概念、软磁和硬磁.ppt

磁性材料 磁性的基础铁磁性与铁磁材料软铁材料硬磁材料薄膜磁性材料基础薄膜磁性材料的制备方法薄膜磁性器件与制备方法 磁性发现和早期应用 几千年前天然磁石Fe3O4公元前1200年金属铁前200年战国时期司南公元六世纪磁石磁化铁针 中国 指南针用于航海 磁化的铁片 物质磁性的普遍性 物质磁性的普遍性首先表现在它无处不在 1 物质的各种形态 无论是固态 液态 气态 等离子态 超高密度态和反物质态都会具有磁性 2 物质的各个层次 无论是原子 原子核 基本粒子和基础粒子等都会具有磁性 3 无限广袤的宇宙 无论是各个天体 还是星际空间都存在着或强或弱的磁场 例如 地球磁场强度约为240A m 太阳的普遍磁场强度约为80A m 而中子星的磁场强度高达1013 1014A m 物质的磁性的普遍性还表现在磁性与物质的其他属性之间存在着广泛的联系 并构成多种多样的耦合效应和双重 多重 效应 例如磁电效应 磁光效应 磁声效应和磁热效应等 这些效应既是了解物质结构和性能关系的重要途径 又是发展各种应用技术和功能器件 例如磁光存储技术 磁记录技术和霍尔器件等 的基础 磁性科学早期发展 1600 威廉吉尔伯特 WilliamGilbert 论磁 记录基本磁现象 吸引与排斥 极性 地磁 退磁等1777库仑 CharlesCoulomb France 证明两磁极间吸引或排斥力正比于1 d21820奥斯特 HansChristainOersted 丹麦 证明电流可以产生磁场 第一个非天然的磁场1826安培证明电流可以产生磁场 通电的线圈与磁铁相似通过一系列经典的和简单的实验 他认识到磁是由运动的电产生的 磁的电本质 尤为重要 安培的分子电子说 载流圆线圈磁矩m I A Am3 将磁性归为分子电流产生安培分子电流的假说 揭示了磁铁磁性的起源 它使我们认识到 磁铁的磁场和电流的磁场一样 都是由电荷的运动产生的 磁性的来源 电子的运动产生轨道磁矩 电子绕核运动产生 自旋磁矩 电子的自旋产生 原子核磁矩原子核磁矩要比电子磁矩小三个数量级可忽略 非磁性原子 总的来说 组成宏观物质的原子有两类 一类原子中的电子数为偶数 即电子成对地存在于原子中 这些成对电子的自旋磁矩和轨道磁矩方向相反而互相抵消 使原子中的电子总磁矩为零 整个原子就好像没有磁矩一样 习惯上称他们为非磁原子 偶数电子的原子并不都是非磁性原子 例如 1 碱土金属2 一些过渡元素 磁性原子 另一类原子中的电子数为奇数 或者虽为偶数但其磁矩由于一些特殊原因而没有完全抵消使原子中电子的总磁矩 有时叫净磁矩 剩余磁矩 不为零 带有电子剩余磁矩的原子称作磁性原子 原子磁性的基础知识 原子的电子轨道Fe 原子序数26每个轨道电子数 2n2核外电子排列 电子层与亚电子层每个亚层 l 1 l 2 l 0 1 2 3 泡利不相容原理一个原子中不可能有电子层 电子亚层 电子云伸展方向和自旋方向完全相同的两个电子 1s2s22p63s23p63d64s2 物质磁性的起源 磁性的起源 结构决定性质 磁性当然也是由物质原子内部结构决定的 原子结构与磁性的关系可以归纳为 1 原子的磁性来源于电子的自旋和轨道运动 2 原子内具有未被填满的电子是材料具有磁性的必要条件 3 电子的 交换作用 是物质具有磁性的根本原因 电子交换作用 原子内具有未成对的电子使得原子的固有磁矩不为零是物质磁性的必要条件 但是 由于近邻原子共用电子 交换电子 所引起的静电作用 及交换作用可以影响物质的磁性 交换作用所产生能量 