材料科学基础.ppt

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1、中国计量学院1上节课重点上节课重点u磁性能表征：磁性能表征：B；H；M；u磁矩起源（两种磁矩）磁矩起源（两种磁矩）u 材料的磁性分类及每一类磁性的本质及特点材料的磁性分类及每一类磁性的本质及特点u 温度对铁磁性材料磁性的影响温度对铁磁性材料磁性的影响u 什么是磁畴？为何要分畴？什么是磁畴？为何要分畴？u 磁化曲线和磁滞回线；磁化曲线和磁滞回线；u 软磁、硬磁和矩磁材料的特点及应用软磁、硬磁和矩磁材料的特点及应用中国计量学院210.4.5 磁性材料磁性材料10-11101102103104105106HC(A/m)软磁材料软磁材料磁记录介质磁记录介质磁记忆材料磁记忆材料半硬磁材料硬磁材料硬磁材料

2、半硬磁材料半硬磁材料半硬磁材料中国计量学院31.1.软磁材料特点与分类软磁材料特点与分类高磁导率；低矫顽力；在外磁场中容易磁化和退磁。高磁导率；低矫顽力；在外磁场中容易磁化和退磁。饱和磁感应强度大；大电阻，交变电场下磁滞损耗小；饱和磁感应强度大；大电阻，交变电场下磁滞损耗小；传统软磁材料包括纯铁、硅钢、传统软磁材料包括纯铁、硅钢、铁镍合金和铁钴合金等铁镍合金和铁钴合金等金属金属软磁软磁和电阻率较大的和电阻率较大的铁氧体软磁铁氧体软磁。金属软磁：饱和磁化强度较高（如金属软磁：饱和磁化强度较高（如铁钴合金铁钴合金，适于能量转换，适于能量转换场合）、磁导率高（如场合）、磁导率高（如铁镍合金，铁镍合金

3、，适合信息处理场合）、居适合信息处理场合）、居里温度高；但一般电阻较低，有集肤效应，涡流损失大。里温度高；但一般电阻较低，有集肤效应，涡流损失大。快快淬淬方方法法 非非晶晶及及微微晶晶软软磁磁：低低电电阻阻；高高频频特特性性、力力学学性能及耐蚀性。性能及耐蚀性。主要用于电磁能的转换，如电磁铁，变压器，电动机，发电主要用于电磁能的转换，如电磁铁，变压器，电动机，发电机及其他电气装置，用于交流磁场下。机及其他电气装置，用于交流磁场下。中国计量学院4 2.2.硬磁材料特点硬磁材料特点 一般具有高的矫顽力、高的剩磁及磁能积。一般具有高的矫顽力、高的剩磁及磁能积。（硬硬磁磁材材料料）经经外外磁磁场场磁磁

4、化化去去掉掉磁磁场场后后，能能长长时时间间保保留留其较高剩余磁化强度且不易受外界干扰的铁磁材料。其较高剩余磁化强度且不易受外界干扰的铁磁材料。主主要要用用来来提提供供一一个个稳稳定定的的有有一一定定强强度度和和分分布布的的磁磁场场。具有高的磁滞能耗具有高的磁滞能耗。具有两种或两种以上容易识别的稳定磁状态。具有两种或两种以上容易识别的稳定磁状态。一般磁滞回线为矩形。一般磁滞回线为矩形。用于制造磁存储（记忆）元件的磁心、磁棒、磁膜。用于制造磁存储（记忆）元件的磁心、磁棒、磁膜。铁镍合金、镁锰铁氧体、锂锰铁氧体铁镍合金、镁锰铁氧体、锂锰铁氧体 3.3.矩磁材料特点矩磁材料特点 （1）AlNiCo系硬

5、磁合金材料。系硬磁合金材料。剩磁高、温度系数低、性能稳定。多用于硬磁性能稳定性剩磁高、温度系数低、性能稳定。多用于硬磁性能稳定性要求较高的精密仪器仪表及其装置中。要求较高的精密仪器仪表及其装置中。（2 2）Sm-Co永磁。具有良好的高温特性。永磁。具有良好的高温特性。（3 3）稀土）稀土-铁族永磁。铁族永磁。Nd-Fe-B具有最好的硬磁特性。具有最好的硬磁特性。（4 4）铁氧体硬磁铁氧体硬磁 硬磁材料分类：硬磁材料分类：BaO6Fe2O3；SrO6Fe2O3 磁矫顽力与电阻率高、剩磁低，价格低廉，磁矫顽力与电阻率高、剩磁低，价格低廉，主要用于高频或脉冲磁场。主要用于高频或脉冲磁场。中国计量学院

