第5章磁性材料-5-25

1,第5章 磁性材料,刘丽英,2,磁性是物质的基本属性之一。 在外磁场作用下，各种物质都呈现出不同的磁性。,引言,3,无论是电子技术、电力技术、通信技术、还是空间技术、计算技术、生物技术，乃至家用电器，磁学和磁性材料都是不可缺少的重要部分。 从1902年P.塞曼和H.A.洛伦兹获得诺贝尔奖，到1998年华裔的崔琦先生获诺贝尔物理学奖，至少有24次诺贝尔奖得主在磁学领域作出了杰出的贡献；,引言,4,公元前2500年我国已有磁性指南司南的记载，其开创了人类对磁学和磁性材料研究的先河。,引言,5,磁性材料是功能材料的重要分支； 磁性元器件具有转换、传递、处理信息、存储能量、节约能源等功能。 应用于能源、电信、自动控制、通讯、家用电器、生物、医疗卫生、轻工、选矿、物理探矿、军工等领域，尤其在信息技术领域已成为不可缺少的组成部分。 信息化发展的总趋势是向小、轻、薄以及多功能、数字化、智能化方向发展；要求磁性材料制造的元器件不仅大容量、小型化、高速度，而且具有可靠性、耐久性、抗振动和低成本的特点。,引言,6,磁性材料分类,按磁性能差异来划分: 软磁材料 永磁材料 压磁材料 旋磁材料 磁光材料 按导电性差异来划分: 金属磁性材料 铁氧体磁性材料,7,磁性的来源： 从电磁学知识可知，运动着的电荷会在其周围产生磁场。物质的磁性现象与物质结构中各种形式的电荷运动分不开。考察物质中电荷的运动方式，可将物质的磁性来源分为两个方面，即电子磁矩和原子核磁矩。由于原子核磁矩很小，仅约电子磁矩的1/2000，可忽略不计，因此，电子磁矩就是物质磁性的主要来源。,5.1 材料的磁性,8,磁性的来源： 由电子运动所产生的磁矩称为电子磁矩。 由电子轨道磁矩和电子自旋磁矩两部分组成。 一般磁性材料的电子自旋磁矩要比电子轨道磁矩大，这是因为在晶体中，电子轨道磁矩受晶格场的作用（即晶体中原子的联合作用），其方向是不断变化的，不能形成一个联合磁矩（即所谓轨道角动量和轨道磁矩的“猝灭”或“冻结”。 /i?ct=503316480&z=0&tn=baiduimagedetail&ipn=d&word=电子磁矩&step_word=&pn=4&spn=0&di=68544893670&pi=&rn=1&is=0%2C0&istype=undefined&ie=utf-8&oe=utf-8&in=25107&cl=2&lm=-1&st=-1&cs=3289816387%2C3773929375&os=3918482064%2C4008970810&adpicid=0&ln=1879&fr=%2C&fmq=1429666827169_R&ic=0&s=undefined&se=1&sme=0&tab=undefined&width=&height=&face=undefined&ist=&jit=&cg=&bdtype=0&objurl=http%3A%2F%2F%2Fforum%2Fmpic%2Fitem%2F69d632f2034265a50b46e0b4.jpg&fromurl=ippr_z2C%24qAzdH3FAzdH3Fptjkw_z%26e3Bkwt17_z%26e3Bv54AzdH3FrAzdH3F8d9nm8dmab,5.1 材料的磁性,9,磁性的来源： 因此，很多固态物质的磁性，主要不是由电子轨道磁矩引起的，而是来源于电子的自旋磁矩。由此可见，电子自旋磁矩在一定条件下是物质内部建立起磁性的根源。,5.1 材料的磁性,10,物质的原子结构与磁性： 一些物质，如Fe, Co, Ni等在外磁场作用下，能显示出较强的磁性。而另一些物质，如Zn等却没有磁性。导致这种现象的产生，是由于物质内部的原子结构及原子中电子的分布而引起的。,5.1 材料的磁性,11,物质的原子结构与磁性： 量子力学观点认为：电子在原子中的分布必须服从两个原理，即泡利不相容原理和能量最低原理。 泡利原理是指原子中各个电子都处于不同的状态，原子中不能有两个电子处于同一状态；,5.1 材料的磁性,12,物质的原子结构与磁性： 能量最低原理是指在不违背泡利原理的条件下，电子趋向于占有最低能级，使原子的能量最低而处于稳定状态。,5.1 材料的磁性,13,物质的原子结构与磁性： 根据上述规律，下面以Fe为例，简要说明铁磁性来源。 铁原子有26个电子，它们在各壳层上的填充方式（组态）为1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 3d6, 4s2，其中未填满的次壳层是3d层。 d层共有5个不同方向的轨道，每个轨道可容纳两个自旋相反的电子。,5.1 材料的磁性,14,物质的原子结构与磁性： 根据上述规律，下面以Fe为例，简要说明铁磁性来源。 所以d层可填充10个电子，现在只填了6个电子，这6个电子在填充时，先在5个轨道上分别填上一个电子，这5个电子的自旋方向相互平行（这样的能量最低），然后再填充其余的电子，这些电子的自旋方向与先填的5个电子相反。,5.1 材料的磁性,15,物质的原子结构与磁性： 根据上述规律，下面以Fe为例，简要说明铁磁性来源。 所以铁原子3d层上的6个电子分布应该是,5.1 材料的磁性,16,物质的原子结构与磁性： 箭头代表电子磁矩的方向，相反箭头代表两个自旋方向相反的电子磁矩。因为每个电子的自旋磁矩在外磁场方向上的分量是一个玻尔磁子B，所以Fe原子来抵消的自旋磁矩应该是SH=5 B- B=4 B。