通常用A表示 称作交换能 它取决于近邻原子未填满的电子壳层相互靠近的程度 并决定了原子磁矩的排列方式和物质的基本磁性 一般地 当A大于零时 交换作用使得相邻原子磁矩平行排列 产生铁磁性 当A小于零时 交换作用使得相邻原子磁矩反平行排列 产生反铁磁性 当原子间距离足够大时 A值很小时 交换作用已不足于克服热运动的干扰 使得原子磁矩随机取向排列 于是产生顺磁性 描述磁性的基本量 磁场强度 描述空间某一点磁场的大小和方向 用H表示 磁化强度 指磁体内部单位体积的磁矩矢量和 用M表示 它反映出磁体的磁性强弱程度 磁感应强度 磁感应强度B的定义是 B 0 H M 其中 0是一个系数 叫做真空磁导率 磁化率与磁导率 磁化率 磁导率 描述材料磁性的重要参数 二者实际上代表了磁性材料被磁化的容易程度 或者说是材料对外部磁场的灵敏程度 是磁化曲线上任意一点上B和H的比值 材料的磁性 类型 顺磁性抗磁性反铁磁性亚铁磁性铁磁性 顺磁性 顺磁性物质的主要特征是 不论外加磁场是否存在 原子内部存在永久磁矩 但在无外加磁场时 由于顺磁物质的原子做无规则的热振动 宏观看来 没有磁性 在外加磁场作用下 每个原子磁矩比较规则地取向 物质显示极弱的磁性 磁化强度与外磁场方向一致 为正 而且严格地与外磁场H成正比 顺磁性物质的磁化率一般也很小 室温下约为10 5 一般含有奇数个电子的原子或分子 电子未填满壳层的原子或离子 如过渡元素 稀土元素 钢系元素 还有铝铂等金属 都属于顺磁物质 抗磁性 抗磁性是一些物质的原子中电子磁矩互相抵消 合磁矩为零 但是当受到外加磁场作用时 电子轨道运动会发生变化 而且在与外加磁场的相反方向产生很小的合磁矩 这样表示物质磁性的磁化率便成为很小的负数 量 一般抗磁 性 物质的磁化率约为负百万分之一 10 6 抗磁性物质有 惰性气体 大部分有机合物 若干金属 如Bi Zn Ag和Mg等 非金属 如Si P和S等 电子壳层都是填满的 所以 原子矩等于零或虽原子的磁矩不为零 但由子组成的分子的总磁矩为零 零 反铁磁性 反铁磁性是指由于电子自旋反向平行排列 在同一子晶格中有自发磁化强度 电子磁矩是同向排列的 在不同子晶格中 电子磁矩反向排列 两个子晶格中自发磁化强度大小相同 方向相反 整个晶体没有磁性 不论在什么温度下 都不能观察到反铁磁性物质的任何自发磁化现象 因此其宏观特性是顺磁性的 M与H处于同一方向 磁化率为正值 反铁磁性物质有过渡族元素的盐类及化合物 如MnO Cr2O3 CoO等 也有合金如FeMn NiMn MnPt等 亚铁磁性 在无外加磁场的情况下 磁畴内由于相邻原子间电子的交换作用或其他相互作用 使它们的磁矩在克服热运动的影响后 处于部分抵消的有序排列状态 以致还有一个合磁矩的现象 当施加外磁场后 其磁化强度随外磁场的变化与铁磁性物质相似 亚铁磁性与反铁磁性具有相同的物理本质 只是亚铁磁体中反平行的自旋磁矩大小不等 因而存在部分抵消不尽的自发磁矩 类似于铁磁体 铁氧体大都是亚铁磁体 铁磁性 在磁场下磁矩同向排列磁场撤去后 对外还有磁矩 剩磁 在后面进一步讨论 各种磁性比较 抗磁性 原子没有磁矩反铁磁性 反铁磁性 由于交换作用 相邻晶胞中的单电子自旋反向排列 引起相邻磁矩反向排列 顺磁性和铁磁性 两者都具有永久磁矩 有外电场时 前者表现出极弱的磁性 后者磁化强度大 当移去外磁场 则前者不表现出磁性 而后者则保留极强的磁性 亚铁磁性体 相邻原子磁体反平行 与反铁磁性类似 磁矩大小不同 产生与铁磁性相类似的磁性 