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1、高分子材料的磁学性能高分子材料的磁学性能第一页，本课件共有42页110.1 10.1 基本磁学性能基本磁学性能一、磁学基本概念与基本量一、磁学基本概念与基本量 磁性：磁性：物质在一定条件下能相互吸引的性质物质在一定条件下能相互吸引的性质 是由材料内部电子循轨和自旋运动产生的是由材料内部电子循轨和自旋运动产生的磁化：磁化：物质在磁场中由于受磁场作用物质在磁场中由于受磁场作用 而呈现出一定磁性的现象而呈现出一定磁性的现象磁介质：磁介质：能够被磁化的物质能够被磁化的物质磁场：磁场：在磁极周围空间存在着磁力在磁极周围空间存在着磁力 作用的特殊物质作用的特殊物质第二页，本课件共有42页2二、二、材料的磁
2、性材料的磁性任一封闭电流都具有磁矩，任一封闭电流都具有磁矩，其方向与环形电流法向方向其方向与环形电流法向方向一致，大小等于电流与环形一致，大小等于电流与环形面积乘积：面积乘积：磁矩表征材料磁性大小。磁矩表征材料磁性大小。磁矩愈大，磁性愈强磁矩愈大，磁性愈强第三页，本课件共有42页3电子轨道磁矩电子轨道磁矩ml为波尔磁子，是磁矩的最小单元为波尔磁子，是磁矩的最小单元电子的自旋磁矩电子的自旋磁矩msS为自旋量子数，其值为为自旋量子数，其值为1/2第四页，本课件共有42页4原子的经典玻尔模型：原子的经典玻尔模型：Z个电子围绕原子核做圆周运动个电子围绕原子核做圆周运动核外电子结构用量子数表征：核外电子
3、结构用量子数表征：n.l.s 电子轨道大小由主量子数电子轨道大小由主量子数n决定决定n=1,2,3,4,的轨道群的轨道群又称为又称为K,L,M,N,.的电子壳层的电子壳层轨道的形状由角动量轨道的形状由角动量l决定决定l=0,1,2,3,.n-1又称为又称为s,p,d,f,g,.次电子层次电子层电子自旋量子数由电子自旋量子数由S决定决定第五页，本课件共有42页5磁化强度和磁化率：磁化强度和磁化率：磁介质在磁场强度磁介质在磁场强度H的外磁场中被磁化时，产生附加的外磁场中被磁化时，产生附加磁场磁场H，则总磁场强度：，则总磁场强度：无外加磁场无外加磁场有外加磁场有外加磁场第六页，本课件共有42页6磁化
4、强度：单位体积内原子固有磁矩的矢量和，磁化强度：单位体积内原子固有磁矩的矢量和，A/m材料磁化强度不仅与外加磁场强度有关，还与物质材料磁化强度不仅与外加磁场强度有关，还与物质 本身的磁化特性有关本身的磁化特性有关第七页，本课件共有42页7磁感应强度磁感应强度B：通过磁场中某点，垂直于磁场方向通过磁场中某点，垂直于磁场方向单位面积的磁力线数单位面积的磁力线数0为真空磁导率，为真空磁导率，磁导率或导磁系数磁导率或导磁系数，反映了磁感应强度，反映了磁感应强度B随随外磁场外磁场H变化的速率变化的速率第八页，本课件共有42页810.2 材料磁性的分类一一 材料抗磁性与顺磁性的物理本质材料抗磁性与顺磁性的
5、物理本质材料被磁化后，磁化矢量与外加磁场材料被磁化后，磁化矢量与外加磁场方向相反的称为方向相反的称为抗磁性抗磁性 材料被磁化后，磁化矢量与外加磁材料被磁化后，磁化矢量与外加磁场方向相同的称为场方向相同的称为顺磁性顺磁性存在磁化可逆性存在磁化可逆性 磁化曲线磁化曲线第九页，本课件共有42页91 抗磁性材料的抗磁性来源于电子循轨运动时受外加磁场作用所产生的抗磁矩第十页，本课件共有42页10(1)电子轨道磁矩大小为电子轨道磁矩大小为(2)电子抗磁矩电子抗磁矩无论电子顺时针运动无论电子顺时针运动还是逆时针运动，所产生的附加磁矩还是逆时针运动，所产生的附加磁矩m都与外加磁都与外加磁场的方向相反，称为抗磁
