磁性材料第6章技术磁化理论磁性材料

磁性材料第磁性材料第6 6章技术磁化理论磁性材料章技术磁化理论磁性材料 磁性材料第二章技术磁化理论第二章技术磁化理论第11节技术磁化 过程22节反磁化过程第22节静态磁参数分析磁性材料第二章技术磁 化理论 Weiss分子场假说 自旋交换作用导致磁性体内部存在分子场 从而产生自发磁化 M S T关系 以及居里点的存在 在未受外磁场作用时为什么绝大多 数铁磁体不显示宏观磁性呢 磁畴假说 磁畴的概述宽度约为10 3cm 包含1014个磁性原子 从微观和宏观两种角度认识磁畴 Intr oduce磁性材料第二章技术磁化理论磁畴结构磁畴的大小 形状以及 它们在铁磁体内的排布方式 研究磁畴结构的形式及其在外磁场中的变化是磁学的重要内容之一 1 了解铁磁体内部自发磁化的分布 2 为研究磁化过程提供理论依据铁磁体为什么形成磁畴 磁畴的 尺寸和结构与哪些因素有关 所有这一切都是由铁磁体系统内的总 自由能等于极小值所决定的 具体而言 铁磁体磁畴结构的形成以及磁化过程中磁化曲线 磁滞 回线上的每一点都代表铁磁体的平衡状态 而从热力学的观点来看 在平衡状态下 系统的总自由能等于极小值磁性材料第二章技术 磁化理论第第1节技术磁化Technical Magization磁性材料第二章技术磁化理论铁磁性物质的基本特征 1 铁磁性物质内存在按磁畴分布的自发磁化 2 铁磁性物质的磁化率 很大 3 铁磁性物质的磁化强度与磁化磁场强度之间不是单值函数关 系 显示磁滞现象 具有剩余磁化强度 其磁化率都是磁场强度的 函数 4 铁磁性物质有一个磁性转变温度 居里温度T C 5 铁磁性物质在磁化过程中 表现为磁晶各向异性和磁致伸缩 现象磁性材料第二章技术磁化理论 一 磁化过程概述 General ofmagizing process 1 一些基本概念 磁化过程指处于磁中性状态的强磁性体在外磁场 的作用下 其磁化状态随外磁场发生变化的过程 分为静态磁化过 程和动态磁化过程 当当磁场作准静态变化时 称为静态磁化过程 又分为技术磁化和内禀磁化 当磁场作动态变化时 称为动态磁 化过程 技术磁化指施加准静态变化磁场于强磁体 使其自发磁化的 方向通过磁化矢量M的转动或磁畴移动而指向磁场方向的过程磁性材 料第二章技术磁化理论 2 磁化曲线的基本特征铁磁性 亚铁磁性磁化曲线为复杂函数关系 H起始磁化区陡峭区趋近饱和区Rayleigh区M顺磁磁化区强磁体的磁 化曲线可分为五个特征区域 1 起始磁化区 可逆磁化区域 M i H B 0 i H i 1 i 2 Rayleigh区仍属弱场范围 其磁化曲线规律经验公式 i iiM H bH bHB HbH b 220 瑞瑞利常 磁性材料第二章技术磁化理论 3 陡峭区中等场H范围 M变化很快 特点是不可逆磁化过程 发生巴克豪森跳跃的急剧变化 其 与 均很大且达到最大值 又称最大磁导率区 4 趋近饱和磁化区较强H M变化缓慢 逐渐趋于技术磁化饱和 符合趋于饱和定律s pabM M HH H 21其中a b与材料形状有关 5 顺磁磁化区需极高的H 难以达到 在技术磁化中不予考虑磁性材料第二章技术磁化理论 3 磁化过程的磁化机制若磁体被磁化 则沿外磁场强度H上的磁化 强度M H可以表示为S i iiHM VMV0cos 当外磁场强度H发生微小的变化 H 则相应的磁化强 度的改变 M H可表示为S i i SiiiiSHiM VM VV MMV0cos coscos 畴壁位移磁化过程磁畴转动磁化过程顺 磁磁化过程H displacementrotation paramagicM M M M 磁性材料第二章技术磁化理论即技术磁化过程为畴壁位移 和磁畴转动两种基本磁化机制displacementrotation HdisplacementrotationMM MH HH H displacementrotation MMM 强磁性材料被磁化 实质上是材料受外磁场H的作用 其 内部的磁畴结构发生变化 也即是磁体内部总能量的平衡分布重新 调整过程磁性材料第二章技术磁化理论技术磁化过程大致可以分为 三个阶段 i 可逆畴壁位移磁化阶段 弱场范围内 若H退回到 零 其M也趋于零 多见于金属软磁材料和磁导率 较高的铁氧体中 ii 不可 逆畴壁位移磁化阶段 中等磁场范围内 即有Barkhausen jumps发生 iii 磁畴磁矩的转动磁化阶段 较强磁场范围内 此时样品内畴壁位移已基本完毕 