材料物理-24(0109)F-P1.pdf

MSEMSE 2008 Fall 01z8109 Bi 自发磁化理论自发磁化理论 原子之间相互接近形成分子时 电子云相互 重叠 产生相互作用 对于过渡族元素 原子的 原子之间相互接近形成分子时 电子云相互 重叠 产生相互作用 对于过渡族元素 原子的 3d 状态与状态与 s 态能量 相差不大 它们的电子云相互重叠 使 态能量 相差不大 它们的电子云相互重叠 使 s d 态电 子再分配 这种作用便产生一种交换能 态电 子再分配 这种作用便产生一种交换能 Eex 由量 子力学得到 由量 子力学得到 2 2cos ex EA A 交换积分常数 交换积分常数 相邻原子磁矩夹角 相邻原子磁矩夹角 MSEMSE 2008 Fall 01z8109 Bi 交换积分常数交换积分常数 A 0 相邻原子磁矩排列相同 从而实现自发磁化 相邻原子磁矩排列相同 从而实现自发磁化 A 0 相邻原子磁矩排列紊乱 为顺磁 相邻原子磁矩排列紊乱 为顺磁 A 0 相邻原子磁矩反向排列 相邻原子磁矩反向排列 2 2cos ex EA MSEMSE 2008 Fall 01z8109 Bi 反铁磁性与亚铁磁性反铁磁性与亚铁磁性 交换积分常数交换积分常数 A 0 时 原子磁矩取反向平行排列 能量最低 时 原子磁矩取反向平行排列 能量最低 相邻原子磁矩相等时 原子磁矩相 互抵消 自发磁化强度为零 称为 相邻原子磁矩相等时 原子磁矩相 互抵消 自发磁化强度为零 称为 反铁磁性 反铁磁性 物质由磁矩大小不同的两种离子物质由磁矩大小不同的两种离子 或原子或原子 组成 二者之差表现为宏 观磁矩 称为 组成 二者之差表现为宏 观磁矩 称为亚铁磁性 亚铁磁性 MSEMSE 2008 Fall 01z8109 Bi 反铁磁性反铁磁性 磁化率与温度的关系曲线 上存在最大值 称为奈耳 温度 磁化率与温度的关系曲线 上存在最大值 称为奈耳 温度 当温度趋于当温度趋于 0K 时 时 趋 于定值 趋 于定值 MSEMSE 2008 Fall 01z8109 Bi 亚铁磁性亚铁磁性 亚铁磁性物质亚铁磁性物质由磁矩大小不同 的两种离子 由磁矩大小不同 的两种离子 或原子或原子 组成 组成 相 同磁性的离子磁矩同向平行排 列 而不同磁性的离子磁矩是 反向平行排列 由于两种离子 的磁矩不相等 反向平行的磁 矩就不能恰好抵消 二者之差 表现为宏观磁矩 具有亚铁磁性的物质绝大部分 是金属的氧化物 相 同磁性的离子磁矩同向平行排 列 而不同磁性的离子磁矩是 反向平行排列 由于两种离子 的磁矩不相等 反向平行的磁 矩就不能恰好抵消 二者之差 表现为宏观磁矩 具有亚铁磁性的物质绝大部分 是金属的氧化物 MSEMSE 2008 Fall 01z8109 Bi 6 3 磁性材料的自发磁化和技术磁化磁性材料的自发磁化和技术磁化 铁磁性与顺磁性为什么不一样 铁磁性与顺磁性为什么不一样 外斯假说 铁磁体内部存在很强的外斯假说 铁磁体内部存在很强的 分子场分子场 在在 分子场分子场 的作用下 原子磁矩趋于同向平行排列 即自发磁化至饱和称为 的作用下 原子磁矩趋于同向平行排列 即自发磁化至饱和称为自发磁化自发磁化 为什么许多铁磁体对外不显示磁性 为什么许多铁磁体对外不显示磁性 铁磁体自发磁化分成若干个小区域 这种自发 磁化至饱和的小区域称为 铁磁体自发磁化分成若干个小区域 这种自发 磁化至饱和的小区域称为磁畴磁畴 由于各个磁畴的磁 化方向各不相同 磁性彼此相互抵消 导致铁磁体对外不显示磁 性 由于各个磁畴的磁 化方向各不相同 磁性彼此相互抵消 导致铁磁体对外不显示磁 性 MSEMSE 2008 Fall 01z8109 Bi 磁畴磁畴 铁磁体与亚铁磁体均有自发磁化 为什 么大块磁铁对外不显示磁性 铁磁体与亚铁磁体均有自发磁化 为什 么大块磁铁对外不显示磁性 自发磁化是以小区域磁畴 存在的 各磁畴的磁化方 向不同 