金屬的磁性怎么來的

為什么只有少數(shù)的金屬有磁性？

可以等價于問：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）？

這個得從金屬磁化的物理本質(zhì)說起：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，每個電子都在作循軌和自旋運動，物質(zhì)的磁性就是由于電子的這些運動產(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。對于金屬來說，金屬是由點陣的離子和自由電子構(gòu)成。在磁場的作用下電子運動會產(chǎn)生抗磁磁矩，與此同時，點陣的離子和自由電子會產(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增加時逐步向共價結(jié)合過渡，而共價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，這是因為這些元素的原子4f層或5d層沒有填滿，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)生強烈的順磁性。

2、金屬的鐵磁性

對于鐵磁性金屬來說，不大的外磁場便會使它強烈磁化，很容易被磁鐵吸附。

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

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

重新回到問題的起點，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，使得一個小區(qū)域內(nèi)的各個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，是目前國內(nèi)先進的龍頭企業(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（常見的有鎂、鋁、銅、鈦、奧氏體不銹鋼）的磁性很弱，無法形成明顯的SN兩極。

粉末冶金生胚強度

粉末冶金生胚強度的概念粉末冶金生坯強度是指冷壓的粉末壓坯的機械強度。粉末冶金零件生坯具有適當(dāng)?shù)膹姸仁潜匾?，以便壓坯從陰模中脫出和將其運送到燒結(jié)爐而不會損壞。業(yè)內(nèi)人士都知道混煉對喂料生產(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度。對于軟金屬，用較低的壓力即可生產(chǎn)出能夠進行搬運的壓坯。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，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)動機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)濟實用的，不過在其他方面也有待改進的地方。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。對粉末冶金生坯強度的這種解釋就將重點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度。這種較高的強度來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。對相互聯(lián)鎖現(xiàn)象的解釋仍然有爭議，但看起來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)計且不浪費材料。形狀復(fù)雜、尺寸較小及產(chǎn)量大，這些都是MIM的強項，使其在手表、手工工具、牙齒矯正支架、汽車發(fā)動機零件、電子密封、切削工具及運動器材中找到大量應(yīng)用。不過，制造鐵框在技術(shù)上并非易事。在早期開發(fā)中，使用傳統(tǒng)潤滑劑，諸如硬脂酸鋅與EBS臘等進行過生產(chǎn)試驗，生坯廢品率高達50%。目前，有通過用溫壓提高生坯密度和通過采用模壁潤滑減少或消除混合粉中的潤滑劑的方法來提高生坯強度。

荷蘭公司用金屬3D打印制造超級摩托車電機冷卻

荷蘭超級摩托車制造商Electric Superbike Twente與金屬3D打印公司K3D合作，為其電動自行車的電機生產(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)，開始出現(xiàn)在本次粉末冶金展，并且是由我國業(yè)者獨創(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)品開發(fā)中，他們意識到使用傳統(tǒng)技術(shù)生產(chǎn)的電機冷卻外殼并不適合高性能摩托車，因此雙方在設(shè)計第二輛電動摩托車后不久就開始合作。

傳統(tǒng)制造的局限性

超級摩托車團隊的技術(shù)經(jīng)理Feitse Krekt 評論說：“首輛超級摩托車的冷卻外殼由多個部件組成，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氣、氨氣和真空，真空燒結(jié)能夠避免氣氛中的有害成分對粉末冶金零件造成污染等不利影響。而且另外一個問題是，由于車削過程，壁厚需要高于常規(guī)，我們無法盡可能高效地冷卻電動機。所以，電機的功率低于預(yù)期，有時需要放慢速度以使電動機不會過熱?！?

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

△用于生產(chǎn)冷卻外殼的metalFab1 3D金屬打印機

K3D的首席技術(shù)官Jaap Bulsink解釋說，使用K3D生產(chǎn)的部件使他們能夠享受傳統(tǒng)制造技術(shù)無法提供的設(shè)計自由，“由于采用薄壁設(shè)計，內(nèi)部通道具有zui佳的冷卻性能，只有金屬3D打印才能實現(xiàn)極佳設(shè)計自由度。一、陽極氧化陽極氧化：主要是鋁的陽極氧化，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)計重量最輕。該部件打印非常準(zhǔn)確，無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，然而不像其他競爭的工藝，可控的織構(gòu)可能對成本沒有什么影響?？偛课挥诘聡腂igRep已經(jīng)制造出功能齊全的3D打印電動摩托車，但該自行車僅用于設(shè)計目的，目前還不是一種可行的商業(yè)產(chǎn)品。另外，寶馬今年早些時候推出了3D打印概念車架，用于BMW S1000RR運動自行車。

電動超級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行測試并最終曝光。

科學(xué)家3D打印出1顆完整的小心臟

據(jù)報道，以色列科學(xué)家運用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)出來后，因為各種原因，表面的光潔度相對比較粗糙，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）的研究團隊日前在Advanced Science期刊上發(fā)表研究成果顯示，他們成功運用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，經(jīng)過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，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)家的下一個挑戰(zhàn)，是教打印出來的心臟跟真的心臟一樣跳動。它目前能做到“收縮”，但是還無法完成“泵血功能”的作用。，科學(xué)家也還需要研究怎樣擴大規(guī)模，才有足夠的細(xì)胞組織做出真正人類大小的心臟。

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