磁性材料材料认识与应用(论文).doc

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磁性材料吴秋华 林岳扬 刘俊毅 黄小群 陈玉斌 郑松标 郑周 指导老师：叶晓萍摘要 综述磁性材料的基本概况，磁性材料的分类和机理、在实际中的应用与工作原理、工艺流程、发展前景等。关键词 磁性材料 磁性材料的应用 磁性材料的发展前景Abtract：Review the basic situation of the magnetic material, The classification of magnetic material and mechanism.In real application and process flow, principle ,development foreground。Key words：Magnetic materials Applications of Magnetic materials Development of Magnetic materials目录引言21 磁性材料的发现.22 磁性材料的分类和基本机理32.1永磁材料.32.2软磁材料.32.3旋磁材料.42.4磁信息材料.43 磁性材料的基本特性.43.1 磁性材料的磁化曲线.53.2 软磁材料的常用磁性能参数.73.3 软磁材料的磁性参数与器件的电气参数之间的转换.84 磁性材料在实际中应用以及常用磁产品工作原理.84.1永磁材料（硬磁材料）84.2 软磁材料94.3 磁性产品例子95 磁性材料生产工艺流程.125.1钕铁硼的加工工艺：.125.2软磁功率铁氧体生产工艺流程165.3软磁功率铁氧体生产工艺流程深入分析.166 磁性材料发展前景21参考文献.22引言 磁性材料，是古老而用途十分广泛的功能材料，而物质的磁性早在3000年以前就被人们所认识和应用，例如中国古代用天然磁铁作为指南针。现代磁性材料已经广泛的用在我们的生活之中，例如将永磁材料用作马达，应用于变压器中的铁心材料，作为存储器使用的磁光盘，计算机用磁记录软盘等。可以说，磁性材料与信息化、自动化、机电一体化、国防、国民经济的方方面面紧密相关。而通常认为，磁性材料是指由过度元素铁、钴、镍及其合金等能够直接或间接产生磁性的物质。1 磁性材料的发现最早被发现的磁性材料是磁铁。磁铁不是人发明的，有天然的磁铁矿，最早出现及使用磁铁的应该是中国人。所以指南针是中国 人四大发明之一。至于成分那就是铁、钴、镍等.其原子结构特殊，原子本身具有磁矩. 一般的这些矿物分子排列混乱.磁区互相影响就显不出磁性. 但是在外力(如磁场)导引下分子排列方向趋向一致.就显出磁性.也就是俗称的磁铁.铁、钴、镍 是最常用的磁性物质。至于最早磁铁谁发现,最古老的记载是中国黄帝大战蚩尤的指南车 所以称为中国四大发明之一了!中国在西元前一世纪即知道有磁铁极化的情形。战国时代,就曾 利用一根自然磁铁,放在有刻度 的铜盘上,用来占卜。北宋时利用两种方法制造出人工磁铁,一 种是将烧红的铁针,置于南北方向,急速冷却后,利用地球的磁 场将铁针磁化；另一种是用磁石摩擦铁针而成。梦溪笔谈中记载了磁偏角的存在,发现在磁偏角的影响下,磁针指向南方,比真正的南方略偏东。依据这些 知识,而发展出将磁铁做为指南针的科学应用。 磁铁只是一个通称,是泛指具有磁性的东西,实际的成分不一定包含铁。较纯的金属态的铁本身没有永久磁性,只有靠近永久磁铁才会感应产生磁性,一般的永久磁铁里面加了其他杂质元素（例如碳）来使磁性稳定下来,但是这样会使电子的自由性降低而不易导电,所以电流通过的时候灯泡亮不起来。 铁是常见的带磁性元素,但是许多其他元素具有更强的磁性,像很多强力磁铁就是铷铁硼混合而成的.经过千百年的发展，今天磁铁已成为我们生活中的强力材料。通过合成不同材料的合金可以达到与吸铁石相同的效果，而且还可以提高磁力。