人教版选修11 第2章 第5节 磁性材料 课件(共90张).ppt

磁性材料magneticmaterials 磁性材料的分类 软磁材料硬磁材料磁记录材料其他磁性材料 磁记录材料 磁记录原理3种记录模式 水平 纵向 垂直 杂化磁记录系统基本单元 换能器 存贮介质 传送介质装置以及相匹配的电子线路磁记录原理3种信号类型 音频信号 数字信号 调频信号两种记录方式 模拟 数字磁记录介质 磁带 磁盘 磁鼓 磁卡片 磁记录材料 磁记录材料磁头材料磁头的基本结构基本功能 写入 读出磁头材料得到基本性能要求 高的磁导率 高的饱和磁感应强度 高的电阻率和耐磨性常用的磁头铁芯材料 合金 铁氧体 非晶态合金 薄膜磁头材料 磁记录材料 磁记录介质材料对材料的要求类型 颗粒 磁粉 涂布型 将磁粉与非磁性粘合剂等含少量添加剂形成的磁浆涂布于聚脂薄膜 涤纶 基体上制成 连续薄膜型 连续磁性薄膜无须采用粘合剂等非磁性物质 制备方法有两种湿法 如电镀和化学镀干法 如溅射法 真空蒸镀法及离子喷镀法 其他磁性材料 超磁致伸缩材料磁致伸缩现象 铁磁性材料在磁场中被磁化时 沿外磁场方向其尺寸会发生微小变化一般材料的磁致伸缩系数 30 60 10 6超磁致伸缩效应 1 2 10 3超磁致伸缩材料与压电陶瓷的性能比较巨磁电阻材料磁电阻效应 由磁场引起材料电阻发生变化巨磁化强度材料巨磁化强度材料也称为高磁化强度材料 饱和磁化强度高于传统的fe和fe co软磁合金的材料磁光效应材料 磁光记录 水平 纵向 垂直记录 磁记录原理 3种基本信号类型 磁头的基本结构 软磁材料 定义 特指那些矫顽力小 容易磁化和退磁的磁性材料特点 磁滞回线细而长高磁导率低矫顽力容易磁化 也容易去磁常见软磁材料的饱和磁感应强度bs和最大磁导率 m 软磁材料 分类 金属软磁材料 软磁铁氧体常用的金属软磁材料电工用纯铁电工用硅钢片铁镍合金与铁铝合金非晶态合金 铁基 钴基 铁镍基 电工用纯铁 含碳量极低 纯度99 95 以上用途 铁芯 磁极 磁路等性能 机械 磁性能影响性能的因素 结晶轴对磁化方向的取向 杂质 晶粒大小 金属的塑性变形 内应力改善性能措施工作环境及减少涡流损耗方法 电工用硅钢片 分类 热轧非织构 无取向 硅钢片 冷轧非织构 无取向 硅钢片 冷轧高斯织构 单取向 硅钢片 冷轧立方织构 双取向 硅钢片 用途 电机 发电机 变压器 扼流圈 电磁机构 继电器 测量仪表机械性能 磁性能的影响因素 硅含量 晶粒大小 结晶结构 有害杂质 硝 氧 氢 含量分布状况以及钢板厚度有关高斯织构 立方织构硅钢片性能 软磁材料的磁滞回线 常见软磁材料的bs和 m 几种电工用纯铁的磁性能 铁镍合金 成分 主要成分是铁 镍 铬 铜 铜等元素特性 在弱磁场及中等磁场下具有高的磁导率 低的饱和磁感应强度 很低的矫顽力 低的损耗 铁镍合金相图与不同成分合金的性能铁镍合金的分类及其特性 1j50 1j51 1j65 1j79 1j85 铁铝合金 铁铝合金成本低 应用范围很广 含铝量在16 以下时 便可以热轧成扳材或带材 含铝量在5 6 以上时 合金冷轧较困难 铁铝合金特点 电阻率高高的硬度和耐磨性比重小 可减轻铁芯自重对应力不敏感时效 材料在使用时 随时间及环境温度的变化 磁性能发生变化温度稳定性 非晶态合金 铁基非晶态软磁合金 特点 饱和磁感应强度高 损耗低缺点 磁致伸缩系数大钴基非晶态软磁合金 