第三章-材料的磁学性能.ppt

第三章材料的磁学性能 磁性不只是一个宏观的物理量 而且与物质的微观结构密切相关 它不仅取决于物质的原子结构 还取决于原子间的相互作用 键合情况 晶体结构 因此 研究磁性是研究物质内部结构的重要方法之一 本章主要介绍有关磁性理论 磁性的现象和磁性分析方法在材料研究中的主要应用 3 1材料的磁化特征及其基本参数 3 1 1磁化现象及磁化强度 磁化 物质受到磁场的作用而表现出一定的磁性 能够磁化的物质 磁介质 电磁学中物质磁化理论的两种观点 1 分子环流观点 2 等效磁荷观点 分子电流观点 安培提出分子环流假说 物质中的每个磁分子都相当一个环形电流 即是一个分子磁矩 无外磁场时 热运动 杂乱无章 不显宏观磁性 有外磁场时 沿磁场方向排列 显现宏观磁性 磁化强度 单位体积的总磁矩 等效磁荷观点 材料的的每个磁分子就是一个磁偶极子 无外磁场时 热运动 杂乱无章 不显宏观磁性 有外磁场时 沿磁场方向排列 显现宏观磁性 磁极化强度 单位体积的总磁偶极矩 磁化强度和磁极化强度 0真空的磁导率 磁化率 磁化强度与外磁场强度的比值 与材料和温度有关 材料磁化强度与外磁场强度和温度有关 3 1 2磁化率和磁导率 磁化率 介质磁化后必然影响介质所在处的磁场 加入介质前的磁感应强度 加入介质后的强度磁感应强度 令 则 磁导率 材料内磁感应强度与磁场强度的比值 相对磁导率 物质的磁性分类 根据物质的磁化率 把物质的磁性大致分为抗磁体 顺磁体 反铁磁体 铁磁体和亚铁磁体 1 抗磁体 为负值 很小 约在10 6数量级 2 顺磁体 为正值 很小 约在10 3 10 6数量级 3 反铁磁体 为正值 很小 4 铁磁性体 为正值 很大 约在10 106数量级 5 亚铁磁体 为正值 没有铁磁性体大 物质的磁性分类 磁性特征及磁化机制 3 1 3磁化曲线和磁滞回线 物质的磁化强度 磁感应强度 磁导率等磁参量随磁场强度增大的变化曲线 磁化曲线 铁磁体的三种磁化曲线 铁磁性和亚铁磁性物质的磁化曲线与过程有关 抗磁 顺磁和反铁磁物质的磁化曲线与过程无关 饱和磁化 饱和磁化强度 饱和磁感应强度 磁滞回线 磁化强度或磁感应强度随磁场强度变化一周形成的闭合曲线 时 的状态 退磁状态 技术磁化 从退磁状态直到饱和之的磁化过程 起始磁导率 时的磁导率 最大磁导率 弱磁场下工作的软磁材料 要求有较大的起始磁导率 信号变压器 电感的磁芯 强磁场下工作的软磁材料 要求有较大的最大磁导率 剩余磁化强度 剩余磁感应强度 矫顽力 去掉磁场后的 时所需要的退磁场强度 铁磁和亚铁磁材料在技术磁化过程中存在不可逆过程 磁场减小时和变化滞后 磁滞 和随最大磁场强度的减小而减小 磁滞回线所围的面积 磁滞损耗 通常所说的磁滞回线及其表征参数是指磁化强度随磁场强度的变化的曲线和参数 通过逐渐减小最大磁场的强度 可实现退磁 Mr和Hc都是对材料组织敏感的磁参数 决定于材料的组成 显微组织 形态和分布等因素的影响 不同的磁性材料的应用范围也不同 具有小Hc值 高 的瘦长形磁滞回线的材料 适宜作软磁材料 具有大的Mr和Hc 低 的短粗形磁滞回线的材料适宜作硬磁 永磁 材料 而Mr Ms从接近于1的矩形磁滞回线的材料 即矩磁材料则可作为磁记录材料 3 2物质的磁性及其物理本质 