在18世纪就出现了人造的磁铁，但制造更强磁性材料的过程却十分缓慢，直到20世纪20年代制造出铝镍钴(Alnico)。随后，20世纪50年代制造出了铁氧体(Ferrite),70年代制造出稀土磁铁Rare Earth magnet 包括钕铁硼(NdFeB)和钐钴(SmCo)。2 磁性材料的分类和基本机理一般把磁性材料分成金属磁性材料和铁氧体磁性材料两大类。前者以纯金属和各种合金为原材料，通过熔融、浇铸、加工和热处理或者由合金粉末通过成型、烧结和热处理等工艺制成；后者则以氧化铁和其他各种金属氧化物为原材料，经球磨、成型和烧结等工艺制成。这两类磁性材料又都可划分为永磁材料、软磁材料、旋磁材料以及磁信息材料。2.1永磁材料永磁材料又称硬磁材料。它们一旦在磁场中被冲磁后，如撤去外磁场，材料可以保留很强的磁性，而且不易被退磁。高碳钢、铝镍结合金、铁铬钴合金、钐钴合金等都属于永磁材料。它们可以用来制成永磁体，在一定的空间提供恒定的工作磁场。利用本身或通过磁场和载流导体、带电粒子以及涡流相互作用，可以使一种能量方便地换成另一种能量，从而被广泛地应用于各种精密仪表、电声器件、永磁电机、磁选机、自动控制、微波器件、核磁共振成像仪、粒子加速器、磁耦合转动装置和各种磁疗装置。2.2软磁材料 软磁材料与永磁材料不同，它们在较低的磁场中即可被饱和磁化，从而呈现很强的磁性，但在磁场撤出以后，磁性也就基本消失。这种材料被大量用作电力、配电箱、通信变压器以及继电器、地磁铁、电感器的铁芯材料、发电机和电动机的转子和定子材料以及磁路中的磁轭材料等。典型的软磁材料又纯铁、硅钢、镍铁合金、铁钴合金、锰锌铁氧体等。2.3旋磁材料旋磁材料在微波频率下呈现出显著的旋磁现象，例如可使通过它的电磁波的偏振面发生旋转（法拉第地磁感应定律）、或使入射电磁波分解成传播速度不同且又互相垂直的线偏振波（双折射定律）或造成电磁波被材料强烈吸收（铁磁共振）。利用哲学旋磁现象可制各种微波铁氧体器件，如隔离器、环行器、移相器、混频器、参量放大器等，被广泛地应用于雷达技术中。典型材料又镁锰和锂铁氧体等为代表的尖晶石铁氧体、以钇铁石榴石为代表的石榴石铁氧体和以钡铁氧体为代表的磁铅石铁氧体等。2.4 磁信息材料磁信息材料是指应用于计算机、磁记录和其他信息处理技术中存取信息的一大类磁性材料。计算机和磁记录技术中各种磁带、磁盘、磁鼓、磁卡以及各种磁存储器注入磁膜存储器、磁泡存储器、磁光存储器中所使用的磁性材料都属于这一类。随着计算机、录像机、的发展和普及，这类磁信息材料的产值在磁性材料中一直是最高的。3 磁性材料的基本特性磁性材料具有磁有序的强磁性物质，广义还包括可应用其磁性和磁效应的弱磁性及反铁磁性物质。磁性是物质的一种基本属性。物质按照其内部结构及其在外磁场中的性状可分为抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性物质。铁磁性和亚铁磁性物质为强磁性物质，抗磁性和顺磁性物质为弱磁性物质。磁性材料按性质分为金属和非金属两类，前者主要有电工钢、镍基合金和稀土合金等，后者主要是铁氧体材料。按使用又分为软磁材料、永磁材料和功能磁性材料。功能磁性材料主要有磁致伸缩材料、磁记录材料、磁电阻材料、磁泡材料、磁光材料，旋磁材料以及磁性薄膜材料等，反映磁性材料基本磁性能的有磁化曲线、磁滞回线和磁损耗等3.1 磁性材料的磁化曲线 磁性材料是由铁磁性物质或亚铁磁性物质组成的，磁化曲线是表征物质磁化强度(B)与磁场强度（H）的依赖关系的曲线 。在外加磁场H 作用下，必有相应的磁化强度M 或磁感应强度B，它们随磁场强度H 的变化曲线称为磁化曲线（MH或BH曲线）。磁化曲线一般来说是非线性的，具有2个特点：磁饱和现象及磁滞现象。即当磁场强度H足够大时，磁化强度M达到一个确定的饱和值Ms，继续增大H，Ms保持不变；以及当材料的M值达到饱和后，外磁场H降低为零时，M并不恢复为零，而是沿MsMr曲线变化。