磁性材料的认识与应用(PPT).ppt

磁性材料的认识和应用 导师 叶晓萍主讲人 郑周答辩人 吴秋华陈玉彬刘俊毅黄小群林岳阳郑松标专业 应用化学 精细化学 目录 引言磁性材料 一 磁性材料的历史 二 磁性材料的分类 1 2 三 磁性材料的基本特性 1 磁性 2 基本磁化曲线 3 磁性材料常用性能参数 四 磁性材料的应用 1 永磁材料 1 烧结钕铁硼磁性材料 2 钕铁硼 Nb Fe B 稀土永磁生产工艺 3 烧结钕铁硼永磁铁在生活中的用途 2 软磁材料 1 铁硅合金 2 铁镍合金 3 非晶金属 五 磁性材料的发展前景 六 磁性材料的问题 磁性材料 磁性材料对我们并不陌生 早在3000年以前就被人们所认识和应用 而且现代磁性材也已经广泛的应用在我们的生活之中与信息化 自动化 机电一体化 国防 国民经济的方方面面紧密相关 所以通常认为 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 司南 留声机 磁盘 磁卡 一 磁性材料的历史 最早被发现的磁性材料是磁铁 即为天然的磁铁矿 但最早使用磁铁的应该是中国人 据记载黄帝大战蚩尤的时候使用过磁材料 也就是指南车 在战国时代 人们就用一根磁铁放在有刻度的盘上用来占卜 而且在两宋时期 就出现了人工磁铁 虽然磁铁出现的早 但发展的十分缓慢 直到20世纪20年代制造出铝镍钴 Alnico 随后 20世纪50年代制造出铁氧体 Ferrite 70年代制造出稀土磁铁 包括钕铁硼 NdFeB 和钐钴 SmCo 二 磁性材料的分类 1 人们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 后者则以氧化铁和其他各种金属氧化物为原料 为了使用方便可将上面材料细分为永磁材料 软磁材料 旋磁材料以及磁信息材料 例如 核磁共振成像仪 粒子加速器 发电机 参量放大器 磁带等 核磁共振仪 粒子加速器 发电机 二 磁性材料的分类 2 当然也有的人们将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 随着磁性材料的发展以及各方面的需要 分类以及归纳的方法也不尽相同 电工钢 镍基合金 铁氧体材料 三 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 1 磁性 2 磁性材料的磁化曲线 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 铁磁体的磁滞回线 B随H变化的全过程如下 当H按O Hm O Hc Hm O Hc Hm的顺序变化时 1 磁滞回线 Oa为起始磁化曲线Bm点为饱和磁化强度Br为剩余磁感应强度Hc为矫顽力 B相应O Bm Br O Bm Br O Bm的顺序变化 2 基本磁化曲线 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 H1 H1 Hm Hm Hm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1 基本磁化曲线 图1 退磁曲线 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2所示 当H减小到零时 B亦同时降为零 达到完全退磁 3 磁材料常用的性能参数 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 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 矩形比 Br Bm 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 磁滞损耗 铁磁材料在磁化过程中由磁滞现象引起的能量损耗 降低磁滞损耗Ph的方法是降低矫顽力Hc 最大磁能积 最大磁能积是退磁曲线上磁感应强度 B 和磁场强度乘积 H 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 四 磁性材料的应用 1 永磁材料 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 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 金属永磁材料中钕铁硼 Nb Fe B 稀土永磁 钕铁硼磁体不仅性能优 而且不含稀缺元素钴 作为稀土永磁材料发展的最新结果 由于其优异的磁性能而被称为 磁王 1 烧结钕铁硼磁性材料 钕铁硼磁性材料是钕 氧化铁等的合金 又称磁钢 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和采取表面处理方法使之得以改进 才能达到实际应用的要求 2 钕铁硼 Nb Fe B 稀土永磁生产工艺 铸锭 回火 加工与表面处理 烧结 磁场取向与压型 破碎与制粉 冶炼 原材准备 检测 成品 烧结法制取钕铁硼 3 烧结钕铁硼永磁铁在生活中的用途 提高扩音器的解析度 应用于磁悬浮列车 应用于电动机 应用于核磁共振 2 软磁材料 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 目前常用的软磁体有铁硅合金 铁镍合金 非晶金属 1 铁硅合金 最常用的软磁材料 常用作低频变压器 发电机的铁芯 铁硅合金 低频变压器 2 铁镍合金 典型代表材料为坡莫合金 具有高的磁导率 磁导率 为铁硅合金的10 20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 但力学性能不太好 通常应用于电子材料 坡莫合金 电压互感器 微电机 3 非晶金属 是一种特殊的物质状态 具有优异的软磁 力学 耐腐蚀 电学等性能 研究最多 应用最广的非晶金属是非晶态软磁合金 有铁基 钴基 铁镍基和铁钴镍基等合金 航空变压器非晶铁芯 脉冲变压器铁芯 磁头 传感器 五 磁性材料发展前景 1 现在世界汽车产量在5500万辆左右 按每辆汽车使用电机数30只 预测需要电机16亿只 汽车用的扬声器产量2 3亿只 预测与上述器件配套需要铁氧体永磁25万吨 2 计算机是使用钕铁硼最大的市场之一 约年需求量在上万吨 随着信息时代到来 计算机进入家庭的热潮 钕铁硼材料的使用将更大 3 通讯业的发展 这为软磁和永磁材料带来了良好的市场 这方面需要高磁导率软磁铁氧体材料3万吨 钕铁硼磁体近千吨 总之 从市场发展看 中国长期在全球磁性材料市场发展前景是乐观的 4 在消费类产品方面 彩电 摄录像机 家用音响等将需要的软磁铁氧体6万吨 永磁铁氧体8万吨 钕铁硼磁体2000吨 六 磁性材料发展的问题 1 磁材行业经过 七 五 八 五 技术改造 不少厂家引进了美 日 德 意等国先进生产线或生产线关键设备 大都取得了较好的经济效益和社会效益 但个别单位受骗上当 交了学费 尤其是二手设备的引进 容易失误 2 现在可以说 无论永磁铁氧体 稀土永磁 AlNiCo 还是