饱和磁感应强度较低 磁导率高 矫顽力低 损耗小 磁致伸缩系数趋近于零铁镍基非晶态软磁合金 性能基本上介于两者之间非晶态合金与晶态软磁材料的比较 磁导率高 电阻大 损耗 非晶态合金与晶态合金的磁滞回线 铁镍合金相图与不同成分合金的性能 热处理工艺对铁镍合金导率的影响 fe si3 8 合金单晶体磁化方向 高斯织构 立方织构硅钢片性能比较 几种电工用纯铁的磁性能 软磁材料 软磁材料的用途 主要用于导磁 可用作变压器 线圈 继电器等电子元件的导磁体 变压器磁性传感器 硬磁材料 永磁材料 定义 指材料被外磁场磁化以后 去掉外磁场仍然保持着较强剩磁的材料评价永磁材料性能好的指标剩余磁感应强度br矫顽力hc最大磁能积 bh max凸起系数 bh m brhc退磁曲线 永磁材料饱和磁滞回线第二象限部分 硬磁材料 永磁材料种类铝镍钴系硬磁合金硬磁铁氧体材料稀土永磁材料可加工的永磁合金永磁材料用途 硬磁材料主要用来储藏和供给磁能 作为磁场源 硬磁材料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 永磁材料的退磁曲线和磁能曲线 可加工的永磁合金 在淬火态具有可塑性 可以进行各种机械加工 合金的矫顽力是通过塑性变形和时效 回火 硬化后得到的四个主要系列 铁基合金fe mn ti及fe co v合金铜基合金fe cr co永磁合金 铝镍钴系硬磁合金 特点 铝镍钴系永磁合金具有高的磁能积及高的剩余磁感府强度 适中的矫顽力 bh max 40 70kj m3 br 0 7 1 35t hc 40 60ka m 这类合金属沉淀硬化型磁体 高温下呈单相状态 相 冷却时从 相中析出磁性相使矫顽力增加 alnico系合金硬而脆 难于加工 成型方法 有铸造法和粉末烧结法两种 成分 以fe ni a1为主要成分 通过加入cu co ti等元素进一步提高合金性能 铝镍钴系硬磁合金 按成分分类 铝镍型 铝镍钴型 铝镍钴钛型三种铝镍钴型合金具有高的剩余磁感应强度铝镍钴钛型则以高矫顽力为主要特征铸造铝镍钴系合金从织构角度可划分为各向同性合金 磁场取向合金和定向结晶合金三种逐渐被永磁铁氧体和稀土永磁合金被取代 但在对永磁体稳定性具有高要求的许多应用中 铝镍钴系永磁合金往往是最佳的选择 铝镍钴合金广泛用于电机器件上 如发电机 电动机继电器和磁电机 电子行业中的扬声器 行波管 电话耳机和受话器等 稀土永磁材料 成分 稀土元素 用r表示 与过渡族金属fe co cu zr等或非金属元素b c n等组成的金属间化合物研究与发展的4阶段 第一代是稀土钴永磁材料rco5型合金 1 5 型 其中起主要作用的金属间化合物的组成是按1 5的比例 单相 单一化合物的rco5永磁体smco5 sm pr co5多相 以1 5相为基体 有少量2 17型沉淀相的1 5型永磁体第二代稀土永磁合金为r2tm17型 2 17型 tm代表过渡族金属 其中起主要作用的金属间化合物的组成比例是2 17 r tm原子数比 亦有单相 多相之分第三代为nd fe b合金第四代主要是r fe c系与r fe n系 稀土永磁材料分类 钴基稀土永磁体 smco5 prco5或 smpr co5结构 cacu5型六方结构矫顽力 来源于畴的成核和晶界处畴壁钉扎性能 降低成本 成分取代 制备方法sm2co17结构 六方晶体结构矫顽力 