金屬的磁性怎么來(lái)的

為什么只有少數(shù)的金屬有磁性？

可以等價(jià)于問(wèn)：為什么只有少數(shù)金屬是鐵磁性的，而大部分金屬是非鐵磁性（即抗磁性和順磁性）？

這個(gè)得從金屬磁化的物理本質(zhì)說(shuō)起：近代物理證明，構(gòu)成物質(zhì)的原子由原子核和電子所構(gòu)成，每個(gè)電子都在作循軌和自旋運(yùn)動(dòng)，物質(zhì)的磁性就是由于電子的這些運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。在小批量生產(chǎn)的情況下，粉末冶金齒輪的生產(chǎn)成本可能比傳統(tǒng)制造方法的成本高。對(duì)于金屬來(lái)說(shuō)，金屬是由點(diǎn)陣的離子和自由電子構(gòu)成。在磁場(chǎng)的作用下電子運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生抗磁磁矩，與此同時(shí)，點(diǎn)陣的離子和自由電子會(huì)產(chǎn)生順磁磁矩。

下面，我們分析下各種金屬的磁特性。

1、金屬的抗磁性和順磁性（金屬的非鐵磁性）

金屬中銅（Cu）、銀（Ag）、金(Au)、?（Cd）、等，它們的離子所產(chǎn)生的抗磁性大于自由電子的順磁性，因此是抗磁性物質(zhì)。

在元素周期表中接近非金屬的一些金屬元素，如銻（Sb）、鉍（Bi）、與錫（Sn）等，它們的自由電子在原子價(jià)增加時(shí)逐步向共價(jià)結(jié)合過(guò)渡，而共價(jià)電子的磁矩互相抵消，因此表現(xiàn)出異常的抗磁性。

所有堿金屬都是順磁性物質(zhì)，堿土金屬（除“鈹”外）也都是順磁性的，這是由于它們的自由電子所產(chǎn)生的順磁性占主導(dǎo)地位。

堿金屬指元素周期表ⅠA族元素中所有的金屬元素，包括鋰（Li）、鈉（Na）、鉀（K）、銣（Rb）、銫（Cs）、鈁（Fr）六種。

堿土金屬指元素周期表中Ⅱ A族元素，包括鈹(Be)、鎂(Mg)、鈣(Ca)、鍶(Sr)、鋇(Ba)、鐳(Ra)六種。

三價(jià)金屬鋁（Al）、硒(Se)、鑭(La)也是順磁性，它們的順磁性主要是由自由電子或離子的順磁性所決定。

稀土金屬也是順磁性，而且磁性較強(qiáng)，這是因?yàn)檫@些元素的原子4f層或5d層沒(méi)有填滿，存在著未能抵消的自旋磁矩所造成。

鈦（Ti）、釩（V）、鉻（Cr）、錳（Mn）等過(guò)渡族元素，它們的3d層未被填滿，自旋磁矩未被抵消或而產(chǎn)生強(qiáng)烈的順磁性。

2、金屬的鐵磁性

對(duì)于鐵磁性金屬來(lái)說(shuō)，不大的外磁場(chǎng)便會(huì)使它強(qiáng)烈磁化，很容易被磁鐵吸附。

鐵磁性金屬的原子磁矩主要來(lái)源于電子的自旋磁矩，即使在沒(méi)有外磁場(chǎng)的條件下，就可以形成一個(gè)個(gè)小的“自發(fā)磁化區(qū)”，我們稱之為“磁疇”。

正是由于在每個(gè)磁疇中原子的磁矩已完全排列起來(lái)，所以在一個(gè)不太強(qiáng)的外磁場(chǎng)，就可以產(chǎn)生一個(gè)很強(qiáng)的磁化強(qiáng)度，即樓主認(rèn)為的“有磁性”。

重新回到問(wèn)題的起點(diǎn)，金屬的磁性是由其原子結(jié)構(gòu)特性決定的，常溫下，只有少數(shù)的金屬可以形成自發(fā)磁化區(qū)----“磁疇”，所有只有少數(shù)金屬有磁性

至于鐵磁性金屬為什么會(huì)形成磁疇的原因，涉及量子力學(xué)理論：鐵磁性物質(zhì)內(nèi)部相鄰原子的電子之間有一種靜電交換作用，正是這種靜電交換作用迫使各原子的磁矩平行或者反向平行排列，使得一個(gè)小區(qū)域內(nèi)的各個(gè)原子的磁矩按同一方向排列，最終形成自發(fā)磁化區(qū)域----磁疇。行業(yè)代表包括上海富馳高科技股份有限公司，是目前國(guó)內(nèi)先進(jìn)的龍頭企業(yè)，也培養(yǎng)了一大批MIM技術(shù)人才。

鐵磁性金屬與非鐵磁性金屬的磁化機(jī)制有著很大差異，由于不能自發(fā)形成磁化區(qū)域，所以非鐵磁性金屬（常見(jiàn)的有鎂、鋁、銅、鈦、奧氏體不銹鋼）的磁性很弱，無(wú)法形成明顯的SN兩極。

