第1章 材料磁性

1、 主要内容主要内容 材料的磁性概述材料的磁性概述 磁学基本量及磁性分类磁学基本量及磁性分类 磁性的物理本质磁性的物理本质 材料的抗磁性与顺磁性理论材料的抗磁性与顺磁性理论 材料的铁磁性理论（材料的铁磁性理论（自发磁化与技术磁化理论自发磁化与技术磁化理论） 磁性材料磁性材料 磁性测量及其应用磁性测量及其应用 1.1.材料的磁性概述材料的磁性概述 1.1 1.1 磁性材料发展简历磁性材料发展简历 磁性材料磁性材料新兴基础功能材料。早在新兴基础功能材料。早在 3000 3000 多年前我国就已多年前我国就已 发现磁石相互吸引和磁石吸铁的现象，并在世界上最先发明用磁石发现磁石相互吸引和磁石吸铁的现象，

2、并在世界上最先发明用磁石 作为指示方向和校正时间的应用，但毕竟只是单一应用天然的磁性作为指示方向和校正时间的应用，但毕竟只是单一应用天然的磁性 材料。材料。 人类注意磁性材料的性能特点、制造、应用等研究，经过近百人类注意磁性材料的性能特点、制造、应用等研究，经过近百 年发展，年发展， 磁性材料已经形成一庞大家族。磁性材料已经形成一庞大家族。 按材料磁特性分：软磁、永磁、旋磁、记忆磁、压磁等；按材料磁特性分：软磁、永磁、旋磁、记忆磁、压磁等； 按材料构成来分：合金磁性材料，铁氧体磁性材料。按材料构成来分：合金磁性材料，铁氧体磁性材料。 v公元公元 17 17 世纪世纪，英国吉尔伯特发表世界上第一

3、部磁学专著，英国吉尔伯特发表世界上第一部磁学专著。 v公元公元 18 18 世纪世纪，瑞典科学家在磁学著作中对磁性材料的磁化作大胆描绘。，瑞典科学家在磁学著作中对磁性材料的磁化作大胆描绘。 v公元公元 19 19 世纪世纪，近代物理学大发展，电流的磁效应、电磁感应等相继被发，近代物理学大发展，电流的磁效应、电磁感应等相继被发 现和研究，同时磁性材料的理论出现，涌现出了象法拉第、安培、韦伯、现和研究，同时磁性材料的理论出现，涌现出了象法拉第、安培、韦伯、 高斯、奥斯特、麦克丝韦、赫兹等大批现代电磁学大师。高斯、奥斯特、麦克丝韦、赫兹等大批现代电磁学大师。 v20 20 世纪初世纪初，法国的外斯提

4、出了著名的磁性物质的分子场假说，奠定了现代，法国的外斯提出了著名的磁性物质的分子场假说，奠定了现代 磁学的基础。磁学的基础。 1-1 1-1 磁学基本量及磁性分类磁学基本量及磁性分类 一、磁学基本量一、磁学基本量 1. 1. 磁场磁场 传递运动电荷或电流之间相互作用的物理场，传递运动电荷或电流之间相互作用的物理场，“磁磁” 来源于来源于“电电”。 2. 2. 磁场强度磁场强度 H H： 表示磁场大小和方向的物理量。表示磁场大小和方向的物理量。 如果磁场由长度为如果磁场由长度为 L L，电流为，电流为 I I 圆柱状线圈（圆柱状线圈（N N 匝）产生，匝）产生， 则则 H = N I / L H

5、 = N I / L H H 单位：单位： A/mA/m 3. 3. 磁化磁化 磁场作用下，磁场作用下， 使物质具有磁性的过程使物质具有磁性的过程 磁化磁化 4. 4. 磁矩磁矩 m m 磁源于电：环形电流在其运动中心产生磁矩，方向与环行电流磁源于电：环形电流在其运动中心产生磁矩，方向与环行电流 法线方向一致，大小为电流与封闭环行的面积的乘积，即法线方向一致，大小为电流与封闭环行的面积的乘积，即 m = I Sm = I S m m 载流线圈磁矩；单位：载流线圈磁矩；单位： A Am m2 2 ；方向符合右螺旋法则。 ；方向符合右螺旋法则。 I I 载流线圈通过电流；载流线圈通过电流； S S

