《磁性材料概论》PPT课件.ppt

磁性材料的分类 第四小组 概述 磁性材料一直是国民经济 国防工业的重要支柱与基础 广泛地应用于电信 自动控制 通讯 家用电器等领域 在微机 大型计算机中的应用具有重要地位 何为磁性物体 磁性物体有什么性质 何为磁性材料 磁性材料如何分类 每一种磁性材料有何性质与应用 磁性物体的 把物体置于外加磁场物体被磁化 这种被磁化的物体称为磁性物体根据磁铁的磁化率和符号划分性质 物质的磁性 抗磁性顺磁性反铁磁性铁磁性亚铁磁性 弱磁性 强磁性 磁性材料 磁性认知的发展 十七世纪 英国 威廉 吉伯 磁体 1899年 法国 居里提出居里温度 磁性转变 1905 法国 郎之万基于统计力学理论解释了顺磁性随温度的变化 1921 奥地利 泡利提出玻尔磁子作为原子磁矩的基本单位 1928 英国 狄拉克用相对论量子力学完美地解释了电子的内禀自旋和磁矩 并与德国物理学家海森伯一起证明了静电起源的交换力的存在 奠定了现代磁学的基础 1936 苏联 郎道完成了巨著 理论物理学教程 其中包含全面而精彩地论述现代电磁学和铁磁学的篇章 1936 1948 法国 奈耳提出反铁磁性和亚铁磁性的概念 1967 奥地利 斯奈特在量子磁学的指导下发现了磁能积空前高的稀土磁体 SmCo5 从而揭开了永磁材料发展的新篇章 1991 德国 克内勒提出了双相复合磁体交换作用的理论基础 指出了纳米晶磁体的发展前景 磁性材料的分类 按基本性能 软磁硬磁旋磁矩磁压磁 磁化性 磁化率 表征磁介质属性的物理量 常用符号cm表示 等于磁化强度M与磁场强度H之比引 即M cmH某一物质的磁化率可以用质量磁化率 来表示 抗磁质 0 室温下很小 铁磁质 很大 且M与H之间有复杂的非线性关系 抗磁性 附加磁化强度与外磁场相反对于电子壳层被填满的物质 原子磁矩为零 在外磁场作用下 电子运动将产生一个附加的运动 由电磁感应定律而定 感生出与H反向的磁矩 实例 惰性气体 许多有机化合物 某些金属 Bi Zn Ag Mg 非金属 如 Si P S 任何物质都具有抗磁的本性 物质具有抗磁的本性并不是一定会呈现出抗磁性 而只有当物质的这种抗磁因素超过其顺磁因素时 物质才呈现抗磁性 才称为抗磁质 随外磁场的增加 附加的抗磁磁矩增强 抗磁磁化强度增大 顺磁性 结构特点 原子中具有未填满电子的电子层 形成原子的固有磁矩 在磁场作用下 原子磁矩转向H方向 感生出与H一致的M 如 稀土金属和铁族元素的盐类 顺磁质磁化强度随外磁场的增大而增大 但很难达到磁饱和 只有当温度趋近热力学零度时 才能使顺磁物质的原子磁矩沿外磁场呈完全规则取向 居里定律 顺磁质的磁化率与绝对温度 T 成反比 初称居里定律 后在1907年经法国物理学家韦斯进一步研究 予以精确化 命名为居里一韦斯定律 方程 X C T Q 铁磁物质的转变温度称为顺磁居里温度 Q 达到此温度 失去铁磁性 呈顺磁性 反铁磁性 在有些材料中 相邻原子或离子的磁矩呈反方向平行排列 结果总磁矩为零 叫反铁磁性 反铁磁性物质有某些金属如Mn Cr等 某些陶瓷如MnO NiO等以及某些铁氧体如ZnFe2O4等以氧化锰 