3 2 1原子磁性 原子由原子核和核外电子构成 核外电子在各自的轨道上绕核运动的同时还进行自转运动 因此 分别具有轨道磁矩和自旋磁矩 轨道磁矩 自旋磁矩 原子核也进行自转运动也有其自旋磁矩 但与电子磁矩相比很小 通常被忽略 原子磁矩 原子的磁矩主要由电子磁矩组成 而电子磁矩是轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和 原子中的电子按不同的壳层进行排列 当电子壳层被排满时电子的轨道运动和自旋运动占据了所有可能方向 电子总的角动量为零 电子的总磁矩为零 当某一电子壳层未被排满时 这个电子壳层的电子总磁矩才不为零 该原子对外就要显示磁矩 3 2 2物质的抗磁性 原子的磁矩为零的物质对外不显示磁性 但在外磁场的作用下原子的磁矩不再为零 对外表现出一定的抗磁性 抗磁性产生的原因 电子的轨道运动在外磁场的作用下产生了附加磁矩 附加磁矩与外磁场方向相反 物质磁化后内部产生与外场方向相反的附加磁场 对外表现出抗磁性 磁化强度与磁场强度方向相反 磁化率 0 凡是电子壳层被排满了的物质都属于抗磁体 电子壳层未被排满了的物质 也具有一定的抗磁性 但不一定是抗磁体 3 2 3物质的顺磁性 顺磁性物质的原子或离子具有一定的磁矩 这些原子磁矩来源于未满的电子壳层 例如过渡族元素的3d壳层 在顺磁性物质中 磁性原子或离子分开的很远 以致它们之间没有明显的相互作用 因而在没有外磁场时 由于热运动的作用 原子磁矩是无规混乱取向 当有外磁场作用时 原子磁矩有沿磁场方向取向的趋势 从而呈现出正的磁化率 O2 NO Pd稀土金属 Fe Co Ni的盐类 以及铁磁金属在居里点以上都属正常的顺磁体 其中有部分物质能准确地符合居里定律 它们的原子磁化率与温度成反比 但在常温下 由于热运动的影响 原子磁矩难以有序化排列 故顺磁体的磁化十分困难 磁化率一般仅为10 6 10 3 根据顺磁磁化率与温度的关系 顺磁质分为三大类 1 正常顺磁体 居里定律 居里 外斯定律 但还有相当多的固溶体顺磁物质 特别是过渡族金属元素是不符合居里定律的 它们的原子磁化率和温度的关系需用居里 外斯定律来表达 为居里温度 2 磁化率与温度无关的顺磁质 碱金属Li Na K Rb属于此类 3 存在反铁磁体转变的顺磁体 过渡族金属及其合金或它们的化合物属于这类顺磁体 它们都有一定的转变温度 称为反铁磁居里点或尼尔点 以TN表示 当温度高于TN时 它们和正常顺磁体一样服从居里 外斯定律 且 0 当温度低于TN时 它们的 随T的下降而下降 当T OK时 常数 在TN处 有一极大值 MnO MnS NiCr CrS Cr2S Cr2O3 FeS2 FeS等都属这类 顺磁体的 T关系曲线示意图 3 2 4金属的抗磁性与顺磁性 金属是由点阵离子和自由电子构成的 故金属的磁性要考虑到点阵结点上正离子的抗磁性和顺磁性 以及自由电子的抗磁性与顺磁性 正离子的抗磁性源于其电子的轨道运动 正离子的顺磁性源于原子的固有磁矩 而自由电子的磁性的顺磁性源于电子的自旋磁矩 自由电子的抗磁性源于共在外磁场中受洛仑兹力而作的圆周运动 这种圆周运动产生的磁矩同外磁场反向 四种因素竞争的结果决定物质是否是抗磁体或顺磁体 非金属中除氧和石墨外 都是抗磁体 如Si