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1、單擊此處編輯母版文本樣式,,第二級(jí),,第三級(jí),,第四級(jí),,第五級(jí),,,,材料科學(xué)與工程學(xué)院,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,,*,第,10,章 高分子材料的磁學(xué)性能,10.1,基本磁學(xué)性能,一、磁學(xué)基本概念與基本量,磁性：,物質(zhì)在一定條件下能相互吸引的性質(zhì),,是由材料內(nèi)部電子循軌和自旋運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的,磁化：,物質(zhì)在磁場(chǎng)中由于受磁場(chǎng)作用,,而呈現(xiàn)出一定磁性的現(xiàn)象,磁介質(zhì)：,能夠被磁化的物質(zhì),磁場(chǎng)：,在磁極周圍空間存在著磁力,,作用的特殊物質(zhì),,,材料科學(xué)與工程學(xué)院,2,,二、 材料的磁性,任一封閉電流都具有磁矩，,,其方向與環(huán)形電流法向方向,,一致，大小等于電流與環(huán)形,,面積乘積：,,磁矩表征材料磁性大
2、小。,,磁矩愈大，磁性愈強(qiáng),,,材料科學(xué)與工程學(xué)院,3,,電子軌道磁矩,m,l,為波爾磁子，是磁矩的最小單元,電子的自旋磁矩,m,s,S,為自旋量子數(shù)，其值為,1/2,,,材料科學(xué)與工程學(xué)院,4,,原子的經(jīng)典玻爾模型：,Z,個(gè)電子圍繞原子核做圓周運(yùn)動(dòng),核外電子結(jié)構(gòu)用量子數(shù)表征：,n.,l,.s,,電子軌道大小由主量子數(shù),n,決定,n=1, 2, 3, 4,………,的軌道群,,又稱為,K, L, M, N,…….,的電子殼層,軌道的形狀由角動(dòng)量,l,決定,l,=0, 1, 2, 3,……..n-1,,又稱為,s, p, d, f, g,……..,次電子層,電子自旋量子數(shù)由,S,決定,,,材料科學(xué)
3、與工程學(xué)院,5,,磁化強(qiáng)度和磁化率：,磁介質(zhì)在磁場(chǎng)強(qiáng)度,H,的外磁場(chǎng)中被磁化時(shí)，產(chǎn)生附加,,磁場(chǎng),H’,，則總磁場(chǎng)強(qiáng)度：,無外加磁場(chǎng),有外加磁場(chǎng),,,材料科學(xué)與工程學(xué)院,6,,磁化強(qiáng)度：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)原子固有磁矩的矢量和，,A/m,材料磁化強(qiáng)度不僅與外加磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)，還與物質(zhì),,本身的磁化特性有關(guān),,,材料科學(xué)與工程學(xué)院,7,,磁感應(yīng)強(qiáng)度,B,：,通過磁場(chǎng)中某點(diǎn)，垂直于磁場(chǎng)方向,,單位面積的磁力線數(shù),μ,0,為真空磁導(dǎo)率，,磁導(dǎo)率或?qū)Т畔禂?shù),μ,，反映了磁感應(yīng)強(qiáng)度,B,隨,,外磁場(chǎng),H,變化的速率,,,材料科學(xué)與工程學(xué)院,8,,10.2,材料磁性的分類,一 材料抗磁性與順磁性的物理本質(zhì),材料被磁化
4、后，磁化矢量與外加磁場(chǎng)方向相反的稱為,抗磁性,,,材料被磁化后，磁化矢量與外加磁場(chǎng)方向相同的稱為,順磁性,,存在磁化可逆性,,磁化曲線,,,材料科學(xué)與工程學(xué)院,9,,1,抗磁性,,材料的抗磁性來源于,,電子循軌運(yùn)動(dòng)時(shí)受外,,加磁場(chǎng)作用所產(chǎn)生的,,抗磁矩,,,材料科學(xué)與工程學(xué)院,10,,(1),電子軌道磁矩大小為,(2),電子抗磁矩,無論電子順時(shí)針運(yùn)動(dòng),,還是逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)，所產(chǎn)生的附加磁矩,Δm,都與外加磁場(chǎng)的方向相反，稱為抗磁矩,,,,材料科學(xué)與工程學(xué)院,11,,,(3),原子抗磁矩,任何材料在磁場(chǎng)作用下都要產(chǎn)生抗磁性,一個(gè)原子有,z,個(gè)電子，每個(gè)電子的軌道半徑不同，,,故一個(gè)原子的抗磁矩,,,
