第7章功能材料-清华大学-工程材料

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1、“十五”国家级规划教材工程材料第3版配套课件第第7 7章章第7 7章 功能材料内容提要： 介绍功能材料的发展及分类，介绍常介绍功能材料的发展及分类，介绍常用电功能材料、磁功能材料、热功能材料、用电功能材料、磁功能材料、热功能材料、光功能材料等应用。光功能材料等应用。 学习目标： 了解各种功能材料及其基本应用。了解各种功能材料及其基本应用。 概述概述具有某种或某些特殊物理性能具有某种或某些特殊物理性能或功能的材料叫作或功能的材料叫作功能材料功能材料。电功能材料电功能材料 磁功能材料磁功能材料 热功能材料热功能材料 光功能材料光功能材料 功能材料发展过程：功能材料发展过程： 最早：铜、铝导线及硅钢

2、最早：铜、铝导线及硅钢片等。电工合片等。电工合金、金、磁与电金属功能材料（电力工业发展）磁与电金属功能材料（电力工业发展） 5050年代：半导体功能材料（微电子技术）年代：半导体功能材料（微电子技术） 6060年代：光功能材料（激光技术）年代：光功能材料（激光技术） 7070年代后：光电子材料、形状记忆合金、年代后：光电子材料、形状记忆合金、储能材料等储能材料等 9090年代起：智能功能材料、纳米功能材料年代起：智能功能材料、纳米功能材料 7.17.1 电功能材料电功能材料 电功能材料以金属材料为主：电功能材料以金属材料为主： 金属导电材料金属导电材料 金属电阻材料金属电阻材料 金属电接点材料

3、金属电接点材料 超导材料超导材料 金属电阻材料：金属电阻材料：制造电子线路中电阻制造电子线路中电阻元件及电阻器的基础元件及电阻器的基础材料。材料。 金属导电材料：金属导电材料：用来传送电流的材料用来传送电流的材料, , 包括电力、电机工程中使用的电缆、电线等包括电力、电机工程中使用的电缆、电线等强电材料和仪器、仪表用的弱电材料两大类。强电材料和仪器、仪表用的弱电材料两大类。电缆电缆7.1.1 7.1.1 金属电接点材料金属电接点材料 一、强电或中电电接点材料 制造电力、电机系统和电器装置中的电接点。制造电力、电机系统和电器装置中的电接点。采用采用纯铜、黄铜纯铜、黄铜等。等。 弱电接点材料大都采

4、用贵金弱电接点材料大都采用贵金属属（AuAu、AgAg、PtPt）或贵金属为基或贵金属为基的合金材料；为降低成本，常在的合金材料；为降低成本，常在CuCu表面涂表面涂AuAu、AgAg、PtPt层。层。常见电接点元件常见电接点元件 二、弱电接点材料 制造仪器仪表、电子与电讯装置中的各种制造仪器仪表、电子与电讯装置中的各种电接触元件（小型继电器、微型开关、电位器、电接触元件（小型继电器、微型开关、电位器、印刷电路板插座、集成电路引线框架等）。印刷电路板插座、集成电路引线框架等）。7.1.2 7.1.2 超导材料超导材料 一、超导现象 1. 1. 超导现象超导现象 几十种金属元素及其合金、化合物，

5、一几十种金属元素及其合金、化合物，一些半导体材料和有机材料等具有超导现象；些半导体材料和有机材料等具有超导现象；超导现象：超导现象：物质在一定的温度物质在一定的温度T Tc c以下时以下时, ,电阻为零电阻为零, , 并完全排斥磁场（即磁力线并完全排斥磁场（即磁力线不能进入其内部）的现象。不能进入其内部）的现象。超导材料：超导材料：具有超导现象的材料具有超导现象的材料 2. 2. 特征及临界参数特征及临界参数 超导材料的基本特征为零电阻，第二超导材料的基本特征为零电阻，第二特征为完全抗磁性；特征为完全抗磁性； 转变温度转变温度T Tc c 在一定的温度在一定的温度T Tc c以下时以下时, ,

6、电阻为零。电阻为零。 绝大多数超导材料转变温度绝大多数超导材料转变温度T Tc c在在23.2 23.2 K(K(约约-250 )-250 )以下以下, ,高温超导材料高温超导材料T Tc c在在125K(125K(约约-148 )-148 )以上。以上。 临界磁场临界磁场B Bc c 当磁场强度超过某一个当磁场强度超过某一个临界值临界值B Bc c时时, , 超导体就转回常态。超导体就转回常态。 临界电流密度临界电流密度J Jc c 当电流密度超过某当电流密度超过某一个临界值一个临界值J Jc c时时, , 超导体也开始有电阻。超导体也开始有电阻。 二、超导体种类 1. 1. 第一类超导体第