S P以及许多有机化合物 它们基本上是以共价键结合的 由于共价电子对的磁矩互相抵消 因而它们部成为抗磁体 在Cu Ag Au Zn Cd Hg等金属中 由于它们的离子所产生的抗磁性大于自由电子的顺磁性 因而它们属抗磁体 所有的碱金属和除Be以外的碱土金属都是顺磁体 虽然这两族金属元素在离子状态时有与惰性气体相似的电子结构 似应成为抗磁体 但是由于自由电子产生的顺磁性占据了主导地位 故仍表现为顺磁性 稀土金属的顺磁性较强 磁化率较大且遵从居里 外斯定律 这是因为它们的4f或5d电子完层未填满 存在未抵消的自旋磁矩所造成的 过渡族金属 在高温基本都属于顺磁体 但其中有些存在铁磁转变 如Fe Co Ni 有些则存在反铁磁转变 如Cr 这类金属的顺磁性主要是由于它们的3d 5d电子壳层末填满 d 和f 态电子未抵消的自旋磁矩形成了晶体离子的固有磁矩 从而产生了强烈的顺磁性 3 2 5影响金属抗 顺磁性的主要因素 温度和磁场强度对抗磁性的影响甚微 但当金属熔化凝固 范性形变 晶粒细化和同素异构转变时 电子轨道的变化和原子密度的变化 将使抗磁磁化率发生变化 熔化 加工硬化和晶粒细化等因素都是使金属晶体趋于非晶化 都是因变化时原子间距增大 密度减小 使得抗磁性减弱 同质异构相转变时 伴随磁性转变 合金的相结构及组织对磁性的影响比较复杂 3 2 6磁化率的测量 磁秤 利用试样在非均匀磁场中的受力情况来确定它的磁化率 利用与标准试样对比来确定它的磁化率 3 3物质的铁磁性及其物理本质 1907年法国人外斯提出了铁磁性的 分子场 假说 认为在铁磁质内部存在很强的 分子场 在分子场的作用下 原子磁矩趋向平行排列 即自发磁化至饱和 称为自发磁化 在这个理论的基础上发展了现代的铁磁理论 铁磁性材料的磁性是自发产生的 磁化过程只不过是把物质本身的磁性显示出来 而不是由外界向物质提供磁性的过程 铁磁质自发磁化成若干个小区域 自发磁化至饱和的小区域 磁畴 由于各个区域的磁化方向各不相同 其磁性彼此相消 所以大块铁磁质对外并不显示磁性 3 3 1铁磁质的自发磁化 3 3 1铁磁质的自发磁化 物质具有铁磁性的基本条件 1 物质中的原子有磁矩 2 原子磁矩之间有一定的相互作用 铁磁性物质在居里温度以上是顺磁性 居里温度以下原子磁矩间的相互作用能大于热振动能 显现铁磁性 分子场 来源于电子间的静电相互作用 实验证明铁磁质自发磁化的起因是源于原子未被抵消的电子自旋磁矩 而轨道磁矩对铁磁性几乎无贡献 根据键合理论可知 原子相互接近形成分子时 电子云要相互重叠 电子要相互交换位置 对于过渡族金属 原子的3d的状态与4s态能量相差不大 因此它们的电子云也将重叠 引起s d状态电子的再分配 即发生了交换作用 交换作用产生的静电作用力称为交换力 交换力的作用迫使相邻原子的自旋磁矩产生有序排列 其作用就像强磁场一样 外斯 分子场 即来源于此 因交换作用而产生的附加能量成为交换能 当磁性物质内部相邻原子电子的交换能积分常数为正 A 0 时 相邻原子磁矩将同向平行排列 能量最低 从而实现自发磁化 这就是铁磁性产生的原因 这种相邻原子的电子交换效应 其本质仍是静电力迫使电子自旋磁矩平行排列 作用的效果好像强磁场一样 交换能 A为交换能积分常数 为相邻原子的两个电子自旋磁矩之间的夹角 