6、 载流线圈面积载流线圈面积 m m ：表征磁性物质磁性大小物理量，只与物体本身有关，与外：表征磁性物质磁性大小物理量，只与物体本身有关，与外 磁场无关。磁场无关。 5. 5. 磁化强度磁化强度 M M 定义：定义：在外磁场在外磁场 H H 作用下，材料中因磁矩沿外场方向排列而被作用下，材料中因磁矩沿外场方向排列而被 磁化的程度，其值等于单位体积中感应的磁矩大小。磁化的程度，其值等于单位体积中感应的磁矩大小。 M = m / V M = m / V 单位：单位： A / m A / m 6. 6. 磁化率磁化率 物体在磁场中被磁化程度与磁场强度有关，其公式物体在磁场中被磁化程度与磁场强度有关，其

7、公式 M = HM = H 式中式中：磁化率，无量纲；物质本身磁化特性。：磁化率，无量纲；物质本身磁化特性。 当当 M M 与与 H H 同向：同向： 0 0 当当 M M 与与 H H 反向：反向： 0 0 7. 7. 磁感应强度磁感应强度 B B n 表示材料在外磁场表示材料在外磁场 H H 作用下材料内部的磁通量密度。作用下材料内部的磁通量密度。 n B B 的单位：的单位：T T （特斯拉）或（特斯拉）或 Wb/mWb/m2 2 （韦伯 （韦伯 / 米米2） n 在真空中，磁感应强度为在真空中，磁感应强度为 B Bo = = o o H H 式中式中0 0：真空磁导率，单位：真空磁导率

8、，单位：H H（亨利）（亨利）/m/m n在磁场在磁场 H H 中放入一磁介质，磁感应强度为中放入一磁介质，磁感应强度为 B = H = B = H = o o （H + MH + M） 式中式中：介质磁导率，只与介质有关，材料特征常数。：介质磁导率，只与介质有关，材料特征常数。 = B / H = B / H 磁导率物理意义：磁导率物理意义： 单位磁场强度的外磁场作用下，材料内部磁通量密度，表单位磁场强度的外磁场作用下，材料内部磁通量密度，表 示磁性材料传导和通过磁力线的能力，或示磁性材料传导和通过磁力线的能力，或 B B 随随 H H 变化速率。变化速率。 绝对磁导率绝对磁导率 相对磁导率

9、相对磁导率 r r = = / /0 0 起始磁导率起始磁导率 复数磁导率复数磁导率 二、物质的磁性分类二、物质的磁性分类 根据物质磁化率，磁性分为根据物质磁化率，磁性分为 5 5 类：类： 1. 1. 抗磁性抗磁性 磁化强度磁化强度 M M 为负，即为负，即 0 0 0，数值小，数值小 1010-3 -3-10 -10-6 -6 ，产生的附 ，产生的附 加磁场加磁场 HH使外磁场使外磁场 H H 略有增强。略有增强。 顺磁性物质的顺磁性物质的磁化强度磁化强度 M M 与外磁场强度与外磁场强度 H H 成正比；成正比； 与温度的关系：与温度的关系： 正常顺磁体：正常顺磁体： = C / T =

