材料科学磁性材料PPT学习教案

1、会计学1 材料科学磁性材料材料科学磁性材料PPT课件课件 2021-8-52 第1页/共46页 2021-8-53 第2页/共46页 2021-8-54 第3页/共46页 2021-8-55 第4页/共46页 2021-8-56 第5页/共46页 2021-8-57 continue 第6页/共46页 2021-8-58 纯 铁 ， 硅 钢 片 ， 铁 粉 芯 ， 玻 膜 合 金 金 属 软 磁 材 料 A L N IC O ,S m C o 5 ,N d F e B 金 属 永 磁 材 料 F e 基 ,C O 基 非 晶 态 磁 性 材 料 金 属 磁 性 材 料 尖 晶 石 ， 石 榴

2、石 ， 磁 铅 石 按 晶 体 结 构 分 类 软 磁 ， 永 磁 ， 微 波 ， 磁 记 录 等 按 磁 特 性 分 类 铁 氧 体 磁 性 材 料 磁 性 材 料 continue 第7页/共46页 2021-8-59 第8页/共46页 2021-8-510 第9页/共46页 2021-8-511 第10页/共46页 2021-8-512 第11页/共46页 2021-8-513 第12页/共46页 2021-8-514 (铁氧体部分) 要求要求: : 分析影响材料性能的因素,解决参数之间的矛 盾,以提高性能 ; 内容:(一章)尖晶石（Spinel）型铁氧体的晶体结构、特性 与材料 (二章

3、)石榴石（Garnet)型铁氧体的晶体结构、特性与 材料 (三章)六角晶系铁氧体（Hexaferrites)的晶体结构、 特性与材料 意义: 铁氧体材料可应用于高频,脉冲,微波及光 频波段,有力推动无线电电子学,通信,微波电子学及 信息存储与处理等科学技术的迅速发展。 第13页/共46页 2021-8-515 第一章 尖晶石铁氧体的晶体结构与基本性 目录： 1.1 尖晶石铁氧体晶体结构; 1.2 尖晶石铁氧体中金属离子分布规律； 1.3 尖晶石铁氧体的饱和磁距及温度特性; 1.4尖晶石铁氧体磁晶各向异性及磁致伸缩特性; 1.5尖晶石铁氧体的电特性; 1.6尖晶石软磁铁氧体及材料参数 1.7软磁

4、铁氧体的磁导率 1.9软磁铁氧体的磁谱 1.10 软磁铁氧体的损耗 1.11 软磁铁氧体的稳定性 1.12 低损耗、高稳定性软磁铁氧体的性能分析 1.13 性能软磁铁氧体材料 1.14 尖晶石旋磁铁氧体材料 第14页/共46页 2021-8-516 1-1 尖晶石铁氧体的晶体结构 基本概念： 铁氧体：包括铁族离子或其它过渡族金属离子及 其他金属离子的氧化物（或硫化物）。 天然尖晶石铁氧体：有Fe3+,O2-及其他金属离子 结构与天然尖晶石(MgAl2O4)相同的氧化物-晶 体; 一般式：AB2O4-MeFe2O4 晶体结构：.晶体晶胞：单晶、多晶 .非晶体： 纳米晶 第15页/共46页 202

5、1-8-517 第16页/共46页 2021-8-518 一、 单位晶胞 结构 1、面心立方结构，以O2-为骨架构成面立方心， 以 111 轴为密堆积方向，重复按ABC、 ABC，其它金属离子在O2-构成的空隙中。 2、单位晶胞由8个小立方（子晶格）组成；共边 离子分布相同，共面不同。每个小立方含有4 个 O2-，则48=32；O2-分布在对角线的1/4、3/4处 ,并在B离子对面(有B离子的子晶格)靠近A离子 的那个位置。 O2-间隙中嵌入A, B离子。 3、由氧离子构成的空隙分两种: 4个O2-构成四面 体-A位; 6个O2-构成八面体-B位 第17页/共46页 2021-8-519 4、

6、单位晶胞中有A位64个, B位32个;实有A位8个, B 位16个 5、单位晶胞含有8个尖晶石铁氧体分子 推导： A位: 由每个小立方顶点O2-和对应相邻三个面心O2-组 成，单位晶胞中 8 8 = 64个A位 B位：8个小立方中，6个O2- 组成一个B间隙，每条棱 边的2个顶点O2-和相邻4个面心O2-形成一个 B 间隙, 因此单位晶胞 8 (1+12 1/4）= 32个B位 A、B位实有数：单位晶胞中有8个离子占据A位，（ 有四个小立方中心各占1个，即41+每个小立方对 角顶点占4个84/8）; 16个占据B位（有四个小立 方的体对角线的3/4处个占1个，即44），32个O2- ；8 (A

7、B2O4） - 第18页/共46页 2021-8-520 尖晶石晶胞的部分结构示意图 A位置金 属离子 B位置金 属离子 O2-位置 第19页/共46页 2021-8-521 氧离子密堆积中的A，B位置 O2- A位金 属离子 B位金 属离子 A位四面体 B位八面体 第20页/共46页 2021-8-522 二、点阵常数a及氧参数u 1.点阵常数: 单位晶胞(8个子晶格)的棱边长; 尖晶石结构:a = 4 ro(氧离子半径)；ro=1.32。 理论：a= 7.5; 实际:a = 8.08.9 注:点阵常数为判定物相的一个重要参数,可通过X 射线衍射测 a 值。点阵常数还可用作求尖晶石理 论密度

