纳米功能材料董兴龙纳米功能材料

纳米功能材料董兴龙纳米功能材料纳米功能材料董兴龙纳米功能材料 纳米功能材料 思考题第一章 概论1 第一章 概论1 纳米材料定义及分类 定义利用物质在小到原子或分子尺度以后 由于尺寸效应 表面效 应或量子效应所出现的奇异现象而发展出来的新材料 分类纳米粒子 零维纳米结构 纳米线 纳米棒 一维纳米结构 薄膜 二维纳米结构 纳米复合材料和纳米晶材料 三维纳 米结构 2 功能材料定义及分类 定义是指通过光 电 磁 热 化学 生化等作用后具有特定功能 的材料 分类常见的分类方法 1 按材料的化学键分类金属材料 无机非金属材料 有机材料 复合材料 2 按材料物理性质分类磁性材料 电学材料 光学材料 声学材 料 力学材料 其他分类方法 3 按结晶状态分类单晶材料 多晶材料 非晶态材料 4 按服役的领域分类信息材料 航空航天材料 能源材料 生物 医用材料等 3 按照产物类型 纳米材料如何划分类别 按照产物类型进行划分 1 纳米粒子 零维 通过胶质处理 火焰燃烧和相分离技术合成 2 纳米棒或纳米线 一维 通过模板辅助电沉积 溶液 液相 固相生长技术 和自发各向异性生长的方式合成 3 薄膜 二维 通过分子束外延和原子层沉积技术合成 4 纳米结构块体材料 三维 例如自组织纳米颗粒形成光带隙晶 体4 纳米结构和材料的生长介质类型 1 气相生长 包括激光反应分解合成纳米粒子 原子层沉积形成 薄膜等 2 液相生长 包括胶质处理形成纳米粒子 自组织形成单分散层 等 3 固相生成 包括相分离形成玻璃基体中的金属颗粒 双光子诱 导聚合化形成三维光子晶体等 4 混合生长 包括纳米线的气 液 固生长等 5 按照生长介质划分 1 气相生长 包括激光反应分解合成纳米粒子 原子层沉积形成 薄膜等 2 液相生长 包括胶质处理形成纳米粒子 自组织形成单分散层 等 3 固相生成 包括相分离形成玻璃基体中的金属颗粒 双光子诱 导聚合化形成三维光子晶体等 4 混合生长 包括纳米线的气 液 固生长等6 纳米技术的定义 定义由于纳米尺寸 导致的材料及其 体系的结构与组成表现出奇特而明显改变的物理 化学和生物性能 以及由此产生的新现象和新工艺 7 制备纳米结构和材料的2大途径是什么 各自的特点或有缺点 两 大途径自下而上 自上而下 8 什么是描述小尺寸化的 摩尔定律 当价格不变时 集成电路 上可容纳的元器件的数目 约每隔18 24个月便会增加一倍 性能也将提升一倍 9 根据自己的理解 说明促进纳米材料相关科学与技术发展的意义 新世纪高科技的迅速发展对高性能材料的要求越来越迫切 而纳米材 料的合成为发展高性能的新材料和对现有材料性能的改善提供了一 个新的途径 纳米科技是一门新兴的尖端科学技术 它将是21世纪最先进 最重要的科学技术之一 它的迅速发展有可能 迅速改变物质产品的生产方式 引发一场新的产业革命 导致社会发 生巨大变革 正如像自来水 电 抗生素和微电子的发明带来的变革一样 对人类 认识世界和改造世界将会发挥不可估量的作用 10 说明表面能随粒子尺寸变化的规律 带来的性能变化主要体现在 哪些方面 表面能 产生单位新表面时所需要的能量 也称为表面 自由能 表面张力 P TniAG 可见粒子尺寸越小 其比表面积越大 即表 面能越大 如面心立方结构的表面能 2111211022100322544221aaa a 亦可证实表面能随粒子尺寸的减小而增 大 表面能高的物质其性能变化稳定性小 活性高 熔点低 