10、 C / T Pt Pt、PdPd、A A 不锈钢、稀土金属等；不锈钢、稀土金属等； 与温度无关的顺磁体：与温度无关的顺磁体： LiLi、NaNa、K K、Rb Rb 等等 3. 3. 铁磁性铁磁性 磁化强度磁化强度 M M 为正，即为正，即 0 0，数值很大，产生的附加磁场，数值很大，产生的附加磁场 HH 使外磁场强度使外磁场强度 H H 大大增强。大大增强。 磁化强度磁化强度 M M 与与外磁场强度外磁场强度 H H 呈非线性关系。呈非线性关系。 铁磁性物质铁磁性物质：FeFe、CoCo、NiNi 铁磁体在温度高于某临界温度后变成顺磁体，此临界温铁磁体在温度高于某临界温度后变成顺磁体，此临

11、界温 度度 居里温度或居里点居里温度或居里点 TcTc。 与温度的关系服从居里与温度的关系服从居里- -外斯定律：即外斯定律：即 = C / (T = C / (T Tc) Tc) 式中式中 C C 为居里常数为居里常数 4. 4. 亚铁磁性亚铁磁性 与铁磁体类似，与铁磁体类似，没有铁磁体大。没有铁磁体大。 亚铁磁性物质：磁铁矿（亚铁磁性物质：磁铁矿（FeFe3 3O O4 4）、）、 铁氧体。铁氧体。 5. 5. 反铁磁性反铁磁性 磁化强度磁化强度 M M 为正，即为正，即 0 0，数值，数值 很小。很小。 1- 2 1- 2 磁性的物理本质磁性的物理本质 材料磁性来源材料磁性来源：原子磁矩

12、原子磁矩 原子磁矩的来源原子磁矩的来源 1. 1. 电子轨道运动产生磁矩电子轨道运动产生磁矩 电子围绕原子核的轨道运动，犹如一环行电流，由此产生一个电子围绕原子核的轨道运动，犹如一环行电流，由此产生一个 沿旋转轴方向的磁矩，即电子轨道磁矩。沿旋转轴方向的磁矩，即电子轨道磁矩。 nOrbita l nSpin 轨道磁矩自旋磁矩 设电子质量为设电子质量为 m m，电荷为，电荷为 e e，圆周运动半径为，圆周运动半径为 r r，角速度为，角速度为， 则电子轨道磁矩则电子轨道磁矩 m me e = er = er2 2( (/ 2)= L (/ 2)= L (e/2m)e/2m) 磁矩方向垂直于电子运

13、动轨迹平面，并符合右手螺旋定则；磁矩方向垂直于电子运动轨迹平面，并符合右手螺旋定则； 它在外磁场上的分量，满足量子化条件，即它在外磁场上的分量，满足量子化条件，即 m me z e z = m = ml lB B m ml l：磁量子数磁量子数 （m ml l = 0, = 0, 1 1，2 2， ，l l） z z：外磁场方向外磁场方向 B B：玻尔（玻尔（ BohrBohr）磁子磁子 ，电子磁矩最小单位，理论计算，电子磁矩最小单位，理论计算 224- B mA 10 x 9.27 4 m eh 2. 2. 电子自旋产生磁矩电子自旋产生磁矩 电子本身自旋运动产生一沿自旋轴方向磁矩电子本身自旋

14、运动产生一沿自旋轴方向磁矩 自旋磁矩自旋磁矩 实验测定：实验测定：电子自旋磁矩在外磁场方向分量恰为电子自旋磁矩在外磁场方向分量恰为1 1个个BohrBohr磁子磁子 即即 m ms z s z = = B B 符号决定于符号决定于电子自旋方向电子自旋方向 nOrbita l nSpin 轨道磁矩 自旋磁矩 3 3、 原子原子核核磁矩磁矩： 4 4、原子磁矩原子磁矩： 为原子中为原子中各各电子电子磁矩磁矩总总和和。 原子中每个电子都可看作一小磁体，具有永久轨道磁矩和原子中每个电子都可看作一小磁体，具有永久轨道磁矩和 自旋磁矩。自旋磁矩。 一原子净磁矩是所有电子磁矩相互作用矢量和一原子净磁矩是所有

