第9章-新型金属材料[130页]课件.ppt
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- 130页 新型 金属材料 130 课件
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1、第第9章章 新型金属材料新型金属材料9.1 磁性材料磁性材料9.2 电阻合金电阻合金9.3 形状记忆材料形状记忆材料9.4 其他功能材料其他功能材料一、绪论一、绪论二、软磁材料二、软磁材料三、硬磁材料三、硬磁材料四、磁记录材料四、磁记录材料五、磁性纳米材料五、磁性纳米材料9.1 磁性材料磁性材料Magnetic Materials 绪论绪论1.1.磁性材料磁性材料指那些主要利用材料的磁性能和磁效应来实现对能量和信息的转换、传递、调制、存储和检测等功能作用的材料。它们广泛地应用于机械、电子、电力、通信和仪器仪表等领域,在国民经济发展中起着十分重要等作用2.2.磁性材料的分类磁性材料的分类 磁性材
2、料有多种分类方法,且品种繁多。矫矫顽顽力力大大小小功能软磁材料硬(永)磁材料硬(永)磁材料 磁致伸缩材料磁致伸缩材料磁电阻材料磁电阻材料磁光材料磁光材料磁记录材料磁记录材料磁流体等等磁流体等等9.1.19.1.1软磁材料软磁材料n定义软磁材料是强磁性的铁磁性或亚铁磁性物质,具有高的磁导率和低的矫顽力(一般矫顽力Hc100A/m。Br值要求也要大一些,一般不得小于0.1T。此外对温度、时间、振动和其它干扰的稳定性也要好。9.1.29.1.2硬磁材料硬磁材料n硬磁性材料也可分为金属硬磁材料和硬磁铁氧体的两大类。金属硬磁材料包括铝镍钴、稀土钴以及稀土铁类合金。硬磁材料的分类与发展硬磁材料的分类与发展
3、图9.2永磁材料的发展 较早的一种硬磁铁氧体是由CoFeO4与Fe3O4粉末烧结并经磁场热处理而成。虽然出现很早,但由于性能差,且制造成本高,应用不广。到20世纪50年代,钡铁氧体(BaFe12O19)出现,才使硬磁铁氧体的应用领域得到了扩展。钡铁氧休是用BaCO3相Fe3O4合成的,工艺简单,成本低;后来用Sr代Ba得到锶铁氧体,其(BH)m值提高很多。由于铁氧体磁性材料是以陶瓷技术生产,所以常称为陶瓷磁体。可用MO6Fe2O3硬磁铁氧体,M为Ba或Sr,具有六方晶体结构,其磁晶各向异性常数高(K1=0.3MJ/m3),矫顽力高(可达300kA/m),但饱和磁化强度低(MS=0.47T)。如
4、Ba铁氧体(BaO6Fe2O3)的典型磁性能:Br=0.44T,Hc=170kA/m,(BH)m=38kJ/m3;而Sr铁氧体的典型磁性能如下:Br=0.41T,Hc=260kA/m,(BH)m=35kJ/m3。硬磁铁氧体硬磁铁氧体 铝镍钴合金铝镍钴合金n 铝镍钴合金具有较高的(BH)m(=880kJ/m3),高的剩磁(Br=0.71.35T),适中的矫顽力(Hc=40160kA/m),其成分除了Al、Ni、Co和Fe外,还要添加少量增强磁性的成分,如Cu、Ti、Nb等。n分类根据生产工艺不同铝镍钴磁体可分为烧结铝镍钴和铸造铝镍钴。铸造工艺可以加工生产成不同的尺寸和形状。n二者优缺点与铸造工艺
5、相比,烧结产品局限于小的尺寸,其生产出来的毛坯尺寸公差比铸造产品毛坯要好,磁性能要略低于铸造产品,但可加工性要好。需要注意的是,在永磁材料中铸造铝镍钴永磁有着最低可逆温度系数,且工作温度可高达600摄氏度以上。烧结铝镍钴磁能积较小,842 kJ/m3,如牌号为FLNGT42的磁体(L、N、G、T分别代表铝镍钴钛):Br=0.88T,Hc=120kA/m,(BH)m=42kJ/m3。铸造铝镍钴可分为各向同性和各向异性磁体,后者具有更高的磁性能。AlNiCo14(美国标准,数字代表磁能积级别)型是各向同性的,而AlNiCo5及以上各型号是各向异性的硬磁材料。由于适中的价格和实用的(BH)m,使Al