,5.1 材料的磁性,17,物质的原子结构与磁性： 与此类似，Co, Ni等原子的3d层也没有被填满，但Zn原子的各壳层都已被填满。没有填满的3d层电子所产生的自旋磁矩是Fe, Co, Ni原子磁性的主要来源。,5.1 材料的磁性,18,物质的原子结构与磁性： 并不是所有未被填满电子的原子都会显示出铁磁性，如Cu, Cr, V以及所有的镧系元素都有未被填满的电子层，但上述三个元素以及除钆（Gd）和一些重稀土元素以外的所有镧系元素，都不会显示出铁磁性。,5.1 材料的磁性,19,严格地说，自然界任何宏观物体都具有某种程度的磁性，在磁场作用下均能发生磁化。 材料的磁性是由其构成的原子、分子或离子的电子在核外轨道运动和本身自旋产生的。 原子结构和磁性的关系可归纳如下： (1) 物质的磁性来源于电子的自旋和轨道运动； (2) 原子内电子轨道具有未填满的电子是物质有磁性必要条件； (3) 电子的“交换作用”是物质具有磁性的重要条件。（处于不同原子间，未被填满壳层上的电子所发生的特殊相互作用）,5.1 材料的磁性,20,磁化强度M：描述物质磁性强弱和磁化状态的物理量，即单位体积内的总磁矩。 磁化率 （或相对磁化率）：将物体置于外加磁场H中，物体就磁化了，其磁化强度M与磁场强度H有如下关系： M= H,5.1 材料的磁性,21,按材料磁化率大小和符号来划分: 抗磁性 顺磁性 铁磁性 反铁磁性 亚铁磁性 其中，铁磁性物质和亚铁磁性物质属于强磁性物质， 一般所说的磁性材料都是指这两类物质。,5.1 材料的磁性,22,按材料磁化率大小和符号来划分:,5.1 材料的磁性,23,. 抗磁性 有些材料在受到外加磁场H的作用后，其感生的磁化强度M跟 的方向相反，即 。 | |很小，约为10-5数量级， 不随温度而改变。 常见的抗磁性物质：惰性气体；许多有机化合物；部分金属 （Bi、Zn、Ag等）和非金属（S、P、Si等）,5.1 材料的磁性抗磁性和顺磁性,24,. 抗磁性 上述物质的原子或离子的电子壳层都是填满的，故它们的原子磁矩等于零。若其原子磁矩不为零，则由原子组成的分子的总磁矩为零，对外不表现宏观磁性。但在磁场作用下，电子的轨道运动就会发生相应的变化，出现一个与外磁场方向相反，但数值很小的感应磁矩。这种现象称为抗磁性。 /jp2005/25/pcai/p03/ch02/pch08/html/content/bchbnr.html,5.1 材料的磁性抗磁性和顺磁性,25,. 抗磁性 物质的抗磁性可用楞次定律来解释。 根据楞次定律，电子轨道中的磁通量有保持常值的趋势，当受到外磁场作用时，由于电子轨道中磁通量的增加，就要产生感应电流。这个感应电流要产生一个和外磁场方向相反的附加磁场以维持轨道中的磁通量不变。由此可见，抗磁性是普遍存在于一切物质之中的，只是由于磁场感生磁矩很小，故只有当原子、离子或分子的固有磁矩为0时，物质的抗磁性才能发觉。,5.1 材料的磁性抗磁性和顺磁性,26,. 顺磁性 有些材料在受到外加磁场H的作用后，其感生的磁化强度M跟 的方向相同，即 。 很小，约为10-3-10-6数量级，呈微弱磁性。,27,. 顺磁性 与温度服从居里定律： =C/T 或居里-外斯定律： =C/(T-Tp) -C为居里常数；T为热力学温度； Tp为临界温度，称为顺磁居里温度。,5.1 材料的磁性抗磁性和顺磁性,28,. 顺磁性,5.1 材料的磁性抗磁性和顺磁性,29,2. 顺磁性 常见的顺磁性物质：稀土金属；铁族元素的盐类（如Li、Na、K、Rh等）；在居里温度以上的铁磁元素，如（Fe、Ni、Co）等。,5.1 材料的磁性抗磁性和顺磁性,30,2. 顺磁性 顺磁性物质的原子或分子都具有未填满的电子壳层，故都具有未被抵消的电子磁矩，从而有一个固有的总磁矩。但这些物质的原子或分子磁矩之间相互作用十分微弱，热运动很易使原子或分子磁矩的方向杂乱无章，对外作用相互抵消，物体在宏观上不表现磁性。然而，在外磁场作用下，原子或分子磁矩便微弱地转向外磁场方向排列，由此而对外显示出微弱的磁性。 /jp2005/25/pcai/p03/ch02/pch08/html/content/bchbnr1.html,5.1 材料的磁性抗磁性和顺磁性,31,3. 铁磁性 有一类材料在一定温度以下，只要很小的外加磁场作用就能被磁化到饱和， 0。 约为101-106数量级，呈强磁性。 工业技术中广泛使用的磁性材料主要是铁磁性材料。,5.1 材料的磁性铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性,32,3. 铁磁性 在没有外磁场的情况下，铁磁质中电子自旋磁矩可在小范围内“自发地”排列起来，形成一个个小的“自发磁化区域”称为磁畴，在没有外磁场作用时，各磁畴中分子磁矩取向各不相同。,5.1 材料的磁性5.1.2铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性,33,3. 铁磁性 磁畴的这种排列方式使磁铁处于能量最小的状态，因此没有磁化的铁磁质各磁畴的矢量之和相互抵消，对外不显磁性。 磁畴之间的界面即称为磁畴壁。,5.1 材料的磁性5.1.2铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性,34,3. 