15、电子磁矩相互作用矢量和 固有固有 磁矩或本征磁矩。磁矩或本征磁矩。 电子对的轨道磁矩相互对消，自旋磁矩也可能相互对消，电子对的轨道磁矩相互对消，自旋磁矩也可能相互对消， 所以当所以当原子原子所有电子壳层所有电子壳层完全填滿：磁矩完全填滿：磁矩为为零零，如，如 He, Ne, He, Ne, ArAr 以及某些以及某些离子离子材料材料。 1-3 1-3 抗磁性和顺磁性理论抗磁性和顺磁性理论 为确定材料是抗磁性还是顺磁性为确定材料是抗磁性还是顺磁性 ，把它放入外磁场中观察，把它放入外磁场中观察 其磁性变化。其磁性变化。 一、抗磁性一、抗磁性 1. 1. 来源：来源：当抗磁性物质放如入外磁场中，外磁

16、场使电子轨道当抗磁性物质放如入外磁场中，外磁场使电子轨道 改变，围绕原子核作轨道运动的电子按照楞次定律会产生感生改变，围绕原子核作轨道运动的电子按照楞次定律会产生感生 电流，电流，此电流产生与外加磁场方向相反的磁场此电流产生与外加磁场方向相反的磁场 抗磁性抗磁性 2.2.特征特征 感应的磁矩很小，方向与外磁场相反，即磁化强度感应的磁矩很小，方向与外磁场相反，即磁化强度 M M 为很小为很小 的负值；磁化率的负值；磁化率 0 0，约为，约为 -10-10-5 -5； ； 原子的本征磁矩为零，外磁场作用使电子的轨道运动发生变化原子的本征磁矩为零，外磁场作用使电子的轨道运动发生变化 引起；引起； 一

17、种很弱、非永久性磁性，只有外磁场存在时、其它类型磁性一种很弱、非永久性磁性，只有外磁场存在时、其它类型磁性 完全消失时才能被观察；完全消失时才能被观察； 所有物质都有抗磁性，但不能认为所有物质都是抗磁性物质；所有物质都有抗磁性，但不能认为所有物质都是抗磁性物质； 电子壳层被添满的物质属于抗磁性物质，如惰性气体；电子壳层被添满的物质属于抗磁性物质，如惰性气体； 离子型固体（如氯化钠）；共价键的碳、硅等；有些金属如离子型固体（如氯化钠）；共价键的碳、硅等；有些金属如 BiBi、CuCu、Ag Ag 等。等。 n电子壳层未被填满的原子或离子，固有磁矩不为零；电子壳层未被填满的原子或离子，固有磁矩不为

18、零； n无外磁场时，材料中原子磁矩无序排列，表现不出宏观磁性无外磁场时，材料中原子磁矩无序排列，表现不出宏观磁性； n受外磁场作用时，原子磁矩能通过旋转而沿外场方向择优取向，受外磁场作用时，原子磁矩能通过旋转而沿外场方向择优取向， 显示出极弱宏观磁性显示出极弱宏观磁性 顺磁性。顺磁性。 二、顺磁性二、顺磁性 1. 1. 来源来源 2. 2. 特征：特征： 原子磁矩沿外磁场方向排列，磁场强度获得增强，磁化原子磁矩沿外磁场方向排列，磁场强度获得增强，磁化 强度为正值，磁化率强度为正值，磁化率0 0，也很小，只有，也很小，只有1010-5 -5 1010-2 -2； ； 顺磁性物质磁化率是抗磁性物质