6、6第第10章章 材料的功能特性材料的功能特性 10.1 功能材料的物理基础功能材料的物理基础 10.2 电性能电性能 10.3 热性能热性能 10.4 磁性能磁性能 10.5 光性能光性能中国计量学院710.5 10.5 光学性能光学性能广义：电磁波广义：电磁波狭义：可见光狭义：可见光 材料暴露在电磁辐射，材料暴露在电磁辐射，尤其在可见光中的响应尤其在可见光中的响应中国计量学院810.5 10.5 光学性能光学性能一、光传播的电磁辐射一、光传播的电磁辐射一、光传播的电磁辐射一、光传播的电磁辐射 （X-rayX-ray、荧光、磷光、激光）、荧光、磷光、激光）、荧光、磷光、激光）、荧光、磷光、激光

7、）二、光与固体的交互作用二、光与固体的交互作用二、光与固体的交互作用二、光与固体的交互作用三、受激发射和光放大三、受激发射和光放大三、受激发射和光放大三、受激发射和光放大（吸收、反射、折射、透射）（吸收、反射、折射、透射）中国计量学院91、光的电磁辐射、光的电磁辐射 在微观世界中，大量光子运动产生的效果显示出波动性，在微观世界中，大量光子运动产生的效果显示出波动性，个别光子运动产生的效果显示出粒子性。个别光子运动产生的效果显示出粒子性。电磁辐射电磁辐射复合的电磁波，随时间变化的电场和磁场方复合的电磁波，随时间变化的电场和磁场方向相互垂直，且两者均垂直于波的传播方向。向相互垂直，且两者均垂直于波

8、的传播方向。按照不同波长，可分为光波、电波、短射线波等，不同按照不同波长，可分为光波、电波、短射线波等，不同波长的电磁波均以相同速度穿过真空，波长的电磁波均以相同速度穿过真空，不同波长的电磁波具有不同的能量，不同波长的电磁波具有不同的能量，光子能量被量子化光子能量被量子化波粒二象性波粒二象性与原子的撞击与原子的撞击连续谱连续谱对电子的激发及对电子的激发及回落回落 特征谱特征谱例题例题1：假设有一个电子经过：假设有一个电子经过5000V高压加速之后，高压加速之后，撞击到铜靶上，则铜靶会发射什么样的谱线？撞击到铜靶上，则铜靶会发射什么样的谱线？发光发光辐射转换辐射转换为可见光。为可见光。不发光不发

9、光不可持续发光不可持续发光发光可持续一段时间发光可持续一段时间应用：应用：荧光屏；荧光屏；红外测温计红外测温计;白炽灯；白炽灯；中国计量学院12二、光与固体的交互作用二、光与固体的交互作用 入射光强度（能量）等于透射、吸收及反射光强度入射光强度（能量）等于透射、吸收及反射光强度（能量）之和（能量）之和吸收和反射比例小、透射比例大的材料吸收和反射比例小、透射比例大的材料 透明材料，多为绝缘体；透明材料，多为绝缘体；吸收或反射比例大、透射比例小的材料吸收或反射比例大、透射比例小的材料 不透明材料，多为导体；不透明材料，多为导体；光在材料内部被散射而漫散透过的材料光在材料内部被散射而漫散透过的材料

10、半透明材料，多为半导体半透明材料，多为半导体对于可见光的波长，对于可见光的波长，中国计量学院13 光子与固体介质中的原子、离子以及电子的交互作用中光子与固体介质中的原子、离子以及电子的交互作用中最重要的两种形式：最重要的两种形式：电子极化电子极化 和和 电子能量的跃迁电子能量的跃迁。二、光与固体的交互作用二、光与固体的交互作用只有特定能量才能被吸收；只有特定能量才能被吸收；吸收能量而跃迁的电子很快返回基态，吸收能量而跃迁的电子很快返回基态，重新放出能量重新放出能量 反射光热损耗反射光热损耗电子极化：电子极化：在可见光频率范围，电磁波的电场组分与其路径上的在可见光频率范围，电磁波的电场组分与其路