6、NiCo5型成为该合金系中使用最广泛的合金。铝镍钴部分型号的磁性能对比牌号牌号美国标准美国标准(BH)mHcbkA/mBrT温度系数温度系数%/K居里温度居里温度/工工作温度(作温度()kJ/m3MGOeLNG12Alnico212.41.55450.72-0.03810/450LNG1313.01.60480.7LNG40Alnico540.05.0481.22-0.02860/525LNG4444.05.5521.22LNGT28Alnico628.03.50581.0-0.025860/550LNGT6060.07.501100.9-0.025860/550LNGT72Alnico972
7、.09.001121.05-0.025860/550表表9.3 铸造铝镍钴的磁性能铸造铝镍钴的磁性能AlNiCo硬磁合金结构机理AlNiCo硬磁合金是在金属间化合物Fe2AlNi合金的基础上,通过添加Co和其它少量元素,并通过改进工艺发展而来的。在铁镍铝合金中,主要有四个相,按温度从高到低大致可分为:、1和2相。1为富铁、钴的强磁性相,具有面心立方结构,2是富镍、铝,为弱磁性或非磁性相,相是以Ni为基的面心立方结构的弱磁性相。钴的加入基本不改变铁镍铝合金中的相结构,但会使高温相转变为12相的分解温度下降,且相区和相区向低温扩展,并提高合金居里温度。合金相图如图9.3所示,其是Fe和Ni元素的变
8、量,Al和Co的含量是确定的,分别是8和24。图9.3 8Ai24Co-Ni-Fe相图示意图n稀土永磁材料是稀土元素(以下用R表示)与过渡族金属Fe、Co、Cu、Zr等或非金属元素B、C、N等组成的金属间化合物。稀土永磁合金稀土永磁合金图9.4稀土永磁发展自20世纪60年代开始至今,稀土永磁材料的研究与开发经历了四个阶段。稀土永磁的发展见图9.4。四个阶段四个阶段第一代稀土永磁60年代开发的RCo5型合金(1:5)型。如SmCo5,(SmPr)Co5等 第二代稀土永磁合金为R2TM17型(2:17型,TM代表过渡族金属)。第三代为Nd-Fe-B合金,于1983年研制成功,磁性能高,不含有贵重元
9、素Co,而且Fe占重量的绝大多数,因此成本优势明显。目前国内外正在进行第四代稀土永磁材料的研究与开发,主要是R-Fe-C系与R-Fe-N系9.1.3 磁记录材料磁性材料在信息存储领域内的作用越来越重要,例如磁带、硬盘等都是靠磁性材料来记录信息。磁记录材料的记录密度以10年增加10倍的速度发展,如2002年时个人计算机硬盘容量以80GB为主,而2011年时硬盘容量则达5001000GB。磁记录按照原理可分为电磁记录和磁光记录,而本节所介绍的磁记录均以电磁感应为记录原理。n原理磁记录的基本原理就是将电信号转换为磁信号,即利用电磁感应原理将介质磁化,退去外磁场后介质中仍保留较强剩磁,即储存信息;读出
10、介质中所存信息则是一个相反的过程。按照磁化方式的不同可分为水平记录和垂直记录。其示意图如图9.5所示。图9.5(a)水平记录和(b)垂直记录示意图以水平记录过程为例简要说明其工作原理。来自麦克风、摄像机的电信号或者微机的数据,通过电子线路调制处理后,再通过记录磁头的绕组,在磁头的铁芯内产生磁通,此磁通经过铁芯缝隙形成闭合回路;当磁记录介质紧贴磁头的表面匀速通过时,就会被磁头缝隙处的磁场所磁化。当它离开磁头时,仍保留一定的剩余磁化强度。由于磁头缝隙处的磁场是随记录电流的方向和振幅的大小而变的,所以磁记录介质中的剩余磁化强度的变化记录了信号随时间的变化 磁头材料电磁感应型磁头应用的高密度软磁材料,
