人教高中物理选修1-1课件：第2章第5节磁性材料

1、磁性材料Magnetic Materials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心3种记录模式：水平（纵向）、垂直、杂化心 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c磁记录原理心3种信号类型：音频信号、数字信号、调频信号心两种记录方式：模拟、数字心磁记录介质：磁带、磁盘、磁鼓、磁卡片磁记录材料:磁记录材料心磁头材料: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心磁记录介质材料:

2、对材料的要求:类型：心颗粒（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。心连续薄膜型：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6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心一般材料的磁致伸缩系数：3060X10-6c超磁致伸缩效应：（12） X10-3心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6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

3、传统的Fe和FeCo软磁合金的材料:磁光效应材料：磁光记录I水平（纵向）、垂直记录环形送头，:wm、7、;y丿、z*“ 十T Z5O3 等磁记录原理信号输信号输出纵向记录示意團3种基本信号类型磁头的基本结构3铁芯;4一前隙软磁材料:定义：特指那些矫顽力小、容易磁化和退磁 的磁性材料:特点：心磁滞回线细而长心高磁导率心低矫顽力心容易磁化，也容易去磁:常见软磁材料的饱和磁感应强度Bs和最大磁 导率叽软磁材料:分类：金属软磁材料、软磁铁氧体 :常用的金属软磁材料心电工用纯铁心电工用硅钢片心铁镰合金与铁铝合金 心非晶态合金：铁基、钻基、铁镰基电工用纯铁:含碳量极低、纯度99.95%以上:用途：铁芯、磁

4、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硬磁材料软磁材料常见软磁材料的Bs和|J m纯铁（王业）船剖 FrfCiofTi）

5、FeEK1oh各向同性蓉尙罪性Fe-Si（4晶）10sit-Fe-Ni5超坡莫十IO2 IO3 IO4 IO5 106 IO7 必（/M软磁材料的&和旳，几种电工用纯铁的磁性能几种电工用纯铁的碟性能电 铁礙基铁真空熔炼真空熔炼和氢軾退火真空退火单 晶单晶f经磁场热处理）以如B,(T)260007.22.15200006,42-22075002,288400322.1628000068000014300001210003000M3铁银合金:成分：主要成分是铁、镰、辛各、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，:铁镰合金相图与不同成

6、分合金的性能:铁镰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：1. 电阻率高2. 高的硬度和耐磨性3. 比重小，可减轻铁芯自重4. 对应力不敏感5. 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6. 温度稳定性，非晶态合金:铁基非晶态软磁合金：心特点：饱和磁感应强度高、损耗低心缺点：磁致伸缩系数大:钻基非晶态软磁合金：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:铁银基非晶态软磁合金：性

7、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镰合金相图与不同成分合金的性能mo6 0004 00000 a0 4 2 8 4 02 11(UI/VW6 艾壬F i5 00010 0005 000040ftB 800o O2 10O2Ni含量）B0热处理工艺对铁银合金导率的影响Fe-Si38%合金单晶体磁化方向niooj 11 电0侗flor高斯织构、立方织构硅钢片性能比较高斯织构轧制方向jdii制孑向立方织构札制方向垂直轧制方向如仏)&(x79,6A/m)B/xlO-4T)BJxW4T)(在顾m时)町丿W/kg)5500Q0.0

8、89500.163000.88S0000.2717501J0002.241160.0712200166000.85650000.0811500160001.0U几种电工用纯铁的磁性能电 铁淡基铁真空熔炼真空熔炼和氢筑退火真空退火单 晶单晶f经磁场热处理）凶（舛）兀（如）B/T)10007.22.15200006,42.22075002.2BS4003.22.1614000280000680000143000012U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

9、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心矫顽力出心最大磁能积(BH)max心凸起系数n :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f铝镰钻系硬磁合金 心硬磁铁氧体材料 心稀土永磁材料:可加工的永磁合金:永磁材料用途: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 4永磁材料的退磁曲线和磁能曲线BrBH-H铝镰钻系硬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1. g铁基合金2. Fe-Mn-Ti及Fe-Co-V合金3. 铜基合