沉淀粒子在畴壁的钉扎性能 矫顽力低 剩余磁感应强度及饱和磁化强度高 铁基稀土永磁体 nd fe b系永磁合金特点 磁能积最大的永磁体分类 烧结永磁材料和粘结永磁材料相组成 nd2fe14b 富nd相 nd1 1fe4b nd2o3缺点 耐蚀性差 居里温度低 312 磁感应强度温度系数大 材料使用温度低不超过 150 性能与结构的关系矫顽力剩磁改进措施调整合金成分新的制备工艺 铁基稀土永磁体 调整合金成分 nd r fe m1 m2 b取代元素dy tb取代nd co ni cr取代fe作用 提高主磁化相的内禀特性掺杂元素 提高矫顽力 耐蚀性m1 cu al ga sn ge zn 形成非磁性相m2 nb mo v cr zr ti 形成硼化物改进制备工艺 控制磁粉晶粒粒度 含氧量 提高定向度 铁基稀土永磁体 r fe n c 系永磁合金 第四代稀土永磁材料 其中r通常为sm或nd er y sm2fe17nx的居里温度可达746k 大大高于nd fe b的583k n以间隙原子形式溶入sm2fe17晶格 产生晶格畸变 磁化方向改变 具有单轴磁各向异性 磁晶各向异性场约为nd fe b的两倍 理论磁能积与nd2fe14b相近 sm2fe17nx是亚稳态化合物 在600 以上不可逆分解为smnx和fe 所以不可能将其制成烧结磁体 只能制成粘结磁体 损失磁性能 粘结磁体的磁性能在很大程度上依赖于制备工艺 用成分为sm2fe17n3的磁粉制成的粘结磁体 最大磁能积可达104 152kj m3 由于技术上的问题 使r fe n系永磁合金至今未能实现工业化生产 但优异的磁性能使其很有希望成为新一代永磁材料 铝镍钴系列化学成分及性能 永磁材料的应用 永磁式强力吸力器 静吊20 50kg 平方厘米 通过磁短路开关可方便吸吊 卸吊铁器物永磁式自动磁选机 可将磁性能不均匀的磁性粉末自动分成等级 或将磁性与非磁性混合粉末分离 粉末颗粒度为 级 一次分选两级 通过调整磁辊间隙改变磁场大小 可对粉末进行多次分选 永磁材料的应用 扬声器硬 永 磁直流步进电机 磁记录材料 1 磁记录原理磁记录系统的基本单元换能器存贮介质传送介质装置相匹配的电子线路 三种最基本的磁记录信号音频信号数字信号调频信号 三种最基本的磁记录信号 磁记录 磁记录材料 2 磁头材料磁头材料的基本性能要求高的磁导率高的饱和磁感应强度高的电阻率和耐磨性磁头材料种类合金铁氧体非晶态合金博膜材料 磁头基本结构 后隙 线圈 铁芯 前隙 磁记录材料 3 磁记录介质材料磁记录介质的基本性能要求 1 剩余磁感应强度高 2 矫顽力适当 3 磁滞回线接近矩形 hc附近的磁导率尽量高 4 磁层均匀 厚度适当 记录密度越高 磁层愈薄 5 磁性粒子的尺寸均匀 呈单畴状态 6 磁致伸缩小 不产生明显的加压退磁效应 7 基本磁特性的温度系数小 不产生明显的加热退磁效应 8 磁粉粒子易分散 在磁场作用下容易取向排列 不形成磁路闭合的粒子集团 磁记录材料 4 磁记录介质材料的种类颗粒 磁粉 涂布型介质 将磁粉与非磁性粘合剂等含少量添加剂形成的磁浆涂布于聚脂薄膜 涤纶 基体上制成 连续薄膜型磁记录介质 连续磁性薄膜无须采用粘合剂等非磁性物质 制备方法有两种湿法 如电镀和化学镀干法 如溅射法 真空蒸镀法及离子喷镀法 磁性与磁性材料的发展史 指南针司马迁 史记 描述黄帝作战用1086年宋朝沈括 