粉末冶金生胚強(qiáng)度

粉末冶金生胚強(qiáng)度的概念粉末冶金生坯強(qiáng)度是指冷壓的粉末壓坯的機(jī)械強(qiáng)度。粉末冶金零件生坯具有適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度是必要的，以便壓坯從陰模中脫出和將其運(yùn)送到燒結(jié)爐而不會(huì)損壞。業(yè)內(nèi)人士都知道混煉對(duì)喂料生產(chǎn)很重要，但卻并不是所有人都能系統(tǒng)知道哪些因素會(huì)影響到混煉效果，今天小編就和大家一起從粉末與粘結(jié)劑配比和加料順序的角度了解一下。生坯強(qiáng)度取決于金屬粉末的種類與施加的壓力。軟金屬的粉末、不規(guī)則顆粒形狀或多孔性顆粒結(jié)構(gòu)的粉末都具有較高的生坯強(qiáng)度。對(duì)于軟金屬，用較低的壓力即可生產(chǎn)出能夠進(jìn)行搬運(yùn)的壓坯。較硬的粉末則需要較高的壓力。

要理解粉末冶金生坯強(qiáng)度，就必須知道哪種力使金屬之間產(chǎn)生黏著。當(dāng)使清潔的金屬表面相互接觸時(shí)，由于它們之間的接觸面積小，從而它們之間的黏著力小。粉末冶金齒輪是各種汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中普遍使用的粉末冶金零件，雖然在大批量的情況下是非常經(jīng)濟(jì)實(shí)用的，不過(guò)在其他方面也有待改進(jìn)的地方。施加壓力使接觸面積增大，不管顆粒形狀和表面粗糙度如何，這種接觸面積大體上正比于施加的壓力。對(duì)粉末冶金生坯強(qiáng)度的這種解釋就將重點(diǎn)放在了建立顆粒之間原子與原子的金屬接觸。如上所述，與球形顆粒粉末相比，不規(guī)則形狀顆粒壓制的壓坯具有較高的生坯強(qiáng)度。這種較高的強(qiáng)度來(lái)自于粉末冶金壓坯中不規(guī)則形狀顆粒之間的相互聯(lián)鎖。對(duì)相互聯(lián)鎖現(xiàn)象的解釋仍然有爭(zhēng)議，但看起來(lái)可能是由于在由不規(guī)則顆粒壓制的壓坯中，在相當(dāng)大程度上，相鄰顆粒之間形成了較好的原子接觸。

粉末冶金工藝很適用于大批量生產(chǎn)這類的零件。它可以為各種形狀復(fù)雜的零件生產(chǎn)設(shè)計(jì)且不浪費(fèi)材料。形狀復(fù)雜、尺寸較小及產(chǎn)量大，這些都是MIM的強(qiáng)項(xiàng)，使其在手表、手工工具、牙齒矯正支架、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零件、電子密封、切削工具及運(yùn)動(dòng)器材中找到大量應(yīng)用。不過(guò)，制造鐵框在技術(shù)上并非易事。在早期開(kāi)發(fā)中，使用傳統(tǒng)潤(rùn)滑劑，諸如硬脂酸鋅與EBS臘等進(jìn)行過(guò)生產(chǎn)試驗(yàn)，生坯廢品率高達(dá)50%。目前，有通過(guò)用溫壓提高生坯密度和通過(guò)采用模壁潤(rùn)滑減少或消除混合粉中的潤(rùn)滑劑的方法來(lái)提高生坯強(qiáng)度。

荷蘭公司用金屬3D打印制造超級(jí)摩托車電機(jī)冷卻

荷蘭超級(jí)摩托車制造商Electric Superbike Twente與金屬3D打印公司K3D合作，為其電動(dòng)自行車的電機(jī)生產(chǎn)新的冷卻外殼。在此背景下，下一代催化脫脂新技術(shù)-氣態(tài)草酸脫催化脂技術(shù)，開(kāi)始出現(xiàn)在本次粉末冶金展，并且是由我國(guó)業(yè)者獨(dú)創(chuàng)的新技術(shù)。這是Electric Superbike Twente使用的一款3D打印金屬組件，在此前的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中，他們意識(shí)到使用傳統(tǒng)技術(shù)生產(chǎn)的電機(jī)冷卻外殼并不適合高性能摩托車，因此雙方在設(shè)計(jì)第二輛電動(dòng)摩托車后不久就開(kāi)始合作。

傳統(tǒng)制造的局限性

超級(jí)摩托車團(tuán)隊(duì)的技術(shù)經(jīng)理Feitse Krekt 評(píng)論說(shuō)：“首輛超級(jí)摩托車的冷卻外殼由多個(gè)部件組成，這些部件使用傳統(tǒng)的生產(chǎn)方法，如車削和銑削，很難生產(chǎn)。對(duì)于這些生產(chǎn)方法，需要大量的材料，因此最終產(chǎn)品變得非常沉重。中性氣氛：中性氣氛主要包括氮?dú)?、氨氣和真空，真空燒結(jié)能夠避免氣氛中的有害成分對(duì)粉末冶金零件造成污染等不利影響。而且另外一個(gè)問(wèn)題是，由于車削過(guò)程，壁厚需要高于常規(guī)，我們無(wú)法盡可能高效地冷卻電動(dòng)機(jī)。所以，電機(jī)的功率低于預(yù)期，有時(shí)需要放慢速度以使電動(dòng)機(jī)不會(huì)過(guò)熱。”

