磁性材料(概述与应用).ppt

第七讲磁性材料 您对磁究竟了解多少 静磁学现象 磁性来源 磁性材料 非磁性材料 磁的分类 磁的应用 磁 吸铁石 磁性是物质一种比较少见的只在少数地方得到应用的现象呢 还是一种存在非常普遍应用非常广泛的现象呢 生活中的常识问题 1 所有物质都有磁性吗 铁 吸铁石 哪个有磁性 水铜铝家装市场材质的简单实用验证 铜 不锈钢 电饭锅铁氧体有磁性 但为何高温会失去 答案是 磁性是物质的基本属性 就像物质具有质量和电性一样 换句更简单的话说就是 一切物质都具有磁性 生活中的常识问题 2 卧室床的摆放方向 风水 伪科学 磁学发展史 磁铁矿 Fe3O4 或磁赤铁矿 Fe2O3 在西方 据传说 磁性首先是被一个牧羊人发现的 他注意到他的木棍的铁端 被一块石头所吸引 这种石块在小亚细亚 AsiaMinor 马其顿的Magnesia地区以及爱奥尼亚的Magnesia城都被发现过 人们相信 Magnetism 一字就是来源于这些地名 十七世纪 英国 威廉 吉伯 磁体 十八世纪 法国 库仑 库仑定律 2300年前 天然磁石 司南 指南仪 十九世纪1820年 丹麦 奥斯特 电流产生磁场1831年 英国 法拉第 电磁感应现象1873年 英国 麦克斯韦 统一电磁理论1899年 法国 居里 居里温度 磁性转变 法拉第 电磁感应 居里 PCurie 二十世纪1905 法国 郎之万基于统计力学理论解释了顺磁性随温度的变化 1907 法国 外斯提出分子场理论 扩展了郎之万的理论 1921 奥地利 泡利提出玻尔磁子作为原子磁矩的基本单位 美国 康普顿提出电子也具有自旋相应的磁矩 1928 英国 狄拉克用相对论量子力学完美地解释了电子的内禀自旋和磁矩 并与德国物理学家海森伯一起证明了静电起源的交换力的存在 奠定了现代磁学的基础 1936 苏联 郎道完成了巨著 理论物理学教程 其中包含全面而精彩地论述现代电磁学和铁磁学的篇章 1936 1948 法国 奈耳提出反铁磁性和亚铁磁性的概念和理论 1967 奥地利 斯奈特在量子磁学的指导下发现了磁能积空前高的稀土磁体 SmCo5 从而揭开了永磁材料发展的新篇章 1974 第二代稀土永磁Sm2Co17问世 1982 第三代稀土永磁Nd2Fe14B问世 1990 原子间隙磁体Sm Fe N问世 1991 德国 克内勒提出了双相复合磁体交换作用的理论基础 指出了纳米晶磁体的发展前景 物质磁性的起源 原子有哪几中运动方式 现代科学认为物质的磁性来源于组成物质中原子的磁性原子中电子的轨道磁矩电子的自旋磁矩原子核的核磁矩 载流闭合回路小线圈存在磁矩 磁矩 单位 A m2磁矩反应了载流线圈产生磁场的大小 可以把它引用到物质的微观系统中去 电子的轨道运动相当于一个恒定的电流回路 必有一个磁矩 轨道磁矩 自旋也会产生磁矩 自旋磁矩 磁矩 轨道磁矩 自旋磁矩 原子的总磁矩应是按照原子结构和量子力学规律将原子中各个电子的轨道磁矩和自旋磁矩相加起来的合磁矩 注 原子核自旋磁矩仅是电子磁矩的1 1836 5 忽略不计 原子总磁矩 电子的填充方式对磁矩的影响 因此 大多数元素的原子都存在固有磁矩 这些原子也成为磁性原子 当原子中某一电子层完全被电子填满时 该电子层的电子云在空间的分布呈球形对称 这时其电子循轨磁矩和自旋磁矩都互相抵消 即该层电子磁矩对原子磁矩没有贡献 因此惰性元素没有固有磁矩 为什么通常情况下无磁性表现 大多数元素的原子存在原子的固有磁距 物体的磁性 取决于原子磁矩的取向 在无外磁场作用时 各原子磁矩的取向是紊乱的 物质不呈现宏观性 而当其受外磁场作用时 则原子呈取向性分布 