磁性材料的研究进展

磁性材料的研究进展磁性材料的研究进展 学院 物理与材料科学学院学院 物理与材料科学学院 班级 班级 13 级材料物理级材料物理 姓名姓名 王郁王郁 学号 学号 B51314019 指导老师 李秋菊指导老师 李秋菊 完成日期 完成日期 2016 年年 5 月月 11 日日 摘要 摘要 目前 磁性材料蓬勃发展 磁性材料的应用已渗透到国防 工业 信息等 各个领域 对我们的生活产生了巨大的影响 同时 各种新磁性材料的诞生 也不断推动着现代材料科学的进展 本文对磁性材料进行了概述 并简介了其 最新研究进展 尤其是对稀土磁性材料 巨磁电阻材料 纳米微晶磁性材料的 研究进展进行了详细论述 关键词 关键词 磁性材料 铁氧体 稀土磁性材料 巨磁电阻材料 前言 磁性材料广义上分为两大类 软磁材料和硬磁材料 软磁材料能够用相对低 的磁场强度磁化 当外磁场移走后保持相对低的剩磁 软磁材料的矫顽 力为 400 0116A m 1 主要应用于任何包括磁感应变化的场合 硬磁材料是在经受 外磁场后能保持大量剩磁的磁性材料 这类磁性材料的典型矫顽力 值 Hc 为 10 1000kA m 1 具有高 Hc 值的硬磁材料称为永磁材料 主要用于提供磁场 磁性材料的磁导率 矫顽力 磁致损失 剩磁和磁稳定性是结构敏感性的 这些 性能可以通过加工 包括机械加工和热处理 来控制 目前 磁性材料的研究方向 主要有软磁材料 硬磁材料 磁力学材料 磁电子材料 磁性材料的进展大致 上分几个历史阶段 当人类进入铁器时代时 标志着金属磁性材料的开端 直 到 18 世纪 金属镍 钴相继被提炼成功 这一漫长的历史时期是 3d 过渡族金 属磁性材料生产与原始应用的阶段 20 世纪初期 FeSi FeNi FeCoNi 磁性合 金人工制备成功 并广泛地应用于电力工业 电机工业等行业 成为 3d 过渡族 金属磁性材料的鼎盛时期 从 20 世纪 50 年代开始 3d 过渡族的磁性氧化物 铁 氧体 逐步进入生产旺期 由于铁氧体具有高电阻率 高频损耗低等优点 从而 为当时兴起的无线电 雷达等工业的发展提供了所必需的磁性材料 标志着磁 性材料进入到铁氧体的历史阶段 1967 年 SmCo 合金问世 这是磁性材料进 入稀土 3d 化合物领域的历史性开端 巨磁致收缩材料与稀土磁光材料的问世更 丰富了稀土 3d 化合物磁性材料的内涵 1972 年的非晶磁性材料与 1988 年的纳 米微晶材料的呈现 更添磁性材料新风采 1988 年 磁电阻效应的发现揭开了 自旋电子学的序幕 因此从 20 世纪后期延续至今 磁性材料进入了前所未有的 兴旺发达时期 并融入到信息行业 成为信息时代重要的基础性材料之一 1 磁性材料的分类 磁性材料从材质和结构上讲 可分为金属及合金磁性材料和 铁氧体磁性 材料两大类 铁氧体磁性材料又分为多晶结构和单晶结构材料 1 从应用功能 上讲 磁性材料分为 软磁材料 永磁材料 磁记录 矩磁材料 旋磁材料等种 类 软磁材料 永磁材料 磁记录 矩磁材料中既有金属材料又有铁氧体材料 而旋磁材料和高频软磁材料就只能是铁氧体材料了 因为金属在高频和微波频 率下将产生巨大的涡流效应 导致金属磁性材料无法使用 而铁氧体的电阻率 非常高 将有效的克服这一问题 得到广泛应用 磁性材料从形态上讲 包括 粉体材料 液体材料 块体材料 薄膜材料等 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 2 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 