自发磁化是以小区域磁畴 存在的 各磁畴的磁化方 向不同 外斯假说外斯假说 MSEMSE 2008 Fall 01z8109 Bi 磁畴的形成磁畴的形成 磁性体中自由能的影响磁性体中自由能的影响 交换能倾向于产生单畴结构 产生单畴之 后 其端面处产生磁极 从而增加退磁场能 交换能倾向于产生单畴结构 产生单畴之 后 其端面处产生磁极 从而增加退磁场能 交换能与退磁场能两个不同的竞争机制 使 单畴分割成小磁畴 交换能与退磁场能两个不同的竞争机制 使 单畴分割成小磁畴 MSEMSE 2008 Fall 01z8109 Bi 磁畴的形成磁畴的形成 续续 组织不均匀性的影响组织不均匀性的影响 一般不均匀性不仅导致进一步分畴 且畴 壁切割不均匀区域 这是因为 一般不均匀性不仅导致进一步分畴 且畴 壁切割不均匀区域 这是因为 夹杂物 应力 空洞夹杂物 应力 空洞 夹杂处磁通的连续性遭到破 坏 出现磁极和退磁场能 为 减少退磁场能 往往在夹杂物 附近出现附加畴 即 夹杂处磁通的连续性遭到破 坏 出现磁极和退磁场能 为 减少退磁场能 往往在夹杂物 附近出现附加畴 即分畴现象 分畴现象 新的畴壁切割不均匀区域 可 以降低畴壁的有效面积 新的畴壁切割不均匀区域 可 以降低畴壁的有效面积 MSEMSE 2008 Fall 01z8109 Bi 磁畴壁的特征磁畴壁的特征 磁畴壁是一个磁矩方 向转换过渡区 有一定厚 度 磁畴壁是一个磁矩方 向转换过渡区 有一定厚 度 换句话说 磁畴的磁化 方向在畴壁处不能突然转一 个很大角度 而是经过畴壁 的一定厚度逐步转过来的 即在过渡区中原子磁矩是逐 步改变方向的 换句话说 磁畴的磁化 方向在畴壁处不能突然转一 个很大角度 而是经过畴壁 的一定厚度逐步转过来的 即在过渡区中原子磁矩是逐 步改变方向的 布洛赫布洛赫 Bloch 畴壁 在整个磁畴壁中 原子 磁矩均平行于畴壁平面 这种畴壁叫布洛赫壁 畴壁 在整个磁畴壁中 原子 磁矩均平行于畴壁平面 这种畴壁叫布洛赫壁 MSEMSE 2008 Fall 01z8109 Bi 磁畴壁中的能量磁畴壁中的能量 畴壁是畴壁是原子磁矩方向由一个原子磁矩方向由一个磁畴的方向磁畴的方向转到相邻磁畴 的方向的逐渐 转到相邻磁畴 的方向的逐渐转向的一个过渡层 转向的一个过渡层 交换能交换能 磁晶各向异性能磁晶各向异性能 磁弹性能磁弹性能 壁内由于原子磁矩的逐渐转向 各方向上 的伸缩难易不同 因此产生磁弹性能 壁内由于原子磁矩的逐渐转向 各方向上 的伸缩难易不同 因此产生磁弹性能 MSEMSE 2008 Fall 01z8109 Bi 交换能与磁晶各向异性能交换能与磁晶各向异性能 原子磁矩之间有一定相互取向 即交换能相 对于磁畴内部升高 可以证明 逐渐转向比 突然转向的交换能小 所以 原子磁矩之间有一定相互取向 即交换能相 对于磁畴内部升高 可以证明 逐渐转向比 突然转向的交换能小 所以 畴壁的厚度越 大 可降低壁的交换能 畴壁的厚度越 大 可降低壁的交换能 原子磁矩的逐渐转向 使原子磁矩偏离易磁 化方向 使磁晶各向异性能增加 所以 原子磁矩的逐渐转向 使原子磁矩偏离易磁 化方向 使磁晶各向异性能增加 所以 磁 晶各向异性能倾向于使畴壁变薄 磁 晶各向异性能倾向于使畴壁变薄 MSEMSE 2008 Fall 01z8109 Bi 磁畴壁的厚度磁畴壁的厚度 畴壁能最小值时对应的 壁厚 畴壁能最小值时对应的 壁厚 No 就是平衡状 态下壁的厚度 就是平衡状 态下壁的厚度 畴壁的厚度越大 可降低壁的交换能 畴壁的厚度越大 可降低壁的交换能 磁晶各向异性能倾向于使畴壁变薄 磁晶各向异性能倾向于使畴壁变薄 MSEMSE 2008 Fall 01z8109 Bi 180 与 与90 磁畴壁 磁畴壁 相邻磁畴的界限称为相邻磁畴的界限称为磁畴壁 磁畴壁 MSEMSE 2008 Fall 01z8109 Bi 磁畴数目磁畴数目 细分磁畴后 