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1、磁性陶瓷及超导陶瓷部分磁性陶瓷及超导陶瓷部分提纲提纲7.4.4铁氧体铁氧体7.4.5超导陶瓷超导陶瓷7.4.6陶瓷热应用陶瓷热应用7.4.7生物陶瓷生物陶瓷7.4.4铁氧体铁氧体 一一.基本概念基本概念 磁性陶瓷又称为铁氧体，严格说，磁性陶瓷还包括不磁性陶瓷又称为铁氧体，严格说，磁性陶瓷还包括不含铁的磁性陶瓷。含铁的磁性陶瓷。物质的磁性来源于物体原子的磁性，原子的磁性来源物质的磁性来源于物体原子的磁性，原子的磁性来源于电子自旋和轨道运动，原子内具有未被填满的电子于电子自旋和轨道运动，原子内具有未被填满的电子是其具有磁性的必要条件，电子的交换是原子具有磁是其具有磁性的必要条件，电子的交换是原子具
2、有磁性的重要条件。性的重要条件。初始磁导率、磁化率、顺磁性、逆磁性，软磁初始磁导率、磁化率、顺磁性、逆磁性，软磁铁氧体、永磁体铁氧体、永磁体。(1)(1)磁导率和磁化率磁导率和磁化率 物体置于磁场中，物体将磁化，材料的磁化强度物体置于磁场中，物体将磁化，材料的磁化强度M是单位体积是单位体积磁偶极矩，是单位体积的单元磁偶极子数磁偶极矩，是单位体积的单元磁偶极子数n与磁矩与磁矩Pm的乘积，同时的乘积，同时M与磁场强度与磁场强度H存在关系：存在关系：式中：式中：am为单元组分的磁化强度，磁矩与磁场强度成正比；磁为单元组分的磁化强度，磁矩与磁场强度成正比；磁化率化率 m为磁化强度与外场强度的比值。磁化
3、时，物质对外磁场提为磁化强度与外场强度的比值。磁化时，物质对外磁场提供了大小为供了大小为HD=4 M的附加磁场，因此物质中产生的磁感应强度的附加磁场，因此物质中产生的磁感应强度B由外磁场由外磁场H(宏观电流所产生的磁场宏观电流所产生的磁场)和物质内部由电子自旋产生和物质内部由电子自旋产生的附加磁场的附加磁场HD(分子电流或微观电流所产生的磁场分子电流或微观电流所产生的磁场)两部分组成。两部分组成。式中：式中：0=1为自由空间为自由空间(真空真空)的磁导率，真空中的磁导率，真空中 =0；是材是材料的有效磁导率料的有效磁导率(2)抗磁性和顺磁性抗磁性和顺磁性 抗磁性抗磁性(0,1,M0,1,M0)
4、抗磁性指磁化方向与磁场方向相反，此时磁化抗磁性指磁化方向与磁场方向相反，此时磁化率是负常数。率是负常数。抗磁性效应是微弱的，相对磁导率抗磁性效应是微弱的，相对磁导率/0仅略小于仅略小于1。凡是离子具有填满的电子壳层。凡是离子具有填满的电子壳层或者说没有不成对电子的陶瓷材料，几乎都呈抗或者说没有不成对电子的陶瓷材料，几乎都呈抗磁性，这就一般地意味着不含过渡金属离子或稀磁性，这就一般地意味着不含过渡金属离子或稀土离子的陶瓷是抗磁性的，土离子的陶瓷是抗磁性的，为为-10-5-10-7数量级。数量级。过渡族和稀土离子因为离子包含奇过渡族和稀土离子因为离子包含奇数电子，故都有净磁矩，这些磁矩通常数电子，