空气中易 燃烧 吸附能力强 催化性好 化学活性高11 降低表面能的途径和 方法是什么 说明其中的原理 降低表面能的途径 1 表面驰豫 表面原子或离子向体内偏移 这种过程在液相中很 容易发生 而固态表面由于其刚性结构 难度有所提高 2 表面重构 通过结合表面悬挂键形成新的化学键 3 表面吸附 通过物理或化学吸附外部物质到表面 形成化学键 或弱相互作用如静电或发范德瓦耳斯力 4 表面固态扩散 导致的成分偏析或杂质富集 减小表面能的方法 将单个纳米结构结合成大的结构以降低整个表 面积 1 烧结 是一种用固 固界面替代固 气界面的工艺 是通过将单个纳米结构无间隙地堆积一起并改变形 态的一种方法 2 Ostwald熟化 是2个单个纳米结构形成一个大的结构的过程 较大纳米结构的生长以牺牲小纳米结构为代价 直到后者完全消失 为止 12 说明Ostwald熟化机理 奥斯特瓦尔德熟化是大粒子吞噬小粒子 减小了固 气表面积 液态中 小粒子由于其大的曲率而具有高溶解度或蒸汽压 而大 粒子具有低溶解度或蒸汽压 为了保持局域浓度平衡 小粒子溶解到周围介质中 小粒子周围的 溶质进行扩散 大粒子周围的溶质将沉积 这一过程将持续到小粒子完全消失13 曲率与化学势 平衡蒸汽压 溶解度的关系是什么 Young Laplace方程 化学势与曲率关系 R 2Kevin方程 球形粒 子蒸汽压与曲率关系 kRT PPc 2 ln Gibbs Thompson关系式 溶解度与曲率关系 kTR RSSc1211 ln 14 材料研究的四要素及其相互关系 1 合成与加工建立原子 分子和分子团的新排列 在所有尺寸上 从原子尺寸到宏观尺寸 对结构的控制 以及高效而有竞争力地 制造材料和零件的演变过程 2 结构与成分制造每种特定材料所采取的合成和加工的结果 3 性质确定材料功能特性和效用的描述 4 使用性能材料固有性质同产品设计 工程能力和人类需求相融 合要一起的一个要素 结构成分使用性能性质合成结构成分使用性能性质合成加工第二章 纳米材料制备方法 1 第二章 纳米材料制备方法 1 零维纳米粒子的合成方法分类热力学平衡方法过饱和状态的产生 形核 后续生长动力学方法限制可用于生长的团簇数量 如分子束外延方法 在有限空间中局限形成过程 如气溶胶合成法或胶束合成法 2 纳米粒子的基本特征及要求 1 小尺寸的要求 2 全部粒子具有相同的大小 也称为均一尺寸或均匀的尺寸分布 3 相同的形状或形貌 4 不同粒子间和单个粒子内的相同的化学组成和晶体结构 5 单个粒子分散或单分散 无团聚 或有团聚但易于再分散 3 纳米粒子合成中的均匀 非均匀形核过程 以及两种过程的异同 均匀形核新相晶核是在母相中均匀地生成 即晶核由液相中的一 些原子团直接形成 不受杂质粒子或外表面的影响 非均匀形核新相优先在母相中存在的异质处形核 即依附于液相中 的杂质或外表面形核 相同点1 形核的驱动力和阻力相同 2 临界晶核半径相等 3 形 成临界晶核需要形核功 4 结构起伏和能量起伏是形核的基础 5 形核需要一个临界过冷度 6 形核率在达到极大值之前 随过冷 度增大而增加 不同点与均匀形核相比 非均匀形核的特点1 非均匀形核与固体杂 质接触 减少了表面自由能的增加 2 非均匀形核的晶核体积小 形核功小 形核所需结构起伏和能量起伏就小 形核容易 临界过 冷度小 3 非均匀形核时晶核形状和体积由临界晶核半径和接触角 共同决定 临界晶核半径相同时 接触角越小 晶核体积越小 形 