11、径上的每一个原子周围的电子云相互作用，由此诱发电子极化，即伴随每一个原子周围的电子云相互作用，由此诱发电子极化，即伴随电场组分方向的每次变化，电子云相对原子核产生相对位移，这电场组分方向的每次变化，电子云相对原子核产生相对位移，这种极化的两种结果是：种极化的两种结果是：电子能量的跃迁电子能量的跃迁光波通过介质后速度降低；光波通过介质后速度降低；某些辐射能可以被吸收。某些辐射能可以被吸收。中国计量学院14u 只有那些对应于原子能级只有那些对应于原子能级E的频率的光子才能通过电的频率的光子才能通过电子跃迁被吸收；子跃迁被吸收；u 激发电子不能无限长时间激发电子不能无限长时间保持其激发态，在很短时间

12、保持其激发态，在很短时间内，电子放出能量返回基态内，电子放出能量返回基态u 在任何情况下，对于吸收在任何情况下，对于吸收和发射电子跃迁的能量总是和发射电子跃迁的能量总是守恒的。守恒的。孤立原子中电子吸收入射光子能量，孤立原子中电子吸收入射光子能量，从低能态激发到高能态从低能态激发到高能态？为什么金属看起来不透明为什么金属看起来不透明中国计量学院15可见光的所有频率可见光的所有频率均能被金属吸收均能被金属吸收（金属对频谱低端（金属对频谱低端的所有电磁辐射都的所有电磁辐射都是不透明的）是不透明的）总吸收发生在金属总吸收发生在金属最外层最外层(0.1m)，只有极薄的金属膜只有极薄的金属膜才能被可见光

13、穿透才能被可见光穿透金属材料对光子的吸收金属材料对光子的吸收 回落回落反射反射热损失热损失透明度：透明度：取决于材料价带和导带之间的能隙大小；取决于材料价带和导带之间的能隙大小；颜颜 色色:取决于再发射光（反射）和透射光的波长。取决于再发射光（反射）和透射光的波长。中国计量学院16吸吸 收收吸收机制吸收机制电子极化；电子极化；电子跃迁电子跃迁电子越过能隙电子越过能隙电子跃迁到能隙中的缺陷能级上电子跃迁到能隙中的缺陷能级上电子越过能隙电子越过能隙光子吸收光子吸收光子发射光子发射光子吸收光子吸收两个光子两个光子的发射的发射一个光子发射一个光子发射另一个形成热另一个形成热能释放能释放电子跃迁到能隙中

14、的缺陷能级上电子跃迁到能隙中的缺陷能级上中国计量学院17 图图 10.24 金金 属属：无能隙，全吸收，不透明；高反射：无能隙，全吸收，不透明；高反射 绝缘体绝缘体：大能隙，不吸收，无色透明：大能隙，不吸收，无色透明图图 10.25，10.26 非金属非金属：有能隙，选择性吸收，取决于能隙大小：有能隙，选择性吸收，取决于能隙大小各类材料对可见光的吸收行为：各类材料对可见光的吸收行为：每种非金属材料都有一个从透明到不透明的临界波长，每种非金属材料都有一个从透明到不透明的临界波长，每种非金属材料都有一个从透明到不透明的临界波长，每种非金属材料都有一个从透明到不透明的临界波长，取决于带隙的大小。取决

15、于带隙的大小。取决于带隙的大小。取决于带隙的大小。掺杂可以改变非金属半导体材料的透明度或颜色。掺杂可以改变非金属半导体材料的透明度或颜色。掺杂可以改变非金属半导体材料的透明度或颜色。掺杂可以改变非金属半导体材料的透明度或颜色。带隙大于带隙大于3.1ev，全透明，不吸收，不反射，无色；，全透明，不吸收，不反射，无色；带隙小于带隙小于1.8ev，全吸收，不透明；由反射波长决定；，全吸收，不透明；由反射波长决定；带隙带隙1.83.1ev，部分吸收，透明，呈现不同颜色，部分吸收，透明，呈现不同颜色高纯半导高纯半导高纯半导高纯半导体材料体材料体材料体材料金属金属绝缘体绝缘体半导体半导体中国计量学院19中

