《稀土磁性材料》课件.ppt

1,稀土磁性材料,2,一材料磁性能的基本知识,1.1磁学基本量磁场强度、磁感应强度和磁导率：,3,磁化强度和磁化率,磁场强度H：外加磁场的强度（A/m）；磁感应强度B：通过磁场中某点、垂直于磁场方向单位面积的磁力线数（T，特斯拉），它与磁场强度成正比；磁化强度M：单位体积内原子固有磁矩矢量和（A/m）,4,1.2磁性的分类与宏观表现,按物质对磁场的反应进行磁性分类,5,磁性分类及特征,6,磁性宏观表征,铁磁性物质具有极高的磁化率，磁化易达到饱和的物质。如Fe，Co，Ni，Gd等金属及其合金称为铁磁性物质。,磁矩的排列与磁性的关系,7,亚铁磁性物质如铁氧体(M2+Fe23+O4)等，是一些复杂的金属化合物，比铁磁体更常见。它们相邻原子磁矩反向平行，但彼此的强度不相等，具有高磁化率和居里温度。,磁矩的排列与磁性的关系,8,顺磁性物质存在未成对电子永久磁矩。Pr，MnAl，FeSO47H2O，Gd2O3；在居里温度以上的铁磁性金属Fe,Co,Ni等。居里温度由铁磁性或亚铁磁性转变为顺磁性的临界温度称为居里温度(Tc)。,磁矩的排列与磁性的关系,9,抗磁性物质不存在未成对电子没有永久磁矩。惰性气体，不含过渡元素的离子晶体，共价化合物和所有的有机化合物，某些金属和非金属。,磁矩的排列与磁性的关系,10,反铁磁性物质FeO，FeF3，NiF3，NiO，MnO，各种锰盐以及部分铁氧体ZnFe2O4等，它们相邻原子的磁矩反向平行，而且彼此的强度相等，没有磁性。,磁矩的排列与磁性的关系,11,1.3铁磁性的的宏观表征,（1）磁化曲线1）在微弱的磁场中，B和M均随H的增大而缓慢上升。M与H之间近似呈线性关系，并且磁化是可逆的；2）随H继续增大，B和M急剧升高，磁导率增大的非常快，并且出现极大值m；,3）随H继续增大，B和M增加趋势变缓，减小并趋于0。当H达到Hs时，M达到饱和值Ms，而B（=H+M）仍然继续升高。,12,（2）磁滞回线,剩余磁感应强度（Br）矫顽力（Hc）磁滞损耗,最大磁能积,13,A.饱和磁化强度MS是永磁材料极为重要的参数。永磁材料的饱和磁化强度越高越好，它标志着材料的最大磁能积和剩磁可能达到上限值越高。B.居里温度TC强铁磁体由铁磁性和亚铁磁性转变为顺磁性的临界温度称为居里温度或居里点（Tc）。居里点高的材料好，居里点高标志着永磁材料的使用温度也高。,14,C.各向异性场HA（或Hk）材料在某一方向的磁晶各向异性性能最低，称为易磁化方向。磁晶各向异性性能最高方向，称为难磁化方向。D.剩磁Br铁磁体磁化到饱和并去掉外磁场后，在磁化方向保留的Mr或Br简称为剩磁。Mr称为剩余磁化强度，Br称为剩余磁感应强度。其值也要求大，约为Br10-1T（特斯拉）,15,E.磁能积(BH)m最大磁能积(BH)max或简写为(BH)m是退磁曲线上磁感应强度Br和磁场强度H乘积的最大值，此值越大，说明单位体积内储存的磁能越大，材料的性能就越好。F.矫顽力铁磁体磁化到饱和以后，使它的的磁化强度或磁感应强度降低到零所需要的反向磁场称为矫顽力Hc。它表征材料抵抗退磁作用的本领，Hc值要大，一般为Hc103A/m,16,1.4磁性材料中磁畴的结构,磁畴：磁性材料内部的一个个小区域，小区域包含大量原子，这些原子的磁矩都象一个个小磁铁那样整齐排列，但相邻的不同区域之间原子磁矩排列的方向不同。