第十五讲 铁磁性的测量与应用.ppt

中国矿业大学材料科学与工程学院 第三章材料的磁学性能 顾修全 本章内容 基本磁学性能铁磁性技术磁化铁磁性的测量与应用磁性材料的研究热点 第四节铁磁性的应用 铁磁性的评价铁 亚 磁材料的分类铁磁性的应用 1 铁磁性的评价 磁化曲线磁滞回线各种磁参数Ms Br Hc 最大磁能积 BH max 材料在直流磁场下的 什么是材料的静态磁性能 磁参数的分类 组织结构不敏感量 内禀参量 本征参量 组织结构敏感量 非本征参量 物质结构与相关现象交变磁场条件下的磁参数测量 MS TC K1 S等 Mr Br HC 等 磁畴结构 磁矩取向 各种磁效应 磁热 磁光 磁电 磁致伸缩 磁共振等 磁性测量 磁性测量原理 间接测量 直接测量 磁测量包括对空间磁参量的测量和对磁性材料性质的测量即磁性测量 在工业和科研中 磁测量所依据的原理主要有 磁极间的机械力效应 如磁强计 电磁感应定律 物质的磁效应 如霍尔效应 磁电阻效应 核磁共振 磁光效应 法拉第效应 半导体对磁场的敏感效应等 磁测量概述 磁场测量测量某个空间或某个位置的磁场强度 磁感应强度 例如建造一个磁隔离室 就需要测量室内磁场是否完全被屏蔽 又例如对磁铁进行充磁或退磁 就需要测量充磁或退磁的磁场强度是否足够 磁性材料的磁性能测量磁性材料的磁性能表现在它的磁化曲线和磁滞回线上 所以测量磁性材料的磁性能 实际上就是测定磁化曲线和磁滞回线 由于材料在直流状态下和在交流状态下的表现各异 所以要根据需要 按实际工作条件 测量其直流磁特性或交流磁特性 返回本章首页 磁测量包括两个方面 测量方法一 磁秤 天平 用于测量材料的磁性 如抗磁性 顺磁性 反铁磁性等 磁秤示意图 磁秤法是通过测量试样在非均匀磁场中所受的力来确定其饱和磁化强度 若试样为一小长条形 并平行于x轴放置 V 试样的体积S 试样的截面积H1 H2 试样两端的磁场强度 12 测定Fx可以用天平来解决 m 砝码的质量 天平平衡时 材料方法二 热磁仪 原理 将磁学量转换成力学量进行测量 热磁仪原理示意图 通磁后 试样磁化 其磁化强度为M 则试样将受到力矩 1的作用 使试样转动 试样转动 角 则 弹性系统产生的反力矩 平衡时 则 主要用于测定M的动态变化 阿库洛夫仪 磁转矩仪 测量方法三 磁强计 优点 精度高 对试样的形状 状态 磁性的强弱无要求 适用于较弱磁性的块材样品 薄膜样品 粉末样品 纳米材料 超导材料等 缺点 为了消除外界环境的影响 通常需要超低温环境 例如 经常用液氦冷却 成本较高 如超导量子干涉仪磁强计等 材料方法四 磁通计 磁通计又称高斯计 特斯拉计等 它具有磁电系测量机构 但不设置反抗力矩 因此在不工作时 指针可停留在刻度盘上任意角位置 常用的类型 光电放大磁通计 电子积分运算放大器 数字磁通计 优点 灵敏度高 磁通计的结构 磁通计使用高阻尼 无反作用游丝的磁电系仪表 偏转后可动线圈会停留在最终位置 不会因为断电而退回零点 因此可以用来测量偏转角的最大值 开始测量时可用复位按钮将指针调回到零点位置 然后将测量线圈移进或移出磁场 测定偏转角的最大值 磁通计的测量原理 将测量线圈移进被测磁场 或从被测磁场移出 测量线圈所感应的电动势可按下式求出 也就是磁通计的最大偏转角与被测磁通变化量成正比 测量线圈移进或移出之后 磁通计的最大偏转角能保持不变 以便于读数 第四节铁磁性的应用 铁磁性的评价铁 亚 磁性材料的分类铁磁性的应用 2 铁 亚 磁性材料的分类 金属磁性材料铁氧体磁性材料有机高分子磁性材料 软磁材料硬磁材料矩磁材料压磁材料 磁致伸缩材料 旋磁材料 按材料性质分类 按功能分类 硬磁材料与软磁材料 矩磁材料 软磁材料 矫顽力很低的磁性材料 亦即当材料在磁场中易磁化 移出磁场后 获得的磁性便会全部或大部丧失 HC 0 8kA m 主要用于制作磁导体 增加磁路的磁通量 降低磁阻 变压器 继电器的磁芯 铁芯 电动机转子 定子磁路中的连接元件磁屏蔽材料计算机中的开关元件 存储元件 软磁材料是应用最广 品种丰富的一类磁性功能材料 主要产品分三类1 高磁导率材料 i 10000 电感元件 抗电磁干扰 EMI 滤波器 宽带脉冲变压器2 低功耗材料 高饱和磁通密度 宽频 宽温 