系统稳定本着能量最低原则 交换能积分常数A不仅与电子运动状态的波函数有关 还强烈依赖于原子核间的距离和未填满壳层半径有关 如图所示 由图可见 只有当原子核之间的距离Rab与参加交换作用的电子距核的距离 电子壳层半径r 之比大于3 交换积分才有可能为正 铁 钴 镍以及某些稀土元素满足自发磁化的条件 Rab 原子间距r 未填满的电子层半径 铁磁性产生的条件 原子内部要有末填满的电子壳层 及Rab r之比大于3使交换积分A为正 前者指的是原子本征磁矩不为零 后者指的是要有一定的晶体结构 铁磁质受热原子间距离增大 电子间交换作用减弱 自发磁化减弱 当高于一定温度时交换作用被破坏 表现为顺磁性 这个转变温度被称为居里温度 3 3 2反铁磁性和亚铁磁性 如果交换积分A 0时 则原于磁矩取反向平行排列能量最低 如果相邻原子磁矩相等 由于原子磁矩反平行排列 原子磁矩相互抵消 自发磁化强度等于零 这样一种特性称为反铁磁性 研究发现 纯金属 Mn Cr等是属于反铁磁性 还有许多金属氧化物如MnO Cr2O3 CuO NiO等也属于反铁磁性 反铁磁性 亚铁磁性物质由磁矩大小不同的两种离子 或原子 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 是非金属磁性材料 一般称为铁氧体 磁性离子间并不存在直接的交换作用 而是通过夹在中间的氧离子形成间接的交换作用 称为超交换作用 亚铁磁性 交换积分A 0 则原于磁矩取反向平行排列能量最低 如果相邻原子磁矩不等 原子磁矩不能相互抵消 存在自发磁化 这样一种特性称为亚铁磁性 铁磁性反铁磁性亚铁磁性 反铁磁性和亚铁磁性的物质可以看作由两套亚点阵组成 每个亚点阵中的离子磁矩同向平行排列 不同亚点阵反向平行 3 4磁晶各向异性和各向异性能 对于铁磁单晶的研究发现 沿不同晶向的磁化曲线不同 这种在单晶体的不同晶向上磁性能不同的性质 称为磁性的各向异性 磁各向异性 相邻原子间电子轨道还有交换作用 由于自旋 轨道相互作用 电荷的分布为旋转椭球性 非对称性与自旋方向密切相关 所以自旋方向相对于晶轴的转动将使交换能改变 同时也使原子电荷分布的静电相互作用能改变 导致磁各向异性 磁各向异性能 沿不同方向的磁化功不同 反映了磁化强度矢量在不同取向的能量不同 沿易磁化轴时能量最低 沿难磁化轴时能量最高 其能量差称为磁各向异性能 其等于沿难磁化轴和沿易磁化轴时的磁化功之差 易磁化轴 磁化功 为使铁磁体磁化需要一定的能量 数量上等于阴影面积 称为磁化功 3 5磁致伸缩与磁弹性能 铁磁性物质的尺寸和形状在磁化过程中发生形变的現象 叫磁致伸缩 产生原因 原子磁矩有序排列时 电子间的相互作用导致原子间距的的自发调整 当磁致伸缩引起的形变受到限制 在材料内部将产生应力 因而存在一种弹性能 称为磁弹性能 铁磁体在磁场中具有的能量称为静磁能 它包括铁磁体与外磁磁场的相互作用能和铁磁体在自身退磁场中的能量 后者常称为退磁能 铁磁体的形状各向异性是由退磁场引起的 当铁磁体磁化出现磁极后 这时在铁磁体内部由磁极作用而产生一个与外磁化场反向的磁场 因它起到退磁 减弱外磁场 的作用 故称为退磁场 用Hd表示 Hd NMN为退磁因子 与材料的几何形状 尺寸有关 M磁化强度 3 