一般称为铁氧体的大部分铁系氧化物即为此 磁性材料 铁磁性与亚铁磁性的统称 各种磁性的磁化率 磁化率与磁行为类型磁性种类典型的 值 随温度的变化 随场强的变化抗磁性 1 10 6无变化无关顺磁性0 10 2减小无关铁磁性102 106减小无关反铁磁性0 10 2增加有关 物质的磁性分类 磁序 本章要点 材料的磁性是怎么产生的 电子的绕核转动 电子自旋原子的磁性有未成对的电子材料的磁性与磁性材料是不同概念材料的磁性分类磁性材料 具有铁磁性与亚铁磁性 磁性材料 磁性材料温度特性 磁性与温度的关系1 铁磁性材料磁化率随温度升高的减小居里点以上为顺磁性2 亚铁磁性材料磁化强度随温度的变化曲线可以具有不同于铁磁性的各种特殊形状 可以分为P型 R型和N型 也有与铁磁性相同的Q型 居里点以上为顺磁性 磁性材料的磁化 磁滞回线 磁性材料被磁化后表现出一个重要特征 即有磁滞现象 磁滞回线是磁化磁场变化 H 一周时 磁性材料的磁感应强度 B 或磁化强度 M 随之而变化的曲线 由于磁滞 B或M的值 不是沿着原来的磁化路径改变 而是沿着当H作循环变化时另外的路径变化 以至于当磁化磁场正反磁化一周所得的磁化曲线 形成一闭合回线 磁滞回线中的重要参量 矫顽场Hc饱和场Hs饱和磁化强度Ms剩余磁化强度Mr 原子自发磁化 为什么铁磁体中原子磁矩这样容易排列起来呢 这是因为在铁磁体中存在着由于原子间强烈的交互作用 称为交换力 而产生的分子场 分子场的作用和磁场一样 使得原子的磁矩发生取向排列 分子场的大小 较普通的磁场强得多 自发磁化 例如 铁在室温下 就有95 以上的原于磁矩由于分子场的作用而取向排列了起来 但是铁磁体在未经磁化前并不表现出磁性 为什么 磁畴 加上外磁场后 各个磁踌的磁矩方向转向外磁场的方向 铁磁体的总磁矩便不为零 鉴于各个滋畴中的原于磁矩在没有外磁场时就已取向了 所以铁滋体在不大的外磁场中也表现出强磁性来 每一铁磁体实际上分成许多小区域 我们称这样的小区域为磁畴 分子场使每一磁畴中各个原于的磁矩排列在同一方向 但各个磁畴的磁矩方向彼此不同 因此在没有外磁场时 虽然各个磁畴内原于磁短已经差不多全部排列起来了 铁磁体的总磁矩仍为零 整个铁磁体不呈现出磁性 磁畴形貌 磁性材料的分类 软磁材料硬磁材料半硬磁材料旋磁材料矩磁材料压磁材料 按磁性种类 按化学成份 金属磁性材料非金属磁性材料 按使用形态 块体磁性材料粉末磁性材料薄膜磁性材料 磁性材料 磁各项异性 磁各向异性磁性材料在不同方向上具有不同磁性能的特性 包括 磁晶各向异性 形状各向异性 感生各向异性和应力各向异性等 单晶体的易磁化和难磁化方向 软磁材料 概念 软磁材料主要是指那些容易反复磁化 且在外磁场去掉后 容易退磁的磁性材料 当磁化发生在Hc不大于1000A m 这样的材料称为软磁体 典型的软磁材料 可以用最小的外磁场实现最大的磁化强度 特点 高磁导率 在较弱的外磁场下就能获得高磁感应强度 并随外磁场的增强很快达到饱和 低矫顽力 当外磁场去除时 其磁性立即基本消失 磁滞回线 矫顽场小饱和场小 软磁性能参数 饱和磁感应强度Bs剩余磁感应强度Br矩形比 Br Bs矫顽力Hc 是表示材料磁化难易程度的量 取决于材料的成分及缺陷 杂质 应力等 磁导率 是磁滞回线上任何点所对应的B与H的比值 与器件工作状态密切相关 居里温度Tc 铁磁物质的磁化强度随温度升高而下降 达到某一温度时 自发磁化消失 转变为顺磁性 该临界温度为居里温度 它确定了磁性器件工作的上限温度 损耗P 磁滞损耗及涡流损耗 