11、记录时为了能使记录介质全厚度达到完全饱和磁化,要求使用高饱和磁通密度的材料;而且,再生时为了能高灵敏度地检出记录介质较弱的磁场,要求使用高磁导率材料。对磁头材料有以下具体要求:na)最大磁导率m和饱和磁化强度BS要高,以实现对输入信号灵敏度高,输出信号大。nb)矫顽力Hc和剩余磁化强度Br要低,以减少磁头的磁损耗和剩磁,降低剩磁引起的噪声与非线性,提高效率。nc)电阻率要高,以降低涡流损耗,改善高频记录的频率响应特性。nd)起始磁导率i要高,以提高重放磁头的灵敏度。ne)磁导率的截止频率fr要高,以利于高频高速记录,提高使用频率上限。nf)耐磨损、抗剥落、机械加工性好,以提高使用寿命。磁头材料
12、的分类磁头材料又分为铁氧体、坡莫合金、仙台斯特合金(Fe-Si-Al)、非晶态材料、微晶薄膜材料、多层膜磁头材料等。坡莫合金、铁铝合金、铁硅铝合金和非晶态钴基合金,它们的优点是m和BS值高,Hc低。缺点是值和硬度值低,使用寿命不如铁氧体。在坡莫合金中加入少量的铌(3%-8%)、钛、铝等可提高其硬度和电阻率,并获得较高的磁导率。例如加铌的79Ni-2Mo-7Nb-0.5A1-Fe合金(即硬坡莫合金)性能为:初始磁导率i=50mH/M,最大磁导率m=225 mH/M,Hc为0.8A/m,BS为0.5T,硬度为270,电阻率提高到88m。铁硅铝合金和非晶态钴基软磁合金的电阻率和硬度优于坡莫合金,但铁
13、硅铝加工性能很差,限制了应用。机械硬盘用磁头 现在大家的日常生活和工作学习已离不开个人电脑,而在个人电脑中必不可少的部件之一就是硬盘,用来储存信息和读取信息。硬盘中最为精密和贵重的部件之一就是磁头。通常硬盘可分为固态硬盘和机械硬盘,前者采用闪存颗粒来存储,后者采用磁性碟片来存储,个人电脑中绝大多数是机械硬盘,其内部实物图和示意图见图9.6。图9.6机械式硬盘内部结构实物及示意图硬盘工作的基本原理利用磁头将信息写入内部的碟片(为磁记录介质)中,同时也可将碟片中储存信息读出。碟片正反两面都可储存信息,为了增加硬盘容量可放入多张碟片,同时为提高读写速度,可在同一碟片上增加多个磁头。最初磁头是电磁感应
14、式的,磁感应敏感度较低,单碟容量小。且是读写功能一起的,这对磁头的制造工艺、技术都要求很高,而对于个人电脑来说,在于硬盘交换数据的过程中,读取数据远远快于写入数据,读写操作二者的特性也完全不同,因此目前所用的磁头均为读写分立,二者分别工作、互不干扰。磁记录介质材料磁记录介质材料磁记录介质材料是涂敷在磁带、磁盘和磁鼓上面用于记录和存储信息的磁性材料、要使记录和存储的信息稳定可靠,要求记录介质为矩形性好的永磁材料,并有如下磁性能要求:na)矫顽力Hc要适当高(20150kA/m),以便有效地存储信息,抵抗环境干扰,减少剩磁状态的自退磁效应,提高记录密度;但又不能太高,否则不利于磁头的写入。nb)磁
15、滞回线矩形比高,即Br/BS要高。磁滞回线陡直近于矩形,以减少自退磁效应,使介质中保留较高的剩磁,提高记录信息的密度和分辨力,从而提高信号的记录效率。nc)饱和磁化强度BS和剩磁Br要高,以获得高的输出信号,提高系统的信噪比,提高单位体积的磁能积及各向异性导致的矫顽力。nd)温度稳定性好,老化效应小,以保证在宽的温度范围内长期下稳定存储。ne)厚度要适当。磁记录介质的厚度越大,退磁越严重,记录密度降低,并且越不容易得到均匀化,易引起读出过程的峰值位移,降低读出信号幅度,造成读出误差。而要提高记录密度则需要减小厚度,但这又会使读出信号下降且涂覆工艺也很难做到均匀化。nf)用于垂直记录的介质,其垂
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