MnO 为例 它是离子型陶瓷材料 由Mn2 和O2 离子组成 O2 离子没有净磁矩 因为其电子的自旋磁矩和轨道磁矩全部都对消了 Mn2 离子有未成对3d电子贡献的净磁矩 在MnO晶体结构中 相邻Mn2 离子的磁矩都成反向平行排列 结果磁矩相互对消 整个固体材料的总磁矩为零 铁磁性 在较弱的磁场作用下就能产生很强的磁化强度 在外磁场除去后仍保持相当大的永久磁性 具有磁滞现象 铁磁体在温度高于居里温度后变成顺磁体 具有铁磁性的金属有铁 钴 镍等 铁磁质的应用最广泛 特别是在信息的记录和存储方面 磁带 计算机存储器 铁磁质的确定因素 决定因素 原子是否具有未成对电子 即自旋磁矩贡献的净磁矩 本征磁矩 和原子在晶格中的排列方式铁 钴 镍等过渡元素都具有未成对的3d电子 分别具有4 3和2的净磁矩 铁 钴 镍金属在室温下具有自发磁化的倾向形成相邻原子的磁矩都向一个方向排列的小区域 称为磁畴 亚铁磁性 亚铁磁性在宏观性能上与铁磁性类似 区别在于亚铁磁性材料的饱和磁化强度比铁磁性的低 成因是由于材料结构中原子磁矩不象铁磁体中那样向一个方向排列 而是呈反方向排列 相互抵消了一部分 软磁材料 具有较高的磁导率和较高的饱和磁感应强度 较小的矫顽力 矫顽力很小 即磁场的方向和大小发生变化时磁畴壁很容易运动 较低磁滞损耗 磁滞回线很窄 在磁场作用下非常容易磁化 取消磁场后很容易退磁化 软磁材料分类 分为金属软磁材料和铁氧体软磁象软铁 坡莫合金 硅钢片 铁铝合金 铁镍合金等 由于软磁材料磁滞损耗小 适合用在交变磁场中 如变压器铁芯 继电器 电动机转子 定子都是用软件磁性材料制成 硬磁材料 硬磁材料是指那些难以磁化 且除去外场以后 仍能保留高的剩余磁化强度的材料 又称永磁材料 剩磁高 矫顽力高 功率高 硬磁材料分类 按来源分 金属硬磁材料和铁氧化硬磁材料硬铁合金 铝镍钴系合金 铁铬钴系合金 稀土永磁合金硬磁铁氧体 钡铁氧体 锶铁氧体用途 硬磁材料主要用来储藏和供给磁能 作为磁场源 在电子工业中广泛用于各种电声器件 在微波技术的磁控管中亦有应用 硬磁材料的应用 AlNiCo系永磁合金 包括铝镍型 铝镍钴型和铝镍钴钛型三种 铸造铝镍钴合金具有生产工艺简单和产品性能高等特点永磁铁氧体 钡铁氧体和锶铁氧体 其剩磁温度系数是铝镍钴磁体的10倍 不适于制作要求高稳定性的精密仪器 在产量极大的家用电器 音响设备 扬声器 电机 电话机 笛簧接点元件和转动机械等方面得到普遍应用 铁铬钴系合金 以铁 铬 钴为主 加入适量硅 钼 钛 此类合金可以通过成分调节将其低的单轴各向异性常数提高到铝镍钴合金的水平钕铁硼 第三代稀土永磁体 其价格只相当于钐钴合金的50 左右 优点 最大磁能积和最大矫顽力 缺点 剩磁温度系数较高 矩磁材料 具有矩形磁滞回线的铁氧体铁氧体是含铁酸盐的陶瓷氧化物磁性材料 一般呈现出亚铁磁性 剩余磁感强度Br和工作时最大磁感应强度Bm的比值 即Br Bm接近于1和矫顽力较小 剩磁接近于磁饱合磁感应强度 具有高磁导率 高电阻率由Fe2O3和其他二价的金属氧化物 如NiO ZnO等 粉末混合烧结而成 磁滞回线 磁滞回线表示磁场强度周期性变化时 