各个磁畴之间的交界面称为磁畴壁。,17,磁畴示意图,a、软磁材料条形畴；b、树枝状畴；c、薄膜材料中可以见到的磁畴,18,磁畴壁示意图,19,宏观物体一般总是具有很多磁畴，这样，磁畴的磁矩方向各不相同，结果相互抵消，矢量和为零，整个物体的磁矩为零，它也就不能吸引其它磁性材料。也就是说磁性材料在正常情况下并不对外显示磁性。只有当磁性材料被磁化以后，它才能对外显示出磁性。,20,1.5磁性材料的性能软磁与硬磁,硬磁材料（永磁体）特征：在无外磁场下保持高的磁化强度。性能：高的Bs、Br、Hs、Hc。应用：电表、电机、电话机、录音机、收音机、拾音器等。材料：马氏体时效钢铸造铝镍、铝镍钴磁钢氧化物铁氧体稀土钴、钕铁硼,软磁材料（变压器铁芯）特征：易磁化、易消磁。性能：低的Bs、Br、Hs、Hc；高的。应用：制造磁导体，增加磁路磁通量，降低磁阻。如：变压器、继电器、感应圈等铁芯；电机转子、定子；磁路的连接、磁屏、开关、存储元件元件、。材料：工业纯铁、硅钢坡莫（Fe-Ni）合金软磁铁氧体,21,几种主要磁性材料的退磁曲线,22,1.6磁性材料分类,（1）按化学组成分类金属磁性材料、非金属(铁氧体)磁性材料（2）按磁化率大小分类顺磁性、反磁性、铁磁性、反铁磁性、亚铁磁性（3）按功能分类软磁材料、硬磁材料、半硬磁材料、矩磁材料、旋磁材料、压磁材料、磁泡材料、磁光材料、磁记录材料,23,（4）按磁化率分类宏观磁体由许多具有固有磁矩的原子组成。当原子磁矩同向平行排列时，宏观磁体对外显示的磁性最强。当原子磁矩紊乱排列时，宏观磁体对外不显示磁性。宏观磁体单位体积在某一方向的磁矩称为磁化强度M：M=原子/V,24,磁化率及磁导率任何物质在外磁场作用下，除了外磁场H外，由于物质内部原子磁矩的有序排列，还要产生一个附加的磁场M。在物质内部外磁场和附加磁场的总和称为磁感应强度B：B=o(H+M)o-真空磁导率=M/H-磁化率=B/H-磁导率,25,26,27,二稀土磁性材料磁性的来源,2.1稀土元素的磁性来源电子轨道磁距与自旋磁距；同时与晶体成分、晶体结构、组织、晶粒、内应力有关等。,28,2.2与d族过渡金属元素磁性的对比,a.7个4f轨道、未成对电子可到7个，d族5个；La4f0，Lu4f14b.4f电子受5S25P6电子屏蔽，成键的元素之间的相互作用力较小，距离较远，主要是电子的间接交换作用，d族主要为直接交换作用;c.某些稀土元素化合物的饱和磁化强度很高，及很高的磁各项异性；,29,d.有些稀土化合物有很高的磁光旋转能力；e.稀土元素的磁性居里温度低；f.d族元素的自旋-轨道磁距相互作用较弱，轨道相互作用强，在外磁场的作用下，磁场主要作用于自旋矩，而轨道矩被“冻结”.稀土元素的自旋-轨道相互作用较强，其有效磁矩eff不仅取决于自旋量子数S，还取决于轨道量子数（偶合），,30,三稀土磁性材料,3.1稀土永磁材料3.2稀土磁光材料3.3稀土磁泡材料3.4稀土磁致冷材料3.5稀土超磁致伸缩材料,31,3.1稀土永磁材料,选择永磁合金基本特性主要考虑三个因素：a.要求尽可能高的饱和磁化强度Ms；b.要求合金有尽可能高的居里温度Tc；c.