材料的工作状态相当于MH曲线或BH曲线上的某一点，该点常为工作点。3.1.1铁磁体的磁滞回线图1铁磁体的磁滞回线B随H变化的全过程如下： 当H按 OHmOHcHmOHcHm的顺序变化时，B相应沿 OBmBrOBmBrOBm的顺序变化 （1）当H0时，B不为零，铁磁材料还保留一定值的磁感应强度，通常称为铁磁材料的剩磁。（2）要消除剩磁，使B降为零，必须加一个反方向磁场，这个反向磁场强度叫做该铁磁材料的矫顽磁力。（3）H上升到某一个值和下降到同一数值时，铁磁材料内的B值并不相同，即磁化过程与铁磁材料过去的磁化经历有关。3.1.2 基本磁化曲线图2基本磁化曲线 图3 退磁曲线对于同一铁磁材料，若开始时不带磁性，依次选取磁化电流为I1、I2、Im(I1 I2 Im)则相应的磁场强度为H1、H2、Hm。在每一个选定的磁场值下，使其方向发生两次变化（即H1- H1H1,Hm- HmHm等），则可得到一组逐渐增大的磁滞回线我们把原点o和各个磁滞回线的顶点a1、a2、a所连成的曲线，称为铁磁材料的基本磁化曲线（图2）。 在理论上，要消除剩磁Br，只需通一反方向磁化电流，使外加磁场正好等于铁磁材料的矫顽磁力就行。实际上，矫顽磁力的大小通常并不知道，因而无法确定退磁电流的大小。我们从磁滞回线得到启示：如果使铁磁材料磁化达到饱和，然后不断改变磁化电流的方向，与此同时逐渐减小磁化电流，以至于零，那么该材料得磁化过程就是一连串逐渐缩小而最终趋于原点的环状曲线，如图3所示。当H减小到零时，B亦同时降为零，达到完全退磁。3.2 软磁材料的常用磁性能参数 3.2.1饱和磁感应强度Bm其大小取决于材料的成分，它所对应的物理状态是材料内部的磁化矢量整齐排列，是永磁材料极为重要的参数。永磁材料的饱和磁化强度越高，它标志着材料的最大磁能积和剩磁可能达到的上限值越高。3.2.2剩余磁感应强度Br是磁滞回线上的特征参数，H回到0时的B值，即铁磁体磁化到饱和并去掉外磁场后，在磁化方向保留的剩余磁化强度或剩余磁感应强度称为剩磁。3.2.2矩形比BrBm ，表示磁记录材料磁滞回线矩形程度的重要参数，符号Rs。它是材料最大剩余磁通密度Br与最大磁通密度Bm之比，即Rs=Br/Bm。对于磁记录材料而言，矩形比愈大愈好，一般Rs值应为0.900.97左右。矩形比也称矩形系数。3.2.4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）。铁磁体磁化到饱和后，使它的磁化强度或磁感应强度降低到零所需要的反向外磁场称为矫顽力。 3.2.5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。 初始磁导率i、最大磁导率m、微分磁导率d、振幅磁导率a、有效磁导率e、脉冲磁导率p。 3.2.6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。 3.2.7损耗P磁滞损耗Ph及涡流损耗Pe P = Ph + Pe = af + bf2+ c Pe f2 t2 / ， 降低，降低磁滞损耗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） 3.2.8最大磁能积最大磁能积是退磁曲线上磁感应强度和磁场强度乘积的最大值。这个值越大，说明单位体积内存储的磁能越大，材料的性能越好。3.3 软磁材料的磁性参数与器件的电气参数之间的转换 在设计软磁器件时，首先要根据电路的要求确定器件的电压电流性。器件的电压电流特性与磁芯的几何形状及磁化状态密切相关。设计者必须熟悉材料的磁化过程并拿握材料的磁性参数与器件电气参数的转换关系。设计软磁器件通常包括三个步骤：正确选用磁性材料；合理确定磁芯的几何形状及尺寸；根据磁性参数要求，模拟磁芯的工作状态得到相应的电气参数。