第十一章 现代新型材料

5．磁致伸缩材料 磁致伸缩材料是指具有较大线磁致伸缩系数，即在磁场中 被磁化时长度能发生较大变化的材料。磁致伸缩材料主要分为 传统磁致伸缩材料和稀土超磁致伸缩材料两类。传统磁致伸缩 材料有铁基合金、镍基合金、钴基合金及铁氧体材料，饱和磁 致伸缩系数较小，没有得到广泛的应用。 20 世纪 50 年代压电陶 瓷材料的出现，很快取代了传统磁致伸缩材料，压电陶瓷材料 的饱和电致伸缩系数和能量转换效率都比传统磁致伸缩材料的 高，广泛用于水声与电声换能器的制造。 20 世纪 70 年代以后又 出现了稀土超磁致伸缩材料，饱和磁致伸缩系数和能量转换效 率高，能量密度和应变时产生的推力大，响应速度快，弹性模 量与声速随磁场变化，无疲劳和过热失效问题。 磁致伸缩材料可用于制造机械动力源的大功率输出器件、 高功率线性马达、微波器件、海洋声纳、机器人等。
第二节 超导材料
一、概述 1911年，荷兰的物理学家卡末林·昂纳斯在研究金属低温电阻时，首次观察 到了超导电性。20世纪30年代，迈斯纳效应的发现使人类认识到超导电性是一种 宏观量子现象。1957年，美国物理学家巴丁、库柏和施里弗基于电子与声子相互 作用的微观理论，解释了超导电性的起源，对物理学的发展产生了巨大影响。 50~60年代，第二类超导体和约瑟夫森效应的出现，使超导电性开始实际应用， 并形成一门新技术。 超导电性是指某些材料被冷却到一定温度，出现零电阻率，即失去电阻的现 象。具有超导电性的材料称为超导材料。超导材料在电阻消失后的状态称为超导 状态。超导材料具有以下两个基本物理特性： 1．完全导电性 完全导电性又称零电阻效应，是指当超导材料的温度下降至某一数值时，其 电阻突然变为零的现象。超导材料的零电阻是指直流电阻，与常导体的零电阻有 本质区别。常导体的零电阻是对理想晶体中自由电子可以不受限制的运动而言的。 超导材料组成的闭合回路中一但有电流产生，便会有永久的电流存在。
第十一章
现代新型材料
能源、信息和材料是现代文明的三大支柱，而材料又是一切 技术发展的物质基础。人类对材料的认识、制造与应用，经历了 从天然材料到合成材料、设计材料的发展过程。一种新材料的出 现，往往会引起生产力大发展，推动社会进步。新材料是指新发 展或正在发展的，具有优异性能和特定功能的，对科技进步和国 民经济发展以及提高综合国力有重要作用的一类材料。新材料发 展的重点已经从结构材料转向功能材料，功能材料是指具有特殊 电、磁、声、光、热、力、化学及生物功能的新型材料，对高技 术的发展起着重要的推动和支撑作用，同时对改造某些传统产业， 如农业、化工、建材等起着重要作用。在全球新材料研究领域中， 功能材料约占85%。随着信息社会的到来，功能材料已经成为信 息、生物、能源、环保、空间等技术领域的关键材料，是世界各 国新材料领域研究发展的重点，也是世界各国高技术发展中战略 竞争的热点。
超导材料主要有以下三个方面的应用： 1．强电应用 强电应用又称大电流应用，有超导输电、超导发电、超导贮能、核磁共振成像 等。用超导材料制成输电线路，成本显著降低，节约能源、保护环境；超导发电可 使发电机的体积减小、重量减轻、能量损耗降低、输出功率提高，对大规模电力工 程、航海以及航空有非常重要的作用；超导贮能系统中输入电流，可以长时间无损 耗地保存，贮能效率高；在医疗方面，利用超导磁体产生的强磁场，穿透人体软组 织，经过计算机的数据处理，可以判断人体有无异常。 2．弱电应用 弱电应用又称电子学应用，有超导探测器、超导器件、超导计算机等。利用超 导材料制成探测器，灵敏度非常高，频带范围较宽；超导微波器件在移动通信系统 中的应用，可提高抗干扰能力，减少输入信号的损耗，扩大覆盖面积，改善通话质 量；超导计算机中的器件开关速度快，信号检测方便、准确、无干扰，体积小，成 本低。 3．抗磁性应用 超导材料具有抗磁性。利用这种磁悬浮效应可以制造超导磁悬浮列车，运行速 度快、平稳、噪声小、无污染，是一种新型的陆上交通工具。利用超导体产生的强 磁场，达到控制核聚变反应的目的。