畴壁增多 导致畴壁能增加 细分磁畴后 畴壁增多 导致畴壁能增加 退磁场能与畴壁能两个不同的竞争机制 决定了磁畴数目 极端情况下出现单畴 退磁场能与畴壁能两个不同的竞争机制 决定了磁畴数目 极端情况下出现单畴 32 00 9 2 2 2 1 RMsVNME CRE 2 90 2 不分畴不分畴 若分畴若分畴 MSEMSE 2008 Fall 01z8109 Bi 磁畴结构的影响因素磁畴结构的影响因素 磁畴的形状 尺寸 畴壁的类型与厚度总称 为 磁畴的形状 尺寸 畴壁的类型与厚度总称 为磁畴结构 磁畴结构 单晶体磁畴结构受到交换能 各向异性能 磁 弹性能 磁畴壁能 退磁能的影响 单晶体磁畴结构受到交换能 各向异性能 磁 弹性能 磁畴壁能 退磁能的影响 多晶体的磁畴结构不仅受到上述磁性体中各项 自由能的影响 还与组织有关 如晶界 第二 相 晶体缺陷 夹杂 应力 成份不均匀有关 多晶体的磁畴结构不仅受到上述磁性体中各项 自由能的影响 还与组织有关 如晶界 第二 相 晶体缺陷 夹杂 应力 成份不均匀有关 MSEMSE 2008 Fall 01z8109 Bi 6 3 2 技术磁化过程技术磁化过程 技术磁化过程 技术磁化过程 外加磁场对磁畴的作用过程 即外加磁场把 各个磁畴的磁矩方向转到外磁场方向的过程 外加磁场对磁畴的作用过程 即外加磁场把 各个磁畴的磁矩方向转到外磁场方向的过程 可通过两种形式进行 可通过两种形式进行 磁畴壁的迁移 磁畴的旋转 磁化过程有时存在一种形式 有时存在两种形式 磁畴壁的迁移 磁畴的旋转 磁化过程有时存在一种形式 有时存在两种形式 磁化曲线和磁滞回线是技术磁化的结果 磁化曲线和磁滞回线是技术磁化的结果 MSEMSE 2008 Fall 01z8109 Bi 技术磁化本质技术磁化本质 技术磁化过程包括 技术磁化过程包括 磁畴壁可逆迁移区 磁畴壁可逆迁移区 磁畴壁不可逆迁移 区 即巴克豪森跳跃 区 磁畴壁不可逆迁移 区 即巴克豪森跳跃 区 磁畴旋转区 磁畴旋转区 对应磁导率的变化是由小 大 最大值 减小 对应磁导率的变化是由小 大 最大值 减小 MSEMSE 2008 Fall 01z8109 Bi 影响磁畴壁迁移的因素影响磁畴壁迁移的因素 不均匀相 磁晶各向异性能 磁弹性能不均匀相 磁晶各向异性能 磁弹性能 磁导率增大 矫顽力减小 磁导率增大 矫顽力减小 磁畴壁易迁移磁畴壁易迁移 均匀组织 磁晶各向异性能低 磁弹性能小 均匀组织 磁晶各向异性能低 磁弹性能小 MSEMSE 2008 Fall 01z8109 Bi 影响合金铁磁性和亚铁磁性的因素影响合金铁磁性和亚铁磁性的因素 与自发磁化有关的参量与自发磁化有关的参量为为组织组织不敏感 而与 成份 原子结构组成合金各相的数量比有关 不敏感 而与 成份 原子结构组成合金各相的数量比有关 Ms s K Tc 组织 晶粒大小 形貌 弥散度 缺陷组织 晶粒大小 形貌 弥散度 缺陷 与技术磁化有关与技术磁化有关的参量为的参量为组织组织敏感 敏感 Hc 或或 Br MSEMSE 2008 Fall 01z8109 Bi 温度温度的影响的影响 在低于居里温度的条件下 各类铁磁和亚铁磁 性均随温度升高而所下降 直到居里温度附 近 有一个急剧下降 在低于居里温度的条件下 各类铁磁和亚铁磁 性均随温度升高而所下降 直到居里温度附 近 有一个急剧下降 下降过程 两者不同 下降过程 两者不同 MSEMSE 2008 Fall 01z8109 Bi 铁磁体的饱和磁化强度随温度的变化铁磁体的饱和磁化强度随温度的变化 温度升高 磁性下降 存在 温度升高 磁性下降 存在居里温度 居里温度 铁磁相的饱和磁化强 度与温度的关系曲 线 称为 铁磁相的饱和磁化强 度与温度的关系曲 线 称为热磁曲线 热磁曲线 MSEMSE 2008 Fall 01z8109 Bi MB MA 亚铁磁体饱和磁化强度随温度的变化亚铁磁体饱和磁化强度随温度的变化 