低损耗开关电源变压器 变压器3 电力工业用的软磁材料 发展趋势 高频 低损耗 宽温 功率铁氧体 主要评价指标 起始磁导率磁损耗 涡流损耗 磁滞损耗 剩余损耗 温度稳定性减落 可逆 磁老化 不可逆 截止频率 温度稳定性 软磁材料的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 在实际应用中 也常用比温度系数 i来表征软磁材料的温度特性 该值越小越好 磁导率的减落 减落是一种可逆变化 是材料的不稳定性之一 软磁材料尤其是铁氧体软磁材料在受到电 磁 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 从而导致磁导率下降 称为磁导率的减落 减落D 减落系数d 减落因子DF 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 还可能由于材料结构变化而引起的不可逆变化 称为磁老化 用老化系数Ia表示 老化系数的大小跟材料的 值和制造工艺有关 一般而言 高 材料的老化系数较大 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 fr越高 则应用频率的上限越高 几种主要的软磁材料 工业纯铁 最早被使用的金属软磁材料 具有优良的软磁特性 加工 机加 锻造 性能好 并且价格便宜 但其电阻率较低 不能用于交变磁场 只能用于直流磁场 可用于制造直流电磁铁芯 磁极头 继电器铁芯 衔铁等 硅钢片 硅在铁中的固溶体合金 具有较大的电阻率和较高的磁性能 主要缺点 比纯铁硬而脆 饱和磁感应强度比纯铁低 各向同性硅钢片 热轧硅钢片 冷轧硅钢片 主要用于制造电机转子 定子 称为电机硅钢片 方向性硅钢片 单取向 双取向硅钢片 主要用于制造变压器铁芯 称为变压器硅钢片 Fe Si合金 坡莫合金 坡莫合金 Permalloy 为铁镍合金 是有名的优良软磁材料 在弱磁场中具有很高的磁导率 很小的矫顽力 主要缺点 材料磁性对应力极为敏感 饱和磁感应强度稍低 生产过程中常以Mo Cr等元素作为添加剂 价格昂贵 制成器件后必须在氢气或真空中退火 增加了工艺复杂性 Fe Ni合金 硬磁材料 永磁材料 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 有气隙磁铁示意图 永磁材料用作磁场源 主要是利用在空气隙中产生的磁场 HC 0 8kA m 永磁材料发展历史稀土永磁材料是稀土金属和过渡族金属形成的金属间化合物 是目前具有最高永磁特性的永磁材料 六十年代 第一代稀土永磁材料 1 5型R Co永磁 如SmCo5 七十年代 第二代稀土永磁材料 2 17型R Co永磁 如Sm2Co17 八十年代 第三代稀土永磁材料 R Fe B永磁 如Nd2Fe14B 第一 二代稀土永磁 1967 1975 第三代稀土永磁 1983 第一代SmCo5 60年代 第二代Sm2Co17 70年代 第三代Nd2Fe14B 80年代 第四代稀土永磁 稀土永磁材料 永磁材料基本磁性1 饱和磁化强度Ms Tc 组成 磁结构2 剩磁Br 取向 密度Br opMsf p 孔隙率 f 取向度f 1 2 各向同性f 1 各向异性 理想取向 3 矫顽力Hc 晶体结构 K 显微结构单畴 磁晶各向异性 Hc K oMs形状各向异性 Hc NMs4 磁能积 BH m BH m 理论 oMs2 4 对永磁材料特性的要求 高Br 高HC 高 BH max 1 rec 1 稳定性好 包括温度 磁场 时间 三高 退磁曲线上每一点的B和H的乘积 BH 表征材料内部储存的能量大小 最大磁能积 BH max是衡量材料性能的重要参数 凸出系数 极限隆起度 磁能积 磁铁的最大磁能积 D点是指永磁材料去掉磁场后 由于退磁场的作用 剩磁B所处的位置 称为磁体工作点 Bd 表观剩磁 最大磁能积 回复磁导率 BH m理论值 SmFeN SmFeC 1 12 3 29 纳米复合稀土永磁 BH m 理论 800 kJ m3 1988年 工艺 速凝 氢爆 双合金 永磁材料应用领域 Nd2Fe14B永磁材料国内外应用比较表 我国生产的大部分为中低档产品 