铁磁性 铁磁性材料的主要特征有如下几个： 很易磁化，在不强的磁场下就可磁化到饱和状态，且相应的饱和磁化强度很高。,5.1 材料的磁性5.1.2铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性,35,3. 铁磁性 铁磁性材料的主要特征有如下几个： (2) 铁磁性物质的磁化强度和外磁场不呈线性关系，当反复磁化时，磁化强度与磁场强度的关系是一闭合曲线，称为磁滞回线。,5.1 材料的磁性5.1.2铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性,36,3. 铁磁性 铁磁性材料的主要特征有如下几个： (3) 铁磁性物质的磁性与温度有关。当温度增加时，磁化强度逐渐减小。存在一转变温度Tp ，当T Tp 时，铁磁性消失，转变为顺磁性。,5.1 材料的磁性5.1.2铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性,37,3. 铁磁性 对于铁磁性物质的上述各特点，外斯在20世纪初便提出了他的理论假设。 外斯的理论假设： 铁磁物质中包括有许多小的区域，即使没有外磁场，他们自身就具有磁化强度，称为自发磁化强度。,5.1 材料的磁性5.1.2铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性,假设一,38,3. 铁磁性 外斯的理论假设： 整个铁磁物质的磁化强度就是各个区域的自发磁化强度的矢量和。没有外磁场时，各个区域的自发磁化强度的矢量取向是混乱的，其矢量和一般为零。在外加磁场作用下，各区域的磁化强度量就会逐步改变方向而趋于一致，使物体的磁化得到饱和状态。,5.1 材料的磁性5.1.2铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性,假设一,39,3. 铁磁性 外斯的理论假设： 这些具有自发磁化的小区域称为磁畴。 可认为磁畴结构起源于能量最小原理，是磁性物质内各种能量矛盾统一的结果。,5.1 材料的磁性5.1.2铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性,假设一,40,3. 铁磁性 磁畴内的自发磁化是由于晶体中有很强的内场产生的。铁磁物质中各原子的磁矩在内场的作用下，克服热运动的影响而趋于互相平行取向，因而产生自发磁化。当温度升高，热运动对磁矩平行取向的破坏作用加强，直至温度升高到一个临界温度（居里温度Tc)时，内场对磁矩的取向作用完全被破坏，铁磁物质便进入顺磁状态。,5.1 材料的磁性5.1.2铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性,假设二,41,3. 铁磁性 铁磁性与顺磁性的根本区别在于： 铁磁性材料内存在自发磁化，而顺磁性材料内则无此现象。,5.1 材料的磁性5.1.2铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性,42,具有铁磁性的元素不多，但具有铁磁性的合金和化合物却种类繁多。 表5.1 具有铁磁性的元素及临界温度,5.1 材料的磁性5.1.2铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性,43,4. 反铁磁性 是由于原子或离子磁矩平行排列，两种相反方向的磁矩正好抵消，结果总磁矩为零造成的，这种排列也是自发进行的。,5.1 材料的磁性5.1.2铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性,44,4. 反铁磁性 反铁磁性物质存在一个临界温度TN，称为奈尔温度，即为反铁磁物质的反铁磁性与顺磁性的转变点。,5.1 材料的磁性5.1.2铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性,45,4. 反铁磁性 当TTN 时，呈顺磁性；当T=TN时， 出现极大值。 属于反铁磁性的材料有过渡族元素 的盐类及化合物（如MnO、CrO、 CoO等）。 其宏观磁性等于零，只有 在很强的外磁场作用下才 呈现出微弱磁性。,5.1 材料的磁性5.1.2铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性,46,5. 亚铁磁性 是反铁磁性的一个变种，其内部的原子磁矩之间存在着反铁磁相互作用，只是两种相反平行排列的磁矩大小不同，导致了一定的自发磁化。所以亚铁磁性和铁磁性相似，亦具有以自发磁化为基础的强磁性和磁滞现象等磁化特征。 铁氧体就是典型的亚铁磁性材料。,5.1 材料的磁性5.1.2铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性,47,铁磁性和亚铁磁性属于强磁性，电子材料中的磁性材料，就是指具有这种强磁性的材料。 一般来说，亚铁磁性物质的Ms比铁磁性物质的低。,5.1 材料的磁性5.1.2铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性,48,5.1 材料的磁性5.1.2铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性,49,6. 