合金的磁硬化机制有利于得到高内禀矫顽力,32,概述,永磁体的定义：通常把磁化后撤去外磁场而能长期保持较强磁性的物质叫永磁体、硬磁体或简称为永磁。而可用于制造磁功能器件的强磁性材料称为磁性材料。包括、硬磁材料、软磁材料、半硬磁材料、磁致伸缩材料、磁性薄膜、磁性微粉、磁性液体、磁致冷材料以及磁蓄冷材料等。,33,稀土永磁材料（或合金）定义：稀土永磁材料，即稀土永磁合金，含有作为合金元素的稀土金属，它的永磁性来源于稀土与3d过渡族金属形成的某些特殊金属间化合物。稀土永磁材料的力学性能：到目前为止，让人们对稀土永磁材料的力学性能研究很少，而且由于稀土永磁材料属脆性材料。稀土永磁材料的抗拉、抗弯强度均较低，但抗压强度较高；且其断裂韧性KC比普通金属低12个数量级。,34,稀土永磁材料的特点及发展概况,特点：稀土永磁材料一般具有高剩磁、高矫顽力、和高磁能级特征，它是一种不需要外部提供固定或不固定能量就能产生一定磁化能的功能材料。对永磁材料磁性能优劣的主要依据：a磁化强度要高;b磁晶各向异性要大;c居里温度要高。,35,发展,第一代稀土永磁合金是20世纪50年代发现的，1959年内斯毕特等人、1960年哈伯特等人先后发现GdCo5化合物具有很高的各向异性；直到1968年布休等人采用等静压方法获得了高磁能积的SmCo5永磁体，标志着第一代稀土永磁合金进入实用阶段。1973年日本人小岛等人用粉末冶金法研制出Sm（Co，Cu，Fe，Zr）7.2永磁体，使之成为第二代稀土永磁材料。1983年日本金子秀宣称，日本住友公司以传统制备SmCo5的工艺研制出了NdFe稀土永磁材料，同年11月肯定了其组成为NdFeB，至此标志着第三代稀土永磁材料的诞生。20世纪90年代开始，人们开始研发第四代稀土永磁材料，即RE-Fe-N化合物稀土永磁材料。,36,趋势,NdFeB前景非常广阔。因为NdFeB的潜在市场仍然看好，每台汽车上的永磁马达将从1995年的20个增加到2005年的31个，预计到2005年，汽车中使用的粘结磁体将达到12000吨/年，年增长率达到64%。随着电脑生产的快速增长，所用NdFeB的数量也是很大的，另一个潜在市场是下一世界MRI的普及使用，这些应用都将维持NdFeB生产的快速增长。展望21世纪，个人电脑的销售量在西方国家将维持20%增长，而我国对电脑需求的增长远远超过20%的增长率，因而NdFeB在VCM上应用的需求将会成倍增长。NdFeB永磁体在电脑中硬盘驱动器及其它电机的应用，应是NdFeB永磁后延应用发展的重要方向,37,稀土永磁材料的结构,稀土元素的4f层电子结构和3d金属外层电子结构都有未成对的电子，因此都有原子磁矩。3d金属的原子磁矩由于受晶体场和配位场的影响，发生轨道矩的冻结。镧系元素最外层电子结构为5s25p6，它对4f层电子有屏蔽作用，因此4f层电子轨道矩和自旋矩都参加磁化。,38,稀土永磁材料的晶体结构,稀土永磁材料是以稀土金属间化合物为基础的永磁材料。稀土永磁的磁性能与组成该永磁体的稀土化合物的晶体结构有密切关系。稀土钴、稀土铁等稀土永磁合金的磁性相的晶体结构主要分为以SmCo5为代表1:5型结构、以Sm2Co17为代表的2：17型结构和以Nd-Fe-B为代表的14：2：1型结构。