磁性功能材料及应用2011-Part-1-绪论4h

磁性功能材料及应用,电子薄膜与集成器件国家重点实验室微电子与固体电子学院,任课教师：陈远富（三系楼414yfchen梁迪飞（三系楼243dfliang周二:910,三教104周四:910,三教104,磁性功能材料及应用,Part1绪论（4）Part2磁电子学材料及应用(4)Part3软磁材料及应用(12)Part4永磁材料及应用(12)Part5旋磁铁氧体材料及其应用（4）Part6电磁波吸收材料的发展及其在EMC中的应用(4),1.2.1静磁现象,1.2.2材料的磁化,1.2.3磁性和磁性材料分类,Part1绪论,1.1磁性功能材料及应用概述,1.2磁学基础知识,1.1磁性功能材料及应用概述,战国时期，我国已有磁性指南-司南的记载，其开创了人类对磁学和磁性材料研究的先河;指南针中国古代四大发明，对西方航海业的大发展起了重要作用。,一.磁学、磁性材料历史回顾,以磁科学进行研究的创始者当数吉尔伯特，后经安培、奥斯特、法拉第等人开创性的发现和发明，初步奠定了磁学科学的基础。,15441603,论磁1600年在伦敦出版,吉尔伯特首次给出了指南针工作原理的解释。,从1900年到1930年，先后确立了金属电子论、顺磁性理论、分子磁场、磁畴概念、X射线衍射分析、原子磁矩、电子自旋、波动力学、铁磁性理论、金属电子量子论等相关的理论。从而形成了完整的磁学科学体系。在此后的2030年间，出现了种类繁多的磁性材料。,从1902年塞曼、洛伦兹获得诺贝尔奖，到1985年冯克利青量子霍尔效应、1998年崔琦分数量子霍尔效应获诺贝尔物理学奖，再到2007年费尔、格林贝格尔巨磁电阻获得诺贝尔奖，至少有25次诺贝尔奖得主在磁学相关领域作出了杰出的贡献。,磁学相关-诺贝尔奖名人堂,施汝为（190111.19-198301.18），物理学家，1934年耶鲁博士，1955年学部委员，中国近代磁学的奠基者和开拓者之一。在铁磁合金和磁铁矿的磁晶各向异性、磁畴观察研究和铝镍钴系永磁合金磁性改进等方面做出了重要贡献，并在中央研究院建立了我国第一个磁学研究实验室，培养了大量磁学专门人才。长期担任中国科学院物理研究所所长，为我国磁学研究和物理学研究事业的发展做出了贡献。1931年在国内发表了第一篇磁学研究论文。,叶企孙在物理学上重要研究成果有两个一是用X射线精确地测定普朗克常数h，得出当时用X射线测定h值的最高的精确度；二是开创性地研究了流体静压力对铁磁性金属的磁导率的影响，这是本世纪20年代在物质铁磁性方面的一项重要研究工作，受到了世界各地科学界的重视。,叶企孙(1898.7.161977.1.13)1923年获哈佛大学博士学位1924年回国后，历任清华大学教授、物理系系主任和理学院院长他还是中国物理学会的创建人之一，1948年中央研究院院士，1955年学部委员,国内主要的磁学与磁性材料的重点、专业研究单位中国科学院物理研究所磁学国家重点实验室兰州大学磁学与磁性材料教育部重点实验室中科院宁波材料所正在筹建“磁性材料与器件中科院重点实验室”西南应用磁学研究所,国内一些磁性材料及器件知名厂家中科三环银河磁体世界粘结钕铁硼行业前三强,二.磁学、磁性材料研究领域,三.磁性功能材料应用领域,根据语料库和脑成像数据，科学家重建了被试心中所想的概念,植物人根据回答问题是“yes”还是“no”，显示了不同的大脑激活。,四.磁性功能材料的全球产量、市场、机遇与挑战,我国磁性材料的生产在国际上占有重要的地位.其中,永磁铁氧体的产量达11104,居世界首位;软磁铁氧体产量4104,居世界前列;稀土永磁产量4300,居世界第二.但是,目前我国生产的磁性材料基本上是低性能、低附加值材料,与发达国家存在较大的差距，产值与产量不相称.根据中国工程院的专项调查和预测,我国2008年磁性材料的需求量:永磁铁氧体15104,软磁铁氧体6104,稀土永磁800010000，目前的产能还不够。,我国磁性材料的产量与需求,(1)加强磁性材料的基础和应用基础研究；(2)改善现有的磁性材料：优化制备工艺、降低生产成本、提高其磁性能；(3)发展具有自主知识产权的新型磁性材料,特别是纳米磁性材料。