5、故都有净磁矩，这些磁矩通常取向混乱，不显示宏观磁性；然而在外取向混乱，不显示宏观磁性；然而在外磁场作用下，这些磁矩则会沿外磁场方磁场作用下，这些磁矩则会沿外磁场方向择优排列而产生净磁化强度。向择优排列而产生净磁化强度。当不成当不成对电子各自行动而其间没有相互作用时，对电子各自行动而其间没有相互作用时，这种效应称为顺磁性。这种效应称为顺磁性。由于磁矩是沿外由于磁矩是沿外磁场方向排列的，顺磁磁化率是正值，磁场方向排列的，顺磁磁化率是正值，以致提高磁通密度。室温下，以致提高磁通密度。室温下，为为1010-3 31010-5-5数量级，随温度升高而降低。数量级，随温度升高而降低。(3)铁磁性、反铁磁性
6、、亚铁磁性铁磁性、反铁磁性、亚铁磁性 铁磁性铁磁性(0,0,1,M01,M0););反铁磁性反铁磁性(0,0,1,M=01,M=0););亚铁磁性亚铁磁性(0,0,1,M01,M0)。铁、钴、镍等金属及其某些合金在没有外磁场时铁、钴、镍等金属及其某些合金在没有外磁场时也有宏观磁性，表明它们会发生自发磁化，即只要加也有宏观磁性，表明它们会发生自发磁化，即只要加上微弱的外磁场就会产生很大的磁化强度；这种磁性上微弱的外磁场就会产生很大的磁化强度；这种磁性物质被称为铁磁体。物质被称为铁磁体。铁磁材料中，电子自旋之间的交换相互作用为正，铁磁材料中，电子自旋之间的交换相互作用为正，即所有自旋都按相同方向排
7、列。然而，在某些固溶体即所有自旋都按相同方向排列。然而，在某些固溶体中，未成对电子之间的交换作用呈反方向排列，这种中，未成对电子之间的交换作用呈反方向排列，这种特性被称为反铁磁性，宏观上类似于顺磁性而不显示特性被称为反铁磁性，宏观上类似于顺磁性而不显示磁性，某些过渡金属的一氧化物磁性，某些过渡金属的一氧化物(MnOMnO，FeOFeO，NiONiO和和CoOCoO)就有这种特性。由于两个方向的离子磁矩相互抵就有这种特性。由于两个方向的离子磁矩相互抵消，因此从总体上而言，反铁磁性物质没有磁矩。消，因此从总体上而言，反铁磁性物质没有磁矩。亚铁磁性与反铁磁性亚铁磁性与反铁磁性很相似，然而由于两个很相
8、似，然而由于两个方向上的磁矩不相等，方向上的磁矩不相等，导致净宏观磁矩，因而导致净宏观磁矩，因而在某特征温度下表现出在某特征温度下表现出自发磁化。亚铁磁体的自发磁化。亚铁磁体的宏观磁化性质与铁磁体宏观磁化性质与铁磁体很相似，这类材料中最很相似，这类材料中最重要的是磁性氧化物重要的是磁性氧化物(铁氧体铁氧体)及及MnSbMnSb、MnAsMnAs等，等，达达10102 2数量级。数量级。典型的磁滞回线典型的磁滞回线 铁磁性和亚铁磁性材料在铁磁性和亚铁磁性材料在外磁场作用下的宏观磁化，具外磁场作用下的宏观磁化，具有不可逆性，也即具有磁滞效有不可逆性，也即具有磁滞效应。磁化曲线应。磁化曲线(磁滞回线
9、磁滞回线)中，中，端点对应的磁场和磁感应强度端点对应的磁场和磁感应强度为最大磁场为最大磁场Hm和最大磁感应强和最大磁感应强度度Bm，横坐标交点，横坐标交点Hc是矫顽力，是矫顽力，纵坐标交点纵坐标交点Br是剩余磁感应强是剩余磁感应强度。饱和磁滞回线在纵坐标上度。饱和磁滞回线在纵坐标上最高点最高点BS是饱和磁化强度。是饱和磁化强度。磁滞效应磁滞效应 宏观磁化宏观磁化(技术磁化技术磁化)过程过程大致可分为三个阶段：当磁场大致可分为三个阶段：当磁场较弱时，磁化的主要原因是畴较弱时，磁化的主要原因是畴壁的可逆移动，起始磁导率壁的可逆移动，起始磁导率 i较小；当磁场增强，畴壁的可较小；当磁场增强，畴壁的可
