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文檔簡介
材料學基礎第七章現(xiàn)代功能材料與信息材料Functional&CommunicationalMaterial問題一:現(xiàn)代功能材料有哪些基本類型?問題二:現(xiàn)代信息材料包括哪些?材料學基礎§7.1磁性材料MagnetismMaterials問題一:為什么有的磁性材料天生就有磁性?問題二:為什么有的磁性材料必須通電以后才有磁性?材料學基礎軟磁材料磁性材料磁記錄材料硬磁材料一、軟磁材料指在磁場中被磁化后能夠顯示磁性,磁場撤除之后磁性基本消失的一類鐵磁物質(zhì)。通常軟磁材料的矯頑力Hc<0.8kA/m材料學基礎1.軟磁材料性能的基本要求貯能高要求單位體積中貯存的磁能量要高,一般要求材料具有高的飽和磁感應強度Bs或剩余磁感應強度Br。靈敏度高要求在很小的磁場強度下能獲得較高的起始磁導率i和最大磁導率m。這一要求對用于信息傳輸?shù)脑呛苤匾?,因為它們一般在弱磁場下工作。效率高要求矯頑力Hc值低,電阻率高。較低的Hc和較高的有利于降低磁滯損耗和渦流損耗,其結果顯著降低了反復磁化的損耗。回線矩形比高以保證噪音小,信號不失真等。穩(wěn)定性好要求磁性不隨外界條件的變化而改變,其變化率越小則穩(wěn)定性越好。
BrO-HcHc-BrBH圖3.1軟磁材料的磁滯回線Bs-Bs材料學基礎2.軟磁材料的種類電工用純鐵含碳量wc<0.04%的鐵碳合金,純度在99.5%以上。(1)磁性能i=300~5000,m=6000~120000,Hc=0.0398~0.0955kA/m。(2)電性能電阻率很低:10×10-8·m,鐵損很大。(3)力學性能強度、硬度很低,塑性好:
b=27kg/mm2,HB=131
=25%,=60%
主要應用:直流磁場下工作的磁性元件,如電磁鐵和繼電器的鐵芯。小提示:鐵損是指鐵磁材料在交變磁場中反復磁化所消耗的功率。材料學基礎電工用硅鋼片在純鐵中加入1.04.0%Si的鐵碳硅合金。因Si的加入,提高了電阻率,從而減少渦流損耗。
主要應用:電動機、發(fā)電機、變壓器的鐵芯。熱軋非織構(無取向)硅鋼片電工用硅鋼片冷軋非織構(無取向)硅鋼片冷軋高斯織構(單取向)硅鋼片冷軋立方織構(雙取向)硅鋼片材料學基礎鐵鎳合金(坡莫合金,Permalloy)含Ni3090%的鐵鎳合金。特點:在弱磁場中具有良好的磁性能
鐵鋁合金
特點:電阻率高、硬度高、耐磨性好等。材料學基礎二、硬磁材料(永磁材料、恒磁材料)指在磁場中被磁化后能夠顯示磁性,磁場撤除之后仍然保持較強磁性的一類鐵磁物質(zhì)。性能的基本要求最大磁能積大
以在給定的空間產(chǎn)生足夠大的磁場H。H主要取決于(BH)m
。
決定(BH)m大小的兩個因素:Hc和Br:
Hc和Br越大,(BH)m則越大。退磁曲線的形狀:即退磁曲線的凸起越厲害,(BH)m則越大。磁穩(wěn)定性好
要求磁鐵產(chǎn)生的磁場不隨時間、應力、溫度、振動、輻射及電磁場的變化而變化,或變化很小。
HBBr-HcO硬磁材料的退磁曲線材料學基礎1.硬磁材料的種類鋁鎳鈷永磁合金主要成份:Fe、Ni、Al;添加元素:Co、Cu、Ti磁性能特點:
(BH)m
=40~70kj/m3,Br=0.7~1.35T,Hc=40~60kA/m。
典型牌號:AlNiCo5
主要應用:電機器件(如發(fā)電機、電動機、繼電器等)電子器件(如揚聲器、電話機等)硬磁鐵氧體一般形式:MO?6Fe2O3
磁性能特點:
Bs較低,Hc高,Tc低(對溫度敏感)。主要應用:取代鋁鎳鈷永磁合金制造電機器件(如發(fā)電機、電動機、繼電器等)和電子器件(如揚聲器、電話機等)材料學基礎稀土永磁材料主要成份:稀土元素與Fe、Co、Cu、Zn或B、C、N組成的金屬化合物。
磁性能特點:
極高的(BH)m
和Hc。第一代:RCo5型:金屬化合物的組成為1:5