核越容易 4 非均匀形核的形核率随过冷度增大而增加 当超过极 大值后下降一段然后 4 晶核生长过程及机制 如何控制晶核的生长 晶核生长过程包括 1 生长物质的产生 2 向生长表面的物质扩散 3 生长物质吸附到生长表面 4 不可逆结合生长物质的表面生长 机制扩散在生长表面上提供生长物质的过程 包括生长物质的产生 扩散及吸附到生长表面 生长吸附到生长表面的生长物质 进入到固态结构中 对于均匀尺寸纳米粒子的形成 期望是扩散控制的生长 生长物质浓度保持很低的水平时 扩散距离将非常大 扩散可能 成为控制因素 增加溶液粘度的方法 控制生长物质的供应 当生 长物质是通过化学反应产生时 通过副产品浓度 反应物 催化剂 控制反应速率 动力学限制生长法动力学控制生长是空间限制生长 这种生长在有 限的源材料被消耗完或可用的空间被完全填充满时 生长就停止 5 针对金属 半导体及氧化物纳米粒子的不同特点 举例说明在制 备方法上的区别 或侧重点 金属 在稀释溶液中 还原金属 复合物是合成金属胶质分散体常用的方法 存在多种方法用于促进 和控制这种还原反应 单一尺寸金属纳米粒子的合成 通常是将低浓度溶质和聚合物单体 粘附于生长表面 低浓度和聚合物单体都能阻碍生长物质从周围溶液中扩散到生长表 面 因此扩散过程可能成为初始晶核后续生长的速率限制步骤 导 致均匀尺寸纳米粒子的形成 在合成金属纳米粒子时 确切地合成金属胶质分散体 各种类型的 原料 还原剂 其它化学物质和方法用于提高或控制还原反应 初 始形核和初始晶核的后续生长 半导体 氧化物 均匀形核 随后扩散控制生长都适用于氧化 物系统 实际的方法对不同氧化物体系明显不同 由于氧化物比半 导体和金属在热力学和化学稳定性上更稳定 其纳米粒子的反应和 生长比较难控制 溶胶凝胶法是氧化物纳米粒子最常用的方法 6 举例说明纳米材料溶胶 凝胶方法 是合成无机 有机 无机混合物胶体分散体的湿化学方法 特别适合于氧化物 氧化物 基混合物的制备 已制备粉末 纤维 薄膜 块状材料的胶体分散 体 合成胶体分散体的基本原则和一般方法相同 优势较低处理温 度 分子水平的均匀性 合成金属氧化物 温度敏感的有机 无机混合物 不符合热力学条件或亚稳材料尤其有用 溶胶 凝胶过程水解 前驱体的缩合有机溶剂或水溶剂可用于溶解前驱体 前驱体可以是金属醇盐 无机盐 有机盐 催化剂可促进水解和 缩合反应 7 举例说明纳米材料气相制备方法 气相制备方法纳米粒子通过气相反应的方式合成 物理气相法氢等离子蒸发法合成金属及合金纳米粒子 例直流电弧 等离 O HOH OEt M OM OH OEt OH OEtM OHOEt Mx x x x xxxx2141444 EtOH xOHOEtMOH xOEtMxx 424水解缩合子体蒸发法 真空 确保生长物质的低浓度 促进扩散控制生长 高温 促进蒸发 气化 化学反应 化学气相法氢气中燃烧四氯化硅产生高分散的二氧化硅纳米粒子 例原料 载体 蒸发 分解 金属纳米粉 8 什么是纳米粒子的动力学限制生长法 其特点及分类 动力学控 制生长是空间限制生长 这种生长在有限的源材料被消耗完或可用 的空间被完全填充满时 生长就停止 空间限制法可分为若干组 1 气相中的液滴 如喷雾合成和喷雾热分解 2 液体中的液滴 如微乳液的胶束合成 3 基于模板的合成 如聚合物模板作为阳离子交换树脂 4 自生长终止合成当有机组成部分或外来离子附着在生长表面并 所有全部可用位置时 生长就会停止 9 