磁化曲线 了解磁性材料在磁化过程中的主要特性，是进一步提高磁性材料的质量，扩大应用范围的前提。 磁性材料在外磁场作用下，其内部结构发生变化的过程称为磁化过程。,5.1 材料的磁性5.1.3 磁化曲线和磁滞回线,50,6. 磁化曲线 在磁化过程中，材料所表现出来的磁特性称为磁化特性。 磁性材料在未经磁化前，各个磁畴中磁矩的取向是不相同的，材料对外不呈现磁性，即M为零。当磁性材料置于外磁场中，在外加磁场作用下，这些磁畴通过畴壁的移动和磁矩的转向，将在沿外磁场方向产生一定的磁化强度，使材料呈现出宏观磁性。随外加磁场增大，磁化强度也逐渐增加，最终趋于饱和，这一过程称为技术磁化，通常简称为磁化。,5.1 材料的磁性5.1.3 磁化曲线和磁滞回线,51,6. 磁化曲线 在磁化过程中，材料中磁化强度的改变是借助于畴壁位移和磁矩转向这两个基本过程来完成的。,5.1 材料的磁性5.1.3 磁化曲线和磁滞回线,52,6. 磁化曲线 磁化曲线表示的是磁场强度H与所感生的磁感应强度B或磁化强度M之间的关系。,5.1 材料的磁性5.1.3 磁化曲线和磁滞回线,53,7. 磁滞回线 磁性材料从磁中性状态开始，在均匀而又逐渐循序增加的磁场作用下，磁化强度M随外磁场H的变化关系，常称为初始磁化曲线。 随着H提高，M逐渐趋于一个确定的Ms值，称为饱和磁化强度。（Bs饱和磁感应强度，工程上的习惯说法而已）,5.1 材料的磁性5.1.3 磁化曲线和磁滞回线,54,7. 磁滞回线,5.1 材料的磁性5.1.3 磁化曲线和磁滞回线,55,7. 磁滞回线 磁性材料从磁中性状态开始，在均匀而又逐渐循序增加的磁场作用下，磁化强度M随外磁场H的变化关系，常称为初始磁化曲线。 当磁性材料磁化到饱和后，将H减到零，则磁感应强度B（或磁化强度M）也将随之减少。由于材料内部存在各种杂质和不规则应力所产生的摩擦性阻抗，使B（或M）不能回到零，而沿另一条曲线回到Br（或Mr）， Br（或Mr）就称为剩余磁感应强度（或剩余磁化强度）。 两者简称剩磁。,5.1 材料的磁性5.1.3 磁化曲线和磁滞回线,56,7. 磁滞回线 如果要使B减到零，必须加上强度足够大的反向磁场，这样的磁场强度称为矫顽力，用BHc表示； 同样，在饱和磁化状态下，使磁化强度M减到零时的磁场强度称为内禀矫顽力，用MHC表示。 MHC总是大于BHc。,5.1 材料的磁性5.1.3 磁化曲线和磁滞回线,57,7. 磁滞回线 矫顽力的物理意义是表征材料在磁化之后保持磁化状态的能力，也是划分软磁、永磁、半永磁材料的一个依据。 通常将BHC81038105Am-1的材料称为永磁材料， BHC介于两者之间的材料称为半永磁材料。,5.1 材料的磁性5.1.3 磁化曲线和磁滞回线,58,7. 磁滞回线 继续加大反向磁场H，材料中的B和M将反转方向，当H=-Hm时，材料在反方向磁化饱和； 如果在反向饱和磁化状态，将反向磁场减到零，再逐渐增加正向磁场，则磁感应强度B也会由-BsBr0-+Bs，即回到原来的正向饱和状态。 同理，磁化强度M也会由-Ms-Mr0-+Ms，回到原来的正向饱和状态。 B和M随H变化所形成的闭合曲线称为磁滞回线。,5.1 材料的磁性5.1.3 磁化曲线和磁滞回线,59,7. 磁滞回线 磁滞回线形成的根本原因在于磁性材料的不可逆磁化。 一般磁性材料都有相应的磁滞回线， 但由于磁特性的不同，其磁滞回线 的形状也有很大的差异。常用的软 磁材料与硬磁（永）磁材料的磁滞 回线比较图。,5.1 材料的磁性5.1.3 磁化曲线和磁滞回线,60,8. 基本磁化曲线,5.1 材料的磁性5.1.4基本磁化曲线,61,8. 基本磁化曲线 将磁性材料在不同大小的磁场下反复进行磁化，可得到一族相对于原点对称的磁滞回线，称为正常磁滞回线。 其中磁化达到饱和状态的正常磁滞回线称为饱和磁滞回线。 联接这族回线的顶点，所得的曲线为正常磁化曲线或称基本磁化曲线。,5.1 材料的磁性5.1.4基本磁化曲线,62,8. 基本磁化曲线 正常磁化曲线和初始磁化曲线在外型上基本一致，初始磁化曲线虽能较精确地反映材料的磁化状态与外磁场的关系，但实验条件较严，不易准确获得。正常磁化曲线虽较粗糙，但却容易测得，因而使用意义较大，应用也较为广泛。,5.1 材料的磁性5.1.3 磁化曲线和磁滞回线,63,一般常把容易磁化和退磁的磁性材料称为软磁材料。 磁滞回线窄而长，起始磁导率高，矫顽力小。在较低的外磁场下就能够产生高的磁感应强度，并随着外磁场的增大很快达到饱和，当外磁场去除后，其磁性也基本消失。,5.2 软磁材料5.2.1 特性,64,有二大方面的应用： 1.强电流器件:一般在准静态或低频，大电流下使用；如电磁铁，功率变压器，电机等的铁芯。 2.弱电流器件:一般在频率较高，弱电流下使用。如通讯设备中接收天线线圈的磁芯，电子线路中的小变压器铁芯等。 按电阻率的不同，软磁材料可分为： 金属软磁材料：由于电阻率低主要应用于频率较低的场合； 铁氧体软磁材料：在频率较高的场合被广泛应用。,5.2 软磁材料5.2.1 特性,65,磁化曲线是确定软磁材料工作点的依据，在曲线上任何一点的B与H之比，就是磁导率=B/H。根据B-H曲线关系，可绘制出-H曲线。 m最大磁导率； i初始磁导率。,5.2 软磁材料5.2.1 特性,66,软磁材料一般要求有高的值。在一定的磁场强度下， 值越到，传递等量磁通所需要的材料越少。 