10、逆移动逐步转化为大幅度的不逆移动逐步转化为大幅度的不可逆移动，使宏观磁化急剧上可逆移动，使宏观磁化急剧上升，在曲线拐点处得到最大磁升，在曲线拐点处得到最大磁导率；磁场再增强，磁化曲线导率；磁场再增强，磁化曲线的上升又变缓，直至饱和，此的上升又变缓，直至饱和，此时的主要机制是畴磁化转动。时的主要机制是畴磁化转动。l 铁氧体材料的结构特点铁氧体材料的结构特点(1)尖晶石型铁氧体尖晶石型铁氧体：通式为：通式为M2+OFe3+2O3，其中，其中M2+是二价是二价金属离子如金属离子如Fe2+，Ni2+，Cu2+，Mg2+等，它也可以制成复等，它也可以制成复合铁氧体，固其组成和磁性能具有宽广的范围。它的结
11、构合铁氧体，固其组成和磁性能具有宽广的范围。它的结构属于尖晶石型，其中的氧离子近乎按密堆立方排列。尖晶属于尖晶石型，其中的氧离子近乎按密堆立方排列。尖晶石型铁氧体具有立方对称的晶体结构，特别适于制备低矫石型铁氧体具有立方对称的晶体结构，特别适于制备低矫顽力的软磁材料。顽力的软磁材料。(2)石榴石型铁氧体石榴石型铁氧体：通式为：通式为R3Fe5O12或或3R2O35 Fe3+2O3，其中其中R为钇为钇(Y)、钪、钪(Sc)以及稀土族元素。它们的晶体结以及稀土族元素。它们的晶体结构与天然石榴石构与天然石榴石(FeMn)3Al2(SO4)3相同，因此取名石相同，因此取名石榴石型铁氧体。石榴石型铁氧体
12、具有优良的磁性和介电性榴石型铁氧体。石榴石型铁氧体具有优良的磁性和介电性能，同时还具有一定的透光性，在微波、磁泡、磁光等领能，同时还具有一定的透光性，在微波、磁泡、磁光等领域是极其重要的一种磁性材料域是极其重要的一种磁性材料 二、铁氧体材料二、铁氧体材料(3)六角磁铅石型铁氧体六角磁铅石型铁氧体：与尖晶石型结构：与尖晶石型结构有有定联系，但它具有六方密堆的氧离定联系，但它具有六方密堆的氧离子。通式为子。通式为AO6B2O3，其中，其中A为二价为二价(Ba，Sr或或Pb)，B为三价为三价(Al、Ga，Cr或或Fe)，最常见的是磁铅石为，最常见的是磁铅石为(PbFe12O19)、钡、钡铁氧体铁氧体
13、(BaFe12O19)和锶铁氧体和锶铁氧体(SrFe12O19)。六角磁铅石型铁氧体具有。六角磁铅石型铁氧体具有高的磁晶各向异性和高的矫顽力，适于高的磁晶各向异性和高的矫顽力，适于做永磁铁。做永磁铁。铁氧体的组成、晶粒尺寸、杂质、烧铁氧体的组成、晶粒尺寸、杂质、烧结气氛及气孔的大小和分布对磁性能都结气氛及气孔的大小和分布对磁性能都有重要影响。有重要影响。一一.软磁铁氧体软磁铁氧体 软磁铁氧体是以软磁铁氧体是以Fe2O3为主，加上为主，加上MnO，MgO，CuO，ZnO，NiO等组成的复合氧化物。等组成的复合氧化物。其特点是电阻率高，磁饱和强度低，居里点低和其特点是电阻率高，磁饱和强度低，居里点