,39,1:5型-SmCo5,SmCo5永磁合金磁性相晶体结构属CaCu5型结构，它属于六方晶系，空间群为Pbmmm，稀土占据a晶位，Co占据c晶位和g晶位这种结构可以认为是两个原子层沿001轴方向交替堆垛而成，其中一个原子层由稀土原子和钴原子组成（A层），另外一层由钴原子组成（B层），这种CaCu5结构即是由这种A层和B层的堆垛，即ABABAB等组成,40,2:17型-Sm2Co17,Th2Ni117型结构属于六方晶系，空间群为P63mmc；Th2Zn17与Th2Ni117为同素异形体，两者的晶体结构相似.Th2Ni117型晶体结构-高温条件下,41,14:2:1型-Nd-Fe-B,Nd-Fe-B永磁合金的晶体结构.以Nd2Fe14B为代表的稀土铁硼合金的磁性相晶体结构属于四方晶系，空间群为P42/mnm。稀土原子占据f和g晶位，硼占据g晶位，铁占据c、e、j1、j2、K1和K2六种晶位，每一个单胞中有68个原子，所有稀土族元素均可形成RE2Fe14B相。,42,RE-Fe-B永磁材料,稀土金属原子的优点：顺磁磁化率高，各项异性强，但原子交换弱，居里温度低；3d元素优点：原子交换作用强，饱和磁化强度高，居里温度高，但各项异性场低。两者结合：3d族3d电子与RE原子平行排列，形成磁性耦合的现象，而且自发磁化。二元合金：REFe2、REFe3、RE6Fe23、RE2Fe17最有可能形成永磁材料的为Nd2Fe17。,43,Nd2Fe17的居里温度低。原因Fe-Fe原子之间的距离太近，由于Fe磁矩的局域性较强,受其近邻原子的影响较大,周围近邻原子数,原子间距等因素均对Fe的磁矩有较大影响,最终导致合金居里点低。B的介入解决了这个问题。B成为RE-Fe化合物中的固溶元素，存在于晶格中，从而改变了Fe-Fe的距离和Fe原子的周围环境近近邻数，,Nd2Fe14B中含有B原子的三角棱柱,44,三种结构的稀土磁性材料性能,45,Nd-Fe-B磁体的制备,46,烧结NdFeB细磨制粉技术,A.磨粉方法和制度决定最终粒子的形状和及粒子表面的氧化情况，这些因素直接影响着磁体的磁性。希望得到单一磁化方向的晶粒，即单畴粒子；B.烧结温度高，磁体密度大，但晶粒易于长达导致矫顽力下降；C.Nd2Fe14B实际合金成分中加入的Nd含量要比理论计算要多，主要是Nd被氧化成Nd2O3，Fe就成为单一的Fe相析出；D.加入Tb、Dy可提高磁体的矫顽力。,47,快淬Nd-Fe-B磁体快淬凝固技术,快淬技术：是将融化的合金钢液急速冷却到室温，制得非晶态或纳米晶态合金。工艺简介：A.工艺设备：真空感应炉或电弧炉；冷却：旋转的铜辊，冷却壁决定冷却速度；坩埚：石英坩埚或Al2O3坩埚B.保护气氛：Ar、N2；C.磁体晶体形状：2040nm的微晶；如果冷却速度过慢：得到晶化态合金，晶粒粗大，分布不均，磁性差；如果冷却速度过快：非晶态合金，成软磁性，矫顽力低。,48,快淬Nd-Fe-B磁体工艺流程图,49,三种工艺的性能,50,稀土永磁材料的应用（NbFeB）,磁体最基本的作用是在某一特定的空间产生一恒定的磁场，维持此磁场并不需要任何外部电源。标志永磁材料好坏的参数有许多，最重要的是最大磁能积(BH)max，磁能积越大，材料每单位体积所产生外磁场的能量就越大。,51,目前商品NdFeB永磁材料的最大磁能积已达到：50MGOe。