19、顺磁性物质磁化率是抗磁性物质 1-101-103 3倍，所以顺磁性倍，所以顺磁性 物质中抗磁性被掩盖；物质中抗磁性被掩盖； 大多数物质都属于顺磁性物质，如室温下的稀土金属，居大多数物质都属于顺磁性物质，如室温下的稀土金属，居 里点以上里点以上 FeFe、CoCo、NiNi等；等； 注：抗磁体和顺磁体对于磁性材料应用来说视为无磁性。注：抗磁体和顺磁体对于磁性材料应用来说视为无磁性。 1905 1905 年郎之万在经典统计理论基础上，首先给出第一个顺年郎之万在经典统计理论基础上，首先给出第一个顺 磁性理论，其要点如下磁性理论，其要点如下: : n设顺磁物质中每个原子设顺磁物质中每个原子( (或磁离

20、子或磁离子) )有固有磁矩有固有磁矩，而且原子之而且原子之 间没有相互作用；间没有相互作用； n当外磁场当外磁场 H = 0H = 0，各原子磁矩受热扰动影响，在平衡态时，各原子磁矩受热扰动影响，在平衡态时， 其方向无规分布，所以体系总磁矩其方向无规分布，所以体系总磁矩 m = 0m = 0； n外加磁场外加磁场 H H 时，原子磁矩趋近于磁场时，原子磁矩趋近于磁场 H H 方向，磁化强度正方向，磁化强度正 比与外磁场。比与外磁场。 3. 3. 顺磁性理论顺磁性理论 顺磁材料的居里定律： B J k N C 3 2 T C Tk N B J 3 2 式中式中 C C 为居里常数为居里常数 n通

21、过测量通过测量-T -T 依赖关系，便可确定居里常数，代入居里常数依赖关系，便可确定居里常数，代入居里常数 定义式，可求出每个原子磁矩大小。定义式，可求出每个原子磁矩大小。 郎之万最早从理论上推导出居里定律，开创从微观郎之万最早从理论上推导出居里定律，开创从微观 出发，用统计方法研究物质磁性道路。出发，用统计方法研究物质磁性道路。 该理论没有考虑到磁矩在空间的量子化，与实验结果该理论没有考虑到磁矩在空间的量子化，与实验结果 相比，在定量上有较大差别。相比，在定量上有较大差别。 三、影响金属抗磁性、顺磁性的因素三、影响金属抗磁性、顺磁性的因素（自学）（自学） 1. 1. 铁磁性来源铁磁性来源：电

22、子自旋磁矩和自发磁化电子自旋磁矩和自发磁化; ; 2. 2. 特征特征 n有些铁磁性材料在不很强外磁场作用下，产生很大磁化强度；有些铁磁性材料在不很强外磁场作用下，产生很大磁化强度； n磁化率可高达磁化率可高达 10103 3，M HM H，磁化率不是常数；，磁化率不是常数； n有些铁磁性材料在外磁场除去后仍保持相当大永久磁性；有些铁磁性材料在外磁场除去后仍保持相当大永久磁性； n有居里温度（有居里温度（ Tc Tc ）；）； n过渡金属铁、钴、镍和某些稀土金属如钆、钇、钐等具有铁磁性。过渡金属铁、钴、镍和某些稀土金属如钆、钇、钐等具有铁磁性。 1- 4 1- 4 铁磁性理论铁磁性理论 在有些

23、材料中，相邻原子或离子磁矩呈反向平行排列，结果总磁在有些材料中，相邻原子或离子磁矩呈反向平行排列，结果总磁 矩为零，叫反铁磁性。矩为零，叫反铁磁性。 反铁磁性物质：某些金属如反铁磁性物质：某些金属如 MnMn，Cr Cr 等；某些陶瓷如等；某些陶瓷如 MnOMnO，NiONiO等；等； 某些铁氧体如某些铁氧体如 ZnFeZnFe2 2O O4 4 等。 等。 氧化锰氧化锰 (MnO) (MnO) ，离子型陶瓷材料，由，离子型陶瓷材料，由 Mn2+ Mn2+ 和和 O2- O2- 离子组成离子组成 O O2- 2- 离子没有净磁矩，因电子自旋磁矩和轨道磁矩都对消； 离子没有净磁矩，因电子自旋磁矩