反应磁性材料基本磁性能的有磁化曲线 磁滞 回线和磁损耗等 永磁材料即一经外磁场磁化以后 即使在相当大的反向磁场作用下 仍能 保持一部或大部原磁化方向的磁性 对这类材料的要求是剩余磁感应强度 Br 高 矫顽力 BHC 即抗退磁能力 强 磁能积 BH 即给空间提供的磁场能量 大 相 对于软磁材料而言 它亦称为硬磁材料 永磁材料有合金 铁氧体和金属间化 合物三类 合金类 铁氧体类 金属间化合物类 永磁材料有多种用途 基 于电磁力作用原理的应用主要有 扬声器 话筒 电表 按键 电机 继电器 传感器 开关等 基于磁电作用原理的应用主要有 磁控管和行波管等微波 电子管 显像管 钛泵 微波铁氧体器件 磁阻器件 霍尔器件等 基于磁 力作用原理的应用主要有 磁轴承 选矿机 磁力分离器 磁性吸盘 磁密封 磁黑板 玩具 标牌 密码锁 复印机 控温计等 其他方面的应用还有 磁 疗 磁化水 磁麻醉等 根据使用的需要 永磁材料可有不同的结构和形态 有些材料还有各向同性和各向异性之别 软磁材料的功能主要是导磁 电磁能量的转换与传输 因此 对这类材料 要求有较高的磁导率和磁感应强度 同时磁滞回线的面积或磁损耗要小 与永 磁材料相反 其 Br 和 BHC 越小越好 但饱和磁感应强度 Bs 则越大越好 软磁 材料大体上可分为四类 合金薄带或薄片 非晶态合金薄带 磁介质 铁氧体 3 软磁材料的应用甚广 主要用于磁性天线 电感器 变压器 磁 头 耳机 继电器 振动子 电视偏转轭 电缆 延迟线 传感器 微波吸收 材料 电磁铁 加速器高频加速腔 磁场探头 磁性基片 磁场屏蔽 高频淬 火聚能 电磁吸盘 磁敏元件 如磁热材料作开关 等 矩磁材料和磁记录材料主要用作信息记录 无接点开关 逻辑操作和信息 放大 这种材料的特点是磁滞回线呈矩形 旋磁材料具有独特的微波磁性 如 导磁率的张量特性 法拉第旋转 共振吸收 场移 相移 双折射和自旋波等 效应 据此设计的器件主要用作微波能量的传输和转换 常用的有隔离器 环 行器 滤波器 固定式或电调式 衰减器 相移器 调制器 开关 限幅器及 延迟线等 还有尚在发展中的磁表面波和静磁波器件 见微波铁氧体器件 常 用的材料已形成系列 有 Ni 系 Mg 系 Li 系 YlG 系和 BiCaV 系等铁氧体材 料 并可按器件的需要制成单晶 多晶 非晶或薄膜等不同的结构和形态 4 2 磁性材料的研究进展 2 1 铁氧体磁性材料 铁氧体是从 20 世纪 40 年代迅速发展起来的一种新型的非金属磁性材料 与金属磁性材料相比 铁氧体具有电阻率大 介电性能高 在高频时具有较高 的磁导率等优点 随着科学技术的发展 铁氧体不仅在通讯广播 自动控制 计算技术和仪器仪表等电子工业部门应用日益广泛 已经成为不可缺少的组成 部分 而且在宇宙航行 卫星通讯 信息显示和污染处理等方面 也开辟了广 阔的应用空间 在生产工艺上 铁氧体类似于一般的陶瓷工艺 操作方便易于 控制 不像金属磁性材料那样要轧成薄片或制成细粉介质才能应用 由于铁氧 体性能好 成本低 工艺简单 又能节约大量贵金属 已成为高频弱电领域中 很有发展前途的一种非金属磁性材料 铁氧体磁性材料主要分为铁氧体软磁性材料和铁氧体硬磁性材料 5 软磁 材料是指在较弱的磁场下 易磁化也易退磁的一种铁氧体材料 典型代表是锰 锌铁氧体和镍锌铁氧体 软磁铁氧体是目前各种铁氧体中用途较广 数量较大 品种较多 产值较高的一种铁氧体 由于这类材料具有高的本征电阻率 所以 在交流条件下具有许多金属软磁材料所无法比拟的优越性且价格低廉 并可制 成各种形状的磁芯 因此 在高频区一般都使用软磁铁氧体材料 用这类材料 制成的磁芯被广泛应用于通信 