适合于音响和电机使用 而高档产品如计算机VCM要求性能高 BH max 320KJ m3 加工精度高 产品一致性好主要是美国 日本等发达国家等永磁生产厂家生产 核磁共振仪和电子束聚焦则尚在研制阶段 而美 日等发达国家已有生产和应用 磁信息材料 利用磁学原理存储和记录信息的磁载体材料 磁记录磁光记录磁泡存储矩磁存储 磁记录 磁存储 磁记录材料 利用磁头气隙中随信息变化的磁场将经过气隙的磁记录介质磁化 就把随时间变化的信息磁场转化为磁记录介质中按空间变化的强度分布 经过相反的过程可将记录的信息经磁头重放出来 磁头材料磁记录介质磁光记录介质 磁记录原理 磁头中流过信号电流 介质磁化将信息写入介质 用磁头检测介质磁状态 将信号读出 基本过程 磁头材料 磁头铁芯用的高密度软磁材料 用磁头材料做成记录 写入 或重放 读出 信息的换能器件 要求具有较高的转换效率 具体要求 最大磁导率 m和饱和磁感应强度BS要高 以实现高效率记录 矫顽力Hc和剩余磁感应强度Br要低 以减少磁头的磁损耗和剩磁 降低剩磁引起的噪声与非线性 电阻率 要高 以降低损耗 改善高频记录的频率相应特性 起始磁导率 i要高 以提高重放磁头的灵敏度 磁导率的截至频率fr要高 以利于高频高速记录 提高使用频率上限 耐磨损 抗剥落 机械加工性好 磁记录介质材料 涂敷在磁带 磁盘和磁鼓上面用于记录和存储信息的材料 矫顽力HC要适当 16 80kA m 以便有效地存储信息 抵抗环境干扰 减少剩磁状态的退磁效应 提高记录密度 磁滞回线矩形比高 以减少自退磁效应 使介质中保留较高的剩磁 提高信息记录的密度和分辨力 从而提高信息的记录效率 饱和磁感应强度Bs要高 以获得高的输出信号 提高单位体积的磁能积 提高各向异性导致的矫顽力 温度稳定好 老化效应小 以保证宽温长期条件下稳定存储 用于垂直记录的介质 其垂直各向异性系数要高 磁记录材料 纵向模式垂直模式全息模式 磁光记录介质材料 基本原理 当加热到居里点以上时 薄膜被加热后其磁化方向发生反转 居里点写入 用线偏振光照射膜面 因为磁化部分和反转磁化部分反射光的偏转面的旋转角不同 故可用检偏器来读出相应信息 磁电阻效应 用途 磁传感 磁盘读出头等 IBM硬盘的发展 磁泡材料 某些磁性材料薄膜的性能和尺寸满足一定条件时 在适当的偏磁场Hb作用下 其反磁化畴变为直径位1 100 m的圆柱形磁畴 在偏光显微镜下观察 这些圆柱畴在薄膜表面好像浮着一群圆泡 故称为磁泡 新型磁性材料 非晶态磁性材料磁性液体巨磁致伸缩材料 超声和声纳系统中的应用精密快速致动和控制元件传感器 非晶态磁性材料 原子排列无序但磁矩排列有序的磁性材料 以Fe Co Ni Cr Mn等第一类过渡金属为基加入少量的B C Si P所制成的非晶态合金 都是具有铁磁性的非晶体合金 由稀土金属Gd 钆 Tb 铽 等与第一类过渡金属Fe Co Ni Mo所制成的具有亚铁磁性的非晶态合金 以贵金属Au等或非磁性金属Cu等为基加入少量过渡族金属制成的非晶态合金 这种合金显示超顺磁性 按性能分为三类 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 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 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 电磁炮 舰载概念电磁炮及其原理图 原理 传统的火炮都是利用弹药爆炸时的瞬间膨胀产生的推力将炮弹迅速加速 推出炮膛 而电磁炮则是把炮弹放在螺线管中 给螺线管通电 那么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 第一个提出电磁炮这一概念并进行实验的是挪威伯克兰教授 1901年就获得了专利 1978年 澳大利亚科学家在5米长的轨道炮上 5 9千米 秒 现在弹丸初速1 5 1 7千米 秒 隐身飞机 F117隐形战斗机为了躲避敌方雷达的监测 在飞机表面涂一层特殊的磁性材料 吸波材料 它可吸收雷达发射的电磁波 使得雷达电磁波很少发生反射 敌方雷达无法探测到雷达回波 不能发现飞机 从而达到使飞机隐身的