要使M增加 只有靠磁畴磁矩的 转动来实现 一般情况下 可逆与不可逆磁畴转动同时发生于这个阶段磁性材料 第二章技术磁化理论磁性材料第二章技术磁化理论第第2节反磁化过 程Reversal ofMagizing Process磁性材料第二章技术磁化理论 一 概述 反磁化过程铁磁体从一个方向饱和磁化状态变为相反方向 的技术饱和磁化状态的过程 主要特征 磁滞现象 磁化强度M随H变化中出现滞后的现象 于不可逆磁化过程 实验证明 一般的磁性材料除在极低的磁场或极 高磁场以外 在不同大小的磁场作用下反复磁化均可得到相应的磁 致回线 而其中最大的回线就是饱和磁滞回线 H c M r 磁性材料第二章技术磁化理论 与磁化过程一样 反磁化中也 存在可逆与不可逆磁化过程 反磁化过程中 磁滞形成的根本原因主 要由于铁磁体内存在应力起伏 杂质以及广义磁各向异性引起不可 逆磁化过程 所以磁滞与反磁化过程中的阻力分布有密切的关系 磁滞的机制肯定包括下面两种 1 在畴壁不可逆位移过程中 由应力和杂质所引起的磁滞 2 在磁畴不可逆转动过程中 由磁各向异性能所引起的磁滞 磁性材料第二章技术磁化理论 与技术磁化过程不同 反磁化过程是 从技术饱和磁化状态开始的 似乎不存在磁畴结构 反磁化过程 产生磁滞的第三种机理反磁化核的成长过程 晶格的点缺陷 面缺 陷对畴壁的钉扎也是引起磁滞的另一种重要机制 一般来说 软磁 材料中主要是由不可逆畴壁位移导致磁滞 而某些单畴颗粒材料中 磁滞主要是由不可逆畴转磁化过程来决定 同时在有些材料中 反磁化是通过反磁化核的生长来实现 因此其磁滞主要决定于反磁 化核生长的阻力磁性材料第二章技术磁化理论磁性材料第二章技术 磁化理论注意矫顽力H c和剩余磁化强度M r是磁滞回线上的物理量 而矫顽力H C是表征磁滞的主要磁学量 在一级近似下 H c可看作不可逆磁化过程的临界磁场H0的平均值来进行计算 即cH H 0其物理意义就是相应于铁磁体中大量地进行反磁化的平均磁场 即当外磁场达到H0时 铁磁体内的不可逆磁化过程已大部分进行 完了 研究反磁化问题的核心就是计算矫顽力磁性材料第二章技术磁化理 论第第3节静态磁参数分析Analysis ofStatic MagicParameters磁性材料第二章技术磁化理论 一 起始磁化率 i起始磁化率 i是软磁材料工作在弱磁场中的一 个重要磁性参数 也是电讯工程技术上应用磁性材料性能的重要指 标 技术磁化理论中的起始磁化率的共同特点与材料的饱和磁化强 度M S的平方成正比 而与材料内部存在的 S K1和杂质浓度 成 反比 即与很多因素有关 如杂质 气孔以及晶粒大小 取向和排 列等有密切关系 目前的磁化理论还不能精确计算起始磁化率 i 但如果要想获得高的起始磁化率必须从材料的四个方面来考虑 1 材料的磁化强度M S 2 材料的K1和 S 3 材料晶体结构的完整性 4 材料组成成分的均匀性磁性材料第二章技术磁化理论 一 材料的饱和磁化强度M S 磁化理论决定的起始磁化率 i均与M s2成正比 所以提高M S的大小有利于获得高的 i 在软磁材料中可以选择适当的配方 成分以后 确实可以提高材料的M S值 M S值一般不可能变动很大 且提高M S后不一定能够同时保证低的K1和 S等等 所以改变M S的大小并不是提高起始磁化率 i的最有效的方法磁性材料第二章 技术磁化理论 二 磁晶各向异性常数K1和磁致伸缩系数 S 控 制 S 和K1是改善起始磁化率 i的一个重要途径 无论是在畴壁 位移还是在畴转磁化过程中 例如Fe Ni合金的K1和 S随其成分及结构不同而变化 而且可以在很大范围 内变化其大小和符号可能使K1和 S很小 甚至可以使K1 0和 S 0 如含78 5 Ni的Fe Ni坡莫合金 经过双重热处理后可使其起始磁导率增高到104磁性材 料第二章技术磁化理论对于软磁铁氧体材料 控制材料中几种成分 的适当比例 可以制成K1和 S较低的复合铁氧体材料 通常采用加 入ZnO和过铁配方以达到同时降低K1和 S值的目的一般尖晶石铁氧 体材料的K1 0和 S0的CoFe2O4或 S 0 的Fe3O4均可达到降低低K1和 S的目的磁性材料第二章技术磁化理 论 三 内应力和掺杂及其分布方案尽量减少材料中的杂质含量 和内应力的分布 主要通过选择原料纯度 控制烧结温度以及热处 理条件来实现例如铁氧体材料 若选择原料纯度高 活性好 适当 的烧结温度和时间 热处理条件就可以使烧成的材料结构均匀 晶 