16、国计量学院20中国计量学院21光吸收与光波长的关系光吸收与光波长的关系在可见光区内，在可见光区内，金属和半导体的吸收金属和半导体的吸收系数很大；系数很大；绝缘材料，包括玻璃、绝缘材料，包括玻璃、陶瓷等无机材料的大陶瓷等无机材料的大部分在这个波谱区内部分在这个波谱区内吸收系数很小，都有吸收系数很小，都有良好的透过性。良好的透过性。例题例题2：计算说明以下四种材料的透明度：计算说明以下四种材料的透明度（1）单晶硅）单晶硅 Eg=1.107eV（2）掺杂硅）掺杂硅 Ed=0.045eV（3）钻石）钻石 Eg=5.4eV（4）锡）锡 Eg=0.08eV中国计量学院23折折 射射 当光从真空进入较致密的

17、材料时，其速度降低，波长当光从真空进入较致密的材料时，其速度降低，波长增大，并且方向有所改变，方向的改变量是由折射率所增大，并且方向有所改变，方向的改变量是由折射率所决定的。决定的。中国计量学院24折折 射射 率率光在真空和材料中的速度之比即为材料的光在真空和材料中的速度之比即为材料的折射率折射率。弱磁性材料弱磁性材料r1 对于透明材料，存在折射率和介电常数的关系，可通过对于透明材料，存在折射率和介电常数的关系，可通过测量材料的折射率来间接测定材料的介电常数。测量材料的折射率来间接测定材料的介电常数。n的大小取决于光的波长的大小取决于光的波长（棱镜对白光的色散）（棱镜对白光的色散）中国计量学院

18、251 1）构成材料元素的离子半径）构成材料元素的离子半径）构成材料元素的离子半径）构成材料元素的离子半径 当离子半径增大时，电子极化越大，当离子半径增大时，电子极化越大，r 增大，折射率增大，折射率n增大。增大。因此可以用大离子得到高因此可以用大离子得到高n的材料，用小离子得到低的材料，用小离子得到低n的材料。的材料。影响折射率影响折射率影响折射率影响折射率n n值的因素值的因素值的因素值的因素 非非晶晶态态和和立立方方晶晶体体为为各各向向同同性性材材料料，当当光光通通过过时时，光光速速不不因因传播方向改变而变化，材料只有一个折射率，称为传播方向改变而变化，材料只有一个折射率，称为均质介质均

19、质介质。2 2）材料的结构、晶型和非晶态）材料的结构、晶型和非晶态）材料的结构、晶型和非晶态）材料的结构、晶型和非晶态 立立方方晶晶体体以以外外的的其其他他晶晶型型都都是是非非均均质质介介质质。光光进进入入非非均均质质介介质质时时，分分为为振振动动方方向向相相互互垂垂直直、传传播播速速度度不不等等的的两两个个波波，它它们们分分别别构构成成两两条条折折射射光光线线，这这个个现现象象称称为为双双折折射射。双双折折射射是是非非均均质质晶晶体体的的特特性。性。3 3）材料所受的内应力）材料所受的内应力）材料所受的内应力）材料所受的内应力 有内应力的透明材料，垂直于受拉主应力方向的有内应力的透明材料，垂

20、直于受拉主应力方向的n大，平行于受大，平行于受拉主应力方向的拉主应力方向的n小。小。中国计量学院26反反 射射 当光线由介质当光线由介质1入射到介质入射到介质2时，光在介质面上分成了时，光在介质面上分成了反射光和折射光。反射光和折射光。设设n21为介质为介质2对于介质对于介质1的相对折射率，的相对折射率，垂直入射时垂直入射时由能量守恒有由能量守恒有R为为反反射射率率。由由上上式式可可知知，光光在在界界面面上上的的反反射射强强度度取取决决于于两两种介质的折射率差别，相对折射率种介质的折射率差别，相对折射率n21越大，越大，R越大越大。空气的折射率接近空气的折射率接近1，当光从空气中进入固体，当光

