《材料的磁学》课件.ppt

1 第三章材料的磁学 3 1原子磁性及材料磁性3 2磁学量及材料磁性分类3 3铁磁性和反铁磁性3 4技术磁化与磁滞现象3 5磁性材料及其应用 2 磁性与磁学磁性是原子及物质最基本的属性之一 广义上 一切原子及物质均具有 磁性 本质上来源于电子磁矩 材料的磁学 研究和阐明固体材料磁性起源 磁性结构及其联系的学科 促进对材料磁性的利用和开发 磁性材料基于材料磁学原理 开发的一类基础性功能材料 磁性材料已经形成了一个庞大的家族 按材料的磁特性来划分 有软磁 永磁 旋磁 记忆磁 压磁等 按材料构成来划分 有合金磁性材料 铁氧体磁性材料 3 4 3 1原子磁性及材料磁性3 1 1原子的磁性 量子力学哥本哈根学派领袖 1922年获诺贝尔物理学奖 师从卢瑟福 弟子有海森堡 泡利 狄拉克 朗道等诺贝尔奖获得者 Bohr 1885 1962 5 JJ耦合 各电子的L S相互作用强 先耦合为该电子的总磁矩 再叠加为原子总磁矩 Z 88 JJ LS Z 33 88 LS耦合 各电子的L S相互作用弱 先各自耦合为总L 总S 再叠加为原子总磁矩 Z 33 LS耦合 原子总磁矩 朗德因子 原子总角动量 6 7 3 1 2材料 固体 的磁性 原子磁矩 磁化强度 铁磁性 顺磁性 材料 器件 磁畴 单晶 多晶 微观 宏观 原子 晶胞 8 2 磁矩 m 环形电流周围的磁场定价于磁偶极子周围的磁场 3 2磁学量及材料磁性分类 N S N S 3 2 1磁学量 电场强度E 电偶极距 磁偶极矩 1 磁场强度H 二者均与介质无关 N S 9 静磁能 磁矩在外磁场作用下具有的势能 磁势能 磁力矩 磁矩m在外磁场H中受到一个转动力距 以降低磁势能 直至U最小 10 3 磁化强度M 0 MS 磁化 在外磁场作用下 材料内部随机取向的磁矩在磁力作用下旋转 沿外磁场一致排列 物质被诱导出宏观磁矩M 从而显示宏观磁性的过程 磁化强度 H S S N N 磁化率 系数 M MS H N S M 0 11 外加磁场H在介质中感应的磁场大小 磁力线密度 B 是外磁场与内部磁化强度综合作用的结果 与介质有关 对于真空 对于磁介质 4 磁感应强度B 真空磁导率 相对磁导率 12 物质磁学和电学基本量的比较 相对介电常数 介电常数 13 3 2 2物质的磁性分类 根据物质的磁化率 可以把物质的磁性大致分为五类 根据的关系 作出磁化曲线 1 抗磁体 在磁场中受微弱斥力 金属中一般简单金属为抗磁体 经典抗磁体 不随温度变化 如铜 银 金 汞 锌等 反常抗磁体 随温度变化 如铋 镓 锑等 10 6 14 2 顺磁体 10 6 10 3 在磁场中受微弱吸引力 正常顺磁体 其随温度变化符合反比关系 如金属铂 钯 奥氏体不锈钢 稀土金属等 与温度无关的顺磁体 如锂 钠 钾 铷等金属 3 铁磁体 值很大 且与外磁场呈非线性关系变化 如铁 钴 镍等 铁磁体在温度高于某临界温度后变成顺磁体 此临界温度称为居里温度或居里点 用Tc表示 所以 居里温度是铁磁体或亚铁磁体的相变转变点 15 4 亚铁磁体 值没有铁磁体那样大 磁铁矿 铁氧体都属于亚铁磁体 亚铁磁性材料 不同原子的磁矩反向平行排列 抵消后的剩余磁矩 5 反铁磁体 是小的正数 温度低于某温度时 它的磁化率同磁场的取向有关 高于这个温度 其行为像顺磁体 如 铬 氧化镍 氧化锰等 MnO 16 3 3铁磁性和反铁磁性 3 3 1铁磁性1 分子场与自发磁化2 量子直接交换作用3 居里温度3 3 2反铁磁性1 量子间接交换作用2 反铁磁性和亚铁磁性 17 分子场与自发磁化 铁磁性特点 1 自然状态下 