什么是一维纳米结构 其制备技术可以分为几类 通常指直径不 超过100nm 具有较大长 径比的纳米线 纳米管 纳米棒 纳米纤 维 纳米晶须等 制备技术大致可分为三 类1自发生长 自下而上制备路线 蒸发 溶解 冷凝 气体 溶液 液体 固体 VLS或SLS 生长 应力 诱导再结晶2基于模板合成法 自下而上制备路线 电镀和电泳沉积 胶体分散 溶化或溶液填充 化学反应转化3静电纺丝技术4光刻 自 上而下制备路线 10 简要说明一维纳米结构各向异性生长的几种机制 各向异性生长的若干机制简要说明一维纳米结构各向异性生长的几 种机制 各向异性生长的若干机制 在晶体中不同晶面有不同的生长速率 如 金刚石结构的Si 在 111 面上的生长速率小于 110 面的生长 特定晶向上缺陷的存在 如螺旋位错 在特定面上优先沉积或杂质引起中毒 11 简述蒸发 冷凝 VS 溶解 冷凝 LS 以及气 液 固 VLS 生长机制 简述蒸发 冷凝 VS 溶解 冷凝 LS 以及气 液 固 VLS 生长机制 蒸发 冷凝 VS 生长机制蒸发 冷凝过程也称为气体 固体 VS 过程 1 扩散 2 吸附 3 表现扩散 4 冷凝 5 脱附 6 副产物 扩散 溶解 冷凝 LS 生长机制溶解 冷凝不同于蒸发 冷凝 在此过程中 生长物质首先溶解在溶剂或溶液中 再从溶剂 或溶液中扩散到表面 形成纳米棒或纳米线 气 液 固 VLS 生长机制指控制引入杂质或催化剂第二相材料 在特定方 向和限定区域内引导和控制晶体的生长 在晶体生长过程中 催化剂通过自身或与生长材料合金化形成液滴 液相 来诱捕生长物 生长物 气相 在催化剂液滴表面富集 随后在生长表面沉淀导致 一维生长 固相 12 纳米线的自发生长和模板辅助生长有何区别 自发生长是一个 由Gibbs自由能或化学势的减小所驱动的过程 Gibbs自由能的减小 通常是由相变 化学反应 应力释放 再结晶 过饱和度减小等所 引起的 是一维纳米结构生长的驱动力 自发生长过程中 对于特定的材料和生长条件 生长表面的缺陷和 杂质对最终产物形貌起到非常重要的作用 模板辅助纳米线合成沉积方法电化学沉积 电泳沉积 模板填充 13 模板辅助纳米线生长中 电化学沉积和电泳沉积有何相同点和 不同点 电泳沉积与电化学沉积的相同点沉积材料或溶液必须润湿 模板的内部孔壁电泳沉积与电化学沉积的不同点1 电泳沉积法形成 的沉积物不需要导电 2 胶体分散系中的纳米粒子是典型的静电或 空间稳定机制 14 碳富勒烯的定义是什么 举例说明碳的几种低维纳米结构 碳富勒烯通常指由60个碳原子组成的对称的二十面体的分子 但也 包括大分子量的富勒烯C n n 60 如C 70 C 76 C 78 C 80 和更大的富勒烯 它们具有不同的几何结构 这些碳分子家族命名为富勒烯 零维碳纳米粒子 一维碳纳米线 二维石墨层状结构 15 碳纳米管的制备途径有几种 简要说明碳纳米管催化生长机制 及结构特点 碳纳米管的制备途径有几种 简要说明碳纳米管催化生长机制及结 构特点 制备途径碳纳米管可用电弧蒸发 激光烧蚀 热解 气相沉积 电 化学方法等方法来制备 碳纳米管的催化生长机理与纳米线 纳米棒的VLS生长机制类似 Baker和Harris提出了催化碳纤维增长的模型 即碳原子溶解到金属 液滴 然后扩散到生长表面并沉积下来 生长出碳纳米管 结构特点顶端生长PECVD 热解生长等 基底生长Fe催化CVD垂直生 长碳纳米管阵列 16 举例说明多孔材料的分类及特点 