纳米磁性材料是纳米材料中最早进入工业化生产的功能材料,应用广泛,性能优异,特别是在信息存储、处理与传输中占据重要地位,其基础研究和应用开发正方兴未艾.(4)加强研究、生产、应用三方面的结合,不断开拓磁性材料新的应用领域并促使其发展.,我国磁性材料的研究和发展将主要集中在以下几个方面:,中国加入WTO后，国外公司的进入增加了中国磁性材料的产量。中国家电、汽车的发展，成为磁性材料最大的应用市场，促使磁性材料进一步发展；中国的劳动成本低，有利于国际竞争，国外的一些磁性材料生产大公司都转移到中国，促进了中国磁性材料产量和产值的总体增加，到2005年中国的磁性材料销售额达到250亿人民币。“十二五”期间，重点开发高性能、高附加值的磁体，以汽车配套磁瓦、计算机硬盘驱动器、DVD驱动器、通信用磁体为主体，重点提高技术水平和档次。行业内企业要具有国际市场竞争的品牌，要联合发展壮大，形成世界一流的大公司，要以国际市场销售为主体，磁体大国迈入磁体强国。,美国一份报告统计显示，2009年，中国稀土储量占全球的36%,产量则占世界产量的97%。与之形成鲜明对比的是，美国2009年的稀土储量占世界13%，而产量为零；俄罗斯储量占世界19%，产量为零；澳大利亚储量为540万吨，产量为零,1）中国稀土生产规模和生产量世界第一、出口量第一，但中国却没有稀土定价权。销售粗加工、低附加值、恶性竞争，“黄金”卖“萝卜”价,2）在全球产业链上，中国长期以来沦为发达国家廉价的初级产品供应商，特别是在稀土新材料领域，中国几乎没有自主知识产权，不少稀土企业维持在微利和亏损的边缘。NbFeB烧结永磁体、粘结永磁体,3）中国稀土开发浪费和环境污染现象严重，稀土生产现状难以持续下去，占世界稀土资源比例已下降,4）中国稀土被西方广泛应用于军工等行业，是高科技产品和武器的关键原材料，稀土再廉价也不会被西方国家打入贸易倾销黑名单；可是，西方国家却在高科技产品对华限制出口，尤其在高科技军售方面长期实施禁运,我国政府开始规划稀土产业，出台了一系列相应的稀土政策，如限制出口等,我国稀土资源、产业的一些亟待解决的问题,a.磁铁（永磁体）：方向性：N、S极不可分离性：磁力线：磁力线切线方向为磁场方向,b.定义：,1.2.1静磁现象,1.磁偶极子,1.2磁学基础知识,磁体无限小时，体系定义为磁偶极子,磁偶极矩：方向：-m指向+m单位：Wbm,2.磁矩用环形电流描述磁偶极子：,单位：Am2结论：a二者的物理意义相同：表征磁偶极子磁性强弱与方向；但单位不同，公式有差异,c.电子的轨道运动相当于一个恒定的电流回路，必有一个磁矩，但自旋不能用电流回路解释，因此，最好将自旋磁矩视为基本粒子的固有磁矩。,b.方向：右手螺旋法则决定,面积A,i（电流）,其磁矩：,3磁化强度M,磁极化强度,磁化强度,磁化强度定义为材料微小体元V内的全部分子磁矩矢量和与V之比,对于顺磁与抗磁介质，无外加磁场时，M恒为零;存在外加磁场时，则有,2月22日,上堂课的回顾,一.磁学、磁性材料历史回顾,二.磁学、磁性材料研究领域,三.磁性功能材料应用领域,四.磁性功能材料的全球产量、市场、机遇与挑战,1.2.1静磁现象,1.1磁性功能材料及应用概述,1.2磁学基础知识,磁偶极矩：方向：-m指向+m单位：Wbm,单位：Am2,面积A,i（电流）,其磁矩：,用环形电流描述磁偶极子,磁体无限小时，体系定义为磁偶极子,磁偶极矩,磁化强度,比饱和磁化强度,A/m/(kg/m3)=Am2/kg,MH曲线测试，一般单位为emu，除以质量即得到emu/g，除以体积即可得到emu/cm3两者可通过密度进行换算,均为描述空间任意一点的磁场参量（矢量）1)、H：静磁学定义H为单位点磁荷在该处所受的磁场力的大小，方向与正磁荷在该处所受磁场力方向一致。,4磁场强度H与与磁感应强度B,实际应用中，往往用电流产生磁场，并规定H的单位在SI制中，用1A的电流通过直导线，在距离导线r=（1/2）米处，磁场强度即为1Am1。