磁滞损耗Ph的方法是降低矫顽力Hc 降低涡流损耗Pe的方法是减薄磁性材料的厚度t及提高材料的电阻率 在自由静止空气中磁芯的损耗与磁芯的温升关系为 总功率耗散 mW 表面积 cm2 高性能软磁材料 性能的基本要求贮能高高的饱和磁感应强度灵敏度高初始磁导率 最大磁导率 脉冲磁导率效率高Hc低 电阻率高 损耗小回线矩形比高稳定性好 主要的软磁材料 纯铁和低碳钢 含碳量低于0 04 包括电磁纯铁 电解铁和羰基铁铁硅系合金 含硅量0 5 4 8 一般制成薄板使用 俗称硅钢片镍铁系合金 镍含量30 90 又称坡莫合金铁钴系合金 钴含量27 50 具有较高的饱和磁化强度 电阻率低软磁铁氧体 非金属亚铁磁性软磁材料 非晶态软磁合金 一种无长程有序 无晶粒合金 又称金属玻璃 或称非晶金属纳米晶软磁合金 主要软磁性材料的优缺点 一 工业纯铁资源丰富 价格低廉 具有良好的可加工性 是直流技术中非常重要的高磁饱和材料 主要用于制造电磁铁的铁心 极头与极靴 继电器和扬声器的磁导体 电话机的振动膜 电工仪器仪表及磁屏蔽元件等 电阻率低 使用时产生很大的涡流损耗 不适于制作在交变场中工作的铁心纯铁的自然磁时效现象矫顽力上升 磁导率减小 原因 与纯铁中N形成氮化物 主要软磁性材料的优缺点 二 电工硅钢片 Fe Si软磁合金 在纯铁中加入硅后 可消除磁时效现象 随着硅含量增加 热导率降低 脆性增加 饱和磁化强度下降 但其电阻率和磁导率高 矫顽力和涡流损耗减小 从而可应用到交流领域 制造电机 变压器 继电器 互感器等的铁芯 三 Fe Ni合金 坡莫合金 Permalloy 通过合金化元素配比和适当工艺 可控制磁性能 获得高导磁 恒导磁 矩磁等软磁材料 其塑性高 对应力较敏感 可用作脉冲变压器材料 电感铁芯和功能磁性材料 主要软磁性材料的优缺点 四 铁钴合金纯铁中加入钴后 Bs明显提高 含钴35 的铁钴合金的Bs达2 45T 是迄今Bs最高的磁性材料铁钴合金具有高的磁导和的Bs 适用于小型化 轻型化以及有较高要求的飞行器及仪器仪表元件的制备 制造电磁铁极头和高级耳膜震动片等 但电阻率偏低 不适于高频场合的应用 但价格昂贵 主要软磁性材料的优缺点 五 非晶态软磁合金其磁导率和电阻率高 矫顽力小 对应力不敏感 不存在由晶体结构引起的磁晶各向异性 具有耐蚀和高强度等特点 此外 其居里点比晶态软磁材料低得多 电能损耗大为降低 是一种正在开发利用的新型软磁材料 六 纳米晶软磁合金可以通过非晶热处理形成 性能好过磁导率和饱和磁化率都高 能耗小 主要软磁性材料的优缺点 各种材料的软磁性能 软磁材料的应用 电磁铁芯 极靴 继电器和扬声器磁导体 磁屏蔽罩等电机 变压器 继电器 互感器等的铁芯电感元件和变压器元件 铁氧体 提高磁导率的措施 提高饱和磁化强度Ms 材料成分与制备工艺 有效方法 使K1 0 s 0消除应力 退火工艺 去除杂质 防止氧化氢气热处理使材料杂质相对集中真空熔炼 精炼进行织构化 提高软磁性能工艺 方法 减小磁晶各项异性 K1 和磁致伸缩率 s 控制成分 使K1 0 s 0 甚至同时为零 使磁导率大大提高 控制有序相和无序相的比例 控制配方和控制冷速高温退火将磁性材料加热到一定温度 保温一定时间 随后缓慢冷却到室温 得到接近平衡组织的热处理过程 退火过程中 材料结构变化分为两个阶段 恢复和再结晶作用 消除应力 改善金属和合金的内部组织结构 退火过程中 材料结构变化分为两个阶段 恢复和再结晶 提高软磁性能的工艺 方法 真空热处理在真空气氛 保护下进行高温退火 