2第二讲 磁性材料1.ppt

上节回顾 基本概念功能复合效应功能复合材料结构与性能的关系界面效应复合材料界面作用机理影响界面稳定性的因素 第二章磁功能与复合材料 具有强磁性的材料称为磁性材料 磁性材料具有能量转换 存储或改变能量状态的功能 磁性材料广泛地应用于计算机 通讯 自动化 音像 电视 仪器和仪表 航空航天 农业 生物与医疗等技术领域 宏观磁体由许多具有固有磁矩的原子组成 当原子磁矩同向平行排列时 宏观磁体对外显示的磁性最强 当原子磁矩紊乱排列时 宏观磁体对外不显示磁性 第一节磁性材料 磁性的产生 一 基本概念 宏观磁体单位体积在某一方向的磁矩称为磁化强度M M 原子 V 磁化强度M 磁化率 及磁导率 任何物质在外磁场作用下 除了外磁场H外 由于物质内部原子磁矩的有序排列 还要产生一个附加的磁场M 在物质内部外磁场和附加磁场的总和称为磁感应强度B B o H M o 真空磁导率 M H 磁化率 B H 磁导率 二 磁性的起源 1 抗磁性 反磁性 外场加速或减速轨道电子 最外层电子贡献最大电子轨道的偏转自由电子 超导材料 2 顺磁性 电子自旋 自旋顺磁性 外场使自旋磁矩的方向趋向于沿着外场的方向受温度影响较小 自由原子和稀土元素以及他们的盐类和氧化物 受温度影响较大 CurieLaw Curie WeissLaw 轨道电子顺磁性 只观察到自旋顺磁性 电子轨道和晶格的耦合阻止轨道磁矩变到外场方向 稀土元素 深层的4f电子 晶格场被外层电子屏蔽 g因子 轨道运动 自旋贡献 顺磁性与抗磁性 顺磁性 轨道和自旋顺磁性的材料 具有未饱和4f电子的稀土金属 抗磁性 大多数材料没有轨道顺磁性 自旋磁矩是否相互抵消具有全填充电子能带没有净自旋磁矩 本征半导体 绝缘体 离子晶体 具有部分填充能带的材料 顺磁性 Hund srule Bohr磁矩 如Fe Co Ni Gd等金属及其合金称为铁磁性物质 3 铁磁性 图15 7 饱和磁化强度与温度相关 压磁性 Piezomagnetism 磁弹性 magnetostriction 铁磁性 亚铁磁性 反铁磁性 物质放入磁场中尺度的变化 Tb Dy Fe合金比Fe和Fe Ni合金高3个数量级 NiFe 交换能和静态磁能的竞争 为什么分成磁畴 一个自旋方向到另一个自旋方向的过渡 畴壁 Blockwall Barkhauseneffect 外场下畴壁的变化是跳动的 晶体的缺陷 冷加工增加矫顽力和磁滞回线的面积 冷加工降低磁导率 引起磁滞回线的顺时针旋转 力学硬度和磁的硬度多数情况下是相互平行的 硅铁是例外 4 反铁磁性 MnOMnF2 FeO FeF3 NiF3 NiO MnO 各种锰盐以及部分铁氧体ZnFe2O4等 它们相邻原子的磁矩反向平行 而且彼此的强度相等 没有磁性 Neeltemperature 基本没有实际应用 5 亚铁磁性 Ferrimagnetism 行为和铁磁性类似 磁畴和磁滞回线 陶瓷材料 氧化物 电导性差 高频应用 抑制eddy电流 不完美的反铁磁性 Fe 3d64s2 Ni 3d84s2磁矩和实验值的差别 轨道效应和金属离子在A和B位的分布偏离 Ni铁氧体 NiO Fe2O3 反尖晶石结构 inversespinelstructure ZnO Fe2O3normalspinel 饱和磁化强度和磁化率随温度的变化 三 应用 电工钢 electricalsteel 电动机用每年达百万吨 上亿美元永磁体 扩声器 磁记录材料 1 电工钢 软磁材料 高的磁导率易于磁化和退磁磁滞回线中的区域应该小 在电动机和变压器中的能量损失 