6、矩场的方向相反，称为抗磁矩第十一页，本课件共有42页11(3)原子抗磁矩任何材料在磁场作用下都要产生抗磁性任何材料在磁场作用下都要产生抗磁性一个原子有一个原子有z z个电子，每个电子的轨道半径不同，个电子，每个电子的轨道半径不同，故一个原子的抗磁矩故一个原子的抗磁矩第十二页，本课件共有42页12计算有机化合物磁化率：计算有机化合物磁化率：m,i称为原子磁化率，i代表结构增量第十三页，本课件共有42页132.2.顺磁性顺磁性材料的顺磁性主要来源于原子材料的顺磁性主要来源于原子(离子离子)的固有磁矩的固有磁矩产生顺磁性的条件：原子的固有磁矩不为零。产生顺磁性的条件：原子的固有磁矩不为零。原子或离子
7、不为零的几种情况：原子或离子不为零的几种情况：（1 1）具有奇数个电子的原子或点阵缺陷）具有奇数个电子的原子或点阵缺陷（2)2)内壳层未被填满的原子或离子内壳层未被填满的原子或离子第十四页，本课件共有42页14顺磁磁化率（顺磁磁化率（para）N是观测自旋数，g是平均朗德因子，B是波尔磁子；k是玻兹曼常数；T是绝对温度（K）。第十五页，本课件共有42页15当未成对电子在导带中离域时，其磁化率当未成对电子在导带中离域时，其磁化率P则服从则服从Pauli定律定律 第十六页，本课件共有42页163.3.铁磁性铁磁性一一 铁磁材料的原子组态和原子磁矩铁磁材料的原子组态和原子磁矩铁磁性材料在外加磁场作用
8、下，可以产生很强的磁化，铁磁性材料在外加磁场作用下，可以产生很强的磁化，其磁化矢量与外加磁场的方向一致其磁化矢量与外加磁场的方向一致铁磁性来源于原子未被抵消的自旋磁矩和自发磁化铁磁性来源于原子未被抵消的自旋磁矩和自发磁化铁磁性产生条件：铁磁性产生条件：（1 1）原子未被抵消的自旋磁矩。过渡族金属的）原子未被抵消的自旋磁矩。过渡族金属的3d3d壳层都未壳层都未被电子填满。被电子填满。（2 2）自旋磁矩能自发地排列在同一方向上）自旋磁矩能自发地排列在同一方向上-自发磁化自发磁化第十七页，本课件共有42页17二二 自发磁化自发磁化1 1 自发磁化：无外磁场的情况下自发磁化：无外磁场的情况下 ,材料所
9、发生的磁化材料所发生的磁化2 2 交换能交换能:因交换作用所产生的附加能量因交换作用所产生的附加能量 交换积分常数交换积分常数A A 当当a ar r3 3时，时，A A0 0；当当a ar r3 3时，时，A A0 0 金属内部的自发磁化是由于电子间的相互作用产生的金属内部的自发磁化是由于电子间的相互作用产生的当两个原子相接近时，迫使相邻原子自旋磁矩产生有序排列当两个原子相接近时，迫使相邻原子自旋磁矩产生有序排列第十八页，本课件共有42页183 自发磁化条件自发磁化条件（1）在）在A0，自旋磁矩同向排列时能量最低，自旋磁矩同向排列时能量最低（2）在）在A0，自旋磁矩反向排列时能量最低，自旋磁
10、矩反向排列时能量最低铁、钴、镍因其交换积分常数铁、钴、镍因其交换积分常数A具有较大的正具有较大的正值，有较强的自发磁化倾向值，有较强的自发磁化倾向稀土元素常温下为顺磁性稀土元素常温下为顺磁性第十九页，本课件共有42页19三三 磁各向异性与磁致伸缩磁各向异性与磁致伸缩1 磁各向异性磁各向异性沿不同晶轴方向的磁化强度不同沿不同晶轴方向的磁化强度不同:磁化矢量沿易磁化方磁化矢量沿易磁化方向时能量最低向时能量最低;磁化矢量沿难磁化方向时能量最高磁化矢量沿难磁化方向时能量最高在单晶体的不同晶体学方向上，其磁学性能不同。这种特性在单晶体的不同晶体学方向上，其磁学性能不同。这种特性称为磁晶各向异性称为磁晶各