21、从空气中进入固体s时，时，中国计量学院27 由于由于介质的折射率介质的折射率n总是大于总是大于1的正数，的正数，陶瓷、玻璃等陶瓷、玻璃等材料的折射率较大的材料反射损失严重。如果透镜系统由许材料的折射率较大的材料反射损失严重。如果透镜系统由许多块玻璃组成，则反射损失更可观。为了减少这种界面损失，多块玻璃组成，则反射损失更可观。为了减少这种界面损失，常常采用折射率和玻璃相近的胶将它们粘起来，这样，除了常常采用折射率和玻璃相近的胶将它们粘起来，这样，除了最外和最内的表面是玻璃和空气的相对折射率外，内部各界最外和最内的表面是玻璃和空气的相对折射率外，内部各界面都是和胶的较小的相对折射率，从而大大减少界

22、面的反射面都是和胶的较小的相对折射率，从而大大减少界面的反射损失。损失。中国计量学院28 介质材料内的杂质和缺陷可以通过吸收或散射介质材料内的杂质和缺陷可以通过吸收或散射介质材料内的杂质和缺陷可以通过吸收或散射介质材料内的杂质和缺陷可以通过吸收或散射方式减少光子的透过。方式减少光子的透过。方式减少光子的透过。方式减少光子的透过。透透 射射强强度度为为I0的的光光束束垂垂直直通通过过厚厚度度为为x的的介介质质层层，在在左左侧侧介介质质表表面面上上有有反射损失反射损失:I=RI0进入介质中的光强度为进入介质中的光强度为:在在厚厚度度为为x的的介介质质内内又又消消耗耗吸吸收收损损失失和和散射损失散射

23、损失。到达右表面时，光强度剩下。到达右表面时，光强度剩下一部分光能反射进材料内部，其能量为一部分光能反射进材料内部，其能量为 最终透出介质的光强度才是最终透出介质的光强度才是真正的透光强度真正的透光强度中国计量学院29 光强度随介质层厚度的变化光强度随介质层厚度的变化符合指数规律衰减符合指数规律衰减 ：介质对光的介质对光的吸收系数吸收系数，其，其单位为单位为cm-1。吸吸 收收 系系 数数 散散 射射 系系 数数 s 材料宏观及显微缺陷材料宏观及显微缺陷 晶粒排列方向晶粒排列方向 气孔引起的散射损失气孔引起的散射损失 和和s都取决于介质材料的性都取决于介质材料的性质（能带结构和组织结构）以质（

24、能带结构和组织结构）以及光的波长。及光的波长。中国计量学院30 透射强度取决于反射、吸收和散射的损失；而反射、透射强度取决于反射、吸收和散射的损失；而反射、吸收和散射中的每个变量（吸收和散射中的每个变量（R,s）取决于光的波长。）取决于光的波长。可见光谱通过透明可见光谱通过透明绿玻璃后绿玻璃后R、A、T的变化的变化提高材料透光性的措施：提高材料透光性的措施：提高材料纯度和密度、降低气孔率，调整各个提高材料纯度和密度、降低气孔率，调整各个相的折射率使之有较好的匹配。相的折射率使之有较好的匹配。中国计量学院31单晶单晶Al2O3 无色无色颜色：颜色：取决于透射光和反射光的波长（频率）取决于透射光和

25、反射光的波长（频率）例题例题3：一束光通过：一束光通过2cm厚的玻璃，其中原来光束强度厚的玻璃，其中原来光束强度的的60透射出来，如果玻璃的介电常数是透射出来，如果玻璃的介电常数是3.2，请计算，请计算该光子在玻璃中的线性吸收系数。该光子在玻璃中的线性吸收系数。例题例题4：太阳眼镜镜片材料中多含有：太阳眼镜镜片材料中多含有Ag，在强光下，在强光下呈暗色，在黑暗处则变成透明，请解释其光学功能呈暗色，在黑暗处则变成透明，请解释其光学功能光学器件中的滤光板的作用也是利用选择性吸收或选择光学器件中的滤光板的作用也是利用选择性吸收或选择性通过。性通过。比如要得到比如要得到Ni的的K峰（峰（1.5A1.5

26、A），屏蔽），屏蔽K峰峰(1.66A)(1.66A)，则需要，则需要选择吸收边缘介于两者之间的材料，常用选择吸收边缘介于两者之间的材料，常用CoCo来做过滤材料，来做过滤材料，其吸收边缘为其吸收边缘为1.608A1.608A。中国计量学院33无序、随机发射无序、随机发射无序、随机发射无序、随机发射激光器激光器单色性；单色性；相干性；相干性；相干光，频率、相位、运相干光，频率、相位、运相干光，频率、相位、运相干光，频率、相位、运动方向以及偏振状态都与动方向以及偏振状态都与动方向以及偏振状态都与动方向以及偏振状态都与入射光子相同入射光子相同入射光子相同入射光子相同三、光的激发三、光的激发 材料吸收