8、：d = 8M / No a3 ( M：分子量；N0: 阿 佛加德罗常数） 2. 氧参数： O2-离它最远子晶格面的距离,单位为a, 用u表示;它 是描写尖晶石铁氧体中O2-真实位置的一个参数 。 理论时 : = 0.375a ;实际: = 0.379 0.385a 2 第21页/共46页 2021-8-523 ua O2-B位A位 a a=4 0 2r 点阵常数a 氧参数u 第22页/共46页 2021-8-524 以氧参数为单位可推出A，B位空隙半径： rA = (u-1/4)a - ro rB = (5/8-u)a - ro 由上式知： （1）因A离子进入造成晶格尺寸胀大后, u, rA

9、, rB; A、B两者位置大小逐渐趋近,A位扩大,B位缩小。 （2）A位近邻4O2-均匀的向外移，仍保持正四面体, 即仍为立方对称; 而B位近邻6O2-并非都一致移动,所 以当 u 0.375a时,B位失去立方对称,即使在理想时, 虽近邻6个O2-立方对称,但次近邻底6个B位金属离子 为非立方对称,对某一111轴可看作一B位的120o旋转 对称轴,又称三重对称轴; 第23页/共46页 2021-8-525 O2- B位金属离子 B位置的120三重旋转轴 第24页/共46页 2021-8-526 三、 离子置换条件 1.多元铁氧体：MeFe2O4AxnABynBCznC- -O4 2.正分置换条

10、件: x+y+z+ - = 3（阳离子总数） x nA+y nB+z nC = 8 (电价平衡，必要条件） 3. 离子取代过程可能出现情况： (1) 阳离子总数3。 例如 ：r-Fe2O3 Fe8 / 3O4Fe8/3 1/3O4 如用Li1+取代Fe3+： x Li+1 + Fe3+2/3 2/3 Fe 3+2O4 Li+1xFe3+（2/3-x/3） （1/3-2x/3）Fe 3+2O4 +? ( p4) x最大取代值x=0.5， 即Li0.5Fe2.5O4 (2) 阴离子0.379 qA=2，形成正尖晶石 u0.379 ，有利于形成正尖晶石 （2）u有利于低价占A位; u有利于高价占A位

11、; （3）因实际的AB2O4的 u0.379, 所以应形成正尖晶石, 而实际上仅 ZnFe2O4为正型,MnFe2O4近正型其他铁氧体 均为反型,说明要多方面考虑.(p8) 第33页/共46页 2021-8-535 Zn2+，Cd2+，Ga3+ sp3 Cu2+，Mn2+ dsp2八面体 反尖晶石 第34页/共46页 2021-8-536 4.晶场影响 .3d1、3d2、3d3、3d6、3d7、3d8 占B位后能量下 降。特别3d3 (Cr3+)、3d8 (Ni2+) 特喜占 B位. .3d4 (Mn3+)、3d9 (Cu2+) J-T效应 形成八面 体,金属离子在B位虽有一电子占高能轨道，但

12、总能 量下降，故占B位有利。 单从晶场考虑，除了3d5 ,3d10离子外，从能量角 度看，均有占B位的趋势，易形成反型尖晶石 第35页/共46页 2021-8-537 晶体电场 v晶场对晶场对3d3d轨道能级的分裂轨道能级的分裂 晶体电场: 由O2-提供的静电场对金属离子3d轨道有作用，与电子轨 道，配位体及其对称性有关。 影响: 1.对离子,分子磁距; 2.离子的占位 3.晶体磁晶各向异性； 4磁晶体电场对3d轨道分裂: 3d轨道: n=3, l=0，1，2, ml = 0、1、2（简并） - 3dxy, 3dyz , 3dxz， 3dx2-y2 , 3dz2 第36页/共46页 2021-

13、8-538 2/5 t 3/5 t 八面体晶场 dx2-y2 四面体晶场 能量 dz2 ex e dxydxzdyz dxydxzdyz dx2-y2 dz2 球形场 dx2-y2 dz2 dxydxzdyz t o 2/5 O 3/5 O 第37页/共46页 2021-8-539 3dz2 3dx y 第38页/共46页 2021-8-540 eNtNCFSE eNtNCFSE tt gogO 5 3 5 2 5 3 5 2 2 2 八面体 四面 体 晶场稳定能 d1 d6 d2 d7 d3 d8 d4 d9 d0 d5 d10 -2/5o -4/5o -6/5o -3/5o 0 -3/5t

14、 -6/5t -4/5t -2/5t 0 第39页/共46页 2021-8-541 第40页/共46页 2021-8-542 v Jahn-Teller Jahn-Teller效应效应 Jahn-Teller效应： 主要是指畸变八面体晶场对3d能级的分裂。畸变 是沿Z轴伸长的八面体。 3dx2-y2 2/3a e g 四方双锥场 正八面体场 球形场 a 1/2 1/2 1/3at2g 3dz 2 能量 第41页/共46页 2021-8-543 x y z 第42页/共46页 2021-8-544 5.共价键空间配位性 Zn2+，Cd2+，Ga3+ sp3 四面体 正尖晶石 Cu2+，Mn2+

15、dsp2 八面体 反尖晶石 第43页/共46页 2021-8-545 F = U TS （U为内能，基于0 K时的平衡态来处理离子分布） 对于 (Me2+xFe3+1-x)Me2+Fe3+1+xO2-4温度T与分布参数X 之间的关系： x(1+x) / (1-x)2 = exp(- E/ kT ) E:表示Me2+由B位进入A 位所需的能量 1.T 很高，KT E, x =1/3 混乱分布 2.T= 0 K ，E 0，x = 0 反尖晶石 E 0，x = 1 正尖晶石 3.一般温度下，且E 较小，则为混合型，因此可以通过淬火温度改变离子分布，特别是A、B位均可占的3d 金属离子。 back 第44页/共46页 2021-8-546 在AB2O4 铁氧体中，有序分布：B位：11；13；1:5 A位：1:1 1. B位11有序排列-Fe3O4-(Fe3