梦溪笔谈 指南针的制造方法等1119年宋朝朱或 萍洲可谈 罗盘用于航海的记载16世纪w gibert 最早的著作 demagnete磁石 18世纪奥斯特电流产生磁场法拉弟效应在磁场中运动导体产生电流安培定律构成电磁学的基础 磁性与磁性材料的发展史 电动机 发电机等开创现代电气工业1907年p weiss的磁畴和分子场假说1919年巴克豪森效应1928年海森堡模型 用量子力学解释分子场起源1931年bitter在显微镜下直接观察到磁畴加藤与武井发现含co的永磁铁氧体1935年荷兰snoek发明软磁铁氧体 磁性与磁性材料的发展史 1935年landau和lifshitz考虑退磁场 理论上预言了磁畴结构1946年bioembergen发现nmr效应1948年neel建立亚铁磁理论1954 1957年rkky相互作用的建立1958年m ssbauer效应的发现1960年非晶态物质的理论预言1965年mader和nowick制备了cop铁磁非晶态合金 磁性与磁性材料的发展史 1970年smco5稀土永磁材料的发现1982年扫描隧道显微镜 brining和rohrer 1986年 afm 1984年ndfeb稀土永磁材料的发现sagawa 佐川 1986年高温超导体 bednortz muller1988年巨磁电阻gmr的发现 m n baibich1994年cmr庞磁电阻的发现 jin等lacamno31995年隧道磁电阻tmr的发现 t miyazaki 磁及磁现象的根源 磁及磁现象的根源是电流 或者说 磁及磁现象的根源是电荷的运动 所有物质都是由原子构成的 而原子由原子核及核外电子构成 带有负电荷的电子在原子核周围作轨道运动和自旋运动 无论轨道运动还是自旋运动都会产生磁矩 原子核 由于带电 其运动也会产生磁矩 只是其磁矩很小 例如 氢核质子产生的磁矩仅为电子产生最小磁矩的1 658左右 与物质磁矩相关联的各种现象称为磁现象 物质磁性及磁现象的主要根源是电子的运动 尽管不存在与单位电荷量相当的 磁荷 但存在最基本的单位磁矩 磁学基本概念 磁极强度磁场及磁场强磁化 磁矩与磁化强度 磁化率 磁导率 磁通密度 磁感应强度 与磁通量磁势vm 磁动势 磁阻rm 磁导 磁极强度 两个磁极间的磁作用力磁极强度单位wb 韦伯 两个磁极强度相等的磁极 若相距1m时其间的作用力为 6 35 104n 则对应的磁极强度为1wb 磁场及磁场强度 磁场 对磁极产生磁作用力的空间为磁场磁场强度 磁场强度在数值上等于每1wb磁极所受磁场力的大小 磁场强度的方向和大小 用磁力线表征 磁力线上某点的切线方向表征该点磁场强度的万向 用磁力线的疏密表征磁场强度的相对大小 磁化 磁矩与磁化强度 磁化率 磁导率 磁化 将磁体 如铁片等 接近永磁体的磁极时 与永磁体靠近的铁片的一端会出现与永磁体相反的磁极 从而产生吸引作用磁矩的定义为 mi qml wb m 磁化 磁矩与磁化强度 磁化率 磁导率 具有磁矩的磁极对称为磁偶 magneticdipole 磁化强度 单位体积中磁偶矩的总和磁化率 磁性体的磁化强度相对于磁场强度h 可近似表示为磁导率 磁性体的磁通密度可表示为 wb m2 相对磁化率和相对磁导率 相对磁化率 relativesusceptibility 相对磁导率 relativivepermeability 磁通密度 