广播 电视 自动控制 航天技术 计算机技 术 电子设备及其它产业中来制作各种类型的电感器 变压器 扼流圈 抑制 器和滤波器等器件 一般软磁铁氧体的晶体结构都是立方晶系尖晶石型 应用 于音频到甚高频段 1KHz 300MHz 6 但是具有六角晶系磁铅石型晶体结构的 软磁材料却比尖晶石型的应用频率上限提高了好几倍 硬磁材料是相对于软磁 材料而言的 它是指磁化后不易退磁 能长时间保留磁性的一种铁氧体材料 因此 有时也称为永磁材料或恒磁材料 硬磁材料的晶体结构大都是六角晶系 磁铅石型 典型的代表为钡铁氧体 它是一种性能较好 成本较低而又适合工 业生产的铁氧体硬磁材料 这种材料不仅可以用作电讯器件中的录音器 微音 器 拾音器 电话机以及各种仪表的磁铁 而且在污染处理 医学生物和印刷 显示等方面也得到了应用 硬磁铁氧体材料是继铝镍钴系硬磁金属材料后的第 二种主要硬磁材料 它的出现不仅节约了镍 钴等大量战略物资 而且为硬磁 材料在高频段 如电视机的部件 微波器件以及其他国防器件 的应用开辟了新 的途径 铁氧体磁性材料是一种结构敏感性材料 只有控制微观结构和晶界才能获 得高性能的铁氧体材料 在众多的影响铁氧体的生产因素中 关键是原材料的 纯度 合适的添加剂和最优化的烧结工艺 近来共喷雾烧结法已用于日本铁氧 体工业化生产 采用这种先进工艺可利用成本低的不太纯的原料便可生产出高 纯的铁氧体 相信通过新的材料加工工艺和工艺理论控制微观结构可得到性能 更高 更可靠的铁氧体新材料 材料的组成与结构的可控性研究是保证材料具 有高性能和高可靠性的基础 铁氧体磁性材料的合成与制备中目前存在的问题 影响了材料的高性能和高可靠性 近年来软化学方法作为一种先进的材料制备 方法 已经在先进功能材料的制备方面开辟了一条新的工艺路线 随着热压成 形技术 热压烧结技术 气氛烧结技术 高温自蔓延技术 放电等离子体烧结 技术 微波烧结技术等新技术在制备铁氧体磁性材料中的应用与发展 可望获 得晶粒细小 显微结构均匀致密 较好地保持原始材料组成与结构的铁氧体磁 性材料 从而最终实现铁氧体磁性材料组成 结构与性能的可调控性 7 2 2 稀土磁性材料 稀土元素由于其独特的 4f 电子结构 大的原子磁矩 很强的白旋轨道耦合 磁矩等特性决定了它具有广泛的用途 特别是当稀土元素与其它元素形成配合 物时 具有丰富的磁学 电学及光学特性 8 目前 稀土磁性材料的研究重点 主要在以下几个方面 一是加强稀土磁性材料的理论研究 完善现有的工艺理 论体系 二是发掘新的稀土磁性材料 开发其新功能 三是缩短实验室研究与 工业化时间 加强产业开发 而稀土永磁材料是指稀土金属和过渡族金属形成 的合金经一定的工艺制成的永磁材料 稀土永磁材料已在机械 电子 仪表和 医疗等领域获得了广泛应用 现分为第一代 RECo5 第二代 RE2TM17 和第三代稀土永磁材料 NdFeB 新的稀土过渡金属系和稀土铁氮系永磁合金 材料正在开发研制中 有可能成为新一代稀土永磁合金 9 稀土永磁材料广泛 应用于计算机 汽车 仪器 仪表 家用电器 石油化工 医疗保健 航空航 天等行业中的各种微特电机 核磁振共振设备 电器件 磁分离设备 磁力机 械 磁疗器械等需产生强间隙磁场的元器件 2 3 巨磁电阻材料 巨磁电阻 GMR 效应是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外 磁场作用时存在显著变化的现象 10 超巨磁电阻材料从发现就倍受科研人员青 睐 十年后仍是科学前沿的研究热点 这和其潜在的市场应用价值是密切相关 的 由于计算机 信息技术的飞速发展 