5、材料科學(xué)與工程學(xué)院,12,,計(jì)算有機(jī)化合物磁化率：,,χ,m,i,稱為原子磁化率，,λ,i,代表結(jié)構(gòu)增量,,,材料科學(xué)與工程學(xué)院,13,,2.,順磁性,材料的順磁性主要來源于原子,(,離子,),的固有磁矩,產(chǎn)生順磁性的條件：原子的固有磁矩不為零。,,原子或離子不為零的幾種情況：,,（,1,）具有奇數(shù)個(gè)電子的原子或點(diǎn)陣缺陷,,（,2),內(nèi)殼層未被填滿的原子或離子,,,材料科學(xué)與工程學(xué)院,14,,順磁磁化率（,χ,para,）,,N,是觀測(cè)自旋數(shù)，,,g,是平均朗德因子，,,μ,B,是波爾磁子；,,k,是玻茲曼常數(shù)；,,T,是絕對(duì)溫度（,K,）。,,,,材料科學(xué)與工程學(xué)院,15,,當(dāng)未成對(duì)電子在導(dǎo)
6、帶中離域時(shí)，其磁化率,χ,P,則服從,Pauli,定律,,,,材料科學(xué)與工程學(xué)院,16,,3.,鐵磁性,一 鐵磁材料的原子組態(tài)和原子磁矩,鐵磁性材料在外加磁場(chǎng)作用下，可以產(chǎn)生很強(qiáng)的磁化，其磁化矢量與外加磁場(chǎng)的方向一致,鐵磁性來源于原子未被抵消的自旋磁矩和自發(fā)磁化,鐵磁性產(chǎn)生條件：,（,1,）原子未被抵消的自旋磁矩。過渡族金屬的,3d,殼層都未被電子填滿。,,（,2,）自旋磁矩能自發(fā)地排列在同一方向上,--,自發(fā)磁化,,,材料科學(xué)與工程學(xué)院,17,,二 自發(fā)磁化,1,自發(fā)磁化：無外磁場(chǎng)的情況下,,,材料所發(fā)生的磁化,2,交換能,:,因交換作用所產(chǎn)生的附加能量,,,,,交換積分常數(shù),A,,,當(dāng),
7、a,／,r,＞,3,時(shí)，,A,＞,0,；,,當(dāng),a,／,r,＜,3,時(shí)，,A,＜,0,,金屬內(nèi)部的自發(fā)磁化是由于電子間的相互作用產(chǎn)生的,當(dāng)兩個(gè)原子相接近時(shí)，迫使相鄰原子自旋磁矩產(chǎn)生有序排列,,,材料科學(xué)與工程學(xué)院,18,,3,自發(fā)磁化條件,,（,1,）在,A,＞,0,，自旋磁矩同向排列時(shí)能量最低,,（,2,）在,A,＜,0,，自旋磁矩反向排列時(shí)能量最低,鐵、鈷、鎳因其交換積分常數(shù),A,具有較大的正值，有較強(qiáng)的自發(fā)磁化傾向,,稀土元素常溫下為順磁性,,,材料科學(xué)與工程學(xué)院,19,,三 磁各向異性與磁致伸縮,1,磁各向異性,沿不同晶軸方向的磁化強(qiáng)度不同,:,磁化矢量沿易磁化方向時(shí)能量最低,;,磁化
8、矢量沿難磁化方向時(shí)能量最高,在單晶體的不同晶體學(xué)方向上，其磁學(xué)性能不同。這種特性稱為磁晶各向異性,磁化功小的方向稱為易磁化方向，磁化功大的,,方向稱為難磁化方向,,,材料科學(xué)與工程學(xué)院,20,,2,磁致伸縮效應(yīng),鐵磁物質(zhì)磁化時(shí)，沿磁化方向發(fā)生長(zhǎng)度的伸長(zhǎng)或縮短,（,1,）磁致伸縮系數(shù),λ,,,,λ,＞,0,，表示沿磁化方向上的尺寸伸長(zhǎng)，稱為,,正磁致伸縮,,Fe,,,λ,＜,0,，表示沿磁化方向的尺寸縮短,,Ni,,（,2,）飽和磁致伸縮系數(shù),:,,磁化強(qiáng)度達(dá)到飽和值時(shí)的磁致伸縮系數(shù),λs,＞,0,的材料磁化時(shí)，若沿磁場(chǎng)方向加以拉應(yīng)力，有利于磁化,,λs,＜,0,的材料磁化時(shí)，若沿磁場(chǎng)方向加以壓