11、向异性磁化功小的方向称为易磁化方向，磁化功大的磁化功小的方向称为易磁化方向，磁化功大的方向称为难磁化方向方向称为难磁化方向第二十页，本课件共有42页202 2 磁致伸缩效应磁致伸缩效应铁磁物质磁化时，沿磁化方向发生长度的伸长或缩短铁磁物质磁化时，沿磁化方向发生长度的伸长或缩短（1 1）磁致伸缩系数）磁致伸缩系数 0 0，表示沿磁化方向上的尺寸伸长，称为，表示沿磁化方向上的尺寸伸长，称为 正磁致伸缩正磁致伸缩,Fe,Fe 0 0，表示沿磁化方向的尺寸缩短，表示沿磁化方向的尺寸缩短,Ni,Ni （2 2）饱和磁致伸缩系数）饱和磁致伸缩系数:磁化强度达到饱和值时的磁致伸缩系数磁化强度达到饱和值时的磁
12、致伸缩系数ss0 0的材料磁化时，若沿磁场方向加以拉应力，有利于磁化的材料磁化时，若沿磁场方向加以拉应力，有利于磁化 ss0 0的材料磁化时，若沿磁场方向加以压应力，有利于磁化的材料磁化时，若沿磁场方向加以压应力，有利于磁化第二十一页，本课件共有42页21四四 磁畴结构磁畴结构(1)磁畴磁畴:在铁磁性物质中，存在的微小自发磁化区域在铁磁性物质中，存在的微小自发磁化区域（2）退磁能：）退磁能：由于铁磁体产生的外磁场与内磁场方向相由于铁磁体产生的外磁场与内磁场方向相反，从而使铁磁体的磁性减弱，造成磁化能增加反，从而使铁磁体的磁性减弱，造成磁化能增加 第二十二页，本课件共有42页22（3）磁畴壁：相
13、邻磁畴的交界处，两相反磁畴之间形成一个过渡层畴壁面积越大，能量越高，而磁畴越小，磁畴壁面积就越大没有外磁场时，磁畴呈细小扁平的薄片状或细长的棱柱状，磁化矢量指向易磁化方向第二十三页，本课件共有42页23五五 磁化曲线与磁滞回线磁化曲线与磁滞回线1.磁化曲线磁化曲线第一部分第一部分：H，BM（缓慢）（缓慢）磁化是可逆的磁化是可逆的 第二部分：H，BM（急剧）磁导率增长非常快，并且出现极大值 磁化是不可逆的 第三部分：H，BM（变缓）磁导率减小，并趋向稳定 当磁场强度达到Hs时，磁化强度便达到饱和值第二十四页，本课件共有42页242.磁滞回线磁滞回线磁化到饱和磁化状态后当磁化到饱和磁化状态后当H0
14、时，磁感应强度时，磁感应强度B并不并不等于零，而是保留一定大小的数值等于零，而是保留一定大小的数值Br铁磁金属的剩磁现铁磁金属的剩磁现象象当当H等于一定值等于一定值Hc时，时，B=0，Hc为去掉剩磁的临界外磁场，为去掉剩磁的临界外磁场，称为称为矫顽力矫顽力磁化一周得到的闭合回线，称为磁化一周得到的闭合回线，称为磁滞回线磁滞回线；所包围的面积相当于磁化一周所产生的所包围的面积相当于磁化一周所产生的能量损耗，称为能量损耗，称为磁滞损耗磁滞损耗第二十五页，本课件共有42页253.退磁曲线退磁曲线磁滞回线中，第二象限部分也称为退磁曲线磁滞回线中，第二象限部分也称为退磁曲线最大磁能积最大磁能积:(BH)
15、m=Bd.Hd隆起度隆起度(凸出系数凸出系数):=(BH)m/Br.Hc回复系数回复系数:Tan=B/H第二十六页，本课件共有42页26磁性物质的分类磁性物质的分类根据滞回曲线和磁化曲线的不同，分成三类：根据滞回曲线和磁化曲线的不同，分成三类：(1)(1)软磁材料软磁材料其矫顽磁力较其矫顽磁力较小，磁滞回线小，磁滞回线较窄。较窄。(铁心铁心)(2)(2)永磁材料永磁材料其矫顽磁力较大，其矫顽磁力较大，磁滞回线较宽。磁滞回线较宽。(磁铁磁铁)(3)(3)矩磁材料矩磁材料其剩磁大而矫顽磁其剩磁大而矫顽磁力小，磁滞回线为力小，磁滞回线为矩形。矩形。(记忆元件记忆元件)HBHBHB第二十七页，本课件共