绝大多数铁磁性矿物 材料宏观并不显示磁性 必须要经磁化以后 才显示磁性 吸铁 2 这种磁性并不能永久保持 如果提高温度或者反向充磁 这种磁性会消失 为什么 1907年 外斯提出铁磁性的分子场理论 1 分子场假说铁磁性物质内存在某种很强的分子场 力 约束着原子 使内部各区域的原子磁矩一致排列 这种无外加磁场下自发产生的磁化 称为自发磁化 自发磁化 用矢量自发磁化强度表示 其大小等于饱和磁化强度 1907 Weiss 18 2 磁畴假说由于自然铁磁性材料宏观不显示磁性 这些自发磁化 矢量 必然分区存在 相互抵消 这些区域即所谓的 磁畴 所谓磁化 是借助外加磁场作用 将自发磁化调整到外场方向 显示出来 而已 并非向其提供额外磁性 磁化 19 根据Boltzmann统计 Weiss导出 其中 布里渊函数 n 原子体积浓度 3 外斯 Weiss 理论 20 2 量子直接交换作用 贡献于电子云重叠部分 FeFe 21 K是两个氢原子的电子间及电子与原子核之间的库仑能 A是两个氢原子中电子交换所产生的交换能 与电子云重叠的程度有关 a 1 a原子中的电子1的波函数 b 2 b原子中的电子2的波函数 a 2 b原子中的电子2在a原子的波函数 b 1 a原子中的电子1在b原子的波函数 电子自旋角动量矢量 22 当A 0时 自旋反平行为基态 这是氢分子情形A 0时 自旋平行为基态 这是可能出现铁磁性的条件海森伯的讨论就从交换能开始 其中 后面一项我们称作交换能 虽然是交换能导致了磁矩之间的相互作用 但从氢分子的例子中可以看出 它起源于原子之间的库仑相互作用Vab 交换能与磁矩间的联系完全是泡利原理的结果 由于泡利原理 自旋取向的不同决定了电子空间分布的不同 对称或反对称 从而影响了库仑相互作用 所以分子场当作一个磁场作用来看虽具有难以理解的巨大强度 103T 但从量子力学效应来看 这是很自然的 23 假设 N个原子组成的系统中 每个原子只有一个电子对铁磁性有贡献 只考虑不同原子中电子的交换 N个电子系统的交换能 由于交换作用是近程作用 只对近邻求和 证明 Weiss的分子场可表达为 z是最近邻原子数目 二 Heisenberg铁磁理论 量子力学奠基人之一 1932年获诺贝尔物理学奖 师从索末菲 波恩 波尔 弟子有诺贝尔奖获得者布洛赫等 Heisenberg 1901 1976 1928 24 物质具有铁磁性的必要条件是原子中具有未充满的电子壳层 即有原子磁距 Si 0 物质具有铁磁性的充分条件是A 0 这里A可以理解为广义的或等效的交换积分 且交换能可以表示为 交换积分及铁磁性条件 25 26 3 居里温度 Ms T Tc 铁磁性物质Ms与温度的关系 铁电性物质的饱和极化强度有类似规律 27 3 3 2反铁磁性1 量子间接交换作用 MnO Mn2 O2 Mn2 Mn2 O2 Mn2 3d5 2p6 3d5 Mn O Mn2 a 基态 b 激发态间接交换作用示意图 A 0 28 2 反铁磁性和亚铁磁性 亚铁磁性 未完全抵消的反铁磁性 MnO Fe3O4 29 3 4技术磁化与磁滞现象 3 4 1磁畴结构磁畴畴壁磁化相关能磁畴成因3 4 2技术磁化畴壁位移磁畴转动磁化曲线3 4 3磁滞现象磁滞概念磁滞回线技术参数 30 3 4 1磁畴结构磁畴 形状 尺寸 转动 可逆 不可逆 畴壁 类似 厚度 位移 可逆 不可逆 1 磁畴 磁畴是磁体中沿某一方向饱和磁化的微小区域 低于居里温度自发磁化的磁体 由于退磁能的作用 将分成沿不同方向磁化的许多磁畴 磁矩相互抵消 一般情况无外磁场时 磁体的宏观磁化强度为零 31 磁畴结构示意图 晶界 畴壁 