由于稀土永磁材料的高磁能积和高矫顽力等优异的特性，已给永磁应用带来革命性的变化，稀土永磁材料主要应用在以下几个方面：机电类；稀土永磁材料在医疗中的应用；磁选机；计算机及外围设备；各种仪表；扬声器和耳机；微波器件等。,52,（1）机电类稀土永磁体的出现，意味着电机领域将引起革命性的变化。这是因为稀土永磁体没有激磁损耗，不发热，用它制造的电机优点很多。因稀土永磁电机没有激磁线圈与铁心，磁体体积较原来磁场极所占空间小，没有损耗，不发热，因此为得到同样输出功率整机的体积，重量可减小30%以上，或者同样体积、重量，输出功率大50%以上。永磁电机，尤其是微电机，每年世界产量约几亿台之多，主要用在汽车、办公自动化设备和家用电器中。所使用的多为高性能的铁氧体和稀土永磁体。,53,（2）稀土永磁材料在医疗中的应用（3）磁选机一般的磁选机有永磁式和电磁式两种，以前，永磁式磁选机的磁体多用铁氧体。稀土永磁出现后，设计并制造了各种型号和类型的永磁磁选机，尤其是在中高磁场磁选机中，必须用稀土永磁体。,54,（4）计算机及外围设备在计算机中使用的稀土永磁材料最多的器件是磁盘驱动电机（VCM），另一种是数据输出打印机电机。（5）各种仪表使用永磁体的仪表种类很多，如磁电式仪表、计数器等。,55,（6）扬声器和耳机扬声器和耳机是永磁体传统应用领域。扬声器有外磁式和内磁式二种，稀土永磁出现后在同样输出功率与音质下，扬声器被做得非常小，目前稀土永磁扬声器和耳机已应用到高级随身听。（7）微波器件在微波领域中，微波管、毫波管发生器或放大器需要稳定磁场。稀土永磁体在此中主要起电子运动的聚集作用。,56,3.2稀土磁光材料,当光透过铁磁体或被磁体表面反射，由于铁磁体存在自发磁化强度，使光的传输特性发生变化，产生新的各种光学各向异性现象，统称为磁光效应。磁光材料是指在紫外到红外波段，具有磁光效应的光信息功能材料。稀土磁光材料是一种新型的光信息功能材料，利用这类材料的磁光特性以及光、电、磁的相互作用和转换，可制成具有各种功能的光学器件。例如，调制器、显示器、存储器以及印刷机、光盘等。,57,来源和作用,由于稀土元素4f电子层未填满，因而产生未抵消的磁矩，这是强磁性的来源；同时又会导致电子跃迁，这是光激发的起因，从而导致强磁光效应。单纯的稀土金属并不显现强磁光效应，只有当稀土元素掺入光学玻璃、化合物晶体、合金薄膜等光学材料之中，才会显现稀土元素的磁光效应。常用的磁光材料是(REBi)3(FeA)5O12石榴石晶体（A为Al、Ga、Sc、Se、Ge、In等金属元素）和RE-TM非晶薄膜（TM为Fe、Co、Ni、Mn）等过渡族元素以及稀土玻璃。,58,发展,早在1845年，法拉第首先发现了平面偏振光通过沿磁光传输方向磁化的介质时，偏振面发生旋转现象，后来人们称之为法拉第效应，这是历史上最早发现的一种磁光效应。之后相继发现了克尔效应、塞曼效应、瓦哥特效应及科顿穆顿效应，然而研究最多的还是法拉第效应。,59,到20世纪60年代初，由于激光的诞生以及后来光电子领域的开拓，许多新型磁光材料和器件应运而生，使磁光效应的研究和应用进入了空前发展时期。其中美国贝尔实验室在磁光材料及器件方面开展了大量而卓有成效的工作。