多孔固态材料可分为三类微孔 d700m 2 g 17 说明以胶束为模板制备有序介孔材料的具体途径 在胶束周围 无机前驱物经水解 缩合反应形成框架 18 18 简要说明溶胶 凝胶法制备无序介孔材料的2种方法 溶胶 凝胶法制备的介孔材料 分为两种类型干凝胶xerogel室温条件干燥 孔隙率约为50 孔径为几个nm气凝胶aerogel超临界干燥 孔隙 率75 99 孔径为几个nm干凝胶在溶胶 凝胶工艺中 前驱体分子进行水解 缩合反应形成纳米团簇 气凝胶气溶胶制备中 为了加强凝胶网络 湿凝胶需要老化一段时 间 在高压器中 温度和压力在溶剂的超临界点以上 此时溶剂将从凝 胶网络中去除 19 什么是嵌入式化合物 嵌入式化合物是一类特殊的材料 嵌入是指可移动的原子 分子或离子可逆地插入到宿主晶体点阵的 空位中 在嵌入与脱出过程中 宿主的晶体结构不发生变化 20 纳米复合材料 纳米晶材料的主要区别是什么 纳米复合材料 至少由两相组成 且其中一相弥散在另一相中形成三维网状结构纳 米晶材料一般是指单相多晶材料 21 气相 液相中制备薄膜的技术大体包括哪几种 薄膜生长方法 气相沉积蒸发 分子束外延生长 MBE 溅射 化学气相沉积 CV D 原子层沉积 ALD 液相生长电化学沉积法 化学溶液沉积 法 CSD Langmuir Blodgett薄膜 自组装薄单层膜 SAMs 22 薄膜生长的3个基本形核模式 与一维纳米结构的形核相比较 主要区别是什么 岛状模式生长物质间的结合力强于其与基板间的 结合力 层状模式生长物质间的结合力远小于其与基板间的结合力 岛 层状模式岛状生长和层状生长同时存在的一种生长方式 临界值含修正项4cos cos323 23 沉积温度和生长物质供应 多少 快慢 对薄膜生长有什么样 的影响 沉积温度 生长物质的碰撞速率是两个最重要的影响因素 单晶薄膜生长 晶格匹配的单晶基板 清洁的基板表面 以防止二次 形核 高的生长温度 以确保生长物质的足够迁移 低的生长物质碰 撞速率 以确保足够表面扩散所需时间 生长物质与晶体结合 下 一步生长之前的结构弛豫非晶薄膜生长 低的生长温度 生长物质没 有足够的表面迁移 生长物质大量涌入到表面 在较低能量下没有足 够时间找到生长位置多晶薄膜的生长条件 介于单晶和非晶薄膜条 件之间 24 什么是薄膜的外延生长 均相外延生长基板和薄膜是同一种材 料 无晶格失配 错配 主要用于制备高质量的薄膜 或者是在 生长的薄膜中引入掺杂剂 非均相外延生长薄膜和基板不是同一种材料 有晶格失配 错配 百度 顾名思义 外延就是 向外延伸 这是一种特殊的薄膜 生长 特质在单晶衬底上生长一层新的单晶 即在一定条件下 在 制备好的单晶衬底 硅晶圆片 上 沿其原来晶体的结晶轴方向 生长一层导电类型 电阻率 厚度等都符合要求的新单晶层 称为 外延层 25 物理气相沉积和化学气相沉积方法 各自的特点是什么 物理 气相沉积 PVD 生长物质从靶材中被转移 并沉积到基板上形成薄 膜的过程 不存在化学反应 化学气相沉积 CVD 挥发性化合物材料与其它气体进行化学反应 生成非挥发性固体 沉积于基板之上的过程 百度 PVD特点物理气相沉积技术工艺过程简单 对环境改善 无 污染 耗材少 成膜均匀致密 与基体的结合力强 该技术广泛应用于航空航天 电子 光学 机械 建筑 轻工 冶 金 材料等领域 可制备具有耐磨 耐腐饰 装饰 导电 绝缘 光导 压电 磁性 润滑 超导等特性的膜层 CVD特点1 在中温或高温下 