每年全美国有3 1010kWh 相当于3百万人的能量消耗 浪费20亿美元 通过改善磁芯 能量损失减少5 就可以每年节省1亿美元 软磁材料磁滞回线 电磁线圈的芯 变压器 电动机 发电机 电磁铁 1 铁芯损耗 corelosses Eddycurrent 绝缘体 贵 高频应用 包覆绝缘层的铁粉压成 50 100微米 电导降低的同时磁导率降低 薄片组成 A降低 磁滞损失 hysteresislosses 材料选择 轧制和退火 措施 相关量 2 晶粒取向 通过采用合适的晶粒取向可以增加磁导率和降低磁滞损耗 磁各向异性 magneticanisotropy 铁单晶 轧制和退火使某个晶向平行于轧制方向 晶粒取向的电工钢 Grain orientedelectricalsteel 热轧 冷轧 退火 冷轧 3 芯材料的组分 低碳钢 0 05 C 便宜 纯化 增加磁导率的同时增加电导率和成本 Fe Si合金 1 4 3 5 Si 高的磁导率和低的电导率在高温下应用再降温不相变 增加Si的含量芯损失降低 但是变脆不容易轧制增加Al和Mn 影响晶粒结构和降低磁滞损耗 最高的磁导率是Ni基合金 用于电子设备屏蔽磁场 改善方法 4 非晶磁体Amorphousmetals metallicglasses 在晶化温度以下退火 应力松弛 具有相当高的磁导率和低的矫顽力具有低的电导 小的eddy电流损失低的饱和磁化强度 升高温度迅速降低低电流器件的应用 通讯设备的变压器 磁感应器 2 永磁体 硬磁材料 大的剩磁 相对大的矫顽力和磁滞回线包围面积 退磁曲线 退磁场Hd和磁体的形状相关边缘通量和磁体边上的漏磁 磁能积 Alnico合金 少量的Cu和Ti 1250 加热使材料均一化 急冷 在600 回火在磁场中冷却合金晶粒取向 融化后冷却坩埚的底部 形成长柱形晶粒具有沿着热流的方向 冷却和回火中形成柱状铁和富Co的沉淀物 平行于方向 这些磁性沉淀物是单畴颗粒 埋置在弱磁的Ni和Al基体中 从而具有易磁化方向的立方晶体结构 硬脆只能通过铸造或者压制和烧结金属粉末成型 Nd B Fe合金是最新的硬磁材料具有优秀的矫顽力和大的磁能积 缺点是具有相对较低的居里温度 300 陶瓷铁氧体磁体 脆 相对不贵 Ba或Sr铁氧体 BaO 6Fe2O3和SrO 6Fe2O3 片状的 垂直方向是易磁化方向 在烧结时互相平行形成好的径向 铁氧体粉末和塑料材料制成弹性磁体 冰箱门的垫圈 高碳钢磁体 包含或不包含Co W Cr 比其他磁体性能差磁性源于马氏体诱导的内部应力 阻止磁畴壁的移动 C N等非金属元素添加入铁 稀土磁体如Fe Nd C或Fe17Sm2NxN处理烧结的Fe14Nd2B可以增加居里温度100 Fe17Sm2的氮化导致室温下矫顽力2 4 106A m 30kOe 剩磁1 5T 居里温度470 Fe Nd B的腐蚀 形成Nd OH 3 可以通过利用合金化合物改善 如 Fe Nd Al Fe Nd Ga或者应用阻止潮气的涂层 研究方向 耐腐蚀 成本 剩磁 矫顽力 磁有序温度和加工工艺 3 磁记录和磁存储 磁带 磁盘 银行卡的磁条等包含0 1 0 5 m的针状氧化物颗粒 单个磁畴 埋置在没有磁性的粘合剂中 亚铁磁性的 Fe2O3 Hc 20 28kA m铁磁性的CrO2 40 80kA m 0 05 0 4 m 低的居里温度128 高的矫顽力和高的剩磁阻止自退磁和偶然的擦除 强的信号和更薄的涂层 Co掺杂的 Fe2O3 48kA m铁颗粒 120kA m 表面需要涂Sn 磁头 recordingh