6铁磁体的形状各向异性及退磁能 退磁场作用在铁磁体上的退磁能为 3 7磁畴的形成与磁畴结构 因物质由许多小磁畴组成的 在未受到磁场作用时 磁畴方向是无规则的 因而在整体上净磁化强度为零 形成原因 由于原子磁矩间的相互作用 晶体中相邻原子的磁偶极子会在一个较小的区域内排成一致的方向 导致形成一个较大的净磁矩 磁畴 未加磁场时铁磁体内部已经磁化到饱和状态的小区域 3 7 1磁畴与磁畴壁 磁畴壁 相邻磁畴的界限区域称为磁畴壁 分为两种 磁畴的结构 主畴 大而长的磁畴 其自发磁化方向沿晶体的易磁化方向 相邻主畴磁化方向相反 副畴 小而短的磁畴 其磁化方向不定 1 180 壁 相邻磁畴的磁化方向相反 2 90 壁 相邻磁畴的磁化方向垂直 磁畴壁具有交换能 磁晶能及磁弹性能 磁畴壁的厚度本着能量最小原则 交换能使畴壁厚度大 磁晶能使畴壁厚度减小 两种能量竟争使畴壁具有一定的厚度 3 7 2磁畴的起因与结构 磁畴的形状 尺寸 畴壁的类型与厚度总称为磁畴结构 形成磁畴是为了降低系统的能量 主要是降低退磁能和磁弹性能 因磁畴结构受交换能 磁晶能 磁弹性能 畴壁能和退磁能的影响 平衡状态时的磁畴结构 应使这些能量之和为最小值 1 若把晶体分成若干个平行反向的自发区域 则大大降低退磁能 2 若能形成图d中封闭式的磁畴结构 由于其具有封闭磁通的作用 故可以使退磁能降低为零 3 但由于封闭畴与主磁畴的磁化方向不同 引起的磁致伸缩不同 因而会产生一定的磁晶能和磁弹性能 磁弹性能与磁畴的尺寸有关 尺寸愈大 磁致伸缩所引起的尺寸变化就愈不易补偿 因而磁弹性能就愈高 因此封闭磁畴结构还要由更小的封闭畴构成 磁畴壁的能量高于磁畴内的能量 阻碍了磁畴的减小倾向 形成了一个平衡的磁畴结构 3 7 3不均匀物质中的磁畴 多晶 不同晶粒的磁畴取向不同 材料对外显示各向同性 缺陷 如果存在夹杂物和空洞 此处磁通的连续性被破坏 在其周围将形成楔形磁畴 3 7 4单畴颗粒与磁泡畴 当铁磁颗粒小到某一尺寸 它形成畴壁的畴壁能大于颗粒的退磁能时 铁磁颗粒形成单畴颗粒 单畴颗粒没有磁畴壁 单畴颗粒 磁泡畴 对于单轴各向异性的薄晶片或薄膜 如果加偏置磁场 使其方向垂直薄晶面并与薄晶片的易磁化轴平行 可以形成小圆柱形磁畴 3 8技术磁化和反磁化过程 3 8 1技术磁化的机制 技术磁化的实质 外磁场把各个磁畴的磁矩方向转到 或接近 外磁场方向的过程 铁磁质的基本磁化曲线大体可分为三个阶段 1 可逆迁移 2 不可逆迁移 3 旋转 1 可逆迁移 起始阶段 畴壁微小移动 磁化曲线平坦 磁导率 初始磁导率 较小 过程可逆 无磁滞 2 不可逆迁移 畴壁发生瞬时跳跃移动 大量原子磁矩瞬时转向 表现出强烈的磁化 磁化曲线急剧上升 磁导率很高 过程不可逆 畴壁迁移的结果 使得所有原子的磁矩转向与磁场成锐角的易磁化方向 晶体成单畴 3 旋转 由于易磁化轴通常与外场不一致 当磁场继续增大时 整个晶体单畴磁矩的方向将逐渐转向外场方向 磁畴旋转 由于磁感应强度B与磁化强度M的物理意义不同 其对应的磁化曲线形状不同 壁移磁化 以180 壁为例 旋转磁化 壁移磁化的实质 相邻磁畴接近畴壁的区域和磁畴内部原子磁矩发生转动 整个晶体单畴磁矩的方向将逐渐转向外场方向 磁畴旋转 3 8 2影响磁壁移动的因素 