10、金4. Fe-Cr-Co永磁合金:特点：铝银钻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 =4070kJ/m3,耳=0.71.35T, 览=4060kA / mo这类合金属沉淀硬化型 磁体，高温下呈单相状态（c（相），冷却时从a 相中析岀磁性相使矫顽力增加。AINiCo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 r:按成分分类：铝银型，铝镰钻型，铝镰钻钛型三种:铝鎳钻型合金具有高的剩余磁感应强度:铝镰钻钛型则以高矫顽力为主要特征:铸造铝银钻系合金

11、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 永磁体稳定性具有咼要求的许多应用中，铝银钻系 永磁合金往往是最雀的速择。:铝鎳钻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4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:扁究与发展的4阶段：c第一代是稀土钻永磁材料RC5型合金（1： 5）型。其中起 主要作用的金属间化合物的组箴是按X 5的比例。:单相：单一化合物的RCo5永磁体SmCo5,

12、（Sm, Pr）Co5:多相：以仁5相为基体，有少量2： 17型沉淀相的仁5型永磁体 c第二代稀土永磁合金为RoTM）7型（2： 17型，TM代表过渡族金属）。其中起主要作甬的崟属谕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c第三代为Nd-Fe-B合金心第四代主要是R-Fe-C系与R-Fe-N系。-单相稀土永磁材料分类钻基稀土永磁体1:5 型 2:17多相单相多相稀土永磁林料非況淀翼R-FHB 系1沉淀型R-Fe-B系IFepN；IRjFcnCL*h铁基稀土永磁体铁基稀土永磁体SmCo5 PrCo5(SmPr)Co5心结构：CaCu5型六方结扮心矫顽力：来源于畴的成核

13、和晶界处畴壁钉扎 心性能：心降低成本：成分取代、制备方法Sm2Co17心结构：六方晶体结构 心矫顽力：沉淀粒子在畴壁的钉扎心性能：矫顽力低，剩余磁感应强度及饱和磁化强 度咼 Nd-Fe-B系永磁合金心特点：磁能积最大的永磁体心分类：烧结永磁材料和粘结永磁材料6相组成:Nd2Fe14B 富 Nd相、NdFe Nd2O36缺点：耐蚀性差，居里温度低(312C),磁感应强度温度 系数大，材料使用温度低不超过(150C)6性能与结构的关系:矫顽力:剩磁G改进措施:调整合金成分:新的制备工艺I:调整合金成分：(Nd,R)-(Fe,M1,M2)-B 心取代元素:Dy、Tb取代Nd)Co. Ni、Cr取代F

14、e:作用：提高主磁化相的内禀特性心掺杂兀素：提咼矫顽力、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商583K。N以间 R-Fe-N (C)系永磁合金：第四代稀土永磁材料。隙原子形式溶入Sm?Fe17晶格，产生晶格畸变，磁 化方向改变，具有輩轴施各向异性；磁晶各向异性 场约为Nd-Fe-B的两倍，理论磁能积与NdoFe14B相 近。SnFeN提亚稳态化合物，在60

15、0。以上不可 逆分解)SmKlFe,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 磁性能在很大程懐上依赖于制备工艺，用成分为 Sm2Fe17N3的磁疥制成的粘结磁体，最大磁能积可 达104-152kJ/m3o: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 为嶄一代永磁材*斗。4铝镰钻系列化学成分及性能序号工艺方法W号成分磁性能备注AlNiCoCunBr(xlO-dT)(x79.6A/ip)(肋)“7.96U/m31Alnico 29-1019-2015468006001.6各向同性2Alnico 3920154750

16、0W各向同性3Alnico 48142430.3120005504.0各向异性4Alnico 58142430.3125006003.0各向异性5Alnico 681424303130007006.5莅状晶6Aiaico 87153445800012504.0各向同性7造Alnico 8 I7153445950013007.0柱状晶8Alnico 8 II7153445105001400柱找晶9Alnico 97.5143838701SOO4.0各向异性永磁材料的应用永磁式强力吸力器：静吊 2050kg/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