16、有42页27磁性基本测量方法磁性基本测量方法 1 磁称法测量磁化率磁称法测量磁化率 第二十八页，本课件共有42页282 磁化曲线和磁滞回线的测量磁化曲线和磁滞回线的测量 第二十九页，本课件共有42页2910.3 磁共振磁共振（1）与电子磁矩在稳恒外磁场中重新取向有关的跃迁，）与电子磁矩在稳恒外磁场中重新取向有关的跃迁，这种效应称为顺磁共振（这种效应称为顺磁共振（ESR）。）。（2）由于核磁矩在稳恒外磁场中重新取向发生的跃迁，）由于核磁矩在稳恒外磁场中重新取向发生的跃迁，这种效应称为核磁共振（这种效应称为核磁共振（NMR）第三十页，本课件共有42页3010.4 磁性高分子材料磁性高分子材料 复合
17、型磁性高分子材料：复合型磁性高分子材料：是指以高分子材料与各种各种是指以高分子材料与各种各种无机磁性材料通过混合粘结、填充复合、表面复合、层积无机磁性材料通过混合粘结、填充复合、表面复合、层积复合等方式加工制得的磁性体，从复合材料概念出发，通复合等方式加工制得的磁性体，从复合材料概念出发，通称为磁性树脂基复合材料。如磁性橡胶、磁性树脂、磁性称为磁性树脂基复合材料。如磁性橡胶、磁性树脂、磁性薄膜、磁性高分子微球等薄膜、磁性高分子微球等结构型磁性高分子材料：结构型磁性高分子材料：指不用加入无机磁性物而指不用加入无机磁性物而高分子自身就具有强磁性的材料，如聚双炔和聚炔高分子自身就具有强磁性的材料，如
18、聚双炔和聚炔类聚合物，含氮基团取代苯衍生物，聚丙稀热解产类聚合物，含氮基团取代苯衍生物，聚丙稀热解产物等。物等。第三十一页，本课件共有42页31复合型磁性高分子材料复合型磁性高分子材料可分为树脂基可分为树脂基铁氧体类铁氧体类高分子共混磁性材料和树脂基高分子共混磁性材料和树脂基稀稀土填充类土填充类高分子共混磁性材料两类高分子共混磁性材料两类1 构成：构成：由磁性无机物和高分子材料组成由磁性无机物和高分子材料组成1）磁性无机物：主要是永磁铁氧体类磁粉和稀土类磁粉）磁性无机物：主要是永磁铁氧体类磁粉和稀土类磁粉永磁铁氧体粉：有锶（永磁铁氧体粉：有锶（Sr）、钡（）、钡（Ba）铁氧体磁粉等；）铁氧体磁
19、粉等；稀土永磁粉：有稀土永磁粉：有SmCo、NdFeB、SmFeN永磁粉等永磁粉等第三十二页，本课件共有42页322）高分子材料：）高分子材料：橡胶：有天然和合成两类，主要用于柔性复合磁体制橡胶：有天然和合成两类，主要用于柔性复合磁体制造，成型加工困难，可用注塑机来成型等；造，成型加工困难，可用注塑机来成型等；热固性树脂：分环氧树脂、酚醛树脂；热固性树脂：分环氧树脂、酚醛树脂；热塑性树脂：以聚酰胺、聚丙烯、聚乙烯等，聚酰胺热塑性树脂：以聚酰胺、聚丙烯、聚乙烯等，聚酰胺（PAPA）类最为常见，具有机械加工性、热塑性、吸湿性）类最为常见，具有机械加工性、热塑性、吸湿性第三十三页，本课件共有42页3