磁距 1800畴壁和900畴壁 1 种类 按角度2 单晶和多晶 自发磁化 32 2 畴壁 理论和实验都证明 在两个相邻磁畴之间原子层的自旋取向由于交换作用的缘故 不可能发生突变 而是逐渐的变化 从而形成一个有一定厚度的过渡层 称为畴壁 按畴壁两边磁化矢量的夹角来分类 可以把畴壁分成1800壁和900壁两种类型 在具有单轴各向异性的理想晶体中 只有1800壁 在K1 0的理想立方晶体中有1800壁和900壁两种类型 在K1 0的理想立方晶体中除去1800和900壁外 还可能有1090和710壁 实际晶体中 由于不均匀性 情况要复杂得多 nm级 33 立方晶系 易磁向 100 180壁和90壁 180畴壁 畴 90壁 34 在大块晶体中 当磁化矢量从一个磁畴内的方向过渡到相邻磁畴内的方向时 转动的仅仅是平行于畴壁的分量 垂直于畴壁的分量保持不变 这样就避免了在畴壁的两侧产生磁荷 防止了退磁能的产生 1 Bloch壁 X y z X y 35 在薄膜样品中 自旋取向始终平行于薄膜表面转向 在畴壁面内产生了磁荷和退磁场 但在样品表面没有了退磁场 2 Neel壁 X y z 36 Neel壁 Bloch壁 试样变厚 增大 Bloch壁变薄 面内退磁场降低 试样变薄 减小 Neel壁变宽 面内退磁场降低 37 3 磁化相关能量 磁化实质 跨越磁畴 单晶尺度的磁畴结构变化 畴壁位移 平动 和磁畴 自发磁化矢量 转动 磁化状态 满足平衡状态下总自由能最小化原理 构成此总自由能的能量 包括 磁晶各向异性能 静磁能 磁弹性能 交换能等 这些能量及其最小化对磁畴结构有重要影响 例如 磁畴产生 自旋交换能作用 磁畴运动 磁力距使然 磁畴大小 各种能量的平衡 38 1 静磁能 磁势能 EH 静磁能 磁矩在外磁场作用下具有的势能 磁势能 宏观 微观尺度 39 2 交换作用能Eex 铁磁物质原子磁距趋向于平行排列 即自发磁化至饱和 称为自发磁化 对于过渡金属原子 其3d 4s轨道能量相差不大 3d具有空轨道 当它们形成晶体时 电子云重叠使s d轨道电子再分配 交换 这种交换产生一种交换能Eex 当A 0 交换能最小 要求相邻自旋角动量平行排列 即磁距自发磁化 铁磁性 当A 0 要求反向排列 反铁磁性 畴壁尺度 40 3 磁晶各向异性能Ek 在单晶体的不同晶向上 磁性能 自发磁化 是不同的 称为磁晶各向异性 因此消耗的磁化功不同 单晶尺度 41 为M与三个晶轴的方向余弦 K0 K1 K2代表晶体各向异性常数 磁晶各向异性起源 可按自旋 轨道相互作用模型解释 一 电子轨道磁距产生的磁场对电子自旋运动作用 使轨道和自旋间存在耦合作用 二 受晶体场影响 原子磁距倾向于在晶体的某些方向上能量最低 而在另一些方向能量高 原子磁距最低的方向为易磁化方向 而能量高的方向为难磁化方向 在无磁场作用的平衡状态下 原子磁距倾向于排列在易磁化方向上 42 4 退磁能Ed 形状各向异性能 铁磁材料磁化后 在端面形成磁极 在内部产生一个退磁场Hd 其方向与磁化强度M 外加磁场H相反 起抵消作用 SS NN Hd H M 宏观 单晶尺度 在退磁场Hd中 物质具有退磁能Ed 退磁因子 43 球形样品 a b c Nx Ny Nz 1 3棒状样品 a b c Nx 0 Ny Nz 1 2薄片样品 a b c Nx 1 Ny Nz 0 退磁因子N有方向性 故与材料形状有关 x x 解释Bloch壁 Neel壁 退磁场Hd的存在抵消了磁化强度M 故对磁化起阻碍作用 退磁因子N越大 材料越难磁化 x 44 5 磁弹性能E 材料在磁化时受磁力 导致微小的伸长 收缩 