4 磁性材料在实际中应用以及常用磁产品工作原理4.1永磁材料（硬磁材料）永磁材料经磁化后，去除外磁场仍保留磁性，其性能特点是具有高的剩磁、高的矫顽力。利用此特性可制造永久磁铁，可把它作为磁源。如常见的指南针、仪表、微电机、电动机、录音机、电话及医疗等方面。永磁材料包括铁氧体和金属永磁材料两类。铁氧体的用量大、应用广泛、价格低，但磁性能一般，用于一般要求的永磁体。金属永磁材料中，最早使用的是高碳钢，但磁性能较差。高性能永磁材料的品种有铝镍钴（Al-Ni-Co）和铁铬钴（Fe-Cr-Co）；稀土永磁，如较早的稀土钴（Re-Co）合金（主要品种有利用粉末冶金技术制成的SmCo5和Sm2Co17），以及现在广泛采用的铌铁硼（Nb-Fe-B）稀土永磁，铌铁硼磁体不仅性能优，而且不含稀缺元素钴，所以很快成为目前高性能永磁材料的代表，已用于高性能扬声器、电子水表、核磁共振仪、微电机、汽车启动电机等。4.2 软磁材料是指那些易于磁化并可反复磁化的材料，但当磁场去除后，磁性即随之消失。这类材料的特性标志是：磁导率（=B/H）高，即在磁场中很容易被磁化，并很快达到高的磁化强度；但当磁场消失时，其剩磁很小。这种材料在电子技术中广泛应用于高频技术。如磁芯、磁头、存储器磁芯；在强电技术中可用于制作变压器、开关继电器等。目前常用的软磁体有铁硅合金、铁镍合金、非晶金属。Fe-(3%4%)Si的铁硅合金是最常用的软磁材料，常用作低频变压器、电动机及发电机的铁芯；铁镍合金的性能比铁硅合金好，典型代表材料为坡莫合金（Permalloy），其成分为79%Ni-21%Fe，坡莫合金具有高的磁导率（磁导率为铁硅合金的1020倍）、低的损耗；并且在弱磁场中具有高的磁导率和低的矫顽力，广泛用于电讯工业、电子计算机和控制系统方面，是重要的电子材料；非晶金属（金属玻璃）与一般金属的不同点是其结构为非晶体。它们是由Fe、Co、Ni及半金属元素B、Si 所组成，其生产工艺要点是采用极快的速度使金属液冷却，使固态金属获得原子无规则排列的非晶体结构。非晶金属具有非常优良的磁性能，它们已用于低能耗的变压器、磁性传感器、记录磁头等。另外，有的非晶金属具有优良的耐蚀性，有的非晶金属具有强度高、韧性好的特点。4.3 磁性产品例子4.3.1 电磁炉（图4）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。机理：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。 金属煲的电子必须足够大，才能产生足够的热量，所以一般只能选用铁和不锈钢煲。图4电磁炉的工作原理4.3.2电饭锅（图5）机理：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摄氏度的磁性材料。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。图5电饭锅工作原理4.3.3磁悬浮列车机理：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。图6两种磁悬浮列车系统结构示意图5 磁性材料生产工艺流程5.1钕铁硼的加工工艺：铁硼磁性材料是钕，氧化铁等的合金。又称磁钢。钕铁硼材料中含有大量的钕和铁，其特性硬而脆、易被氧化腐蚀。钕铁硼具有极高的磁能积和矫顽力，同时高能量密度的优点使钕铁硼永磁材料在现代工业和电子技术中获得了广泛应用，从而使仪器仪表、电声电机、磁选磁化等设备的小型化、轻量化、薄型化成为可能。钕铁硼的优点是性价比高，具良好的机械特性；不足之处在于居里温度点低，温度特性差，且易于粉化腐蚀，必须通过调整其化学成分(加入钴等居里温度高的元素)和采取表面处理方法(表面化学钝化是目前很好的解决方法之一)使之得以改进，才能达到实际应用的要求。