一般铁磁体在弱场范围内的磁化过程是畴壁的位移过程 即接近于外磁场方向的磁畴长大 远离外磁场方向的磁畴缩小 理想完美的铁磁晶体 它内部的磁畴结构只由其外形的退磁场作用所决定 在外磁场作用下 只要其内部有效磁场不为零 磁畴壁将被驱动 直到畴结构改组到有效场等于零时才稳定下耒 因此这种理想晶体的起始磁化率应为无限大 实际的铁磁晶体内总是存在着晶格缺陷 杂貭和某种形式分布的内应力 结构的不均匀产生对畴壁位移的阻力 使起始磁化率降低为有限数值 而且使畴壁位移过程有可逆和不可逆的区别 1 铁磁材料中的夹杂 2 第二相空隙的数量及分布 3 内应力的起伏大小和分布 4 磁体磁化产生的退磁能 壁移产生的磁晶各向异性能和磁弹性能等 磁壁移动阻力的来源 技术磁化过程需要外场克服壁阻力做功 磁壁移动过程 就是外场克服阻力 系统的各能量相互竞争 使得系统自由能经过调整 达到最低状态的过程 在畴壁位移过程中 铁磁晶体的总自由能 包括外磁场能 将不断发生变化 主要是当畴壁在不同位置时畴壁能发生变化 磁畴内应力能的变化 以及内部杂貭引起杂散磁场能的变化等 如图所示 对于180 畴壁位移 在位移方向铁磁晶体内自由能F x 的变化曲线 未加磁场时畴壁的平衡位置在F x 最小值的位置 如图b中的a点 在a点 能量最低 状态稳定 当外加磁场时 畴壁向右移动 设位移dx 外磁场所做的功等于自由能F x 的增加量 在b点 为最大值 b c 不稳定的 是不可逆位移过程 在c点 若去掉外场 畴壁将稳定在d点 由于磁畴壁从x1处到x2处是瞬间完成的 相当一个跳跃 称为巴克豪森跳跃 产生强烈磁化 杂质对畴壁移动的影响 杂质有吸引畴壁的作用 杂质使畴壁穿孔 畴壁面积减小 畴壁能降低 对畴壁具有 订扎 作用 限制畴壁的移动 使得畴壁在外磁场的作用下发生跳跃性移动 3 8 3反磁化过程和磁矫顽力 在技术磁化后 把外磁场去掉 由于磁晶能的作用 则磁畴的磁化方向将转动到离磁场方向最近的易磁化方向 因此 在外磁场方向仍有磁化强度的分量 这就是存在剩磁Mr的原因 从该状态开始施加的反向磁场经历的过程称为反磁化过程 矫顽力 Hc 矫顽力是材料在正向加磁场使磁化强度达到饱和 然后去掉磁场 再反向加磁场直到磁化强度为零 其相对应的磁场称为矫顽力Hc 1 增加壁移阻力 杂质 应力等 矫顽力提高 2 降低材料晶粒尺寸 磁化曲线是各构成晶粒的平均效果 对于多晶体 3 9影响金属及其合金铁磁性的因素 1 外部环境 温度 应力等 2 金属及合金内部因素 组织敏感性参数和组织不敏感性参数 属于组织不敏感的磁参数有饱和磁化强度Ms 磁致伸缩系数 s 居里点 c以及磁各向异性常数K等 其中Ms和 s是铁磁体自发磁化强度的函数 具体地说 它们和原子结构 合金成分 相结构和组成相的数量有关 而与组成相的晶粒大小 分布和组织形态无关 c只与组成相的成分和结构有关 K只决定于组成相的点阵结构 而与组织无关 属于组织敏感的磁参数有矫顽力Hc 磁导率 剩余磁化强度Mr 剩余磁感应Br等 它们都与组成相的晶粒尺寸 分布情况和组织形态有密切关系 它们都与组成相的晶粒尺寸 分布情况和组织形态有密切关系 影响铁磁性的因素 1 温度的影响2 应力 形变 晶粒及杂质的影响3 磁场中退火4 合金的成分和组织的影响5 Spinodal分解 