如:SmCo5,(Sm,Pr)Co5等第二代:R2Co17型:金屬化合物的組成為2:17
如:Sm2Co17,Sm2(Co,Cu,Fe,Zr)17等第三代:Nd-Fe-B系
硬磁相:
Nd2Fe14B
不含Sm、Co等貴重元素,價格便宜。但Tc低,耐蝕性差。第四代:R-Fe-N系、R-Fe-C系主要應用:電機、電聲器件。材料學基礎可加工的永磁合金特點:合金在淬火態(tài)具有良好的塑性變形能力,可加工成各種片材、棒材、絲材、管材等。1、-鐵基合金主要有:Fe-Co-Mo系、Fe-Co-W系、Fe-Co-W-Mo系一般用于電話機上。2、Fe-Mn-Ti系和Fe-Co-V系
可切削、彎曲、沖壓成形。一般用來制造指南針、儀表零件等。3、Cu基合金主要有:Cu-Ni-Fe系、Cu-Ni-Co系
一般用于轉(zhuǎn)速表指示器磁滯圓盤。4、Fe-Co-Cr永磁合金主要成份:27~28%Cr、23~26%Co等。
磁性能與AlNiCo5相當。主要用于制造電話器、轉(zhuǎn)速表、揚聲器、陀螺儀等。材料學基礎三、磁記錄材料磁記錄材料磁頭材料磁記錄介質(zhì)材料材料學基礎§7.2導電材料ElectricMaterials導電材料是指那些具有導電特性的物質(zhì),它包括電阻材料、電熱與電光材料、導電與超導材料、半導體材料、介電材料、粒子導體和導電高分子材料等。材料學基礎一、導電及電阻材料
1.導電材料所謂導電材料,是指用以傳送電流而只有很小電能損失的材料,它包括電力工業(yè)用的電線、電纜等強電用的導電引線材料和電子工業(yè)中傳送弱電流的導體布線材料等。
2.電阻材料電阻材料是用來制作電子儀器、測量儀表、加熱設備以及其它工業(yè)裝置中電阻元件的一種基礎材料,包括制作發(fā)熱體的電熱材料、繞制標準電阻器的精密電阻材料以及制作力敏、熱敏傳感器用的應變電阻材料和熱敏電阻材料等。材料學基礎二、半導體材料半導體材料的發(fā)展與器件緊密相關。
1.二極管發(fā)光二極管(LED)電子電流復合區(qū)光子當電流沿圖示方向通過時,在pn結的附近,多余的載流子進行復合并發(fā)光:p+n→光子。發(fā)光二極管的顏色取決于所用的材料,若是GaAs,則發(fā)紅光,若是GaP,則發(fā)綠光,與能級有關。材料學基礎整流二極管
由于pn結的單向?qū)щ娦?,可以選擇能隙較大的半導體二極管作為整流管,利用半導體二極管的單向?qū)щ娦?,將交流電變?yōu)橹绷麟姟?/p>
這種整流二極管可作為避雷裝置,當日常使用時,電流小,二極管處于絕緣狀態(tài),在有雷電轟擊時,由于其電壓很高,可以擊穿反向絕緣能隙,電流可以通到地上,起到避雷作用。材料學基礎2.三極管三極管的放大原理三極管特點:a)基區(qū)很薄,遠小于發(fā)射區(qū)和集電區(qū);b)基區(qū)摻雜濃度遠小于發(fā)射區(qū)和集電區(qū)。多余的空穴多余的電子nnp材料學基礎輸出輸入發(fā)射區(qū)基區(qū)集電區(qū)EbEcnnp負載電阻npn發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)外部負載IexEcEb輸入發(fā)射極電流IeIe
=Ipe+IneIpe是基區(qū)注入發(fā)射區(qū)的空穴電流,Ine是發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的電流;所以兩者跟摻雜濃度和輸入電壓有關,是確定的。Ine=Irb
+IcIrb是基區(qū)中的復合電流;Ic是集電極電流Ie
=Ipe+Irb
+IcIb
=Ipe+IrbIb是基極電流由于基區(qū)很薄,所以Irb復合電流很小,即Ie≈Ic。
IcIbIe材料學基礎3.半導體陶瓷半導體陶瓷種類很多,主要用作各種傳感器。
PTC半導體陶瓷:
PTC熱敏半導體,是指一類具有正溫度系數(shù)的半導體陶瓷材料。以BaTiO3半導體陶瓷材料最具代表性,也是當前研究得最成熟,適用范圍最寬的PTC半導體陶瓷材料。
107106105104103102101電阻率(Ω·cm)0
100200
溫度(℃)PTC陶瓷的電阻率隨溫度的變化關系aTc材料學基礎氧化物半導體氣敏陶瓷以SnO2和ZnSnO3為代表,其氣敏機理是:氧化性或還原性氣體吸附在氧化物陶瓷上時,會引起導電性能變化,通過測量這些變化,就可知道氣體的類型和濃度。
光敏陶瓷
光敏陶瓷也稱為光敏電阻,屬半導體型陶瓷。當光照到這種陶瓷材料上時,在光子能量的作用下,材料的電導增加,即出現(xiàn)光電導效應??捎脕碇圃旃怆姵兀卜Q為太陽能電池。光敏電阻一般用CdS、CdSe等原料制造。材料學基礎壓電陶瓷
1880年,P.居里和J.居里兄弟發(fā)現(xiàn),當對α石英晶體在某些特定的方向上加力時,在力方向的垂直平面上出現(xiàn)正、負束縛電荷,這種現(xiàn)象稱為壓電效應。
+-+-常用的壓電材料有壓電晶體和壓電陶瓷兩種。壓電晶體主要有石英晶體、酒石酸鉀鈉等晶體材料。壓電陶瓷主要是鈦酸鋇和鈦酸鉛等。目前,壓電材料主要用作點火器、水聲能換器等。材料學基礎§7.3激光材料LaserMaterial激光器的三個基本組成部分材料學基礎a)YAG:Nd(Y3Al5O12)b)KTP(KTiOPO4)c)CLBO(CsLiB6O12)一些激光晶體材料學基礎紅寶石激光器的基本構造能量E0E3E2E1非輻射躍遷受激輻射躍遷694.3nm紅寶石中鉻離子能級示意圖材料學基礎+++++-----反射鏡面(晶體劈開面)激光束激光束電極空穴流電子流活性區(qū)p區(qū)n區(qū)半導體激光器的基本結構熱池金屬激光束正向偏壓SiO2P摻雜GaAsP摻雜GaAlAsAlAsN摻雜GaAlAsN摻雜GaAs異質(zhì)結半導體激光器金屬材料學基礎§7.4現(xiàn)代信息材料CommunicationalMaterial材料學基礎一、光纖材料
光纖材料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十微米,結構為由內(nèi)層材料(芯料)和包層材料組成的復合結構。再在最外面加一層塑料套管防磨損。
纖芯(高石英玻璃)包層(有損耗石英玻璃)a)二次被覆層(尼龍)緩沖層(硅樹脂)一次被覆層(變性硅)光纖b)光纖橫截面結構示意圖a)光纖b)三層結構芯線材料學基礎
1
c
2n1n2n1>n2光的全反射原理n1n2折射率n1>n2光在光學纖維中的傳輸路徑材料學基礎包層包層包層包層包層包層纖芯纖芯ABCABCA折射率分布折射率分布折射率分布a)n2n1n2n1n2n1b)c)光纖的種類和光的傳播a)階躍型多模光纖(SI光纖)b)梯度型多模光纖(GI光纖)c)單模光纖(SM光纖)材料學基礎四、信息顯示材料
信息顯示材料是把人們看不到的電學信息轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姷墓鈱W信號的一種光功能材料。信息顯示可分為主動顯示和被動顯示兩種,在主動顯示中,像元本身就是光源,可以發(fā)射反映信號特點的光,這種顯示方式白天黑夜都能使用;在被動顯示中像元只能靠環(huán)境光的照射而顯示出來,這種顯示方式只能在白天或有照明的地方使用。
信息顯示材料主要有兩類:一是主動顯示用的發(fā)光材料,如陰極射線發(fā)光材料和場致發(fā)光材料等;二是被動式顯示用的材料,如液晶、電著色材料和電泳材料等。材料學基礎1.主動式顯示發(fā)光材料這類材料主要有陰極射線發(fā)光材料和場致發(fā)光材料兩種。陰極射線發(fā)光材料目前,最常用的陰極射線發(fā)光材料是CRT熒光材料,它一般是在合適的基質(zhì)材料中有
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