通过气态的初始化合物之间的气相化学 反应而形成固体物质沉积在基体上 2 可以在常压或者真空条件下 负压 进行沉积 通常真空沉积膜层质量较好 3 采用等离子和激 光辅助技术可以显著地促进化学反应 使沉积可在较低的温度下进 行 4 涂层的化学成分可以随气相组成的改变而变化 从而获得梯 度沉积物或者得到混合镀层 5 可以控制涂层的密度和涂层纯度 6 绕镀件好 可在复杂形状的基体上以及颗粒材料上镀膜 适合涂覆各种复杂形状的工件 由于它的绕镀性能好 所以可涂覆带有槽 沟 孔 甚至是盲孔的 工件 7 沉积层通常具有柱状晶体结构 不耐弯曲 但可通过各种 技术对化学反应进行气相扰动 以改善其结构 8 可以通过各种反 应形成多种金属 合金 陶瓷和化合物涂层 26 简要说明原子层沉积 模板辅助纳米线生长 原子层沉积 ALD 是一种独特的薄膜生长方法 其最大特征是自限 制性生长 即每次只有一个原子或分子层可以生长 因此 它提供了真正纳米或亚微米范围内控制薄膜厚度和表面平滑 的最大可能性 模板辅助纳米线生长沉积方法电化学沉积 电泳沉积 模板填充 27 电化学沉积和电泳沉积有何相同点和不同点 同T13 电泳沉 积与电化学沉积的相同点沉积材料或溶液必须润湿模板的内部孔壁 电泳沉积与电化学沉积的不同点1 电泳沉积法形成的沉积物不需要 导电 2 胶体分散系中的纳米粒子是典型的静电或空间稳定机制 第三章纳米电功能材料1 第三章纳米电功能材料1 电接触复合材料 类型 性能要求 应用领域 类型 包括Ag基电接触材料 Cu基电接触材料 性能要求 具有 优良的导电性 小而稳定的接触电阻 高的化学稳定性 耐磨性和 抗电弧烧损能力 电接触元件必须在电阻率 接触电阻 密度 硬度 化学成分 抗 熔焊性 抗腐蚀性 可焊性等方面可靠地满足应用的要求 应用领域 在电气 电子领域 电接触材料主要用作电触点 导 电刷 集电环 换向片 整流片和接插件等 是电通断环节中重要 的功能性元件 采用电接触元件的电机 电气开关 继电器 接插件等作为基础件 在信息工程 家用电子电器 汽车工程等领域大量使用 2 导电复合材料定义 成型加工方法 举例说明其应用 定义 主要是指复合型导电高分子材料 是将聚合物与各种导电 物质通过一定的复合方式构成 成型加工方法 表面导电膜形成法导电填料分散法导电材料层积 复合法 举例说明其应用 复合性导电高分子材料的应用日趋广泛 在电子 电气 石油化工 机械 照相 军火工业等领域 用于 包装 保温 密封 集成电路材料等 3 压电复合材料定义 是由两种或多种材料复合而成的压电材料 常见的压电复合材料为压电陶瓷和聚合物 例如聚偏氟乙烯活环氧 树脂 的两相复合材料 4 正压电效应 逆压电效应 举例说明压电材料及其应用 某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时 其内部会产 生极化现象 同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷 当外力去掉后 它又会恢复到不带电的状态 这种现象称为正压电 效应 当作用力的方向改变时 电荷的极性也随之改变 相反 当在电介质的极化方向上施加电场 这些电介质也会发生变 形 电场去掉后 电介质的变形随之消失 这种现象称为逆压电效 应 应用可实现电 声换能 激振 滤波 在医疗 传感 测量等领域有广泛应用 压电材料应用领域分为两大类即振动能 超声振动能 电能换能器应用 包括电声换能器 