14、低和磁导率高。铁氧体中涡流极小，在高频下，磁感应很低，磁滞损耗也很磁导率高。铁氧体中涡流极小，在高频下，磁感应很低，磁滞损耗也很低。低。软磁铁氧体材料是一种新型的磁性材料，种类繁多，应用广泛。软磁铁氧体材料是一种新型的磁性材料，种类繁多，应用广泛。二二.硬磁铁氧体硬磁铁氧体 硬磁铁氧体属于磁铅石型六方晶系，主要为钡铁氧体和硬磁铁氧体属于磁铅石型六方晶系，主要为钡铁氧体和铝铁氧体。铝铁氧体。三三.用途：用途：主要的磁材料、高通滤波器、天线、线圈骨架、主要的磁材料、高通滤波器、天线、线圈骨架、半导体衬底、磁记录材料、磁致功能材料等等半导体衬底、磁记录材料、磁致功能材料等等7.4.5超导陶瓷超导陶瓷
15、一一.超导陶瓷的基本概念超导陶瓷的基本概念 每一种超导体都有表现其特征的临界温度每一种超导体都有表现其特征的临界温度Tc，当温度低于，当温度低于Tc时，时，其电阻为零，并且保持不变。然而，若施加一个大于其电阻为零，并且保持不变。然而，若施加一个大于Hc的磁场，的磁场，则可使超导体失去超导性，回到正常状态。这里磁场则可使超导体失去超导性，回到正常状态。这里磁场Hc称为临界称为临界磁场。磁场。二二.超导陶瓷材料超导陶瓷材料 钙铁矿型为基的结构，如：SrTiO3、Li-Ti-O、Ba-Pb-Bi-O、La-Ba-Cu-O 三三.超导陶瓷材料的应用超导陶瓷材料的应用 在电子学领域中，超导陶瓷可用于微电
16、路、超导体在电子学领域中，超导陶瓷可用于微电路、超导体/半导体混合半导体混合器、存储元件间的互连，计算机连接器，高器、存储元件间的互连，计算机连接器，高Q空腔谐振，宽频带系空腔谐振，宽频带系统，高灵敏度示波器。在信息领域中，超导材料可用作高速转换统，高灵敏度示波器。在信息领域中，超导材料可用作高速转换元件、通信元件和连接电路。元件、通信元件和连接电路。7.4.6 陶瓷热应用陶瓷热应用 一、基本概念一、基本概念 部分陶瓷材料的使用价值，直接依赖于和温部分陶瓷材料的使用价值，直接依赖于和温度变化有关的性能，因此必须研究其与热和温度变化有关的性能，因此必须研究其与热和温度有关的行为。此外，对于大多数
17、陶瓷材料来度有关的行为。此外，对于大多数陶瓷材料来说，不论其用途如何在设计和应用时也需要说，不论其用途如何在设计和应用时也需要考虑材料的热性能。与热有关的参数包括热容、考虑材料的热性能。与热有关的参数包括热容、热膨胀系数、热导。热膨胀系数、热导。二、蓄热材料二、蓄热材料 溶解蓄热、蒸发蓄热、吸附蓄热溶解蓄热、蒸发蓄热、吸附蓄热 化学反应等化学反应等 三三.防热、隔热材料防热、隔热材料l大多数陶瓷是由一种或一种以上固相和一个气相组成的多相材料，其热导率取决于各相的数量、相分布形态以及各自的热导率，所以多相材料的热导率是组织敏感的。l气孔及缺陷的作用-直接影响热导率l防热：吸收防热、辐射防热、发汗防热、烧蚀防热。7.4.7生物陶瓷材料生物陶瓷材料 主要应用：人造齿；人造齿根；龋齿填充物；主要应用：人造齿；人造齿根；龋齿填充物；人造骨；过滤器；固定化酶载体人造骨；过滤器；固定化酶载体 主要材料体系：主要材料体系：主要成分：主要成分：氧化物、磷化物、堇青石氧化物、磷化物、堇青石 、磷青、磷青石；等生物相容性材料石；等生物相容性材料