i 是在低磁场下使用时软磁材料的一个重要参量，当磁场极低时， i更能恰当反映出材料在工作情况下的磁性能。,5.2 软磁材料5.2.1 特性,67,总的说来，衡量软磁材料性能优劣的主要参数是起始磁导率（ i ）、磁损耗（tan）、温度稳定性（）减落（D）、磁老化（I）以及截至频率（fr）在低磁场下使用时软磁材料的一个重要参量，当磁场极低时， i更能恰当反映出材料在工作情况下的磁性能。,5.2 软磁材料5.2.1 特性,68,1. 起始磁导率i 处于交变磁场中的软磁材料，其磁导率成为复数 =-j -表征储能特性， 表征能量损耗特征。 材料的i越高，则在相同电感量要求下，器件体积可以越小，线圈匝数也可减小，并且起始磁导率越高，越有利于减小漏磁。 通常把i作为软磁材料的基本特性参数之一，是一个没有量纲的系数。,5.2 软磁材料5.2.1 特性,69,2. 磁损耗 处于交变磁场中的软磁材料由于存在不可逆磁化，使得磁感应强度B滞后于外加交变磁场H，滞后角为，从而导致软磁材料在储存能量的同时也会损耗能量，用tan 来表征这种磁损耗tan / 交变磁场中软磁材料的损耗主要由三方面组成: 磁滞损耗、涡流损耗、剩余损耗,5.2 软磁材料5.2.1 特性,70,2. 磁损耗 磁滞损耗：是铁磁体等在反复磁化过程中因磁滞现象而消耗的能量。 涡流损耗：导体在非均匀磁场中移动或处在随时间变化的磁场中时，导体内的感生的电流导致的能量损耗。 剩余损耗：剩余损耗指除了涡流损耗和磁滞损耗以外的其他所有损耗。它是由具有不同机制的磁弛豫过程所导致的。在低频和弱磁场中，剩余损耗主要是磁后效损耗，且与频率无关。高频下剩余损耗主要包括尺寸共振、畴壁共振和自然共振等引起的损耗。在铁氧体中剩余损耗占优势。,5.2 软磁材料5.2.1 特性,71,3. 温度稳定性 用温度系数表示，定义为由于温度的改变而引起的被测量的相对变化与温度变化之比。 最常用的是磁导率的温度系数。 =( - ref)/ ref(-ref) (-1) 温度为时的漏导率； ref 温度为ref时的漏导率,5.2 软磁材料5.2.1 特性,72,. 磁导率的减落 软磁材料尤其是铁氧体软磁材料在受到外加的电、磁、光、热和机械等冲击后，畴壁易于移动，表现出较高的磁导率，当冲击停止后一段时间内，离子或空位在自发磁化的影响下将逐渐向低能态的稳定状态迁移，导致磁导率下降。这种磁导率随时间的减落是一种可逆变化，是材料的不稳定性之一。,5.2 软磁材料5.2.1 特性,73,5. 磁老化 软磁材料的磁性能随时间增长而不断下降，其原因除减落之外，还可能出现由于材料结构变化而引起的不可逆变化，称之为磁老化，用老化系数Ia表示： Ia(1- 2)/ 1 -1、2分别为老化前后测得的磁导率。,5.2 软磁材料5.2.1 特性,74,5. 磁老化 老化系数的大小跟材料值和制造工艺有关。一般地说，高材料的老化系数较大。如果采用高温淬火工艺制造的软磁材料，则由于保持了高温状态下的一些结构，故有一个向稳定状态过渡的过程，从而造成老化现象较严重。,5.2 软磁材料5.2.1 特性,75,6. 截止频率 软磁材料畴壁共振及自然共振的影响，使软磁材料的值下降为起始值的一半，且 达到峰值时的频率，称为截止频率fr，它与材料的组成和显微结构有关。 各类软磁材料的截止频率fr不同，其应用频率上限显然与fr有关，截止频率越高则应用频率的上限越高。,5.2 软磁材料5.2.1 特性,76,5.2 软磁材料5.2.2 铁氧体,1. 晶体结构与金属离子的分布 铁氧体是铁和其他一种或多种适当的金属元素的复合氧化物，其磁性来源于被氧离子所分隔的磁性金属离子间的超交换相互作用，它使处于不同晶格位置上的金属磁矩反向排列，当相反排列的磁矩不相等时，表现出强磁性。铁氧体的基本特性与晶体结构、化学键及离子分布密切相关。,77,5.2 软磁材料5.2.2 铁氧体,晶体结构与金属离子的分布 铁氧体的晶体结构有三大类： 尖晶石型：软磁材料； 磁铅石型：永磁材料； 石榴石型：旋磁材料。,78,5.2 软磁材料5.2.2 铁氧体,晶体结构与金属离子的分布 尖晶石型软磁材料的通式为AB2O4：其中A、B为金属离子。 A为二价金属离子（如Mn2+、Ni2+ 、Zn2+ 、Mg2+ 、Co2 + 、Fe2+等）； B为三价Fe3+离子，可部分由Al 3+或者Cr3+取代。 实际尖晶石铁氧体常为多元（复合）铁氧体，有三种或三种以上的金属离子。,79,5.2 软磁材料5.2.2 铁氧体,2. 尖晶石铁氧体的磁晶各向异性及磁致伸缩 晶体磁化的难易程度跟它的对称性相关联的现象称为磁晶各向异性。 产生磁晶各向异性的原因是自旋-轨道的耦合与晶体电场的联合效应。原子核与电子的相对运动所产生的磁场，迫使电子自旋倾向于取垂直于运动轨道平面的方向，而当离子处于晶体中时，晶体电场又将电子的轨道运动约束在一定的方向，这种自旋-轨道-晶场联合作用的结果，导致离子的磁矩相对于晶轴的取向具有不同的能量，其宏观表现就是磁晶各向异性。 Ki是磁晶各向异性常数。,80,5.2 软磁材料5.2.2 铁氧体,2. 尖晶石铁氧体的磁晶各向异性及磁致伸缩 磁性体磁化状态的变化引起其形状、尺寸改变的现象称为磁致伸缩效应，用磁致伸缩系数表征。 当0时，材料具有正磁致伸缩特性；当0时，材料具有负磁致伸缩特性；当磁化达到饱和时， 趋于饱和磁致伸缩系数s，约为10-5-10-6。 