粒大小适当 杂质和空隙较少 金属软磁材料 通过选择成分 原 料纯度 控制熔炼过程的温度和时间以及热处理条件等 可以得到 单相 无气泡 杂质少以及低的残余应力实践证明 热处理对于材 料结构和微结构影响很大 因而可能影响到K1和 S的性质 如对于 S大的材料要注意降低内应力 而K1大的材料则要尽量减少杂质的 含量磁性材料第二章技术磁化理论 四 控制晶粒尺寸的大小 若材 料晶粒大 晶界对畴壁位移的阻滞较小 实验已证明 起始磁化率 随晶粒尺寸的增大而升高 且随着晶粒尺寸大小的不同 对起始磁 化率 i的贡献的磁化机制也不同 如MnZn铁氧体材料 当其晶粒 在5 m以下时 磁导率约为500左右 这时晶粒近似为单畴 其贡献 是以畴转磁化为主 若晶粒尺寸在5 m以上时 已不是单畴 将会 发生畴壁位移 其磁导率增大为3000以上磁性材料第二章技术磁化 理论晶粒的尺寸大小一般要受到烧结条件及热处理的影响 提高铁 氧体烧结温度 可以使晶粒长大 有利于提高磁导率 但烧结温度 过高 会使材料内部某些元素挥发而产生大空隙和应力 对提高磁 导率产生不利的一面 五 材料的织构化利用 i的各向异性特点来 改进磁性材料的磁特性的一种特殊方法 分结晶织构和磁畴织构两 种方法 结晶织构将各晶粒易磁化轴排列在同一个方向上 若沿该 方向磁化可获得高的 i 磁畴织构使磁畴沿磁场方向取向排列 从 而提高 i磁性材料第二章技术磁化理论 二 剩余磁化强度M R剩余磁化强度M R的大小 决定于材料从饱和磁化降到H 0的反磁化过程中磁畴结 构的变化 它是反磁化过程中不可逆磁化的标志 也是决定磁滞回 线形状大小的一个重要物理量量剩余磁化状态铁磁体磁化至饱和后 再将外磁场减退至零的状态 即H 0 而M 0的磁化状态 一般 可以理解为铁磁体磁化至饱和后 在反磁化过程中保留了大量不可 逆的磁化部分 而退掉了在H 0区域中的可逆磁化部分磁性材料第二 章技术磁化理论H MA B C OD C 以由单轴各向异性晶粒组成的多晶体为例说明剩余磁化的磁畴结 构变化示意图在多晶体中 假设晶粒的单易磁化轴是均匀分布的 当多晶体在某个方向磁化饱和后 再将外磁场降为零 由于不可逆 磁化的存在 各个晶粒内的磁矩不是从饱和磁化方向回到自己原来 的易磁化轴方向 而是只回到各自最靠近外磁场方向上的那些易磁 化轴方向 所以磁矩均匀分布在半球内则在原来磁场方向上保留的 剩磁大小可近似为M R M Scos 其中 为外磁场与每个晶粒的易磁化轴间的夹角磁性材料 第二章技术磁化理论 三 矫顽力H CH MB B H CM H C 磁感矫顽力B H C在B H磁滞回线上 使B 0的磁场强度 内禀矫顽力MH C在M H磁滞回线上 使使M 0的磁场强度 通常情况下 MC BCH H 1 两种矫顽力的定义磁性材料第二章技术磁化理论 2 各种因素决定的矫顽力H c 1 对畴壁位移的阻力a 内应力理论H C H0 S 0M Sb 含杂理论H C H0 2 3 0M S 2 对畴转过程的阻力a 磁晶各向异性H C H0 K1 0M Sb 应力各向异性H C H0 S 0M Sc 形状各向异性H C H0 N2 N1 M S磁性材料第二章技术磁化理论 3 控制矫顽力H C大小的有效途径软磁H C要小 而硬磁H C要大 如何做到这一点呢 采用什么途径呢 根本出发点根据决定 矫顽力H C的磁滞机理理论 在工艺制作中控制影响H C大小的各种因素 1 如何提高矫顽力H Ca 增强对畴转磁化的阻力通过畴转获得高矫顽力H C的必要条件为使材料形成单畴颗粒 其充分条件则是提高材料的磁 各向异性b 提高对畴壁位移的阻力基本方向增大内应力的起伏分布 和增加杂质的体积浓度 同时若提高材料的 S和K1将更有效磁性材 料第二章技术磁化理论误区认为高矫顽力H C的材料一定是单畴结构 且由位移磁化过程所决定的往往不高60年 代以后 对铁氧体永磁材料的磁畴结构研究发现 其反磁化过程是 以反磁化核生长而通过畴壁位移进行的 可以获得H C高达约约106 4 A m 70年代以来 针对高K1的稀土合金研究 发 展了畴壁位移阻力的理论 提出了畴壁钉扎的概念来解释稀土永磁 合金高H C的问题如SmCo5材料H C高达约4 106 A m 总之 提高对反磁化核生长的阻滞以及畴壁位 移的阻滞是提高矫顽力 的普适方法之一磁性材料第二章技术磁 化理论 如何降低矫顽力H C 软磁材料要求矫顽力H C越小越好 一般其H C为为0 1 100A