强磁性物质磁滞现象的闭合磁化曲线 它表明了强磁性物质反复磁化过程中磁化强度M或磁感应强度B与磁场强度H之间的关系 B 0 H M 0为真空磁导率磁滞回线是铁磁性物质和亚铁磁性物质的一个重要的特征当H Hc时 B 0 B 0 H M 所以此时M 0 这说明使铁磁质完全消除剩磁需加反向磁场Hc Hc称为矫顽力 矩形磁滞回线 指Br Bm 0 8的磁滞回线 这一般可以用热处理或胁强处理材料的方法来得到 记忆性 在两个方向上的剩磁可用于表示计算机二进制中的 0 和 1 可作磁性记忆元件 旋磁材料 在高频磁场作用下 平面偏振的电磁波在铁氧体中按一定方向传播时 偏振面会不断绕传播方向旋转的铁氧体材料 主要有多晶型的和单晶型两大类又称微波铁氧体 多晶型按结构分 主要有 1 尖晶石型 2 石榴石型 3 磁铅石型具有铁磁共振线宽小 自旋波共振线宽大 在低频段 饱和磁化强度低和磁晶各向异性常数小 介质损耗低 稳定性高等性能 采用电子陶瓷工艺 热压烧结或氧气氛中烧结制造而成 主要用于制作毫米波铁氧体器件 非晶体磁性材料 缺乏晶体材料所具有的磁各向异性 导磁率高 损耗小 也就是说 旋转磁化容易 各向磁场灵敏度高 因此 可用来构成高灵敏度磁场计或磁通量传感器 现已相继开发出应力 磁效应式高灵敏度应力传感器 磁致伸缩效应式机械传感器 具有高电阻率 比坡莫合金高几倍 因此 即使是在高频范围内也能得到较小的涡流损耗和极好的磁特性 有效利用此特性便可开发研制出磁性晶体难以实现的快速响应传感器 不存在晶粒边界 位错等晶体材料固有的缺陷 因而机械强度高 抗化学性强 直到居里温度 近似为200 500K 其组合成分均可随意确定 因此 可望用于开发研制快速响应温度传感器 纳米晶磁性材料 纳米磁性材料是指材料尺寸限度在纳米级 通常在1 100nm的准零维超细微粉 一维超薄膜或二维超细纤维 丝 或由它们组成的固态或液态磁性材料 当传统固体材料经过科技手段被细化到纳米级时 其表面和量子隧道等效应引发的结构和能态的变化 产生了许多独特的光 电 磁 力学等物理化学特能 有着极高的活性 潜在极大的原能能量 纳米磁性材料的特殊磁性能主要有 量子尺寸效应 超顺磁性 宏观量子隧道效应 磁有序颗粒的小尺寸效应 特异的表观磁性等 纳米磁性材料根据其结构特征可以分为纳米相材料 纳米粒子和纳米薄膜材料三大类 纳米晶磁性材料的用途 纳米相材料 1 纳米微晶稀土永磁材料 可获得高饱和磁化强度和高矫顽力的新型永磁材料 2 纳米微晶稀土软磁材料可开发成各种各样的磁性器 应用于电力电子技术领域 用作电流互感器 开关电源变压器 滤波器 漏电保护器 互感器及传感器等 纳米粒子 磁存储介质材料 磁性液体 纳米磁性药物 电波吸收 隐身 材料纳米薄膜材料 巨磁电阻材料 磁性薄膜变压器 磁光存储器 巨磁电阻效应 所谓磁电阻效应 是指对通电的金属或半导体施加磁场作用时会引起电阻值的变化 其全称是磁致电阻变化效应 1988年法国巴黎大学的肯特教授研究小组首先在Fe Cr多层膜中发现了巨磁电阻效应 20世纪90年代 人们在Fe Cu Fe Al Fe Au Co Cu Co