20、32 制备方法制备方法制备磁性塑脂主要有共混、原位聚合和化学转化三种方法制备磁性塑脂主要有共混、原位聚合和化学转化三种方法共混法共混法：比较成熟，例如将聚乙烯、对苯二甲酸脂与：比较成熟，例如将聚乙烯、对苯二甲酸脂与SrSrO.6O.6FeFe2 2O O3 3磁粉、可塑剂、稳定剂、表面处理剂共混制备聚脂磁粉、可塑剂、稳定剂、表面处理剂共混制备聚脂单纤维丝。单纤维丝。原位聚合法原位聚合法：使聚合物单体在活化处理过的磁粉表面：使聚合物单体在活化处理过的磁粉表面聚合，形成以磁粉为核、聚合物为包复层的复合磁性聚合，形成以磁粉为核、聚合物为包复层的复合磁性粒子，磁性粒子在聚合物单体中分散均匀。粒子，磁性
21、粒子在聚合物单体中分散均匀。第三十四页，本课件共有42页34磁性高分子微球磁性高分子微球第三十五页，本课件共有42页35结构型磁性高分子材料结构型磁性高分子材料分为：纯有机铁磁体、高分子金属络合物和电荷转移复合分为：纯有机铁磁体、高分子金属络合物和电荷转移复合物物 制造分子的制造分子的(而不是原子的而不是原子的)强磁体的关键是制备电子数为奇强磁体的关键是制备电子数为奇数的数的,至少有一个不成对电子的分子至少有一个不成对电子的分子,再利用聚合、结晶、氢键、再利用聚合、结晶、氢键、掺杂等手段掺杂等手段,加强其分子间的作用力加强其分子间的作用力,使分子有序排列和自旋有序使分子有序排列和自旋有序取向取
22、向,就能实现有机物质的宏观磁性。就能实现有机物质的宏观磁性。第三十六页，本课件共有42页36纯有机磁性高分子纯有机磁性高分子 所谓纯有机磁性高分子是指高分子中不含任何金属，所谓纯有机磁性高分子是指高分子中不含任何金属，仅由仅由C、H、N、O、S等组成的磁性高分子。等组成的磁性高分子。最引人注目的是最引人注目的是1987年前苏联莫斯科化学物理研究所年前苏联莫斯科化学物理研究所ovchinnikov等设想的将含自由基的单体聚合，使自由等设想的将含自由基的单体聚合，使自由基稳定通过主链的传递耦合作用；再使自由基未配对基稳定通过主链的传递耦合作用；再使自由基未配对电子间产生铁磁自旋耦合而获得宏观铁磁性
23、高分子电子间产生铁磁自旋耦合而获得宏观铁磁性高分子第三十七页，本课件共有42页37将两个稳定的将两个稳定的4-氧氧-2，2，6，4-甲基哌啶甲基哌啶-1-氧自由基接到氧自由基接到丁二炔上，得到如式所示的单体丁二炔上，得到如式所示的单体BIPO，再在，再在100左右聚左右聚合成磁性高分子合成磁性高分子聚聚BIPO第三十八页，本课件共有42页38(1)高储存信息的新一代记忆材料磁性高分子材料的应用磁性高分子材料的应用(2)轻质、宽带微波吸收剂轻质、宽带微波吸收剂(3)磁控传感器的开发磁控传感器的开发(4)生物体中的药物定向输送生物体中的药物定向输送(5)低磁损高频、微波通讯器件的开发低磁损高频、微
24、波通讯器件的开发第三十九页，本课件共有42页39l磁性高分子与导电材料复合可制成电、磁双损型的轻质、宽带微波吸波剂，这将在航天、电磁屏蔽和隐身材料等方面获得重要用途l磁控传感器的开发 利用磁场变化控制温度、溶剂和气体等的传感器件以及受光、热控制的新型电磁流体的开发是磁性高分子重要的应用方向第四十页，本课件共有42页40l生物体中的药物定向输送 低密度可任意加工的磁性高分子的诞生，可实现生物体中的药物定向输送和大大提高疗效，并有可能引起医疗事业的一场变革。第四十一页，本课件共有42页41Sun et al.,Adv Drug Delivery Rev 60(2008)1252Combine various componentsGao et al.,Acc Chem Res 42 (2009)1097Multiple bio-applications磁敏感纳米粒子磁敏感纳米粒子第四十二页，本课件共有42页42