,无限长载流直导线：,方向是切于与导线垂直的且以导线为轴的圆周,常见几种电流产生磁场的形式,磁场强度,r,1820年Oersted,H,直流环形线圈圆心：,方向由右手螺旋法则确定。,无限长直流螺线管：,n：单位长度的线圈匝数,r,H,方向沿螺线管的轴线方向,2)磁感应强度B往往确定磁场效应采用磁感应强度B，而非H,SI制中，,自由真空中，B与H平行，磁体内部，B与H不一定平行，,单位：B：T或Wbm2；H：A/m；M：A/m；J：Wbm2真空中，M0当H107/4Am1时，B1T,磁学量的单位制：,使用Gauss单位制时，,此时，B的单位为Gs，H的单位为Oe，0=1G/Oe式中M为磁极密度单位为Gs，4M为磁通线的密度。SI制与Gauss制间的转换B：1G=10-4TH：1Oe=79.577A.m-1103Am-14Oe，103/4Am-1=79.577Am-1=1Oe,和,磁矩：在Gauss单位制中0=1G/Oe，则磁偶极矩与磁矩无差别，通称为磁矩，单位为电磁单位（e.m.u）1e.m.u(磁偶极矩)41010Wbm1e.m.u(磁矩)103Am2磁化强度：Gauss单位制中，磁极化强度（J）与磁化强度（M）相同，单位：G,5.磁化率与磁导率,称为磁体的磁化率,磁导率，代表该磁性材料的导磁能力，是表征磁性材料性能的重要参数。例如：B-H曲线上某点(B1，H1)的磁导率1B1/H1，即B-H曲线在某点(B1，H1)的斜率。,通常为了比较介质的导磁性能，以真空磁导率0为基准，定义介质的磁导率与真空磁导率的比值为相对磁导率r,磁体置于外磁场中磁化强度M将发生磁化。磁化率是单位磁场在磁体内感生的磁化强度，表征磁体磁化难易程度,相对磁导率,真空对磁导率,磁导率的不同定义：1)、初始磁导率,是磁中性状态（H0，M0）下磁导率的极限值，在弱场下使用时，i是一重要参数2)、最大磁导率max,表征单位H在磁体中感生出最大B的能力。一般而言磁性体的磁导率就是指这个参数。,3)、振幅磁导率磁体在交变磁场（无直流磁场）中被磁化时，在一定振幅的磁场下，其磁感应强度也有一定振幅：,它是(H或B)的振幅的函数，其最大值称为最大振幅磁导率。4)、增量磁导率指磁体受直流电磁场H0作用，在H0上再叠加一个较小的交变磁场，此时磁体对于交变磁场的磁导率即为。,5)、可逆磁导率rev,6)、复数磁导率,复数磁导率是物质在交变磁场的作用下，交变磁感应强度与磁场强度的比值。他们常常具有不同的相位，因此为复数，即uB/0H1-i1，,表示的是在交流磁场磁化下磁性特征的一个物理量，它同时反映B和H之间振幅及相位关系,1)、退磁场有限几何尺寸的磁体在外磁场中被磁化后，表面将产生磁极，从而使磁体内部存在与磁化强度M方向相反的一种磁场，起减退磁化的作用，称为退磁场Hd。Hd的大小与磁体形状及磁极强度有关。若磁化均匀，则Hd也均匀，且与M成正比：,其中N为退磁因子，只与磁体几何形状和尺寸有关。非均匀磁化时还与磁性体磁导率有关。,6退磁能,Hd=-NM,2)、简单几何形状磁体的退磁因子N对于旋转椭球体，三个主轴方向退磁因子之和：,如何理解?表面,1/3,1/2,1,3)、退磁场能量指磁体在它自身的Hd中所具有的能量,适用条件：磁体内部均匀一致，磁化均匀。形状不同或沿不同的方向磁化时，Fd也不同，这种因形状不同而引起的能量各向异性的特征形状各向异性。即：Fd是形状各向异性能量。,外磁场能,H,磁体由于本身的磁偶极矩Jm与H间的相互作用，产生一力矩：,7.静磁能,负号表示力矩沿顺时针方向（逆时针方向为正）=00，L最小，处于稳定状态0，L0，不稳定，会使磁体转到与H方向一致，这就要做功，相当于使磁体在H中位能降低。即：磁体在磁场中位能：,单位体积中磁位能（即磁场能量密度）,0，FH最小180o，FH最大,1.2.2材料的磁化,一、典型测试系统,1、美国QuantumDesign公司磁性测量系统MPMSSuperconductingQuantumInterferenceDevice(SQUID)02Tor07T,1.9or4.2400K，LHeorCryogenFreeSensitivity:1E-7emu,低温强场,磁化强度与磁滞回线；直流、交流磁化率；单晶磁各项异性；光诱导磁性；压力诱导磁性；电导测量。