物质呈现宏观的磁性 物质内部原子 分子中的每个电子参与两种运动 一是轨道运动 即电子绕原子核的旋转运动 其运动会形成一个电流 进而会产生一个磁矩 称为轨道磁矩 二是电子的自旋运动 相应地也会产生一个磁矩 称为自旋磁矩 一个分子中所有电子的各种磁矩之总和构成这个分子的固有磁矩Pm 称为分子磁矩 这个分子固有磁矩可以看成是由一个等效的圆形分子电流i产生的 总之 一类是分子中各电子的磁矩不完全抵消而整个分子具有一定的固有磁矩 一类是分子中各电子的磁矩 完全相互抵消而整个分子不具有固有磁矩 磁性材料的分类 根据材质合金磁体橡胶磁体氧化物磁体 根据磁化后介质内部的磁场与附加磁场和外磁场的关系 可分为五种 1 抗磁质 附加磁化强度与外磁场相反 对于电子壳层被填满的物质 原子磁矩为零 在外磁场作用下 电子运动将产生一个附加的运动 由电磁感应定律而定 感生出与H反向的磁矩 实例 惰性气体 许多有机化合物 某些金属 Bi Zn Ag Mg 非金属 如 Si P S 抗磁质的几点说明 任何物质都具有抗磁的本性 物质具有抗磁的本性并不是一定会呈现出抗磁性 而只有当物质的这种抗磁因素超过其顺磁因素时 物质才呈现抗磁性 才称为抗磁质 随外磁场的增加 附加的抗磁磁矩增强 抗磁磁化强度增大 2 顺磁质结构特点 原子中具有未填满电子的电子层 形成原子的固有磁矩 在磁场作用下 原子磁矩转向H方向 感生出与H一致的M 如 稀土金属和铁族元素的盐 顺磁质磁化强度随外磁场的增大而增大 但很难达到磁饱和 只有当温度趋近热力学零度时 才能使顺磁物质的原子磁矩沿外磁场呈完全规则取向 顺磁质的几点说明 金属的顺磁性与抗磁性 价电子 固有磁矩 顺磁性正离子抗磁性 顺磁性 3 铁磁性 在较弱的磁场作用下就能产生很强的磁化强度 在外磁场除去后仍保持相当大的永久磁性 具有磁滞现象 铁磁体在温度高于居里温度后变成顺磁体 原子是否具有未成对电子 即自旋磁矩贡献的净磁矩 本征磁矩 原子在晶格中的排列方式 具有铁磁性的金属有铁 钴 镍等 铁磁质的应用最广泛 特别是在信息的记录和存储方面 磁带 计算机存储器 材料是否具有铁磁性取决于两个因素 铁 钴 镍等过渡元素都具有未成对的3d电子 分别具有4 3和2的净磁矩 铁 钴 镍金属在室温下具有自发磁化的倾向 交换作用 形成相邻原子的磁矩都向一个方向排列的小区域 称为磁畴 原子核外电子排布示意图 铁磁性材料 加入小的磁场 可以获得大的磁场强度 4 反铁磁性 在MnO晶体结构中 相邻Mn2 离子的磁矩都成反向平行排列 结果磁矩相互对消 整个固体材料的总磁矩为零 在有些材料中 相邻原子或离子的磁矩呈反方向平行排列 结果总磁矩为零 叫反铁磁性 反铁磁性物质有某些金属如Mn Cr等 某些陶瓷如MnO NiO等以及某些铁氧体如ZnFe2O4等 以氧化锰 MnO 为例 它是离子型陶瓷材料 由Mn2 和O2 离子组成 O2 离子没有净磁矩 因为其电子的自旋磁矩和轨道磁矩全部都对消了 Mn2 离子有未成对3d电子贡献的净磁矩 MnO晶体结构 5 亚铁磁性 亚铁磁性在宏观性能上与铁磁性类似 区别在于亚铁磁性材料的饱和磁化强度比铁磁性的低 成因是由于材料结构中原子磁矩不象铁磁体中那样向一个方向排列 而是呈反方向排列 相互抵消了一部分 根据铁磁质的矫顽力的大小 将磁性材料分成软磁 硬磁和矩磁材料 1 软磁材料具有较高的磁导率和较高的饱和磁感应强度 较小的矫顽力 矫顽力很小 即磁场的方向和大小发生变化时磁畴壁很容易运动 和较低磁滞损耗 磁滞回线很窄 在磁场作用下非常容易磁化 取消磁场后很容易退磁化 象软铁 坡莫合金 硅钢片 