可消除材料的应力 并去除部分杂质 比普通退火好 作用 防止材料在热处理中氧化防止在材料热处理中渗入杂质在热处理中帮助去除杂质 特别是气态杂质消除应力缺点 在真空气氛下 合金某些成分易挥发 使成分偏离工艺复杂 成本高 提高软磁性能的工艺 方法 氢气热处理在H2气氛保护下进行高温退火作用 防止材料在热处理中氧化防止在材料在热处理中渗入杂质在热处理中去除杂质消除应力缺点 要求氢气纯高 成本高温度和氢气流量较难控制 磁性材料的织构 结晶织构的形成反复冷轧热处理应力感生方向有序排列和晶格滑移感生方向有序排列定向结晶使磁性合金从熔融状态开始 严格控制温度梯度进行冷却 让结晶沿一定方向进行 从而得到定向结晶 冷金属板法发热铸型法蜂巢铸型法 磁性材料的织构 磁性织构的形成磁场热处理将磁性材料加热到居里温度附近 这时加上直流磁场 让磁性材料在磁场中保温一定时间并慢冷 或控速冷却 到室温 所加磁场的方向为该材料的宏观易磁化方向 磁场成型 磁性粉末 将具有形状各向异性的非单畴磁性粉末 在磁场中压制或成型 挤压 注塑 制成粘结体 非晶软磁合金的制备 非晶态固体的制备方法非晶态固体与晶态固体相比 从微观结构讲有序性低 从热力学讲 自由能要高 因而是一种亚稳态 基于这样的特点 制备非晶态固体必须解决下述2个问题 1 必须形成原子或分子混乱排列的状态 2 必须将这种热力学上的亚稳态在一定的温度范围内保存下来 使之不向晶态转变 基于上述特点 最常见的非晶态制备方法有液相骤冷和从稀释态凝聚 包括蒸发 离子溅射 辉光放电和电解沉积等 近年来还发展了离子轰击 强激光辐照和高温压缩等新技术 材料制备方法 液相骤冷法液相骤冷是目前制备各种非晶态金属和合金的主要方法之一 并已经进入工业化生产阶段 它的基本特点是先将金属或合金加热熔融成液态 然后通过不同途径使它们以105 108 sec的高速冷却 这时液态的无序结构得以保存下来而形成非晶态 样品以制备方法不同可以成几微米到几十微米的薄片 薄带或细丝状 快速冷却可以采用多种方法 可以制成不同形状的非晶 如 非晶带 非晶丝 非晶片等 熔体旋转法 MeltSpinning 1 石英管 2 惰性气体 3 薄带 4 喷嘴 5 熔体 6 熔池 7 辊轮 8 感应线圈 将母合金切成30mm的小段或小块 再磨去氧化皮 装入石英管1中 通过感应器8迅速加热熔化母合金 从石英管上端通入氮气或惰性气体2 金属熔体在压力下克服表面张力 从石英管下端的喷嘴4中喷到下方高速旋转的辊轮7的表面 当金属熔体与辊轮表面接触时 迅速凝固 并在离心力的作用下以薄带的形式抛出 纳米晶与微晶软磁合金 制备方法与非晶一样 采取快速冷却工艺对晶粒的控制冷却速率调整加入微量元素帮助形核热处理工艺 硬磁材料 概念 这里的硬和软并不是指力学性能上的硬和软 而是指磁学性能上的硬和软 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 特点 具有高矫顽力 硬磁材料的磁滞回线 矫顽力剩磁磁能积 与硬磁材料相关的特性 常用的永磁材料主要具有4种磁特性 1 高的最大磁能积 最大磁能积 符号为 BH m 是永磁材料单位体积存储和可利用的最大磁能量密度的量度 2 高的矫顽 磁 力 矫顽力 符号为 H c 是永磁材料抵抗磁的和非磁的干扰而保持其永磁性的量度 3 高的剩余磁通密度 符号为Br 和高的剩余磁化强度 符号为Mr 它们是具有空气隙的永磁材料的气隙中磁场强度的量度 4 高的稳定性 即对外加干扰磁场和温度 