9、應(yīng)力，有利于磁化,,,材料科學(xué)與工程學(xué)院,21,,四 磁疇結(jié)構(gòu),(1),磁疇,:,在鐵磁性物質(zhì)中，存在的微小自發(fā)磁化區(qū)域,（,2,）退磁能：,由于鐵磁體產(chǎn)生的外磁場(chǎng)與內(nèi)磁場(chǎng)方向相反，從而使鐵磁體的磁性減弱，造成磁化能增加,,,,材料科學(xué)與工程學(xué)院,22,,（,3,）磁疇壁：,相鄰磁疇的交界處，兩相反磁疇之間形成一個(gè)過渡層,,疇壁面積越大，能量越高，而磁疇越小，磁疇壁面積就越大,,沒有外磁場(chǎng)時(shí)，磁疇呈細(xì)小扁平的薄片狀或細(xì)長(zhǎng)的棱柱狀，磁化矢量指向易磁化方向,,,材料科學(xué)與工程學(xué)院,23,,五 磁化曲線與磁滯回線,1.,磁化曲線,第一部分,：,H↑,，,B↑M↑,（緩慢）,,,磁化是可逆的,,第二
10、部分,：,H,↑,，,B,↑,M,↑,（,急?。?,,磁導(dǎo)率增長(zhǎng)非?？?，并且出現(xiàn)極大值,,,磁化是不可逆的,,,,第三部分,：,,H,↑,，,B,↑,M,↑,（,變緩）,,磁導(dǎo)率減小，并趨向穩(wěn)定,,,當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到,Hs,時(shí)，磁化強(qiáng)度便達(dá)到飽和值,,,,材料科學(xué)與工程學(xué)院,24,,2.,磁滯回線,磁化到飽和磁化狀態(tài)后．當(dāng),H,＝,0,時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度,B,并不等于零，而是保留一定大小的數(shù)值,B,r,—,鐵磁金屬的剩磁現(xiàn)象,當(dāng),H,等于一定值,Hc,時(shí)，,B=0,，,,Hc,為去掉剩磁的臨界外磁場(chǎng)，,,稱為,矯頑力,磁化一周得到的閉合回線，稱為,磁滯回線,；所包圍的面積相當(dāng)于磁化一周所產(chǎn)生的能量損
11、耗，稱為,磁滯損耗,,,材料科學(xué)與工程學(xué)院,25,,3.,退磁曲線,磁滯回線中，第二象限部分也稱為退磁曲線,最大磁能積,:,,,(,BH),m,=,B,d,.H,d,,隆起度,(,凸出系數(shù),):,,,γ,=(,BH),m,/B,r,.H,c,,回復(fù)系數(shù),:,,Tan,α,=,Δ,B/,Δ,H,,,材料科學(xué)與工程學(xué)院,26,,磁性物質(zhì)的分類,根據(jù)滯回曲線和磁化曲線的不同，分成三類：,(1),軟磁材料,其矯頑磁力較小，磁滯回線較窄。,(,鐵心,),(2),永磁材料,其矯頑磁力較大，磁滯回線較寬。,(,磁鐵,),(3),矩磁材料,其剩磁大而矯頑磁力小，磁滯回線為矩形。,(,記憶元件,),H,B,H,
12、B,H,B,,,材料科學(xué)與工程學(xué)院,27,,磁性基本測(cè)量方法,,1,磁稱法測(cè)量磁化率,,,,材料科學(xué)與工程學(xué)院,28,,2,磁化曲線和磁滯回線的測(cè)量,,,,材料科學(xué)與工程學(xué)院,29,,10.3,磁共振,（,1,）與電子磁矩在穩(wěn)恒外磁場(chǎng)中重新取向有關(guān)的躍遷，這種效應(yīng)稱為順磁共振（,ESR,）。,,（,2,）由于核磁矩在穩(wěn)恒外磁場(chǎng)中重新取向發(fā)生的躍遷，這種效應(yīng)稱為核磁共振（,NMR,）,,,,材料科學(xué)與工程學(xué)院,30,,10.4,磁性高分子材料,復(fù)合型磁性高分子材料：,是指以高分子材料與各種各種無機(jī)磁性材料通過混合粘結(jié)、填充復(fù)合、表面復(fù)合、層積復(fù)合等方式加工制得的磁性體，從復(fù)合材料概念出發(fā)，通稱為
13、磁性樹脂基復(fù)合材料。如磁性橡膠、磁性樹脂、磁性薄膜、磁性高分子微球等,,,,結(jié)構(gòu)型磁性高分子材料：,指不用加入無機(jī)磁性物而高分子自身就具有強(qiáng)磁性的材料，如聚雙炔和聚炔類聚合物，含氮基團(tuán)取代苯衍生物，聚丙稀熱解產(chǎn)物等。,,,,材料科學(xué)與工程學(xué)院,31,,復(fù)合型磁性高分子材料,可分為樹脂基,鐵氧體類,高分子共混磁性材料和樹脂基,稀土填充類,高分子共混磁性材料兩類,1,構(gòu)成：,由磁性無機(jī)物和高分子材料組成,1,）磁性無機(jī)物：主要是永磁鐵氧體類磁粉和稀土類磁粉,永磁鐵氧體粉：有鍶（,Sr,）、鋇（,Ba,）鐵氧體磁粉等；,,稀土永磁粉：有,SmCo,、,NdFeB,、,SmFeN,永磁粉等,,,材料科