铁铝合金 铁镍合金等 由于软磁材料磁滞损耗小 适合用在交变磁场中 如变压器铁芯 继电器 电动机转子 定子都是用软件磁性材料制成 软磁材料应用 图书防盗磁条 将磁条贴在图书中或超市货品上 通过门禁处交变磁场检测磁条的磁性变化来区分被保护对象是否带有磁条 来达到防盗的目的 磁条由软磁材料制作 通常为钴基非晶合金 铁基纳米晶合金或坡莫合金 铁镍合金 防盗磁条技术的运用大大降低了开架售货领域如图书馆 超市 药店等的运营成本 电力变压器核心在于铁芯和线圈 铁芯处于交变电磁场中 要求在工作频率下对外磁场变化足够灵敏 软磁材料的应用 电力变压器 软磁材料的应用 电子电路元器件 常见开关电源电路中多处应用了软磁器件 软磁材料的应用 电子电路元器件 变压器贴片变压器电感 滤波器环形电感滤波器谐波电流抑制器 软磁材料的应用 电机铁芯 电机铁芯通常由叠层软磁硅钢片或者铁镍合金冲压而成 硬磁材料 硬磁材料是指那些难以磁化 且除去外场以后 仍能保留高的剩余磁化强度的材料 又称永磁材料 磁铁 种类 铝镍钴系硬磁合金 硬磁铁氧体材料 稀土硬磁材料等几个系列 用途 1 硬磁材料主要用来储藏和供给磁能 作为磁场源 2 硬磁材料在电子工业中广泛用于各种电声器件 在微波技术的磁控管中亦有应用 目前产业化的主要永磁材料 AlNiCo系永磁合金 AlNiCo系永磁合金 包括铝镍型 铝镍钴型和铝镍钴钛型三种 其中又有各向同性合金 磁场取向合金和定向结晶合金 生产工艺包括 铸造磁钢与烧结磁钢 铸造铝镍钴合金具有生产工艺简单和产品性能高等特点 绝大部分铝镍钴合金都采用铸造法生产 左上 铸造铝镍钴合金 左下 各类异形件右下 烧结铝镍钴合金 铸造铝镍钴系合金的磁性 目前产业化的主要永磁材料 永磁铁氧体 钡铁氧体 BaO 6Fe2O3 和锶铁氧体 SrO 6Fe2O3 晶体结构均属六角晶系 具有高的磁晶各向异性常数 高矫顽力和低剩磁 最大磁能积偏低 其剩磁温度系数是铝镍钴磁体的10倍 不适于制作要求高稳定性的精密仪器 在产量极大的家用电器 音响设备 扬声器 电机 电话机 笛簧接点元件和转动机械等方面得到普遍应用 钡铁氧体的微波应用 1 器件 2 隐身涂层 以铁 铬 23 5 27 5 钴 11 5 21 0 为主 加入适量硅 钼 钛 此类合金可以通过成分调节将其低的单轴各向异性常数提高到铝镍钴合金的水平 定向凝固 磁场处理 结晶与磁双重织构 以及塑性变形与适当热处理的方法 形变时效 显著提高合金性能 目前产业化的主要永磁材料 铁铬钴系合金 铁铬钴合金各种加工形式 包括丝材 SmCo系合金 SmCo5 Sm2Co17 耐高温稀土永磁 SmCo5 第一代稀土永磁 上世纪60年代 Sm2Co17 第二代稀土永磁 上世纪70年代 Sm2Co17的工作温度可达350oC 目前产业化的主要永磁材料 钐钴系合金 其缺点是含有较多的金属钴 w Co 66 和蕴藏量稀少的稀土金属元素Sm 原材料昂贵 受到资源与价格的限制 主要应用于高端领域 第三代稀土永磁体 其价格只相当于钐钴合金的50 左右 分烧结钕铁硼和粘接钕铁硼 优点 最大磁能积和最大矫顽力 缺点 剩磁温度系数较高 目前产业化的主要永磁材料 钕铁硼 永磁材料的应用 永磁电机 永磁步进电机 在各种应用中 永磁材料主要用来提供恒定磁场 永磁电机 发电机 永磁材料大发展 变频家用电器 硬盘驱动器音圈电机 VCM 兆瓦级永磁直驱 半直驱 风力发电机 混合动力汽车 现代汽车需要使用几十个小型永磁电动机和其它磁控机械元件 EPS将成为高性能永磁体的主要应用领域之一 