7、一类超导体 除除NbNb和和V V外的其它纯金属。外的其它纯金属。 大于大于B Bc c的磁场中是正常态的磁场中是正常态; ; 小于小于B Bc c的磁场中是超导态（完全抗磁态）。的磁场中是超导态（完全抗磁态）。 2. 2. 第二类超导体第二类超导体 NbNb、V V及多数金属合金和化合物超导体、氧化及多数金属合金和化合物超导体、氧化物超导体。物超导体。 磁场小于磁场小于B Bc1c1时处于超导态，时处于超导态， 磁场大于磁场大于B Bc2c2时恢复常态时恢复常态; ; 磁场介于磁场介于B Bc1c1与与B Bc2c2之间，一部分区域仍处于超之间，一部分区域仍处于超导态，另一部分区域处于常态（

8、磁场可穿过）。导态，另一部分区域处于常态（磁场可穿过）。 三、超导材料 按临界转变温度按临界转变温度T Tc c分：分： 低温超导材料低温超导材料 用极低温的液氦冷却用极低温的液氦冷却 高温超导材料高温超导材料 用较廉价的用较廉价的77K77K液氮冷却液氮冷却 按承受磁场和电流的强弱分：按承受磁场和电流的强弱分： 强电超导材料强电超导材料 Nb-TiNb-Ti基超导合金及金基超导合金及金属间化合物属间化合物 弱电超导材料弱电超导材料 多为约瑟夫森器件材料，多为约瑟夫森器件材料，如如SnSn、PbPb、InIn、Pb-InPb-In合金、合金、Pb-BiPb-Bi合金、合金、Pb-Pb-In-A

9、uIn-Au合金等软金属合金等软金属, Nb, Nb和和NbNb的化合物的化合物, Ba-Y-, Ba-Y-CuCu氧化物薄膜等）氧化物薄膜等） 其他超导材料：其他超导材料： 氧化物陶瓷氧化物陶瓷 有机超导材料有机超导材料 碳纳米管碳纳米管（T Tc c已接近液氮温度已接近液氮温度77 K77 K） 超导材料应用超导材料应用 已广泛应用于加速器、已广泛应用于加速器、医学诊断设备、热核反应医学诊断设备、热核反应堆等。堆等。 约瑟夫森器件已广泛约瑟夫森器件已广泛应用于高科技电子产品。应用于高科技电子产品。用高温超导材料制造用高温超导材料制造的磁悬浮式列车的磁悬浮式列车7.2.1 7.2.1 软磁材

10、料软磁材料 一、软磁材料特性 软磁材料软磁材料在较低的磁场中被磁化而呈强在较低的磁场中被磁化而呈强磁性，磁场去除后磁性基本消失。磁性，磁场去除后磁性基本消失。 性能要求：性能要求： 高的饱和磁感应强度高的饱和磁感应强度 高的最大磁导率高的最大磁导率 高的居里温度高的居里温度 低的损耗低的损耗 7.2 7.2 磁功能材料磁功能材料 二、材料及应用 (1) (1) 纯铁纯铁 w w(C)(C)低于低于0.04%0.04%的的Fe-CFe-C合金。合金。 易加工，价格低，但电阻率低，涡流易加工，价格低，但电阻率低，涡流损耗大。损耗大。 应用应用 制造电磁铁铁芯、极头，继电制造电磁铁铁芯、极头，继电器

11、、扬声器中的磁导体。器、扬声器中的磁导体。 (2) (2) 硅钢硅钢 w w(Si)(Si)为为0.5%0.5%4.8%4.8%的的Fe-SiFe-Si合金。合金。 SiSi提高最大磁导率，增大电阻率，有利于提高最大磁导率，增大电阻率，有利于减小涡流损耗。冷轧减小涡流损耗。冷轧硅钢片可以形成（硅钢片可以形成（110110）001001织构，织构，磁性具有强烈的方向性。磁性具有强烈的方向性。 变压器变压器 继电器继电器 应用应用 制造电力、配电和通信工程中的发制造电力、配电和通信工程中的发电机、电动机、变压器、继电器、电感器铁芯。电机、电动机、变压器、继电器、电感器铁芯。 ( (3)铁钴合金铁钴