20世纪70年代，液相外延稀土石榴石单晶薄膜及高频溅射稀土过渡族金属非晶薄膜问世，才使得磁光材料的应用扩展到磁泡、磁光光盘、光纤通讯、激光陀螺、磁光传感、微波等新兴技术领域，出现了稀土磁光材料发展的新阶段。,60,磁光效应及表征,光通向磁场或磁矩作用下的物质时，其传输特性的变化称为磁光效应。磁光效应一般包括：法拉第效应、科顿穆顿效应、磁圆振、磁线振二向色性、塞曼效应、磁激发光散射、磁光克尔效应、霍尔效应等。法拉第效应磁致旋光科顿-莫顿效应磁致双折射克尔效应磁致反射光旋光塞曼效应磁致光谱分裂,61,法拉第旋光效应,当线偏振光沿着磁场方向或磁化强度矢量方向传播时，由于左右圆偏振光在铁磁体中的折射率不同，使偏振面发生偏转，这种现象称为法拉第效应。法拉第效应是光与原子磁矩相互作用而产生的现象。,当YIG（Y3Fe5O12）等一些透明物质透过直线偏振光时，若同时施加与入射光平行的磁场，透射光将在其偏振面上旋转一定的角度。,62,科顿-莫顿效应（磁双折射效应）,当线偏振光垂直于磁化强度矢量方向透通铁磁晶体时，光波的电矢量分成两束，一束与磁化强度矢量平行，称为正常光波，另一束与磁化强度矢量垂直，称非正常光波。产生相位差，两种光在铁磁体中的折射率不同，产生双折射现象，称为科顿-莫顿效应（Cotton-Moutoneffect），又称磁致双折射效应。,63,磁光克尔效应,当平面偏振光由不透明的铁磁晶体表面反射时，由于各磁畴的磁化矢量方向不同，偏振面将发生不同的旋转，其旋转角的大小与磁化强度成正比，这种现象称为磁光克尔效应（Kerreffect）,64,塞曼效应,光源在强磁场（105106A/m）中发射的谱线，受到磁场的影响而分裂为几条，分裂的各谱线间的间隔大小与磁场强度成正比的现象，称为塞曼效应。,65,稀土磁光材料的制备方法,（1）高温溶液（助剂法）该方法是使高熔点的结晶物质溶解于低熔点的助熔剂中，使之形成饱和溶液，然后通过缓慢降温或在恒定温度下蒸发的方式，使欲生长的物质自发结晶或在籽晶上生长。（2）真空蒸发用真空蒸发可制备几种稀土-铁族金属非晶薄膜，即把稀土-铁族金属合金放入钨盘中，在2.3310-4Pa真空中蒸发。,66,（3）等温浸渍液相外延法稀土石榴石单晶薄膜的制备采用的是等温浸渍液相外延法。（4）溅射法溅射法是通过高能惰性气体离子碰撞，把材料中的原子打出来再进行沉积，其沉积固化过程是一个原子接一个原子排列堆积，增长速度很慢，但该法制备的非晶薄膜稳定性很高。溅射法又包括：1）高频溅射2）磁控溅射,67,稀土磁光材料的应用,磁光器件是指用具有磁光效应的材料制作的各类光信息功能器件。,68,（1）磁光调制器磁光调制器是利用偏振光通过磁光介质发生偏振面旋转来调制光束。磁光调制器有广泛的应用，可作为红外检测器的斩波器，可制成红外辐射高温计、高灵敏度偏振计，还可用于显示电视信号的传输、测距装置以及各种光学检测和传输系统中。（2）磁光传感器用磁光效应来检测磁场或电流的器件称为磁光传感器。它集激光、光纤和光技术于一体，以光学方式来检测磁场和电流的强弱及状态的变化，可用于高压网络的检测和监控，还可用于精密测量和遥控、遥测及自动控制系统。,69,（3）磁光隔离器在光纤通信、光信息处理和各种测量系统中，都需要有一个稳定的光源，由于系统中不同器件的联接处往往会反射一部分光，一旦这些反射光进入激光源的腔体，会使激光输出不稳定，从而影响了整个系统的正常工作。