Thenumberofmagnetsinthefamilycarhasincreasedfromoneinthe1950 stooverthirtytoday 永磁材料应用举例 永磁磁选设备 扬声器 电声换能 永磁式核磁共振谱仪 MRI 3 矩磁材料 铁氧体铁氧体是含铁酸盐的陶瓷氧化物磁性材料 一般呈现出亚铁磁性 磁滞回线呈矩形 又称矩磁材料 剩磁接近于磁饱合磁感应强度具有高磁导率 高电阻率由Fe2O3和其他二价的金属氧化物 如NiO ZnO等 粉末混合烧结而成 在两个方向上的剩磁可用于表示计算机二进制中的 0 和 1 可作磁性记忆元件 如高速存储器 磁性材料的应用 指南针的鼻祖 司南地磁场是指南的前提战国末年 先秦 韩非子 先王立司南以端朝夕 东汉时的王充在他的著作 论衡 中对司南的形状和用法做了明确的记录 指南针 磁性材料的最早应用 指南针 中国古代四大发明之一 指南针 磁性材料的最早应用 北宋 曾公亮 武经总要 用薄铁叶剪裁 长二寸 阔五分 首尾锐如鱼型 置炭火中烧之 侯通赤 以铁钤钤鱼首出火 以尾正对子位 蘸水盆中 没尾数分则止 以密器收之 用时 置水碗于无风处平放 鱼在水面 令浮 其首常向午也 利用地磁场人工磁化 指南鱼 指南龟 北宋 沈括 梦溪笔谈 方家以磁石摩针锋 则能指南 人工磁化方法的发明 对指南针的应用和发展起了巨大的作用 IBM硬盘的发展 关于磁性材料的认识之一 磁存储技术 在传统工业中的应用 磁性材料的应用 生物界和医学界的磁应用 军事领域的磁应用 考古天文地址采矿界领域的磁应用 传统工业 汽车中用到磁性材料的组件 磁悬浮列车 上海磁悬浮列车平均时速300公里 小时 最高时速430公里 小时 磁悬浮列车是运用磁铁 同性相斥 异性相吸 的性质 使磁铁具有抗拒地心引力的能力 使列车完全脱离轨道而悬浮行驶 成为 无轮 列车 磁悬浮列车也有两种相应的形式 一种是电磁型 也称吸力型 常导型 另一种是电动型 也称斥力型 超导型 磁悬浮列车原理 两种磁悬浮列车系统的结构示意图 a 电磁型 b 电动型 磁制冷冰箱 磁制冷是一种以磁性材料为工质的制冷技术 基本原理是借助磁制冷材料的磁热效应即磁制冷材料等温磁化时向外界放出热量 而等温退磁时从外界吸取热量 以达到制冷目的 磁盘存储 所谓磁存储就是以记录磁场方向的方式或磁场的有无来储存资料 数据在磁片上以磁化的点来表示 被磁化的点代表1 没有被磁化的点代表0 电饭锅 日常使用的电饭锅利用了磁性材料的居里点的特性 在电饭锅的底部中央装了一块磁铁和一块居里点为105 的磁性材料 当锅里的水分干了以后 食品的温度将从100度上升 当温度到达大约105度时 由于被磁铁吸住的磁性材料的磁性消失 磁铁就对它失去了吸力 这时磁铁和磁性材料之间的弹簧就会把它们分开 同时带动电源开关被断开 停止加热 电磁炉 电磁炉的内部有一个金属线圈 当电流通过线圈时 会产生磁场 这一随时间变化的磁场导致在金属煲内产生一感应电场 金属煲内的电子受电场影响进行运动 由于有电阻 电子运动时会放出大量热能 这些热能便可用作煮食 金属煲的电阻必须足够大 才能产生足够的热量 所以一般只能选用铁和不锈钢煲 铜煲就不大可能 更不能用玻璃 陶瓷 塑料等 特点 直接发热 热效率高达90 炉面无明火 无烟无废气电磁火力强劲 安全可靠 在医学上 利用核磁共振可以诊断人体异常组织 判断疾病 这就是我们比较熟悉的核磁共振成像 利用磁性纳米材料表面功能基团与可识别病兆的功能分子进行耦联 是实现磁性纳米晶体在疾病鉴别诊断中应用的最可行的手段之一 生物医学 电磁炮是把炮弹放在螺线管中 螺线管产生的磁场对炮弹将产生巨大的推动力将炮弹射出的一种新