(Permendur)合金。這種合金存在微量雜質元素(如C、H和N)和出現無序-有序轉變時將會變脆，其磁性能對熱處理和純度也很敏感，因此提高合金純度和抑制有序相的出現十分重要。2、鐵鈷合金(坡明德Permendur)在這種合金中加入V、Mo、W和Ti等元素，可以改變其加工件能。特別是加入2％V的鐵鈷合金，也稱為2V型坡明德合金。抑制了有序化的進行，從而便性能獲得很大改善。鐵鈷合金通常用作直流電磁鐵鐵心和極頭材料、航空發電機定子材料以及電話受話器的振動膜片等。此外，由於這種合金具有較高的飽和磁致伸縮係數，因此是一種很好的磁致伸縮合金，在電聲換能器中應用前景廣闊。磁性材料第二節軟磁材料及應用3、鐵鋁合金磁性材料第二節軟磁材料及應用鐵鋁合金是指以鐵和鋁為主要元素組成的軟磁合金系列，研究表明當含鋁量在16％以下時，便可以熱軋成板材或者帶材；當含鋁量在5％~6％以上時，合金冷軋非常困難。我國鐵鋁合金系列的主要牌導有1J16、1J13、1J12和1J6等。

特點：（1）隨著Al含量的變化，可以獲得各種較好的軟磁特性，如1J16合金有較高的磁導率；1J13合金具有較高的飽和磁致伸縮係數

s；1J12合金既有較高的磁導率又有較高的飽和磁感應強度等。（2）有較高的電阻率。1J16合金的電阻率是目前所有金屬材料中最高的一種，一般為150

·cm，是1J79鐵鎳合金的2~3倍，因此具有較好的高頻磁特性。磁性材料第二節軟磁材料及應用（3）有較高的硬度、強度和耐磨性，這對磁頭之類的磁性元件來說是很重要的性能，如1J16合金的硬度和耐磨性要比1J79合金高。

（4）密度低，可以減輕磁性元件的鐵心品質。這對於鐵心品質占相當大比例的現代電器設備來說很有必要。（5）對應力敏感性小，適於在衝擊、振動等環境廠工作。磁性材料第二節軟磁材料及應用（6）合金的時效性好，隨著環境溫度的變化和使用時間的延長，其磁性變化不大。（7）具有較好的溫度穩定性和抗核輻射性能。（8）鐵鋁合金和鐵鎳合金比較，它在性能上具有獨特的優點，不含Ni、Co等貴重元素，成本低，使用範圍很廣。它可以部分取代鐵鎳系坡莫合金在電子變壓器、磁頭以及磁致伸縮換能器等處使用。磁性材料第二節軟磁材料及應用四、非晶態合金磁性材料第二節軟磁材料及應用非晶態軟磁合金的主要特性：磁導率和矯頑力與鐵鎳合金基本相同，在某些情況下，有些指標還優於鐵鎳合金；由於沒有晶界和位錯等晶體缺陷和易滑移和斷裂的晶面，故具有較高的強度和硬度；晶界等缺陷的不存在，使之沒有易發生腐蝕的“源”，因而具有良好的耐腐蝕性能；元素的混亂排列以及類金屬元素的存在，使得非晶態軟磁合金的電阻率比一般的軟磁合金要大。總之，由於其特殊的原子結構，使非晶態軟磁合金獲得了比晶態合金更為優越的機械性能、磁學性能、電學性能和化學性能。磁性