17、性粉末自动 分成裁级，或将磁性与非磁 性混合粉末分离，粉末颗粒 度为P级，一次分选两级， 通过调整磁辗间隙改变磁场 大小，可对粉末进行多次分 永磁材料的应用ConeFrmanerrt mnet-Speaker termirsls扬声器硬（永）磁直流步进电机磁记录材料(1)磁记录原理心 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a. 音频信号b. 数字信号c. 调频信号三种最基本的磁记录信号rwvwv1y 等兀索及其合金金 属间化合物等FeSi * TsliFe CqFcj. StitCo. NdFeB, CoUr. 3E等亚铁磁性ARAB各种铁孰体系

18、材料 :CFe匏化物 |Fs Co等与奠稀土 类金属形咸的金廣间 化合物性:O? Pt 7 Rli 9 Pd 等g 族（U.Na-K 等）Ha 欢（Be, Mg-.-Ca 等JNaCL, KO的F中心Cr Mnt Nd. Smt Eu:兮MM过渡元亲或稀 上元素，还有MnO. 皿“等合金、化合物 等反儀性轨道电子的拉摩冋施运动铁磁性、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

19、），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X厂按式X尸X加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x册4X10-7，白金为3X10 顺磁性物质 的相对导磁奉一般在X/=10巧1 (?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，从而呈现岀正的磁化率。顺磁性物质X(T)的两种类型X 二 C/TX=C/(T-0p)反铁磁性（或抗磁性）:反磁性是指在外加

20、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（本，这 种物质处于超导状态时，表现为完全反磁柱模型：当第一类超导体处于超导状态并施加外磁 扬时，由于电减感血，在其表纳来深麼范 菌丙会岀现10叭/ c

21、m2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，进而岀现 完全反磁性。实际上，外加磁场只能进人物质表 层,其深度约数干纳米，（列如Pb为37nm，Nd为 39nm,从宏观角度着，这一深度完全可以忽略1外部碱场 胖蔽电流完全反磁性的模型磁畴与磁畴壁Q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10七10七m:磁畴内原子磁矩一致整齐排列。在材料未被磁化时, 磁畤之间原子磁矩方向各不相同。只有当磁性材料 被楼化以后，它才能对尿显示岀磁性。

22、: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。卷畴壁内部，原子磁矩必须成棄种形竟的过 渡状态。从一侧开始，每一层原子的磷矩都相对于 磁畴昂片勺誠矩方尙僞*专了 一个彌度，异宜每一便的 原壬磁矩偏转角度逐浙增大到另一侧时，磁矩已 经元全店知和这一侧磁疇的磁苑稲同的方向。、品粒玄畴的结构/晶界晶粒L! 1 |”品粒磁畴壁处原子磁矩排列（以铁为精）4 2X10-8N丨I S鬭璧 一！ N一般情况下，醫壁宣度为(HMlHiiO硝畴醴的嚴矩模型磁滞回线:磁滞回线：铁磁材料在经过充磁、退磁、反 向充磁、再退磁周期性变化时，所获得的关 于磁感应强度（横坐

23、标）相对于磁场强度（纵坐标）变化的闭合曲线:磁化过程:退磁过程磁化过程初始磁化曲线与可逆磁化区:初始滋导率口： AB/AH=a/z Barkhausen 效应:最大磁导率“加X:饱和磁化强度Ms与旋转磁化区退磁过程:剩余磁化强度:矫顽力He心磁感矫顽力bHcM心内禀矫顽力mHc磁学各向异性:磁学各向异性：磁学特性随材料的晶体学方 向不同而不同短出畴微粒子（勾沿易磁化轴方向施加礁场:直角型磁滞回线与线型磁滞回线1M 11厂打:H小沿垂宜于易磁化轴方向施加確场磁滞过程中的概念起始磁导率：磁性体在磁中性状态下磁导率的极限 值。:饱和磁感应强度：（饱和磁通密度）磁性体被磁化到 饱和状态时的磁感应强度。在实际应用中，饱和磁 感应强度往往是指某一指定磁场（基本上达到磁饱 和时的磁场）下的磁感应强度。:剩磁感应强度：从磁性体的饱和状态，把磁场（包 括自退磁场）单调的减小到0的磁感应强度。磁滞过程中的概念:磁通密度矫顽力：是从磁性体的饱和磁化状 态，沿饱和磁滞回线单调改变磁场强度，使 磁感应强度B减小到0时的磁感应强度。:内禀矫顽力：从磁性体的饱和磁化状态使磁化强度M减小到0