这一过程如受限制 则在物体内部产生应力 应变 这样 物体内部将产生弹性能 称为磁弹性能 材料的内部缺陷 杂质等都可能增加其磁弹性能 磁化时 微元遭受磁力 体积力 应力 面积力 应变 磁 弹性能 由下式计算 磁化方向和应力方向的夹角 饱和磁致伸缩系数 磁畴尺度 45 4磁畴成因 交换能 界面能 产生自发磁化 其磁化强度方向沿晶体的易磁化轴排列 产生磁晶各向异性能 体积能 都达到极小值 但铁磁体磁化后 产生表面磁极 形成退磁场 增加体系的退磁能 体积能 要破坏自发磁化的形成 矛盾 磁畴增大 交换能减小 退磁能增大 为了满足总自由能最小 铁磁体内部的磁畴要有合适的尺寸 所以 过大的磁畴要分裂 而过小磁畴要合并 因此 出现磁畴 ET d 假设不考虑Ek d0 46 a 整个晶体磁化 Ed大 b 磁畴二分 产生1个畴壁 c 磁畴四分 产生2个畴壁Ed Eex 当二者相当时 不再分畴 d 封闭畴 b 的精细 e 封闭畴 c 的精细 钴单晶磁畴的形成过程 假设不考虑Ek 47 3 4 2技术磁化 技术磁化 在磁畴及以上尺度 研究铁磁材料磁畴结构 运动及其控制手段的磁化 区别于理论磁化而言 技术磁化 一般用磁化曲线和磁滞回线来表征 磁势能 微小变化 畴壁位移 磁畴转动 磁化矢量转动 能量低 小磁场 能量高 大磁场 H M M f H 48 在磁场作用下 两种过程均可发生 由于不同材料中发生两种过程的难易程度不同 也可能在不同磁场范围内以一种过程为主 另一种过程为辅 49 1 畴壁位移 可逆畴壁位移 结构均匀 内应力小 杂质和缺陷少的铁磁材料 畴壁位移阻力小 在起始磁化 小磁场 时 发生可逆畴壁位移 如果撤掉磁场 畴壁位移可恢复 无能量损耗 M H线性变化 斜率 如金属软磁材料 高铁氧体材料等 2 不可逆畴壁位移 在可逆畴壁位移之后 继续增大磁场 发生不可逆畴壁位移 如果撤掉磁场 畴壁位移不可恢复 伴随量损耗 由于应力起伏或杂质起伏 使畴壁越过后无以恢复 M H非线性变化 在巴克豪生区对应最大斜率 H H 晶界不移动 但会有应变 50 2 磁畴转动 在不可逆畴壁位移之后 继续增大磁场 某些情况下 可发生可逆磁畴转动 源于磁晶各向异性或应力各向异性等 M H非线性变化 斜率逐渐减小 可逆磁畴转动 2 不可逆磁畴转动 在可逆磁畴转动之后 继续增大磁场 磁化趋于饱和 发生不可逆磁畴转动 M H接近线性变化 斜率趋于最小 H H 晶粒不转动 自发磁化矢量转动 51 3 磁化曲线 1 起始或可逆磁化区oa 线性 2 瑞利区ab 偏离线性 不可逆 3 最大磁化率区bc M剧增 达到 m 剧烈不可逆 巴克豪生跳跃 4 趋近饱和区cd M缓慢升高 最后趋近一水平线 技术饱和 5 顺磁磁化区d后 外场对自发磁化的微弱增强 52 3 4 3磁滞现象 1 磁滞概念 磁化后 退磁过程中 磁化强度M的变化落后于外加磁场H变化的现象 导致M H曲线不能返回起点 叫磁滞 磁滞必然磁化做功 造成能量损耗 引起磁滞的根源 1 不可逆畴壁位移 2 不可逆磁畴转动 3 反磁化形核 4 畴壁钉扎 残余内应力 杂质 缺陷 吸收磁化功 H M o 53 铁磁体H M磁滞回线 铁电体P E电滞回线 退极化曲线 2 磁滞回线 磁化 反磁化 退磁 例如 Fe Co 例如 BiTiO3 PZT 54 分线段 OAB 磁化曲线 BCDE 反磁化 CD 正退磁 EFGB 正磁化 FG 反退磁 磁滞回线 封闭 BCDEFGB磁化功 磁滞回线所包围的面积表征磁化一周时所消耗的功 内因 克服交换能 磁弹性能 最大磁能积 BH max第二象限内磁感应强度和磁场强度乘积的最大值 硬磁 