《磁性材料》课件

《磁性材料》课程概述课程目标掌握磁性材料基本理论和应用主要内容基础概念、材料分类、制备技术、应用领域学习要求磁性材料的基本概念磁性的定义物质在磁场中表现出的磁化特性磁场和磁化磁场强度与磁感应强度的关系磁性的起源原子磁矩由电子轨道运动和自旋产生不同原子结构产生不同磁矩强度电子自旋电子自转产生自旋磁矩是磁性材料的基本磁性来源磁性材料的分类1按磁性强弱分类抗磁性、顺磁性、铁磁性2按磁化特性分类软磁材料、硬磁材料抗磁性材料定义和特征在外磁场作用下产生反向磁化典型例子水、铜、银、金、铋顺磁性材料10^-5磁化率数量级正值但数值很小300K居里温度超过此温度失去磁性5%应用领域占比主要用于科学研究铁磁性材料定义和特征自发磁化、磁化强度大重要性工业应用最广泛的磁性材料应用电机、变压器、数据存储亚铁磁性材料亚铁磁性材料具有不同大小的反平行磁矩，常见于铁氧体反铁磁性材料定义和特征相邻原子磁矩大小相等方向相反奈尔温度超过此温度转变为顺磁性研究意义自旋电子学和量子计算的关键材料磁滞回线磁场强度磁感应强度磁化过程磁畴理论解释磁化机制的微观理论畴壁移动磁化初期的主要机制磁矩旋转磁化后期的主要机制软磁材料概述应用领域变压器、电机、传感器核心特性高磁导率、低矫顽力主要类型硅钢、铁镍合金、软磁铁氧体硅钢片成分和制备铁硅合金，含硅3-6.5%性能特点高磁导率，低铁损主要应用变压器和电机铁芯铁镍合金合金名称成分比例特点坡莫合金Ni78Fe22高磁导率超坡莫合金Ni80Fe15Mo5低矫顽力因瓦合金Fe64Ni36低热膨胀软磁铁氧体1结构特点尖晶石或石榴石结构2材料优势高电阻率，低涡流损耗3主要应用高频变压器，电感器4发展趋势高饱和磁感应强度，低损耗非晶态软磁合金制备方法快速淬火技术材料特点无长程有序结构性能优势高磁导率，低矫顽力典型应用高效变压器，电磁屏蔽纳米晶软磁材料结构特点晶粒尺寸10-30纳米性能优势高饱和磁感应强度，低矫顽力应用领域高频变压器，电流传感器发展前景电动汽车和新能源领域硬磁材料概述定义和特性高矫顽力高剩余磁感高磁能积应用领域电机扬声器磁性存储磁性器件铝镍钴永磁合金8.0最大磁能积(MGOe)较低但稳定性好850°C最高使用温度高温稳定性极佳1930s发展年代最早的现代永磁材料铁氧体永磁材料电机扬声器磁性元件磁疗产品其他稀土永磁材料1966年YCo5系磁体发明1967年SmCo5磁体研发成功31983年钕铁硼磁体问世现在全球永磁市场主导者钐钴永磁材料成分和制备钐和钴的合金粉末冶金工艺性能特点高矫顽力优异的温度稳定性应用领域航空航天军事设备高温环境钕铁硼永磁材料发现和发展1983年由佐川真人发明性能指标最高磁能积可达56MGOe主要应用风力发电、电动汽车、消费电子磁性材料的制备方法粉末冶金法磁粉制备成型烧结机械加工熔炼法熔体配料浇铸热处理成品加工磁性薄膜制备技术溅射沉积利用高能离子轰击靶材电镀法电解液中沉积磁性材料化学气相沉积气态前驱体反应沉积磁性材料的表征技术磁性材料在电力电子中的应用高效节能提高能源转换效率核心元件变压器和电感器磁芯3应用领域电源、逆变器、变频器磁性材料在电机中的应用永磁电机使用永磁体产生磁场高效率、小体积应用于电动汽车、风力发电异步电机使用软磁材料制作转子和定子结构简单、稳定可靠工业应用最广泛磁性材料在信息存储中的应用磁带最早的磁性存储介质硬盘目前主