每个磁结构的磁性来源不同 故当温度增加 时 每种磁结构对温度反应不会完全相同 每个磁结构的磁性来源不同 故当温度增加 时 每种磁结构对温度反应不会完全相同 在某一温度下 亚铁磁性材料的磁化温度在某一温度下 亚铁磁性材料的磁化温度 M 0 该温度被称为 该温度被称为补偿温度补偿温度 Tcomp 补偿点补偿点 MSEMSE 2008 Fall 01z8109 Bi 加工硬化加工硬化的影响的影响 加工硬化引起晶体内缺 陷增加 因而会引起与 组织有关的磁性关系 加工硬化引起晶体内缺 陷增加 因而会引起与 组织有关的磁性关系 再结晶退火与加工硬化 的作用相反 退火之 后 缺陷减少 最终各 种磁性又恢复到加工硬 化之后 再结晶退火与加工硬化 的作用相反 退火之 后 缺陷减少 最终各 种磁性又恢复到加工硬 化之后 Goss 织构织构 MSEMSE 2008 Fall 01z8109 Bi 合金元素含量合金元素含量的影响的影响 合金元素合金元素 包括杂质包括杂质 的 含量对铁的磁性有影 响 的 含量对铁的磁性有影 响 绝大多数合金元素 都将降低饱和磁化强度 绝大多数合金元素 都将降低饱和磁化强度 Co例外例外 MSEMSE 2008 Fall 01z8109 Bi 合金元素含量的影响合金元素含量的影响 续续1 Ni 含量对含量对 Fe Ni 合金磁性的影响 合金磁性的影响 玻莫合金玻莫合金 MSEMSE 2008 Fall 01z8109 Bi 合金元素含量的影响合金元素含量的影响 续续2 尽量减少有害的间隙杂质尽量减少有害的间隙杂质 在固溶体型磁合金中 间隙固溶体要比 替换固溶体的磁性差 合金中析出第二相以及它的形状 大小 分布对组织敏感的各磁性能影响极为显著 在固溶体型磁合金中 间隙固溶体要比 替换固溶体的磁性差 合金中析出第二相以及它的形状 大小 分布对组织敏感的各磁性能影响极为显著 MSEMSE 2008 Fall 01z8109 Bi 第第6章 材料磁性能章 材料磁性能 6 1 磁学基本量及磁性分类磁学基本量及磁性分类 6 2 铁磁性和亚铁磁性材料的特性铁磁性和亚铁磁性材料的特性 6 3 磁性材料的自发磁化和技术磁化磁性材料的自发磁化和技术磁化 6 4 磁性材料的动态特性磁性材料的动态特性 6 5 磁性材料磁性材料 6 6 信息存储磁性材料信息存储磁性材料 MSEMSE 2008 Fall 01z8109 Bi 第第6章 材料磁性能章 材料磁性能 6 1 磁学基本量及磁性分类磁学基本量及磁性分类 6 2 铁磁性和亚铁磁性材料的特性铁磁性和亚铁磁性材料的特性 6 3 磁性材料的自发磁化和技术磁化磁性材料的自发磁化和技术磁化 6 4 磁性材料的动态特性磁性材料的动态特性 6 5 磁性材料磁性材料 6 6 信息存储磁性材料信息存储磁性材料 MSEMSE 2008 Fall 01z8109 Bi 6 5 磁性材料磁性材料 按矫顽力大小分为硬磁 半硬磁和软磁材料按矫顽力大小分为硬磁 半硬磁和软磁材料 MSEMSE 2008 Fall 01z8109 Bi 6 5 1 软磁材料软磁材料 如何获得优异的软磁性能 如何获得优异的软磁性能 降低各向异性常数 降低各向异性常数 减小磁致伸缩 减小磁致伸缩 使组织均匀 使组织均匀 高的磁导率 低矫顽力和低的铁芯损耗 高的磁导率 低矫顽力和低的铁芯损耗 MSEMSE 2008 Fall 01z8109 Bi 6 5 2 硬磁材料硬磁材料 硬磁材料又称永磁材料硬磁材料又称永磁材料 指材料被外磁场磁化 后 去掉外磁场后仍然保持着较强剩磁的磁性 材料 用途 磁场源或磁力源 提供磁空间 指材料被外磁场磁化 后 去掉外磁场后仍然保持着较强剩磁的磁性 材料 用途 磁场源或磁力源 提供磁空间 在磁化后取消外磁场 则在磁铁中有在磁化后取消外磁场 则在磁铁中有 Br 但无法对外提供可利用的磁空间 但无法对外提供可利用的磁空间 若磁体是一个闭合回路若磁