24、和轨道磁矩都对消； MnMn2+ 2+ 离子有未成对 离子有未成对 3d 3d 电子贡献的净磁矩。电子贡献的净磁矩。 在在 MnO MnO 晶体结构中，相邻晶体结构中，相邻 Mn2+ Mn2+ 离子的磁矩都成反向平行排离子的磁矩都成反向平行排 列，结果磁矩相互对消，整个固体材料总磁矩为零。列，结果磁矩相互对消，整个固体材料总磁矩为零。 1-5 1-5 反铁磁性反铁磁性 : ， : 1-6 1-6 自发磁化与技术磁化理论自发磁化与技术磁化理论 一、自发磁化理论一、自发磁化理论 1. 1. 铁磁性产生的条件铁磁性产生的条件 1 1）原子内部有未填满电子壳层，即电子自旋磁矩未被抵消；）原子内部有未填

25、满电子壳层，即电子自旋磁矩未被抵消； 2 2）原子按一定方式排列；产生自发磁化，形成磁畴。）原子按一定方式排列；产生自发磁化，形成磁畴。 自发磁化自发磁化：电子自旋磁矩自动地在一个个小区域内取向一致。：电子自旋磁矩自动地在一个个小区域内取向一致。 磁畴磁畴：无外磁场条件下，：无外磁场条件下， 自发磁化的小区域。自发磁化的小区域。 : ， : 材料是否具有自发磁化形成磁畴材料是否具有自发磁化形成磁畴 ？ 晶格中原子间距晶格中原子间距 R Rab ab 与未添满电子壳层半径 与未添满电子壳层半径 r r 之比有关，即之比有关，即 当当 R R a b a b / r 3 / r 3，交换积分，交换

26、积分 A 0A 0，原子磁矩平行排列，原子磁矩平行排列， 即产生自发磁化即产生自发磁化，形成磁畴。形成磁畴。 交换积分交换积分 A A 与与 a/r a/r 的关系的关系 R R a b a b / r 3 / r 3，交换积分，交换积分 A 0 A 0 材料，如铁、钴、镍等材料，如铁、钴、镍等 有形成磁畴的倾向有形成磁畴的倾向 铁磁性铁磁性 R Ra b a b / r 3 / r 3，交换积分，交换积分 A 0 A 3 / r 3， A 0A 0，但因，但因 R Ra ba b/ r / r 太大，电子间静电交互作用很弱，对自旋太大，电子间静电交互作用很弱，对自旋磁矩取向影响甚磁矩取向影响

27、甚 小小 顺磁性。顺磁性。 铁磁性材能达到的最大磁化强度铁磁性材能达到的最大磁化强度 饱和磁化强度饱和磁化强度 Ms Ms 对于磁性材料来说，并不是在任何温度下都具有磁性。对于磁性材料来说，并不是在任何温度下都具有磁性。 一般，磁性材料具有一个一般，磁性材料具有一个T TcT Tc，由于原子剧，由于原子剧 烈热运动，原子磁矩排列混乱无序。烈热运动，原子磁矩排列混乱无序。 T TcT 0 0，表示，表示沿沿 H H 方向长度伸长方向长度伸长 正磁致伸缩正磁致伸缩 0 TcT Tc：铁磁性消失，变成顺磁性。：铁磁性消失，变成顺磁性。 Tc Tc 是决定材料磁性能温是决定材料磁性能温 度稳定性一重要

28、物理量。度稳定性一重要物理量。 室温以上表现出铁磁性室温以上表现出铁磁性： FeFe、 CoCo、 NiNi、 Gd 4 Gd 4 种元素种元素 居里点：居里点： 768768、10701070、376376、 20 20 极低温度下表现出铁磁性极低温度下表现出铁磁性：TbTb、DyDy、HoHo、ErEr、Tm 5 Tm 5 种元素种元素 2. 2. 加工硬化加工硬化 加工硬化引起晶体点阵扭曲，晶粒破碎，内应力增加，导致加工硬化引起晶体点阵扭曲，晶粒破碎，内应力增加，导致 组织敏感磁性参量改变。组织敏感磁性参量改变。 m m ， ，HcHc ，Br Br （临界压缩程度）；（临界压缩程度）；