因此，超級(jí)摩托車決定聯(lián)系K3D，K3D是荷蘭一家從Additive Industries購(gòu)買了metalFab1 金屬3D打印機(jī)的公司，自2016年以來(lái)已生產(chǎn)超過(guò)35,000種產(chǎn)品。

△用于生產(chǎn)冷卻外殼的metalFab1 3D金屬打印機(jī)

K3D的首席技術(shù)官Jaap Bulsink解釋說(shuō)，使用K3D生產(chǎn)的部件使他們能夠享受傳統(tǒng)制造技術(shù)無(wú)法提供的設(shè)計(jì)自由，“由于采用薄壁設(shè)計(jì)，內(nèi)部通道具有zui佳的冷卻性能，只有金屬3D打印才能實(shí)現(xiàn)極佳設(shè)計(jì)自由度。一、陽(yáng)極氧化陽(yáng)極氧化：主要是鋁的陽(yáng)極氧化，是利用電化學(xué)原理，在鋁和鋁合金的表面生成一層Al2O3（氧化鋁）膜。重要的是，該部件的設(shè)計(jì)重量最輕。該部件打印非常準(zhǔn)確，無(wú)需任何后處理即可直接使用?！?

這不是3D打印初次用于制造電動(dòng)摩托車?！畋砻娲植诙缺砻娲植诙确磻?yīng)了粉末顆粒的大小，然而不像其他競(jìng)爭(zhēng)的工藝，可控的織構(gòu)可能對(duì)成本沒(méi)有什么影響?？偛课挥诘聡?guó)的BigRep已經(jīng)制造出功能齊全的3D打印電動(dòng)摩托車，但該自行車僅用于設(shè)計(jì)目的，目前還不是一種可行的商業(yè)產(chǎn)品。另外，寶馬今年早些時(shí)候推出了3D打印概念車架，用于BMW S1000RR運(yùn)動(dòng)自行車。

電動(dòng)超級(jí)摩托車目前正在組裝，之后將于2019年5月24日在荷蘭恩斯赫德進(jìn)行測(cè)試并最終曝光。

科學(xué)家3D打印出1顆完整的小心臟

據(jù)報(bào)道，以色列科學(xué)家運(yùn)用3D打印技術(shù)，成功制造出櫻桃大小的心臟，期待有朝一日能印出人類的心臟，造福等待換心的人。金屬注射成型產(chǎn)品燒結(jié)出來(lái)后，因?yàn)楦鞣N原因，表面的光潔度相對(duì)比較粗糙，并有輕微的毛刺，并可能有細(xì)小的不銹鋼粉粒黏著在產(chǎn)品表面。據(jù)以色列特拉維夫大學(xué)（Tel Aviv University）的研究團(tuán)隊(duì)日前在Advanced Science期刊上發(fā)表研究成果顯示，他們成功運(yùn)用3D打印技術(shù)印出櫻桃大小的心臟，跟兔子的心臟一樣大，而且不只是結(jié)構(gòu)，還包括了細(xì)胞、血管、心室等，開(kāi)創(chuàng)醫(yī)用科技首例。

用于打印的原料是人類組織，科學(xué)家從受試者身上切下一塊脂肪組織，然后把細(xì)胞物質(zhì)分離出來(lái)，經(jīng)過(guò)重編程后成為多功能性gan細(xì)胞，再分化為心臟細(xì)胞或內(nèi)皮細(xì)胞。

同時(shí)，膠原蛋白和糖蛋白等細(xì)胞外基質(zhì)（Extracellular Matrix；ECM）經(jīng)處理后成為水凝膠，并和分化后的細(xì)胞混合，拿來(lái)當(dāng)作3D打印的“墨水”。

zui重要的是，由于打印的原料取自接受移植者自己本身，故可以避免排斥反應(yīng)。

科學(xué)家的下一個(gè)挑戰(zhàn)，是教打印出來(lái)的心臟跟真的心臟一樣跳動(dòng)。它目前能做到“收縮”，但是還無(wú)法完成“泵血功能”的作用。，科學(xué)家也還需要研究怎樣擴(kuò)大規(guī)模，才有足夠的細(xì)胞組織做出真正人類大小的心臟。

該團(tuán)隊(duì)表示會(huì)先嘗試把打印的心臟移植到動(dòng)物身上，下一步才是人類。他們希望未來(lái)10年內(nèi)，全世界的ding尖醫(yī)院里都可以有一臺(tái)3D打印機(jī)，讓qi官打印得以成真、普及。