磁光隔离器就是专为解决这一问题而发展起来的一种磁光非互易器件。它能使正向传输的光无阻挡地通过，而全部排除从光纤功能器件接点处反射回来的光，从而有效地消除了激光源的噪声。,70,（4）磁光记录磁光记录是近十几年迅速发展起来的高新技术。磁光记录是目前最先进的信息存储技术，它兼有磁盘和光盘两者的优点。磁光盘广泛应用于国家管理、军事、公安、航空航天、天文、气象、水文、地质、石油矿产、邮电通讯、交通、统计规划等需要大规模数据实时收集、记录、存储及分析等领域，特别是对于集音、像、通讯、数据计算、分析、处理和存储于一体的多媒体计算机来说，磁光存储系统的作用是其它存储方式无法代替的。,71,磁光记录,72,磁光读取,73,磁记录读写应用图,磁头：软磁材料做铁芯，其上绕有读写线圈的电磁铁利用磁性材料剩磁的两种磁化方向(S-N或N-S)表示二进制数据“0”和“1”。,电磁变换，利用磁头写线圈中的脉冲电流，将数值转换成磁层存储单元中的不同剩磁状态。利用磁电变化，通过磁头读出线圈，将存储单元的剩磁状态转换为电信号输出。,74,3.3稀土磁泡材料,磁泡材料是指在一定外加磁场作用下具有磁泡畴结构的磁性薄膜材料。当外加磁场增加到某一程度时，磁性晶体的一些磁畴便缩成圆柱状，其磁化强度与磁场方向相反，在外磁场作用下可以移动，像一群浮在膜面上的小水泡（称为磁泡）。磁泡的存在与否对应于信息存贮中的“1”和“0”，即可作为存贮器使用。,75,磁泡材料的特性,（1）磁泡材料的特性表征磁泡存贮器是用磁泡薄膜材料制成的，要求有一定的特性，以便在一定偏置直流磁场的作用下，形成数目多、比较稳定的磁泡。表征磁泡材料的特性主要有两个参数，即品质因子、材料的特征长度，其他的还包括磁各向异性、磁饱和强度、畴壁能、最佳磁泡直径、薄膜厚度、磁泡迁移率、材料临界速度等。,76,（2）稀土石榴石的晶体结构稀土-铁-石榴石RE3Fe5O12是一种RE2O3:Fe2O3=3:5的化合物，属于高对称的立方晶系。石榴石晶体中三种阳离子位置，分别称为12面体位置（24c）、8面体位置（16a）、四面体位置（24d）。,77,磁泡膜的制备,磁泡存贮器用的磁性薄膜厚度等于或小于微米量级。磁泡膜的制备的方法有：溅射法、真空蒸镀法、气相和液相外延法等（1）GGG单晶基片的制备工业上主要用切克劳斯基单晶拉制法制备GGG单晶。,78,（2）磁性石榴石膜的制备液相外延法（LPE）制备钇铁石榴石膜：LPE是利用在高温下把生长元素饱和的母液与单晶衬底接触，再以一定速率降温，形成母液中生长元素的过饱和，在衬底上就沉积出一层与衬底晶格常数基本相同的单晶层，当达到所要求厚度时，把母液推出，就得到光亮的外延层。,79,3.4稀土磁致冷材料,磁致冷是指以磁性材料为工质的一种全新的制冷技术，其基本原理是借助磁致冷材料的磁热效应，即磁致冷材料等温磁化时向外界放出热量，而绝热退磁时从外界吸取热量，达到制冷目的。磁致冷材料是用于磁致冷系统的具有磁热效应的物质，其制冷方式是利用自旋系统磁熵变制冷，磁致冷首先是给磁体加磁场，使磁矩按磁场方向整齐排列，然后再撤去磁场，使磁矩的方向变得杂乱，这时磁体从周围吸收热量，通过热交换使周围环境的温度降低，达到制冷目的。