软磁材料中总是因存在着杂散的内应力，而影响磁特性，因此，在铁氧体软磁材料中，应尽量避免无规内应力的产生，同时要在配方上努力使s趋于零。,81,2. 尖晶石铁氧体的磁晶各向异性及磁致伸缩 磁致伸缩的微观物理本质： 由于晶格中离子的电子云为非球面对称，当自旋方向改变时，因自旋-轨道的耦合，电子云的状态将随之变化，因此离子间的作用力在晶格的不同方向发生变化，有的变强，有的变弱，结果引起晶格形变，对整个晶格而言，则表现出伸长或缩短。与磁晶各向异性在微观机制上有共同之处，都与晶场对轨道角动量的猝灭状态有关。,5.2 软磁材料5.2.2 铁氧体,82,3. 常用铁氧体材料MnZn铁氧体 主要用于10MHz以下的低频段。 组分的摩尔分数如下：Fe2O3为(50-55)%； MnO为(22-35)%； ZnO为(10-28)%； 添加剂的数量和种类及材料的显微结构对性能有重要的影响。,5.2 软磁材料5.2.2 铁氧体,83,5.2 软磁材料5.2.2 铁氧体,3. 常用铁氧体材料NiZn铁氧体 由于电阻率可达108m， Bs可高至0.5T，HC可小到10Am-1，且容易实现大s，高频损耗小，适用于高频（1-300)MHz。 居里点较MnZn铁氧体的高，所以适合于高频大功率以及磁致伸缩器件等场合。 组分的摩尔分数如下：Fe2O3约为50%； ZnO为(0.5-38)%； 其余为NiO。 P330 表 8.2.8 部分MnZn和NiZn铁氧体性能参数,84,5.2 软磁材料5.2.3 金属软磁材料,1. 工业纯铁（工程纯铁或电工纯铁，） 金属软磁材料性能好，种类多，是磁性材料中应用最广的一类。其此特性取决于它的成分和结构，因此，制备工艺对金属软磁材料的性能有重要的影响。,85,5.2 软磁材料5.2.3 金属软磁材料,1. 工业纯铁 实质上是一种含有少量杂质（如C、等）的合金，其中Fe含量在99.95%以上。杂质原子占据铁原子之间的间隙位置，导致晶格畸变，产生内应力，极大地影响材料性能。,86,5.2 软磁材料5.2.3 金属软磁材料,1. 工业纯铁（工程纯铁或电工纯铁） 该类材料的饱和磁感应强度Bs=2.15T，居里温度Tc=770，最大磁导率m约为。作为恒稳磁场中的磁导体（如磁极）以及屏蔽材料是非常优异的。 但电阻率低，=0.1 10-6(m)，限制了在交变磁场中的应用。,87,5.2 软磁材料5.2.3 金属软磁材料,1. 工业纯铁（工程纯铁或电工纯铁） 常用真空熔炼、区域提纯以及氢气退火等方法降低其杂质含量。,88,5.2 软磁材料5.2.3 金属软磁材料,2. 铁硅合金（硅钢片、电工钢片） Si以替代式原子存在于铁合金之中，一般含量w(Si)为(3.5-4)%。Si加入带来的主要好处如下： （）磁滞损耗下降，值升高，这是由于Si的加入下降了磁晶各向异性（K1）和磁滞伸缩系数（s），并可导致晶粒长大的缘故。当w(Si)为6.5% 时，磁滞损耗最小。 （）电阻率上升，涡流损耗下降。图.,89,5.2 软磁材料5.2.3 金属软磁材料,2.铁硅合金（硅钢片、电工钢片） （）Si的加入可使FeSi合金的老化现象减少。这是因为Si可使合金中的C以石墨化状态存在，还可与合金中的氧合成SiO2，使合金脱氧。 Si的加入也会带来一些缺点，主要有： （）使材料Ms及居里温度Tc下降； （）使材料硬度提高，延伸率及韧性降低，因而加工困难。,90,5.2 软磁材料5.2.3 金属软磁材料,2.铁硅合金（硅钢片、电工钢片） 在FeSi合金的制备工艺中，应重视的是退火和磁性织构化。 退火的目的是消除应力和去除杂质，分为普通退火（800900)和高温退火（10501200)。高温退火必须在真空中或保护气氛（如H2、N2）下进行。,91,5.2 软磁材料5.2.3 金属软磁材料,2.铁硅合金（硅钢片、电工钢片） 磁性织构化是将已经退火的FeSi合金在700、796Am-1的磁场下处理1h，然后缓慢冷却。所获得的合金材料在磁场处理的方向上，m可提高1.5-2.0倍，损耗可降低约10%。,92,5.2 软磁材料5.2.3 金属软磁材料,3.铁镍合金（坡莫合金、巨姆合金） 指Ni的质量分数w(Ni)=35-90)%的Ni-Fe系二元合金或添加Mo、Cu、Cr等元素的多元系合金。 这种合金在弱磁场下具有非常高的磁导率，并且很容易进行机械加工，主要缺点是饱和磁感应强度不如FeSi合金高，而且价格较贵。,93,5.2 软磁材料5.2.3 金属软磁材料,3.铁镍合金（坡莫合金、巨姆合金） 热处理工艺条件、元素添加对FeNi合金的性能有重要影响。 实验表明，对w(Ni)为78.5%的Ni-Fe合金进行淬火（600）处理，最接近于k1=0,s=0的条件，这也就是w(Ni)为78.5%的Ni-Fe合金具有高磁导率的原因，此时，Ni:Fe(mol比）=3.48:1，i达10000。,94,5.2 软磁材料5.2.3 金属软磁材料,4. 磁介质,95,5.2 软磁材料5.2.3 金属软磁材料,5. 金属软磁薄膜材料 为了能充分利用金属软磁材料具有的高Bs，高Tc和高等特性，以及能提高工作频率的特点，采用真空镀膜、溅射以及电镀沉积等技术制备金属软磁薄膜材料。其厚度约为数百埃至数微米，不但可制成薄膜叠层磁芯，提高其应用频率，而且更重要的是发现了许多金属软磁薄膜材料所特有的性能，其中尤其以FeAlSi合金薄膜和磁阻合金薄膜显得更为重要。,96,5.2 软磁材料5.2.3 金属软磁材料,5. 