27、外界能量后，使电子（或空穴）处于激发态，材料吸收外界能量后，使电子（或空穴）处于激发态，但其最终必定会回落到较低能态，并伴随光子的发射或热但其最终必定会回落到较低能态，并伴随光子的发射或热能量释放。能量释放。中国计量学院34产生激光的必要条件：受激辐射的几率大于吸收几率产生激光的必要条件：受激辐射的几率大于吸收几率 反转分布反转分布 激光基本原理激光基本原理 在一定物质中具有特殊的亚稳态能级，可使原子在高能级在一定物质中具有特殊的亚稳态能级，可使原子在高能级上驻留较长时间而不发生自发跃迁。上驻留较长时间而不发生自发跃迁。如掺如掺Cr的的Al2O3红宝石，存在三种能级，基态红宝石，存在三种能级，

28、基态（E1），激发态（），激发态（E3），亚稳态（），亚稳态（E2）。）。入射受激，入射受激，E1E3，很快回落，很快回落,由于由于Cr离子在离子在E2能级具能级具有较长的寿命，因此大部分受激离子有较长的寿命，因此大部分受激离子E3E2，逐渐在，逐渐在E2和和E1之间形成反转态。此时若有一个满足（之间形成反转态。此时若有一个满足（E2-E1）的光）的光信号射入，将诱发信号射入，将诱发E2E1，发射出另一个同频率的光子。，发射出另一个同频率的光子。通过谐振腔放大，形成连锁反应，形成激光。通过谐振腔放大，形成连锁反应，形成激光。中国计量学院35紅宝石激光器示意图紅宝石激光器示意图 2）激光介質）激

29、光介質1）激励源）激励源 气体放电气体放电电激励电激励 脉冲光源脉冲光源光激励；光激励；热激励、化学激励等热激励、化学激励等 存在亚稳态能级存在亚稳态能级3）谐振腔）谐振腔 有了合适的工作物质和激励源后，可实现粒子数反转，但这样产生的受激辐射强度很弱，有了合适的工作物质和激励源后，可实现粒子数反转，但这样产生的受激辐射强度很弱，无法实际应用，需要采用光学谐振腔进行放大。无法实际应用，需要采用光学谐振腔进行放大。光学谐振腔是在激光器两端，面对面装上两块反射率很高的镜。一块几乎全反射，一块光学谐振腔是在激光器两端，面对面装上两块反射率很高的镜。一块几乎全反射，一块光大部分反射、少量透射出去，以使激

30、光可透过这块镜子而射出。被反射回到工作介质的光大部分反射、少量透射出去，以使激光可透过这块镜子而射出。被反射回到工作介质的光，继续诱发新的受激辐射，因此，光在谐振腔中来回振荡，造成连锁反应，雪崩似的获光，继续诱发新的受激辐射，因此，光在谐振腔中来回振荡，造成连锁反应，雪崩似的获得放大，产生强烈的激光，从部分反射镜子一端输出。得放大，产生强烈的激光，从部分反射镜子一端输出。激光器构造激光器构造 灯管灯管寿命（h）发光效率机理白炽灯100010%钨丝发热发光日光灯5000？荧光粉发光卤素节能灯8000白炽灯的5倍荧光粉发光稀土三基色荧光粉LED灯1万白炽灯的10倍，节能灯的23倍二极管发光光电材料：光电材料：自动门；自动门；太阳能电池太阳能电池中国计量学院38本节重点本节重点一、光传播的电磁辐射一、光传播的电磁辐射一、光传播的电磁辐射一、光传播的电磁辐射二、光与固体的交互作用二、光与固体的交互作用二、光与固体的交互作用二、光与固体的交互作用三、受激发射和光放大三、受激发射和光放大三、受激发射和光放大三、受激发射和光放大（吸收、反射、折射、透射）（吸收、反射、折射、透射）电子极化；电子极化；电子跃迁电子跃迁