流大容量存储设备MRAM新型非易失性磁存储器磁性材料在传感器中的应用霍尔传感器检测磁场强度变化磁阻传感器磁场导致电阻变化磁通门传感器高灵敏度磁场测量磁性材料在医疗领域的应用核磁共振成像利用强磁场和射频无创成像诊断技术磁粒子热疗磁性纳米粒子肿瘤靶向治疗磁性药物输送磁控制药物释放提高治疗效果磁性材料在新能源领域的应用风力发电永磁同步发电机，高效发电电动汽车驱动电机和传感器系统太阳能发电逆变器中的磁性元件能源存储新型储能装置磁制冷技术磁热效应磁场变化导致温度变化工作材料镓基和镧基合金环保优势无氟利昂，能效高发展现状实验室样机阶段4磁性材料与环境保护1废水处理磁性吸附剂去除重金属2空气净化磁性滤网捕获微粒3油水分离磁性膜分离技术4污染物检测磁性传感器监测环境磁性纳米材料粒径控制1-100纳米尺度特性优势超顺磁性，高比表面积制备方法化学共沉淀，溶胶-凝胶法应用前景生物医学，催化，环保多铁性材料磁有序存在铁磁或反铁磁性电有序存在铁电或反铁电性弹有序存在铁弹性应用前景多功能器件，新型存储器磁光材料原理和特性法拉第效应克尔效应光学特性受磁场调控应用领域光隔离器光存储光开关磁场传感器磁性形状记忆合金3-6%最大应变远高于传统压电材料<1ms响应时间超快响应速度10^7循环寿命稳定可靠的反复使用磁性液体磁性半导体概念和种类结合磁性和半导体特性制备方法分子束外延，离子注入研究意义自旋电子学基础材料自旋电子学1逻辑器件自旋晶体管存储器件MRAM，自旋转移力矩基础原理电子自旋控制和利用磁性材料的计算模拟精确度计算复杂度磁性材料的表面处理目的提高耐腐蚀性改善磁性能增强生物相容性方法电镀物理气相沉积有机涂层性能提升寿命延长表面磁性控制功能化扩展磁性材料的回收利用回收分类废弃电机、硬盘、变压器处理工艺破碎、分选、提纯3再生应用低等级磁体和合金原料磁性材料的标准化标准类型内容制定机构国内标准GB/T3217国家标准委行业标准JB/T5761工信部国际标准IEC60404国际电工委员会磁性材料产业现状中国日本欧洲美国其他磁性材料的未来发展趋势高性能化更高磁能积和工作温度多功能化磁电、磁热、磁光复合功能绿色化减少稀土用量，环境友好微纳化纳米尺度和微结构控制磁性材料与人工智能神经形态计算磁性忆阻器模拟突触功能量子计算自旋量子比特信息存储非易失性存储高速、低功耗计算架构磁性材料与5G技术30GHz高频应用毫米波通信所需材料90%小型化率相比4G器件体积减小5倍性能提升高频铁氧体性能提升磁性材料的安全性问题电磁辐射强磁场可能的生物效应化学毒性某些磁性纳米颗粒的潜在毒性环境影响生产和废弃处理的污染问题磁性材料的质量控制关键参数磁性、微观组织、物理性能测试方法磁性测量、显微分析、成分检测质量标准企业标准、行业标准、国际标准可靠性评估老化试验、环境适应性测试磁性材料的专利分析磁性材料研究前沿1拓扑磁性材料磁性拓扑绝缘体，斯格明子高熵磁性合金多主元素合金设计3二维磁性材料单层磁性材料和异质结构量子磁性材料量子自旋液体，量子临界性磁性材料与能源存储超级电容器磁性纳米复合电极材料提高能量密度和充放电速率燃料电池磁性催化剂提高电催化反应效率储氢材料磁性金属氢化物可控氢吸附与释放磁性材料在航空航天中的应用磁性材料教育和人才培养课程设置材料科学、物理学、电子工程交叉实验教学材料制备、性能测试、应用开发人才需求跨学科背景，创新能力强磁