变温度、变磁场进行、连续低温操作,2、美国QuantumDesign公司物性测量系统PPMSPhysicalPropertyMeasurementSystem(PPMS)420万09Tor014T,1.9400K，LHeorCryogenFreeSensitivity:2E-5emu,主要测试功能：1、直流电阻，2、交流电阻，3、HALL效应，4、I-V特性，5、临界电流，6、DC磁化强度，7、AC磁化率，8、扭矩磁化测量，9、比热，10、热导率，11、热电势，12、FIGUREOFMERIT，13、超低场较正。以上测量可以变温度、变磁场进行、连续低温操作。,低温强场,超强功能,3、美国LakeshoreVSMVibrationSampleSystem(VSM),LakeShore的7410VSM,03T510-7emu液氦、液氮恒温器，8K或80K下工作高温炉可实1000下工作,967500元,4、磁滞回线仪,磁性材料对外加磁场有明显的响应特征，状态随外加磁场强度而变化，可用磁化曲线与磁滞回线表征。,1.磁化曲线表示磁场强度H与所感生的B或M之间的关系BH关系：工程技术中应用MH关系：磁性物理学中常用可通过环形磁材样品测出：初级线圈N1接DC电路，次级线圈N2接电子磁通计。当N1通DC时，磁环内部产生磁场，此环形样品被磁化，由磁通计反映出B的变化，由此可作出BH曲线，也可由B0(H+M)画出0MH曲线。（如图）,二、材料的磁化,O点：H0,B0,M0,磁中性和原始退磁状态OA段：近似线性，起始磁化阶段AB段：较陡峭，表明急剧磁化结论：1.两曲线机理一样；2.HHm后，M逐渐趋于一定值MS（饱和磁化强度），而B则仍不断增大；4.由BH（MH）曲线可求出或；5.饱和后再磁化无意义。,从饱和磁化状态开始，再使磁化场减小，B或M不再沿原始曲线返回。H从正的最大到负的最大，再回到正的最大时，B-H或M-H形成一封闭的曲线磁滞回线，磁材的重要特性之一当H0时，仍有一定的剩磁Br或Mr。,1)矫顽力Hc为使B(M)趋于零，需反向加一磁场，此时H=Hc称为矫顽力。BHC：使B=0的Hc。（工程技术上指）MHC：M=0时的Hc（内禀矫顽力）一般|BHC|TC时，铁磁性转变为顺磁性，服从居里外斯定律。实例：3d金属Fe，Co，Ni，4f金属铽、铒、铥、钬、铒、铥、鐠和钕以及很多合金与化合物。,TTC,4)铁磁性,亚铁磁性,1).m0，m0，（约为100103），；2).存在相互作用，J有序，内部磁结构与反铁磁性相同，但相反排列的磁矩大小不等量；3).f与T有关，不服从居里外斯定律；4).电阻率高，多用于高频。典型代表为铁氧体。,前三种为弱磁性，后两种为强磁性，具有此二性的材料叫磁性材料，按其被应用的性能，磁性材料可分为软磁、永磁、旋磁、矩磁、压磁五类）,2月24日,图5几种常见磁性类型的磁化曲线形状,数据处理1、在某一外场H下，进行变温磁化率的测试，仪器所测得的信号为样品磁矩M，它与摩尔磁化率mol间的关系为：,M为样品磁矩（CGS单位制下，其单位为emu），Mr为样品的摩尔质量（g/mol），H为磁场强度（Oe），m为样品质量（g）。在CGS单位制下，m的常用单位为cm3/mol。有效磁矩eff（常用单位为B）与间的关系为：,N0为阿伏伽德罗常数，B为玻尔兹曼常数，B为玻尔磁子。2、在某一温度下，进行磁化曲线的测试，摩尔磁化强度Mmol与样品磁矩M和摩尔磁化率mol间的关系为：,Mmol的常用单位为Gscm3/mol或是N，N和分别是阿伏加德罗常数和玻尔磁子，两者的转换关系为：1N=5585Gscm3/mol。,2磁性材料分类,I.软磁材料II.永磁材料III.信磁材料（信息磁性材料）IV.特磁材料（特种功能磁性材料）,从实用观点分：,I、软磁材料,(1)主要特征是：高的初始磁导率和最大磁导率；低的矫顽力Hc；高的饱和磁化强度和低的剩余磁感应强度；此外，出于节省能源降低噪声等方而考虑，软