金属软磁薄膜材料-FeAlSi合金薄膜 主要作为高密度磁记录中的磁头材料。 合金成分：w(Si)为9.6%、w(Al)为5.4%，其余为Fe。 该合金薄膜起始磁导率超过30*103。 该合金薄膜的磁性能（i、Hc）一般要比块状材料差，其主要原因在于薄膜成分难以准确控制，以及内部表面的不均匀性较差两方面。,97,5.2 软磁材料5.2.3 金属软磁材料,5. 金属软磁薄膜材料-FeAlSi合金薄膜 不管采用哪种制备方法，其性能都受工艺因素的影响很大。 通过适当的热处理，可以显著改善薄膜的磁性能。对于蒸镀法制备的FeAlSi薄膜，图8.2.17示出了Hc和随热处理时间的变化。 由图可见，随着热处理时间的增长，薄膜的不均匀性得以改善，应力下降，故而导致磁导率上升，矫顽力下降。这种效应在热处理初期尤为明显。,98,5.2 软磁材料5.2.3 金属软磁材料,5. 金属软磁薄膜材料-FeAlSi合金薄膜 电阻率比块材的要高：一方面由于晶界作为绝缘层在起作用，从而提高了薄膜的抗涡流能力；另一方面，薄膜的硬度也比块材要高，这是因为薄膜晶粒尺寸小、致密，从而硬度高、耐磨性好。因此，FeAlSi薄膜尤其适于用作高密度磁记录磁头材料。,99,与软磁材料相比，永磁材料经饱和磁化后具有高的矫顽力，磁滞回线的面积也比较大。 永磁材料：（又称硬磁材料或恒磁材料）是指材料被外磁场磁化后，去掉外磁场仍然保持着较强的剩磁的磁性材料。这类材料的剩余磁感应强度在周围空间产生磁场。,5.3 永磁材料5.3.1 特性,100,永磁材料的应用十分广泛。在所有应用永磁材料的装置中，都是利用永磁材料在特定的空间产生的磁场。常用来制作各种永久磁铁、扬声器的磁钢和电子电路中的记忆元件等。 显然，永磁体对一定大小的空间所能产生的磁强越强，就表明它的性能越好。,5.3 永磁材料5.3.1 特性,101,在所有应用永磁材料的装置中，都是利用永磁材料在特定的空间产生的磁场。 在空气隙较小时，永磁材料的Br越大，它所产生的磁场也越强。,5.3 永磁材料5.3.1 特性,102,常见的永磁材料有两大类： 金属永磁材料 铁氧体永磁材料,5.3 永磁材料5.3.1 特性,103,5.3 永磁材料5.3.1 特性,1. 剩余磁感应强度Br 表明永磁材料经外场磁化达饱和并除去外磁场后，在闭合磁路中所剩留的磁感应强度。 正是由于Br的存在，永磁材料才能在没有外磁场时对外保持一定的磁场。 对永磁材料来说，要求Br越大越好，一般要求Br 0.1特斯拉。,104,5.3 永磁材料5.3.1 特性,1. 剩余磁感应强度Br 与所有应用永磁材料的装置中，都是利用永磁材料在特定的空间产生的磁场。 在空气隙较小时，永磁材料的Br越大，它所产生的磁场也越强。,105,2. 矫顽力Hc 磁滞回线位于第二象限的那一段称为退磁曲线。定义退磁曲线上每一点的B和H的乘积（BH）为磁能积，表征材料内部储存的能量大小。,5.3 永磁材料5.3.1 特性,106,2. 矫顽力Hc 是表示把剩余磁感应强度Br减到 零时所需要的反向磁场。 因为永磁材料在应用时，总要在磁路中开一定大小的空气间隙，以便在其中产生磁场供为利用。由于这种空隙的存在，则必然在间隙两侧永磁体的表面上产生磁极。这种磁极在磁体内部产生一退磁场，其方向与原来磁化的外场相反，而且空气隙越大，退磁场越强。,5.3 永磁材料5.3.1 特性,107,2. 矫顽力Hc 因而，永磁体实际上并不是处在磁场H=0的状态（即Br点），而是处于一退磁场作用下的状态。由于退磁场是与原来的磁化反向的，所以永磁体实际上是工作在Br和Hc之间退磁曲线的某一点上。 因此，希望永磁体在退磁场作用下仍能保持高的Br，这就要求Hc要大。 Hc越大，就表示抵抗退磁场作用的能力越强，一般Hc大于103A/m。,5.3 永磁材料5.3.1 特性,108,3. 最大磁能积(BH)max 磁滞回线位于位于第二象限的那一段称为退磁曲线。 最大磁能积成为衡量材料性能好坏的重要参数：(BH)max 越大，永磁材料性能越好。,5.3 永磁材料5.3.1 特性,109,3. 最大磁能积(BH)max 最大磁能积越大，永磁材料单位体积中储存的磁能也越大（磁场能量密度Wm=BH/2），材料的性能也越好。 其直接的工业意义是磁能积越大，产生同样效果时所需磁材料越少。,5.3 永磁材料5.3.1 特性,110,3. 最大磁能积(BH)max 为使永磁材料具有大的(BH)max值，在提高材料的剩磁Br和矫顽力Hc的同时，还希望它具有矩形的退磁曲线。选用磁化强度大的材料可提高Br。通过晶格转变、析出硬化和有序晶格畸变等以产生和提高材料内应力，以及采用单畴颗粒则可提高矫顽力Hc。,5.3 永磁材料5.3.1 特性,111,4. 凸出系数 实际上，由于磁化强度M在反磁化过程中是逐渐减小的，因此便形成了退磁曲线的凸出形状。其凸出程度和磁能积大小密切相关，形状不同的退磁曲线，即使Br和BHc相同，其(BH)max也不同。退磁曲线的凸出程度越大，则(BH)max越大。,5.3 永磁材料5.3.1 特性,112,4. 凸出系数 定义凸出系数来表征退磁曲线的凸出程度： (BH)max/BrBHc 凸出系数趋于。,5.3 永磁材料5.3.1 特性,113,5. 回复磁导率rec D点是指永磁材料去掉磁化场后，由于退磁场的作用，剩磁B所处的位置（称为磁体工作点），磁性将不会沿退磁曲线回到Br。 