2．软磁材料 矫顽力低、磁导率高的磁性材料称为软磁材料。软磁材料 主要用于制造发电机或电动机的转子和定子、变压器或继电器 或镇流器的铁芯、计算机的磁芯、导磁体、磁记录的磁介质等。 软磁材料制造的器件或设备，一般在交变磁场条件下工作，要 求具有体积小、重量轻、灵敏度高、稳定性好、功率大、发热 量少、使用寿命长的特点，因此，软磁材料应具备磁导率和饱 和磁感应强度高、矫顽力和剩余磁通密度低、铁芯耗损小、电 阻率高、磁致伸缩系数小、磁各向异性系数低、居里温度较高 等特性。常用软磁材料主要有电工纯铁和低碳电工钢、铁硅软 磁合金、镍铁系软磁合金、铁铝系和铁钴系软磁合金等。
二、超导材料的分类与应用 根据磁化特征超导材料可分为第一类超导体和第二类超导体两种类 型。第一类超导体的临界磁场强度和临界电流很小，实用价值不大；第 二类超导体包括钒、铌、锝、合金超导体、化合物超导体等。 根据临界转变温度超导材料可分为低温超导体、高温超导体和其他 超导体三种类型。低温超导体又称常规超导体，是指临界转变温度较低 的超导材料，主要包括元素超导体、合金超导体和化合物超导体。目前， 超导元素约有 50 多种，其中有27 种超导元素在常压下具有超导电性；合 金超导体具有较高的临界转变温度、临界磁场强度和临界电流，良好的 塑性，成本较低，容易生产。常见的合金超导体主要有铌锆合金、铌钛 合金、铌锆钛合金等，其中铌钛合金应用最广。铌钛合金力学性能稳定， 制造技术成熟，生产成本低；化合物超导体的超导临界条件较高，在强 磁场中性能良好，但不易加工。常见的化合物超导体主要有 Nb3Sn、V3Ga 等。 高温超导体是指临界转变温度较高的超导材料，主要包括氧化物超 导体和非氧化物超导体两类。高温超导体使用温度较高，应用广泛。 其他类型的超导体主要有非晶超导体、复合超导体、金属间化合物 超导体、有机超导体、重费米子超导体等。
世界各国都非常强调功能材料对发展本国国民经济、保卫 国家安全、增进人民健康和提高人民生活质量等方面的突出作 用。我国非常重视功能材料的发展，在国家攻关、“ 863”、 “973”、国家自然科学基金等计划中，功能材料都占有很大的 比例，在“九五”、“十五”国防计划中还将特种功能材料列 为国防尖端材料。这些科技行动的实施，使我国在功能材料领 域取得了丰硕的成果，超导材料、平板显示材料、稀土功能材 料、生物医用材料、储氢材料、金刚石薄膜、高性能固体推进 剂、红外隐身材料、材料设计与性能预测等领域已经接近或达 到国际先进水平，在某些成分配方和相关技术上还取得了自主 知识产权。 功能材料种类繁多，用途广泛，正在形成一个规模宏大的 高技术产业群，有着十分广阔的市场前景和极为重要的战略意 义。功能材料按使用性能可分为微电子材料、光电子材料、传 感材料、信息材料、生物医用材料、生态环境材料、能源材料 和智能材料等。
4．磁性流体 磁性流体是指吸附表面活性剂的磁性微粒在基载液中高度弥散分布 所形成的胶体体系。磁性流体具有强磁性和流动性，在重力和电磁力作 用下能够长期保持稳定。 磁性流体由磁性微粒、表面活性剂和基载液组成。磁性微粒是指铁 氧体、金属或铁的氮化物的粉末，粒度很小，只有纳米级，具有单畴结 构和较高的饱和磁化强度；表面活性剂是一种长链分子，其一端吸附于 磁性微粒，另一端在基载液中自由摆动。表面活性剂的作用是防止磁性 微粒发生聚集而沉淀，因此，应具有较强的亲水性或亲油性。常用的表 面活性剂有硅烷偶联剂、苯氧基十一烷酸、油酸等；基载液是磁性流体 的基体。常用的基载液有水、脂、硅酸盐脂、碳氢化合物、聚苯基醚、 水银等。磁性流体的作用不同，基载液和表面活性剂的选择也不同。 磁性流体主要用于制造光传感器、温度传感器、磁强计、惯性阻尼 器、压力信号变压器、电流计、密度计、加速度表、流量计、控制器、 能量交换机、液体金属发电机、磁密封装置、药物吸收剂、造影剂等。
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第一节 磁性材料