水声换能器和超声换能器等 以及其它传感器和驱动器应用 如换能器 压电驱动器 压电式传感器等 5 超导材料定义 定义 具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零 以及排斥磁 力线的性质的材料 6 超导材料基本特征 特性一完全导电性超导材料基本特征 特性一完全导电性 零电阻 特性二完全抗磁性 处于超导状态的 金属 不管其经历如何 磁感应强度B始终为零 称为迈斯纳效应 特性三临界温度 T 临界磁场 H 临界电流 J CC 是约束超导现象的三大临界条件 是约束超导现象的三大临界 条件 当温度超过临界温度时 超导态就消失 同时 当超过临界 电流或者临界磁场时 超导态也会消失 三者具有明显的相关性 只有当上述三个条件均满足超导材料本身的临界值时 才能发生超 导现象 特性四约瑟夫森 B DJosephson 效应 承担超导电的超导电子还可以穿越极薄绝缘体 势垒 特性五同位素效应 即超导体的临界温度T c与其同位素质量M有关 M越大 则Tc越低 7 什么是迈斯纳效应 处于超导状态的金属 不管其经历如何 磁感应强度B始终为零 称 为迈斯纳效应 什么是迈斯纳效应 处于超导状态的金属 不管其经历如何 磁感应强度B始终为零 称 为迈斯纳效应 导线和附近的磁铁会发生力的作用 但是在超导体内 感应电流对磁场的反作用会使磁力线不能穿过它 的体内 这使磁体被排斥 超导体的内部磁场始终为零 这就是迈斯纳效应 或称理想抗磁性 百度当一个磁体和一个处于超导态的超导体相互靠近时 磁体的 磁场会使超导体表面中出现超导电流 此超导电流形成的磁场 在超导体内部 恰好和磁体的磁场大小相 等 方向相反 这两个磁场抵消 使超导体内部的磁感应强度为零 B 0 即超导体 排斥体内的磁场 8 什么是约瑟夫森效应 承担超导电的超导电子还可以穿越极薄绝缘体势垒 百度电子能通过两块超导体之间薄绝缘层的量子隧道效应 9 第一类超导体 第二类超导体 第一类超导体 软超导体 当HH C时 B H第一类超导体只有一个临界磁场 即H C只有一个特征值 第二类超导体 有两个临界磁场TH c2时 处于正常态 H c1 T 10 超导BCS理论的三个观点 1 在一定温度下 金属中参与导电的电子结成库珀对 这是一个相 变过程 2 库珀对电子凝聚在费密面附近 3 费密面以上将出现一 个宽度为 的能隙 11 举例说明超导材料应用 强电强磁应用 基于超导的零电阻特性和完全抗磁性 以及非理想 第二类超导体所特有的高临界电流密度和高临界磁场 超导磁体的应用极广 它可以在交通 电子 能源 高能物理 医疗 工业加工等领域发挥重要作用 科学工程和实验室应用科学工程和实验室是超导技术应用的一个重 要方面 它包括高能加速器 核聚变装置等 在这些应用中 超导磁体是高能加速器和核聚变装置不可缺少的关 键部件 电力应用超导技术在电力中的应用主要包括超导电缆 超导限流器 超导储能装置和超导电机等 超导储能装置超导储能装置是利用超导线圈将电磁能直接储存起来 需要时再将电磁能返回电网或其它负载的一种电力设施 超导线圈是超导储能装置的核心部件 它可以是一个螺旋管线圈或 是环形线圈 磁体应用超导磁体在许多领域取得了重要进展 如环保 材料变性 育种 磁共振 磁拉单晶以及扫雷等 12 介电材料定义 与导体 半导体的区别 定义 又称电介质 是电绝缘材料 主要用于制造电容器 要求材料的电阻率高 介电常量大 电介质与导体 