磁感应强度 与磁通量 磁通密度b的定义 单位特斯拉b 0 h m t 左手法则特斯拉的定义 当流经1a的电流时 单位长度上的作用力为1n时 所对应的磁通密度为1t 磁通或磁通量 wb bs 或 罗仑兹力 左手法则 磁通 磁势vm 磁动势 磁阻rm 磁导 磁势vm 磁动势 是磁路中任意两点间磁势的差值 类似于电路中的电压 磁阻rm 磁动势与磁通的比值称为磁阻磁导 磁通 与磁动势vm的比值 类似于电路中的电导 是反映材料导磁能力的一个物理量 磁学及电学个基本量的比较 物质的磁性 物质磁性分类铁磁性亚铁磁性顺磁性反铁磁性 或抗磁性 完全反磁性 磁性的分类及产生机制 铁磁性 亚铁磁性 铁磁性 在外磁场作用下才表现出很强的磁化作用 像fe co ni等 属于本征铁磁性材料 在某一宏观尺寸大小的范围内 原子磁矩的方向趋向一致 亚铁磁性 大小不同的原子磁矩 图中分别用a b表示 反平行排列 二者不能完全抵消 从而形成原子磁矩之差 相对于外磁场显示出一定程度的磁化作用 称此种铁磁性为亚铁磁性 各种铁氧体 顺磁性 许多物质的相对导磁率 r 按式 r 0 与1相比为非常小的正数 这类物质所具有的磁性为顺磁性 如氧气的 r为4 10 7 白金为3 10 3 顺磁性物质的相对导磁率一般在 r 10 5 10 2范围内 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 顺磁性物质 t 的两种类型 c t c t p 反铁磁性 或抗磁性 反磁性是指在外加磁场作用下 物质中产生的原子磁矩方向与外加磁场方向相反 其相对磁化率为负值 产生的机理 外磁场穿过电子轨道时 引起的电磁感应使轨道电子加速 根据楞次定律 由轨道电子的这种加速运动所引起的磁通 总是与外磁场变化相反 因而磁化率是负的原子所具有的反磁性特点在任何物质中都是存在的 只不过是在铁磁性反铁磁性 顺磁性等物质中 反磁性被原子磁性所屏蔽而已 完全反磁性 完全反磁性 物质中完全不能进入磁通量的性质具有这种完全反磁性的物质为第一类超导体 这种物质处于超导状态时 表现为完全反磁性模型 当第一类超导体处于超导状态并施加外磁场时 由于电磁感应 在其表面数十纳米深度范围内会出现108a cm2程度的大电流密度的电流 如图所示 根据右手定则 此电流会产生感应磁场 产生的磁场可完全抵消外加磁场 进而出现完全反磁性 实际上 外加磁场只能进人物质表层 其深度约数十纳米 例如pb为37nm nd为39nm 从宏观角度看 这一深度完全可以忽略 磁畴与磁畴壁 磁畴的结构 磁畴由平行或反平行原子磁矩在一定尺寸范围内集团化而形成 磁畴由磁畴壁隔开 对于fe来说 厚度大约为100到几十个原子层 厚度大约为10 8 10 6m磁畴内原子磁矩一致整齐排列 在材料未被磁化时 磁畴之间原子磁矩方向各不相同 只有当磁性材料被磁化以后 它才能对外显示出磁性 磁畴壁处原子磁矩排列 在畴壁的一侧 原子磁矩指向某个方向 假设在畴壁的另一侧原子磁矩方向相反 在畴壁内部 原子磁矩必须成某种形式的过渡状态 从一侧开始 每一层原子的磁矩都相对于磁畴中的磁矩方向偏转了一个角度 并且每一层的原子磁矩偏转角度逐渐增大 到另一侧时 磁矩已经完全转到和这一侧磁畴的磁矩相同的方向 磁畴的结构 磁畴壁处原子磁矩排列 磁滞回线 磁滞回线 铁磁材料在经过充磁 退磁 反向充磁 再退磁周