工业界和科学界将面临新的挑战就是 如何进一步提高存储密度 巨磁电阻材料则为此提供了可能 人们在 CMR 材 料中发现一系列新效应 导致了新的应用 CMR 效应在随机存储器中具有广泛的应用目前广泛采用的 RAM 是半导体 动态存储器和静态存储器 11 半导体动态存储器的容量已有每个芯片 40 亿位 4Gbit chip 速度可达 1 20ns 而静态存储器容量已达每个芯片 400 万位 4Mbit chip 速度比半导体动态存储器快一个数量级 达 2ns 12 但无论半导 体动态存储器和静态存储均为易失性的 机器断电时 所存数据会全部丢失 且抗辐射性能差 给使用带来极大的不便 而利用 CMR 效应制作的随机存储 器和现有的半导体 RAM 相比 最大的优点是非易失 抗辐射 长寿命 结构 简单和低成本 基本上可以不限次数的重写 由于使用了 CMR 材料 每位尺 寸的减少并不影响读取信号的灵敏度 可实现最大的存储密度 CMR 效应在计算机硬盘中也具有重要的应用计算机硬盘由于其容量大 体 积小 读写速度快 数据传送率高 至今仍然是计算机外存储器的首选装置 13 为进一步扩大容量 满足计算机网络和多媒体计算机发展的需要 要求不断增 加计算机硬盘的记录密度 研究表明 当面密度超过每平方英寸 6 亿位 600Mb in2 以上时 薄膜感应式磁头将会被各向异性磁电阻 AMR Anisotropy MR 磁头取代 当面密度超过每平方英寸 30 亿位 3Gb in2 以上时 AMR 磁头将会被 CMR 磁头取代 即实现高密度磁记录的关键技术及 有效途径是基于 CMR 效应的读出磁头的研制成功 CMR 磁头以其巨大的磁电 阻变化率 并克服了 AMR 磁头固有的 Barkhausen 噪音 大大的增加了磁头的 灵敏度和可靠性 使高密度磁盘技术取得突破 14 目前利用 CMR 效应制成的 读出磁头主要是自旋阀结构 1994 年 IBM 公司首次在计算机硬盘中使用了 CMR 效应的自旋阀磁头 硬盘面密度为 1Gb in2 预计 2003 年可实现 100Gb in2 目前由 CMR 效应引发的在计算机硬盘容量方面的突破 仍在向更 深层次发展 实现 400Gb in2乃至 1000Gb in2的基础研究工作已经开始 15 3 行业现状 中国金属和稀有元素矿藏非常丰富 有着丰富而天然的原材料资源优势 磁性材料产业所需的各种原材料几乎国内都能满足 磁性材料行业 离不开稀 土 因为 稀土成本占磁材原料成本的 30 而中国是稀土的故乡 世界上 80 的 稀土储量在中国 因此中国稀土的资源优势 决定了磁性材料行业的中国优势 中国磁性材料工业在产量方面已经初具规模 发展速度很快 但与日本等磁性 材料工业发达的国家相比 无论是管理水平 制造工艺 产品质量及产品档次 都存在一定差距 中低档产品占据了较大的国际市场 但在高档产品上还缺乏 竞争力 随着高清晰度电视等消费类电子产品的日益普及 汽车 通信业的发 展 对高档磁性材料的需求越来越多 中国的磁性材料企业应该抓住这个有利 的时机 开发高档磁性材料产品 占领国际市场 到 2010 年中国各类磁体的产 量均稳居世界之首 占全球的份额还将继续增大 到 2020 年 中国磁性材料的 产量将占全球一半以上 成为世界磁性材料产业中心 总结 磁性材料的研究和发展具有悠久的历史 也必将在不久的未来取得更喜人 的成绩 磁性材料的发展总趋势是有过渡族合金 化合物向多元合金 化合物 方向发展 由三维向低维方向发展 我国的磁性材料的研究进展迅速 但要进 一步缩小与发达国家的差距 还需要社会各界的共同努力 参考文献 1