半导体和绝缘体的关系 其电导率指标 材料分 为导体 半导体和绝缘体 导体中自由电荷起主要作用 导体利用 自由电荷传导电能 电介质中束缚电荷起主要作用 电介质利用束 缚电荷以正 负电荷重心不重合的电极化方式来传递 记录电的能 量和信息广义上 导体也可称为电介质 但其介电特性很差 电介 质也可以导电 但其导电特性很差 绝缘体都是电介质 但电介质 并不都是绝缘体 确实有良好的电介质是半导体材料 13 介电材料极化 类型 电介质极化类型 宏观上 电介质的表面出现极化电荷并产生极 化强度微观本质上 电介质中产生了大量沿电场方向取向的电偶极 子14 介电材料的动态极化 介电常数的表示方法 动态极化介电材料的动态极化 介电常数的表示方法 动态极化的显著特征是外电场的连续变化 由此引起电介质内不断 发生极化弛豫过程 当外电场的变化频率远高于所涉及极化机制的特有频率时 这些 极化机制就会因没有足够的响应时间而出现极化滞后现象 动态极化时的极化弛豫和滞后对电介质极化性质最显著地影响是 动态介电系数不同于静态介电系数 动态介电系数需用复数表示 极化滞后会带来介电损耗 百度 介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场 介质中 电场与原外加电场 真空中 的比值即为相对介电常数 permittivi ty 不规范称dielectric constant 又称诱电率 与频率相关 介电常数是相对介电常数与真空中绝对介电常数乘积 介电常数 又称电容率 以 表示 r r 00 00为真空绝对介电常数 00 8 85 10 12 F m 8 85 10 12 F m 第四章纳米磁功能材料1 第四章纳米磁功能材料1 磁性材料定义 分类 应用领域 定义 磁性材料是具有磁有序的磁性物质 由过渡元素铁 钴 镍等 稀土元素钐 钕等 构成的合金及化合物 并能够直接或间 接产生磁性的物质 分类 按矫顽力的大小可将磁性材料分为硬磁 半硬磁 软磁材 料三种 按用途软磁材料 硬磁材料 半硬磁材料 旋磁材料 矩磁材料 压磁材料 磁电阻磁泡材料 磁光材料 磁致伸缩材料按性质金属 磁性材料 非金属磁性材料按形态块体磁性材料 粉末磁性材料 薄膜磁性材料 应用领域 磁性材料广泛地应用于计算机 通讯 自动化 音像 电机 仪器仪表 航空航天 农业 生物与医疗等 技术领域 2 铁磁性材料的单畴 多畴 超顺磁性 单畴 单畴是磁性材料的尺度小于临界值时 原有的磁畴结构消 失 而所有的磁矩只沿某一方向平行排列的磁状态 多畴 所谓磁畴 是指铁磁体材料在自发磁化的过程中为降低 静磁能而产生分化的方向各异的小型磁化区域 每个区域内部包含 大量原子 这些原子的磁矩都象一个个小磁铁那样整齐排列 但相 邻的不同区域之间原子磁矩排列的方向不同 宏观物体一般总是具有很多磁畴 磁畴的磁矩方向各不相同 结 果相互抵消 矢量和为零 整个物体的磁矩为零 对外不显磁性 超顺磁性 超顺磁性是指铁磁物质的颗粒小于临界尺寸时具有单 畴结构 在较高温度下表现为顺磁性特点 但在外磁场作用下其顺 磁性磁化率比一般顺磁材料的大好几十倍 称为超顺磁性 3 举例说明纳米磁性材料的应用 特性超顺磁性 如无磁滞 高磁导率 低损耗 高饱和磁化强度 等 磁性纳米材料的应用可谓涉及到各个领域 在机械 电子 光学 磁学 化学和生物学领域有着广泛的应用前 景 例磁性纳米颗粒作为靶向药物 细胞分离等医疗应用 4 举例说明磁致伸缩材料的应用 磁致伸缩材料