温度升高使原子热运动加剧 原子磁矩的无序排列倾向增大而导致Ms下降 矫顽力减小 1 温度的影响 温度升高 引起应力松弛 利于磁化 使得初始磁导率增加 当应力的方向与金属的磁致伸缩为同号时 则应力对磁化起促进作用 2 1 应力的影响 2 2形变 加工硬化 的影响 加工硬化能引起晶体点阵扭曲 晶粒破碎 内应力增加 对壁移造成阻力 使得最大磁导率降低 矫顽力增大 2 3晶粒细化的影响 晶粒细化使得晶界增多 对磁化的阻力增大 使得最大磁导率降低 矫顽力增大 杂质会造成点阵扭曲 当夹杂物存在于畴壁穿孔 这会给壁位移造成阻力 使得最大磁导率降低 矫顽力增大 改善铁磁材料 的方法 1 消除铁磁材料中的杂质 2 晶粒足够大并呈等轴状 3 形成再织构 4 采用磁场中退火 2 4 杂质的影响 磁场中退火 各磁畴受磁致伸缩而发生形变 主要是沿易轴的形变 假如铁棒冷却后在室温下顺着棒的轴向磁化 因磁致伸缩 各磁畴将沿与磁场方向 即棒的轴向 成角度最小的易轴伸长 由于冷却时经过居里点而产生的各项杂乱形变将妨碍室温下磁化的新变形 于是产生应力 这种应力将妨碍磁致伸缩 使磁导率降低 高磁导率不但可以由晶体易轴的择优取向 冷加工和再结晶 达到 同样也可由内应力的择优取向 通过磁场中退火 达到 前者称为冷加工或再结晶织构 后者称为磁织构 合金的成分和组织的影响 1 形成固溶体 1 顺磁 抗磁溶质原子的固溶 使得饱和磁化强度急剧减小 2 铁磁性溶质的原子有较强的固有磁矩 当少量加入形成固溶体时 通过点阵常数的变化 使交换作用增强 因而对自发磁化有所促进 3 固溶体合金的有序化对合金的磁性有显著的影响 饱和磁化强度增大 2 形成化合物 1 与顺磁 抗磁金属 铁磁性能降低 2 与非金属 O S 多呈亚铁磁性 3 10动态磁化特性 为什么研究动态磁化 铁磁材料主要作为铁芯广泛用于各种电机和变压器 因交变的磁化过程和高磁通密度 考虑到铁芯的损耗 铁耗 另外 对高频条件下工作的磁芯因能耗而引起磁芯品质因子Q降低的问题 引入 动态磁化 3 10 1磁滞和涡流损耗 铁磁材料在交变磁场中反复磁化时 由于磁化处于非平衡状态 磁化曲线表现出动态特性 交流磁化曲线的形状介于直流磁滞回线和椭圆之间 当外场的振幅不大时 磁化基本是可逆的 的磁滞回线称为瑞利磁滞回线 形状为椭圆形 瑞利磁化曲线的磁滞损耗 曲线包围的面积 变化的磁场在其空间将产生涡旋电场 在涡旋电场的作用下 铁磁材料内部将产生涡旋电流 涡流 涡流产生的能量损耗 涡流损耗 均匀磁化时 非均匀磁化时 非均匀磁化的磁滞损耗是均匀磁化的4倍 涡旋电流将产生一个磁场来阻止外磁场引起的磁通变化 使得铁磁体内的实际磁场的变化总是要滞后于外磁场 涡流对磁化的滞后效应 若交变磁场的频率很高 铁磁体的电阻率较小 可能出现材料内部无磁场 磁场只存在于铁磁体表层的 趋肤效应 涡流对工作于交变磁场的铁磁体是非常有害的 3 10 2磁后效应及复数磁导率 磁化强度 或磁感应强度 跟不上磁场变化的延迟现象 磁后效应 主要原因 1 涡旋电流产生的抗磁场 2 点阵间隙位置杂质原子的扩散弛豫 3 畴壁移动的弛豫 由于在交变磁场中存在的磁滞后效应 利用复数的形式表示磁场及其参量 复数磁导率 磁导率实部 磁导率虚部 磁导率的实部与磁场强度同相位 虚部比磁场强度落后90 