钕铁硼合金（即Nd-Fe-B系永磁）。1983年日本和美国同时发现了钕铁硼合金，称为第三代永磁材料，当Nd原子和Fe原子分别被不同的RE原子和其他金属原子取代可发展成多种成分不同、性能不同的Nd-Fe-B系永磁材料。其制备方法主要有烧结法、还原扩散法、熔体快淬法、粘结法、铸造法等，其中烧结法和粘结法在生产中应用最广泛3。下表列出了不同稀土永磁材料的磁性能。表1 钕铁硼材料与其他材料比较材料种类最大磁能积/Kj.m-3剩余磁通/T磁感矫顽力/kA.m-1内禀矫顽力/kA.m-1居里温度/0CSmCo5系1000.76550680740SmCo5系（高Hc）1600.907001120740Sm2Co17系2401.10510530920Sm2Co17系（高Hc）2800.95640800920烧结Nd-Fe-B系240-4001.1-1.4800-2400310-510粘结Nd-Fe-B系56-1600.6-1.1800-2100310SmFe系56-1600.6-1.1600-2000310-600从上表可以看出钕铁硼永磁材料的综合磁性能最好，并且烧结法优于粘结法。其工艺流程为： 铸锭 回火 机加工与表面处理 烧结 磁场取向与压型 破碎与制粉 冶炼 原材料准备 检测 成品烧结法制取钕铁硼图7烧结法制取钕铁硼5.2钕铁硼永磁材料生产工艺流程的原理5.2.1原料准备烧结钕铁硼系永磁材料的磁性能主要由Nd2Fe14B基体相来决定的。因为其磁极化强度Js(Js=0Ms，Ms为饱和磁化强度)和各向异性场HA主要取决于Nd2Fe14B相的化学成分。虽然剩磁Br、矫顽力Hci和磁能积(BH)max是组织敏感量，但Br的极限值是Js，Hci的极限值是HA，(BH)max的极限值是(Js2)/40，所以合金成分设计和原材料选择是至关重要的。5.2.2冶炼熔炼的目的是将纯金属料(Fe、Nd、B-Fe、Dy、A1、Nb、Co、Cu等)熔化，并确保(1)所有的金属料熔清。纯Fe和金属Nd等的熔点较高，应设法使它们完全熔清；(2)合金的设计成分准确。造成成分不准确的原因是金属的挥发和氧化损失(总称烧损)。为此一般采用真空感应炉熔炼，真空度应达10-210-3Pa以上；(3)保证合金成分均匀；(4)确保合金干净，防止夹杂物和气体污染。5.2.3铸锭铸锭组织不仅对制粉、取向、烧结工艺，而且对粉末性质和最终烧结磁性能均有重要影响。没有优良的铸锭组织，就不可能制造出高性能烧结永磁体。铸锭组织是制约磁体性能的关键技术之一。良好的铸锭组织应是：柱状晶生长良好，其尺寸细小，富Nd相沿晶界均匀分布，但不得有大块的富Nd相，以及不存在-Fe晶体。铸锭凝固是一个形核长大的过程。在结晶过程中，形核率越大，将有更多的晶核同时成长。这样，得到的片状晶尺寸会更细小。为了制造高性能Nd-Fe-B系永磁体，将铸锭组织的片状晶尺寸控制在5m以下是较为理想的。5.2.4破碎与制粉 制粉目的是将大块合金锭破碎成一定尺寸的粉末。包括粗破和磨粉两个工艺过程。粗破碎方法有两种：一种是氢破碎(HD)，另一种是机械破碎。将粗破后的246m175m (6080目)的中等粉末研磨至34m细粉，该种磁粉绝大多数为单晶体。一般采用球磨制粉或气流磨制粉两种方法。球磨制粉有滚动球磨、振动磨、高能球磨等。气流磨制粉是利用气流将粉末颗粒加速到超音速，使之相互对撞而破碎。目前生产规模较小的厂家用滚动球磨，多数Nd-Fe-B生产厂采用气流磨制造磁粉。5.2.5磁场取向与压型粉末磁场取向是制造高性能烧结Nd-Fe-B永磁体的又一关键工艺技术之一。烧结Nd-Fe-B系永磁体的磁性能主要来源于具有四方结构的Nd2Fe14B基体相，它是单轴各向异性晶体，c轴为易磁化轴，a轴为难磁化轴。对于单晶体来说，当沿其易磁化轴磁化时，有最大的剩磁Br=0Ms。如果烧结永磁体的各个粉末颗粒的c轴是混乱取向的