软磁材料 硬磁 高Br 高Hc 软磁 低HC 高磁导率Fe Co Ni NbFeB 硅钢 纯铁 概括 55 3 技术参数 饱和磁化强度Ms或Bs矫顽力Hc 剩余磁化Br 起始磁化率 最大磁能积 BH max 56 7 5磁性材料及其应用 7 5 1基本属性1 本征属性 内禀属性 内因 微观 晶胞尺度 组织无关 不敏感 基本参数 2 统计属性 平均属性 外因 介观 宏观 组织及以上尺度 组织相关 敏感 基本参数 材料配方 材料制备及磁化工艺 57 7 5 2铁磁材料分类 1 软磁材料能够迅速响应外磁场变化 快速磁化 且能低损耗地获得高磁感应强度的材料 磁极 磁路 软磁材料Hc40KA m 58 用途 磁路 变压器 继电器的磁芯 铁芯 电动机转子和定子 磁路中的连接元件 感应圈铁芯 利用高导磁率 低损耗 磁极 电磁极头 电子计算机开关元件和存储元件等 利用饱和磁化强度高 电磁屏蔽 磁屏蔽 吸波材料 利用导磁率高 导电性 磁滞损耗原因 沉淀相和杂质对畴壁的钉扎作用降低磁滞损耗的措施 1 增加纯度 减小不均匀性 2 减小各向异性 3 减小电阻率 59 剩磁 电阻 磁极 导磁 磁极 导磁 中频 高频 60 2 硬磁材料被外加磁场磁化后 撤掉磁场 仍能保留较强磁性的一类材料 用途 制造各种永磁体 磁极 以便提供磁场空间 可用于各类电表和电话 录音机 电视机 磁扣 磁珠 可用于举重器 分料器和选矿器中 硬磁材料磁滞回线示意图 61 FeCrCo 62 63 一 铁镍钴基合金 不含稀土 Fe Cr Co合金 Tc高Al Ni Co合金 Tc高 含稀土 NdFeB系 SmCo系 SmCo系 SmCo5烧结永磁体 Sm2Co17多相沉淀硬化永磁体 Br Hc较大 脆 加工性稍差 造价高 NdFeB系合金 Nd2Fe14B磁铁王 Br Hc大 温度稳定性 抗腐蚀性稍差 二 铁氧体 硬磁铁氧体 Tc中 永磁材料分类 64 65 一 Al Ni Co合金 1960 它们是含有Al Ni Co加上3 Cu的铁基系合金 以磁性能高稳定性好著称 脆性 铸造 粉末冶金 广泛应用的合金永磁体 用于仪表 电机器件上 例如 发电机 电动机 继电器和磁电机 电子行业中的应用如扬声器 电话耳机和受话器 Al Ni Co具有高 BH max 40 70kJ 3 高剩磁Br 0 7 1 35 适中的矫顽力Hc 40 160kA m 66 二 Fe Cr Co合金 1980 它是1971年Kaneko等研制的永磁材料 它具有良好的延展性和可成型性 作为冲压件 薄带材及线材 由于Fe Cr Co的冷加工变形性好 允许高速室温成型成杯状 这是别的合金不能做到的 它是在Fe Cr合金基础上发展的 Fe Cr合金在475oC发生Spinodal分解 产生富铁的铁磁相 和富铬的 低磁性相 具有永磁性能 但铬使Br Tc降低 在Fe Cr合金基础上加入Co 形成Fe Cr Co合金 Co使Br Tc提高 Spinodal分解温度提高 67 68 三 硬磁铁氧体 硬磁铁氧体是非导电化合物 其阳离子为过渡族金属 在铁氧体中金属离子处于四面体为A位 八面体为B位 从配位情况看 金属离子最近邻都是阴离子 金属离子间电子壳层几乎不能交叠 直接交换作用不适用了 磁性被认为来源于间接交换作用 或叫超交换作用 磁铅石型铁氧体 一般式是MO 6Fe2O3 这里M代表二价金属Ba Sr Pb 常用的为钡铁氧体 BaO 6Fe2O3 锶铁氧体 SrO 6Fe2O3 和铅铁氧体 PbO 6Fe2O3 烧结成型 69 70 四 稀土永磁体 稀土永磁材料的发展的三个阶段 1 SmCo5型 2