14、學(xué)與工程學(xué)院,32,,2,）高分子材料：,橡膠：有天然和合成兩類，主要用于柔性復(fù)合磁體制,,造，成型加工困難，可用注塑機(jī)來成型等；,,熱固性樹脂：分環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂；,,熱塑性樹脂：以聚酰胺、聚丙烯、聚乙烯等，聚酰胺,,（,PA,）類最為常見，具有機(jī)械加工性、熱塑性、吸濕性,,,材料科學(xué)與工程學(xué)院,33,,2,制備方法,制備磁性塑脂主要有共混、原位聚合和化學(xué)轉(zhuǎn)化三種方法,共混法,：比較成熟，例如將聚乙烯、對(duì)苯二甲酸脂與,,Sr,O.6,Fe,2,O,3,磁粉、可塑劑、穩(wěn)定劑、表面處理劑共混制備聚脂單纖維絲。,原位聚合法,：使聚合物單體在活化處理過的磁粉表面聚合，形成以磁粉為核、聚合物為包復(fù)層
15、的復(fù)合磁性粒子，磁性粒子在聚合物單體中分散均勻。,,,,材料科學(xué)與工程學(xué)院,34,,磁性高分子微球,,,材料科學(xué)與工程學(xué)院,35,,結(jié)構(gòu)型磁性高分子材料,分為：純有機(jī)鐵磁體、高分子金屬絡(luò)合物和電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物,,制造分子的,(,而不是原子的,),強(qiáng)磁體的關(guān)鍵是制備電子數(shù)為奇數(shù)的,,,至少有一個(gè)不成對(duì)電子的分子,,,再利用聚合、結(jié)晶、氫鍵、摻雜等手段,,,加強(qiáng)其分子間的作用力,,,使分子有序排列和自旋有序取向,,,就能實(shí)現(xiàn)有機(jī)物質(zhì)的宏觀磁性。,,,材料科學(xué)與工程學(xué)院,36,,純有機(jī)磁性高分子,所謂純有機(jī)磁性高分子是指高分子中不含任何金屬，僅由,C,、,H,、,N,、,O,、,S,等組成的磁性高分子
16、。,,最引人注目的是,1987,年前蘇聯(lián)莫斯科化學(xué)物理研究所,ovchinnikov,等設(shè)想的將含自由基的單體聚合，使自由基穩(wěn)定通過主鏈的傳遞耦合作用；再使自由基未配對(duì)電子間產(chǎn)生鐵磁自旋耦合而獲得宏觀鐵磁性高分子,,,材料科學(xué)與工程學(xué)院,37,,將兩個(gè)穩(wěn)定的,4-,氧,-2,，,2,，,6,，,4-,甲基哌啶,-1-,氧自由基接到丁二炔上，得到如式所示的單體,BIPO,，再在,100℃,左右聚合成磁性高分子,——,聚,BIPO,,,材料科學(xué)與工程學(xué)院,38,,,(1),高儲(chǔ)存信息的新一代記憶材料,磁性高分子材料的應(yīng)用,(2),輕質(zhì)、寬帶微波吸收劑,(3),磁控傳感器的開發(fā),(4),生物體中的藥
17、物定向輸送,(5),低磁損高頻、微波通訊器件的開發(fā),,,材料科學(xué)與工程學(xué)院,39,,磁性高分子與導(dǎo)電材料復(fù)合可制成電、磁雙損型的輕質(zhì)、寬帶微波吸波劑，這將在航天、電磁屏蔽和隱身材料等方面獲得重要用途,,磁控傳感器的開發(fā) 利用磁場(chǎng)變化控制溫度、溶劑和氣體等的傳感器件以及受光、熱控制的新型電磁流體的開發(fā)是磁性高分子重要的應(yīng)用方向,,,材料科學(xué)與工程學(xué)院,40,,生物體中的藥物定向輸送 低密度可任意加工的磁性高分子的誕生，可實(shí)現(xiàn)生物體中的藥物定向輸送和大大提高療效，并有可能引起醫(yī)療事業(yè)的一場(chǎng)變革。,,,,材料科學(xué)與工程學(xué)院,41,,,Sun et al., Adv Drug Delivery Rev 60 (2008) 1252,Combine various components,Gao,et al., Acc,Chem,Res 42 (2009) 1097,Multiple bio-applications,磁敏感納米粒子,,,材料科學(xué)與工程學(xué)院,42,,磁場(chǎng),/(,溫度或,pH),雙重刺激響應(yīng)納米粒子,,,材料科學(xué)與工程學(xué)院,43,,
第10章 高分子材料的磁學(xué)性能