因此，定义回复磁导率rec为： rec =B/ H=tg 回复磁导率rec趋于1。,5.3 永磁材料5.3.1 特性,114,. 稳定性 磁稳定性是衡量永磁体品质的主要因素之一。 永磁体的磁性随时间的延长和外界条件（如温度、机械振动或冲击以及与强磁性物质接触等）的作用而变化。 在上述因素影响下，引起永磁体组织结构和磁结构的改变而造成的磁感应强度不可逆的变化，通常用磁感应强度衰减率（简称衰减率）表示：,5.3 永磁材料5.3.1 特性,115,. 稳定性 =(Bm-Bm)/Bm*100% 式中： Bm 与Bm分别为永磁体受外界因素作用前与作用后的磁感应强度。一般是负值，即这种不可逆的变化常常反映为磁性能的下降，其绝对值愈小，说明材料的磁稳定性愈好。,5.3 永磁材料5.3.1 特性,116,. 稳定性 在实际应用中最重要的是温度稳定性。 磁感应温度系数B是指在工作温度范围内，剩余磁感应强度Br随温度变化的关系。 B=B/(BrT) 一般希望|B|越小越好，但有些应用中对|B|要求不高。,5.3 永磁材料5.3.1 特性,117,总结起来，对永磁材料的特性要求主要有： (1) 高Br; (2) 高Hc（包括MHc和BHc）； (3) 高(BH)max； (4)凸出系数趋于; (5) 回复磁导率rec趋于1; (6) 稳定性好（包括温度、磁场和时间的稳定性）。 P341 表8.3.1 部分永磁材料的性能,5.3 永磁材料5.3.1 特性,118,5.3 永磁材料5.3.2 金属永磁材料,. 析出硬化型永磁材料AlNiCo系合金 金属永磁材料可按不同的分类方法分为许多种类。 若按形成高矫顽力的机理来划分，可分为如下五类：淬火硬化型、析出硬化型、时效硬化型、有序硬化型、单畴微粉型。其中，淬火硬化型永磁材料由于性能差，已很少使用。,119,5.3 永磁材料5.3.2 金属永磁材料,. 析出硬化型永磁材料AlNiFe系合金 析出硬化型永磁材料包括AlNiCo系和AlNiFe系合金。 AlNiFe系合金主要成分的摩尔分数分别为： (Fe)55%-70%，(Ni)20-35%、(Al)10-16% 还可添加少量其他元素。,120,5.3 永磁材料5.3.2 金属永磁材料,. 析出硬化型永磁材料AlNiCo系合金 AlNiCo系是在AlNiFe系的基础上添加Co, Ti, Cu等元素发展起来的。 制造工艺有铸造和烧结两种。,121,5.3 永磁材料5.3.2 金属永磁材料,. 析出硬化型永磁材料AlNiCo系合金 AlNiCo系材料的剩磁较大，磁感应温度系数很小，居里温度高，其矫顽力和最大磁能积在永磁材料中可达中等以上水平，组织结构稳定，是目前电子工业中应用很广的一种永磁材料。,122,5.3 永磁材料5.3.2 金属永磁材料,. 析出硬化型永磁材料AlNiCo系合金 研究表明，高温固溶后的AlNiCo合金在900-870的控速冷却过程中，如果对合金外加磁场，即进行磁场热处理，则合金的磁滞回线将发生显著的变化，尤其是退磁曲线的突出系数明显提高，这是由于合金中形成了磁性织构的缘故。,123,5.3 永磁材料5.3.2 金属永磁材料,. 析出硬化型永磁材料AlNiCo系合金 影响磁场热处理效果的因素有三个： （）磁场热处理的有效温度范围； （）冷却速度； （）外加磁场大小。,124,. 析出硬化型永磁材料AlNiCo系合金 在实际应用中，AlNiCo合金有AlNiCo5和AlNiCo8两种。 AlNiCo5的成分的摩尔分数分别为：(Ni)14.5%、(Al)8% 、(Co)24% 、(Cu)3%，余下的是Fe的含量； AlNiCo8的成分的摩尔分数分别为：(Ni)14-15%、 (Al)7 % -8% 、 (Co)34% 、 (Cu)3%， (Ti)5%，余下的是Fe的含量。 通过适当的工艺措施或添加元素可改善材料的磁性能。,5.3 永磁材料5.3.2 金属永磁材料,125,2. 稀土永磁材料 自20世纪60年代起，已经历了三个阶段的发展： （1）20世纪60年代出现RCo5型第一代稀土永磁； （2）70年代出现的R2Co17型称为第二代。 是以稀土金属与过渡族金属形成金属间化合物为基的永磁材料。 永磁性能优良，具有高Bs、高Tc的优良特性。 第三代R-Fe-B稀土永磁出现于80年代，是当今磁能积最高的永磁材料，且成本较低。,5.3 永磁材料5.3.2 金属永磁材料,126,2. Nd-Fe-B永磁材料 Nd-Fe-B被称为第三代铁基稀土永磁。 由于其组成中不含Co，并且Nd的储量是Sm的10-16倍，故成本低。 其(BH)max已达407.6KJm-3，MHc=2244.7KA m-1， Br=1.48T，最高工作温度可达150。,5.3 永磁材料5.3.2 金属永磁材料,127,2. Nd-Fe-B永磁材料 Nd-Fe-B永磁是以Nd2Fe14B化合物为基，获得优良磁性能的组成大约为Nd15Fe77B8。含有适量的非磁性富Nd相和富B相。当(Nd)=14%-15%时，可获得最高的Br，若(Nd)过多，则易形成非磁性Nd2O3相；过少，则合金密度低，Br也会下降。,5.3 永磁材料5.3.2 金属永磁材料,128,2. Nd-Fe-B永磁材料 适量的富Nd相沿Nd2Fe14B晶粒边界分布，可促进矫顽力的提高。B的含量(B)=6%-7%时，合金的BrMHc都达到最佳值，而Fe的含量则应尽可能地提高，才能获得最高磁能积的永磁材料。,