一、概述 磁性材料是指具有强磁性的材料。磁性材料具有能量转换、存储能 量状态及改变能量状态的功能，是一种重要的功能材料。 材料的磁性来源于材料中原子的磁矩。磁性材料磁性的强弱可用磁 化强度来表示，磁化强度是指单位体积中磁矩的矢量和。物质磁化的难 易程度一般用磁化率来表示。根据磁化率的大小，可将物质分为抗磁性 物质、顺磁性物质、反磁性物质、铁磁性物质、亚磁性物质等，其中顺 磁性物质的磁性最弱；铁磁性物质的磁性最强，称为强磁性物质。实际 应用的磁性材料均为强磁性物质。磁性材料广泛地应用于计算机、通讯、 自动化、音像、仪器仪表、机械、航空航天、生物医疗、农业及人类生 活等各个领域。 磁性材料的特点是自发磁化。在外磁场作用下，材料会显示出强磁 性。磁性材料的自发磁化与温度有关，当达到一定温度时，材料的原子 磁矩排列不再有序，自发磁化消失，使材料显示顺磁性，这一温度称为 该磁性材料的居里温度。未经外磁场磁化的磁性材料不会显示宏观的磁 性。
二、磁性材料的分类与应用 常用磁性材料有很多种。按矫顽力大小可分为软磁材料、 半硬磁材料和硬磁材料三种，一般矫顽力低于100kA/m的是软磁 材料，矫顽力高于1000kA/m的是硬磁材料；按磁性材料的功能 可分为磁芯材料、永磁材料、磁记录材料、磁光记录材料、磁 性流体、磁致电阻材料、磁致伸缩材料等。 1．永磁材料 永磁材料也称硬磁材料。永磁材料经外磁场磁化并去掉磁 场后，仍保留较强的磁性，具有很高的饱和磁化强度、矫顽力 和磁能积。永磁材料的应用主要是利用永磁体产生足够强的磁 场、磁极与磁极的相互作用、磁场对带电物体或粒子或载电流 导体的相互作用来做功，或实现能量转换及信息转换。常用永 磁材料主要有马氏体磁钢、铁基永磁材料、铁镍铝和铝镍钴系 铸造永磁合金、铁铬钴系可加工永磁合金、锰基和铂基永磁合 金、钴基稀土永磁合金、铁基稀土永磁合金、稀土金属间化合 物永磁材料等。
2．完全抗磁性 完全抗磁性又称迈斯纳效应，是指超导材料进入超导状态后，其 体内的磁力线将全部被排出，磁感应强度恒等于零的现象。超导材料 的完全抗磁性证明了超导体不是理想导体，超导状态是一个热力学平 衡状态，与超导材料怎样进入超导状态的途径无关。完全抗磁性与完 全导电性是超导状态的两个独立基本属性，一种材料是否具有超导电 性要看其是否同时具有完全导电性和完全抗磁性。 超导材料有三个临界条件：临界转变温度、临界磁场强度和临界 电流。临界转变温度是指超导材料从常导状态转变为超导状态，即电 阻突然消失的温度；临界磁场强度是指超导材料从超导状态转变为常 导状态，即破坏超导状态的最小磁场强度；临界电流是指超导状态允 许流动的最大电流，或说破坏超导电性所需的最小极限电流。要使超 导材料处于超导状态，必须同时满足这三个临界参数的要求，否则， 超导状态会立即消失。 超导材料的出现给人类带来了一个新的技术领域，促进了交通和 能源的发展，对科技、经济、军事及社会发展产生了深远的影响。
3．磁记录和磁光记录材料 磁记录是一相综合技术，包括磁记录材料、磁头、记录与重放系统、 记录编码方式等。磁记录材料受到外磁场的磁化，当外磁场去掉后仍能 保持其剩余磁化状态。磁记录介质剩余磁化强度的变化记录下了外部电 信号或数据的变化。 磁记录材料的原料主要有磁粉、粘合剂、带基等。目前，我国磁粉 行业的生产技术还不发达，只有录音带用磁粉的质量较高，录像带用磁 粉的质量还不过关，磁盘和磁卡用磁粉尚未生产。 自1973年人们发现了非晶磁光记录材料，磁光记录技术得到了迅速 发展和大量应用。磁光记录的特点是容量大、可靠性高、可反复读写。 磁光记录的介质是垂直磁化膜，其易磁化方向垂直于膜面，磁矩垂直于 膜面向上或向下排列。记录信息时，对磁光记录介质施加一个记录磁场 和一个表示信息的脉冲激光，受到脉冲激光照射的区域由于吸收光能使 温度升高，矫顽力随之下降，该区域的磁矩会发生翻转而沿外加记录磁 场方向排列。这样，就可以将光的强弱信号转变为不同方向排列的磁矩 而记录下来。