由于磁导率虚部的存在 B落后于H 引起铁磁材料在动态磁化过程中不断地耗能 处于均匀交变磁场中的单位体积铁磁体 单位时间的平均能耗 磁损耗功率密度 为 交变磁场在铁磁体内的储能密度为 品质因子 磁损耗系数 损耗角的正切 3 10 3磁导率减落及磁共振损耗 起始磁导率随时间的推移而降低的现象 称为磁导率减落 减落系数 减落系数越小越好 磁导率减落的原因 由材料中电子或离子的扩散后效所造成 因磁性材料退磁时处于亚稳态 随时间的推移 为使磁性体的自由能达到最小值 电子或离子将不断向有利的位置扩散 把畴壁稳定在势阱中 导致了铁氧体起始磁导率随时间的减落 磁损耗随频率而变 在某一频率下出现明显增大的损耗就是一种共振损耗 随磁场频率的变化 将出现不同形式的共振损耗 在铁磁材料中一般都存在着磁各向异性场Hk 微观磁化强度将绕着Hk进动 其进动的频率为当进动的频率与高频磁场的频率一致时 出现共振损耗 这种由磁各向异性场形成的共振现象 称为自然共振 v为旋磁系数 3 11射频铁氧体 铁氧体的可贵之处是其高电阻率 金属铁磁材料的电阻率是不可能做得 10 4 cm 而铁氧体的电阻率可达 1 1012 cm 低电阻会引起过大的涡流损耗 该项损耗正比于D2f D为蕊厚度 f为交流场频率 为电阻率 磁性材料 越低 应用频率越高 涡流损耗越大 因此 在磁性元件中采用高电阻率的大块铁氧体磁蕊是一项相当大的节约 它即使应用到光频6 1014HZ也未表现出过大的涡流损耗 3 11 1射频铁氧体按用途的分类1 约1MHz以下频率用的铁氧体2 在1MHz以上频率用的铁氧体3 射频振荡电路调谐用的铁氧体4 做非线性电路元件用的铁氧体5 其他有更重意义的铁氧体 3 11 2低频铁氧体1 在低频下 变压器用铁氧体的主要要求是高磁导率 以便减少杂散电感和做成尽可能小的尺寸 损失并不重要 2 电视接收机线路中的变压器要求变换大信号的各种应用场合 要求有高的磁感应强度和低矫顽力 3 滤波器线圈的铁氧体要求是应有小的损失角正切和小的可变性及高磁导率 铁氧体的磁损耗包括磁滞和涡流损耗两部分 铁氧体的B随H变化的磁滞回线可决定磁滞损耗 ah可小到2 10 11T 1 在起始磁率范围不出现磁滞损耗 3 11 3高频铁氧体在1 100MHz的频率范围内主要采用Ni Zn铁氧体 磁导率频散的频率随着Ni的含量增加而增高 欲使Ni Zn铁氧体的性能有实质性的改善 必须搞清 频散的畴壁共振与自旋共振两种机制 由于畴壁可以存在于不同的位置 故其共振的频谱通常相当宽 损耗可延伸到相当低的频率 矩磁铁氧体磁心之所以能存储信息 是由于它具有 Br和 Br这两个同样稳定的剩磁状态 它需要加一个超过磁心所固有的阀场HK的外磁场 才能使磁心由一个剩磁状态翻转到另一个剩磁状态 剩磁比 Br BM 实用的矩磁铁氧体的最大值 0 9比打扰 HK Hm 当阀场HK 回线的膝 达到饱和值以后 打扰比就随驱动场的增大而迅速降低 0 6充许电流漂移 温度漂移和其他干扰 3 12矩磁铁氧体 3 13材料静态磁性能的测量 磁性的测量包括对组织结构不敏感量 本征参量 如Ms K s Tc和组织结构敏感量 非本征量 如Hc Br X 等的测量 以及在交变磁场下的磁参数测量 前者为测量直流磁场下得到的基本磁化曲线 磁滞