震动等环境因素变化的高稳定性 硬磁材料的性能要求 对永磁特性参数的要求剩余磁感应强度高矫顽力HCJ和HCB高 BH max要大曲线的退磁凸出系数趋于 1 B H m Br Hc 稳定性好 温度稳定性 磁场稳定性 时间稳定性将永磁体选用在最佳工作点最大磁能积点附近 经济性 硬磁材料的种类 稀土永磁材料 这是当前最大磁能积最高的一大类永磁材料 为稀土族元素和铁族元素为主要成分的金属互化物 又称金属间化合物 钕铁硼稀土合金永磁材料 金属永磁材料 主要有铝镍钴 AlNiCo 系和铁铬钴 FeCrCo 系两大类永磁合金 特点是永磁性能中等 但其力学性能可进行各种机械加工及冷或热的塑性变形 可以制成管状 片状或线状永磁材料而供多种特殊应用 铁氧体永磁材料 特点是电阻率高 特别有利于在高频和微波应用 提高硬磁材料性能的途径 一 剩磁Br提高MS MS由成分决定 对于成分给定的永磁材料 提高Br Bs的比值定向结晶 铝镍钴系列 磁场热处理 铝镍钴系列 磁场成型结晶定向 磁畴定向 提高硬磁材料性能的途径 二 矫顽力Hc如果Hc是由壁移机制决定的 可在合金内增加应力梯度及非磁性相来增加Hc 这种机制只能获得相对较低的Hc值 畴壁钉扎 是指在材料反磁化过程中 当反向磁场低于某一钉扎场Hp时 畴壁基本上固定不动 只有当反向磁场超过钉扎场Hp时 畴壁才能挣脱束缚 开始发生不可逆位移 点缺陷 位错 晶界 堆垛 层错等有关的局域性交换作用和局域性各向异性起伏等都可以是畴壁钉扎点的重要来源 若Hc是由畴转过程决定的 则磁畴在不可逆转动过程中受到的阻力就是Hc值的度量 这时依赖于造成单畴粒子或弥散的单畴脱溶相及其三种各向异性 磁晶 应力及形状 来增加畴转的阻力 从而获得高的Hc值 提高硬磁材料性能的途径 提高硬磁材料性能的途径 三 稳定性选择高的Hc 高 f配方并可添加有益杂质 以及利用不同系列合金 正负温度等效互相补偿来提高稳定性 时效处理 进行人工老化 时效温度比工作温度高30 50摄氏度 温度循环处理 在比工作温度范围宽的温度 反复循环多次 交流退磁处理 在比干扰场稍大的交流磁场中退磁 正确选择永磁体的工作点 利用热磁合金进行外补偿 可以提高温度稳定性 稀土金属硬磁 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 用于制造大退磁场的行波管聚焦磁铁 微型永磁马达和发电机及微型高灵敏度仪表等 六十年代 第一代稀土永磁 1 5型R Co永磁 七十年代 第二代稀土永磁 2 17型R Co永磁 八十年代 第三代稀土永磁 R Fe B永磁 NdFeB系 一 概述Nd Fe B系合金是以Nd2Fe14B化合物为基的一种不含Co的高性能硬磁材料 目前此类材料磁性已达如下的水平 最大磁能积407 6kJ m3 矫顽力2244 7kA m 是迄今为止磁性能最高的永磁材料 被誉为 磁王 Nd Fe B系合金的另外一个最大的优点是原材料丰富 价格便宜 其价格只相当于钐钴合金的50 左右 它能吸起相当于自重640倍的重物 而铁氧体只能吸起自重的120倍 居里温度不高 稳定性差 主要制备方法和稳定性改善 生产工艺多种多样烧结法 熔体快淬法 粘结法 机械合金化法等 热处理采用二级回火处理 提高稳定性 稳定性稳定差的原因 合金的居里温度不高Nd和Fe都比较易氧化和腐蚀提高的方法 提高合金本身的耐蚀性添加Al Nb Ga Dy等元素 较低氧化磁体表面形成保护膜和涂层 永磁材料的应用 制成各种永磁体应用广泛各种电机