纳米材料的磁学性能.ppt

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1、3.4纳米材料的磁学性能3.4.1磁学性能的尺寸效应磁性是物质的基本属性地球磁场地球就是一块巨大的磁铁，它的N极在地理的南极附近，而S极在地理的北极附近。磁性材料是古老而年轻的功能材料司南利用天然磁石琢磨而成，重心位于底部正中，底盘光滑，四周刻有二十四向，使用时把长勺放在底盘上，用手轻拨，停下后长柄就指向南方地磁起源？沈括（1034——1094）《梦溪笔谈》“以磁石磨针锋，则能指南，然常微偏东，不全南也”吉尔伯特《磁体》（1600）地球本身就是一块巨大的磁石，磁子午线汇交于地球两个相反的端点即磁极上各种假说假说一：地球内部有一个巨大的

2、磁铁矿（铁、镍等）无法解释：铁磁物质在温度升高到760℃以后，就会丧失磁性假说二：地球的环形电流产生地球的磁场，地球的自转-铁镍（熔融状态）转动-内部电子定向转动-环形电流-磁场无法解释：地球磁场在历史上的几次倒转保护地球免受来自太空的宇宙射线的侵入宇航员头盔的密封是纳米磁性材料的最早的重要应用之一----磁性液体飞船和宇航员头盔内部的压力舱外的压力宇宙的温度大气压力接近真空很低最好的橡胶密封寿命-----几小时磁性液体理论上寿命是无限的许多生物体内就有天然的纳米磁性粒子例如：蜜蜂、海豚、鸽子、石鳖、磁性细菌等物质的磁性从何而来？电荷

3、的运动来源于构成物质的原子-----原子核和围绕原子核运动的电子电子的自转会使电子本身具有磁性，成为一个小小的磁铁，具有N极和S极。电子的自转方向总共有上下两种。在一些数物质中，具有向上自转和向下自转的电子数目一样多，它们产生的磁极会互相抵消，整个原子，以至于整个物体对外没有磁性。少数物质（例如铁、钴、镍），它们的原子内部电子在不同自转方向上的数量不一样，这样，在自转相反的电子磁矩互相抵消以后，还剩余一部分电子的磁矩没有被抵消，这样，整个原子具有总的磁矩。同时，由于一种被称为“交换作用”的机理，这些原子磁矩之间被整齐地排列起来，整个物

4、体也就有了磁性。磁学性能的尺寸效应矫顽力超顺磁性饱和磁化强度、居里温度与磁化率磁学性能的尺寸效应晶粒尺寸进入纳米范围磁性材料的磁学性能具有明显尺寸效应使得纳米材料具有许多粗晶或微米晶材料所不具备的磁学特性。例如：纳米丝由于长度和直径比（(L/d)）很大，具有很强的形状各向异性。当其直径小于某一临界值时，在零磁场下具有沿丝轴方向磁化的特性。有限长度的原子链在低温条件下具有磁性。这是迄今为止发现的最小磁体。美国研究人员发现纳米金刚石具有磁性.矫顽力、饱和磁化强度、居里温度等磁学参数都与晶粒尺寸相关。磁性粒子通常总是以偶极子（南北两极）的形

5、式成对出现，把一根磁棒截成两段，可以得到两根新磁棒，它们都有南极和北极。事实上，不管你怎样切割，新得到的每一段小磁铁总有两个磁极。磁和电有很多相似之处。例如，同种电荷互相推斥，异种电荷互相吸引；同名磁极也互相推斥，异名磁极也互相吸引。正、负电荷能够单独存在，单个磁极能不能单独存在呢？磁单极存在吗？什么是矫顽力？也称为矫顽性或保磁力，是磁性材料的特性之一，是指在磁性材料已经磁化到磁饱和后，要使其磁化强度减到零所需要的磁场强度。矫顽力代表磁性材料抵抗退磁的能力。对于大致球形的晶粒晶粒尺寸的减小矫顽力增加Hc达到一最大值晶粒的进一步减小矫顽

6、力反而下降晶粒尺寸相当于单畴的尺寸对于不同的合金系统，其尺寸范围在几十至几百纳米。当晶粒尺寸大于单畴尺寸时，矫顽力HC与平均晶粒尺寸D的关系为：式中C是与材料有关的常数。纳米材料的晶粒尺寸大于单畴尺寸时矫顽力亦随晶粒的减小而增加，符合上式。当纳米材料的晶粒尺寸小于某一尺寸后，矫顽力随晶粒的减小急剧降低。此时矫顽力与晶粒尺寸的关系为：式中C”为与材料有关的常数。该公式关系与实测数据符合很好。例如：Fe基合金矫顽力HC与晶粒尺寸D的关系左图补充了Fe和Fe-Co合金微粒在1～1000nm范围内矫顽力HC与微粒平均尺寸D之间的关系，图中同时

7、给出了剩磁比与D的关系。Fe和Fe-Co微粒磁性的尺寸效应（a）Fe（b）Fe-Co微粒的矫顽力HC与直径D的关系(尺寸效应)当D>Dcrit时，粒子为多畴，其反磁化为畴壁位移过程，HC相对较小；当D

8、自发磁化方向产生影响超顺磁性超顺磁性可定义为：当一任意场发生变化后，磁性材料的磁化强度经过时间t后达到平衡态的现象。当铁磁质达到磁饱和状态后，如果减小磁化场强H，介质的磁化强度M（或磁感应强度B）并不沿着起始磁化曲线减小