,80,磁致冷的基本概念,（1）磁致热效应铁磁体受磁场作用后，在绝热情况下，发生温度上升或下降的现象，称磁致热效应。（2）磁熵磁致热效应是自旋熵变化的结果，它是与温度、磁场等因素有关的物理量。（3）退磁降温温差退磁降温的温度变化T是指磁性工质在绝热条件下，经磁化和退磁后，其自身温度的变化，它是标志磁致冷材料制冷能力的最重要参量。,81,磁致冷材料的特性,所谓磁致冷就是利用磁性体的磁矩在无序态（磁熵大）和有序态（磁熵小）之间来回变换的过程中，磁性体放出或吸收热量的冷却方法，为了提高效率，磁性体必须具备以下特性：（1）根据磁场的变化，产生的磁熵变化要大，即放热-吸热量大，在一个周期内的冷却效率高；,82,（2）晶格的热振动要小，热量不至于通过振动消耗掉；（3）热传导率高，进行一个循环周期所用的时间短；（4）具有高的电阻率，以减少磁场变化引起的感应涡流产生热效应。,83,不同温区的磁致冷材料,不同温区的磁致冷材料具有不同的特性，包括极低温（20K以下）顺磁材料和高温铁磁或亚铁磁材料，一般顺磁材料的磁熵变化SMSL（晶格体系熵）；而铁磁或亚铁磁材料的SM与SL相差不是很大，甚至SMSL，SM在居里点附近TC附近最大。,84,磁致冷材料的磁致冷性能主要取决于以下几个特性：居里点TC，是指从高温冷却时，发生顺磁铁磁相变的转变温度；H，是指对磁致冷材料进行磁化时所施加的外部磁场，对同一磁致冷材料而言，H越大，磁热效应就越大，意味着磁致冷成本也越高；磁热效应，一般用在TC时一定外场H下的等温熵变SM或者绝热磁化时材料自身的温度变化Tad来表征，在相同外场条件下，SM或Tad越大，则该材料的磁热效应就越大；,85,磁比热熔CH，是指在外磁场H下磁致冷材料的比热，在同样SM或Tad时，磁比热容越大，热交换性能越好，致冷性能越好。综上所述，居里点限定了铁磁性磁致冷材料的应用温度区间；一定外场H下的磁热效应（SM或Tad）表征了磁致冷材料在该磁场下的致冷能力。（1）20k以下的磁致冷材料（2）2070k温区的磁致冷材料（3）77k以上磁致冷材料（4）近室温磁致冷材料,86,稀土纳米磁致冷的应用,随着世界节能和环保的需要，各国对近室温磁致冷的研究有了重大进展，这主要表现：磁致冷原理样机的出现以及它对传统气体气体压缩机致冷机的挑战；巨大的磁热材料Gd5(SixGe1-x)4的发现，给磁致冷机打开了大门。,87,目前，磁致冷技术正在向超低温致冷和室温磁致冷两个全然相反的方向发展。磁致冷是使用无害、无环境污染的稀土材料作为制冷工质，若取代目前使用氟里昂制冷剂的冷冻机、电冰箱、冰柜及空调器等，可以消除由于生产和使用氟里昂类制冷剂所造成的环境污染和大气臭氧层的破坏，因而能保护人类的生存环境，具有显著的环境和社会效益。,88,3.5稀土超磁致伸缩材料,磁致伸缩效应是1842年由焦耳发现的，故又称焦耳效应。长期以来，作为磁致伸缩材料的主要是镍、铁等金属或合金，由于磁致伸缩值较小，功率密度不高，故应用面较窄。主要用于声纳、超声波发射等方面。,89,磁致伸缩效应及机理,（1）磁致伸缩效应在磁场中磁化状态改变时，材料引起尺寸或体积微小的变化，称为磁致伸缩。此现象于1842年由著名的物理学家焦耳首先发现，接着Villari发现了磁致伸缩的逆效应。磁致伸缩可以分为两种：1）线磁致伸缩：材料在磁化