29、Br Br （压缩率增大）（压缩率增大） 再结晶退火与再结晶退火与加工硬化作用相反。加工硬化作用相反。 某些材料在冷加工过程中某些材料在冷加工过程中 变形织构变形织构 例：例：Fe-SiFe-Si合金合金 冷轧形成冷轧形成 110 110 Fe Fe 易磁化方向易磁化方向 使用材料时沿轧制方向磁化使用材料时沿轧制方向磁化 m m 、Ms 、 、 磁滞损耗磁滞损耗 Fe-SiFe-Si合金合金 戈斯（戈斯（GossGoss）织构硅钢片（电力工业）织构硅钢片（电力工业） 3. 3. 合金元素合金元素 （包括杂质）（包括杂质） 大多数合金元素使大多数合金元素使 Ms Ms （Co Co 例外）例外）

30、 固溶体型磁性合金固溶体型磁性合金，间隙固溶体比置换固溶体磁性差，应尽量减，间隙固溶体比置换固溶体磁性差，应尽量减 少有害间隙杂质。少有害间隙杂质。 合金中析出第二相合金中析出第二相：数量、形状、大小、分布对组织敏感的各磁：数量、形状、大小、分布对组织敏感的各磁 性能影响显著。性能影响显著。 第二相第二相 ， ， Ms ，Hc Hc ，磁滞损耗，磁滞损耗 热处理后，组织发生变化热处理后，组织发生变化 磁性变化磁性变化 例例1 1： 相同含碳量相同含碳量 MsMs（淬火态）淬火态） Hc Hc （退火态）（退火态） 原因；原因；淬火钢中有残余淬火钢中有残余 A A（非铁磁相），淬火（非铁磁相），

31、淬火 M M 中内应力大。中内应力大。 磁性材料磁性材料：国民经济、国防工业的重要支柱和基础。：国民经济、国防工业的重要支柱和基础。 应用应用：电信、自动控制、通讯、家用电器、计算机等：电信、自动控制、通讯、家用电器、计算机等 分类：分类： 按按 Hc Hc 大小分大小分 软磁材料、硬磁材料软磁材料、硬磁材料 按材料特性分按材料特性分 矩磁材料、磁致伸缩材料、磁阻材料等矩磁材料、磁致伸缩材料、磁阻材料等 1. 1. 软磁材料软磁材料 主要特点：主要特点： ，易磁化，易磁化，较弱磁场下可储存更多磁能；较弱磁场下可储存更多磁能； Hc Hc （ 100 A/m 100 A/m），），便于退磁；便于

32、退磁； Bs Bs ； 电阻率电阻率 ，涡流损耗涡流损耗 ； 磁滞回线呈狭长状；磁滞回线呈狭长状； 七、磁性材料与应用七、磁性材料与应用 H B 纯铁和低碳钢纯铁和低碳钢 （99.9% Fe99.9% Fe；99.5% Fe99.5% Fe） 纯铁纯铁： Ms Ms ， Hc Hc ，电阻率，电阻率 电工纯铁牌号电工纯铁牌号：DTDT3 3 DT DT8 8 应用：在直流磁场下工作，电磁铁极头应用：在直流磁场下工作，电磁铁极头 铁铁- -硅合金硅合金 加入少量加入少量 Si( 4% ) Si( 4% ) 固溶体，合金电阻率固溶体，合金电阻率 按生产方法和磁性能分类：按生产方法和磁性能分类： 热

33、轧非织构（无取向）硅钢热轧非织构（无取向）硅钢 （D11-D31D11-D31） 冷轧非织构（无取向）硅钢冷轧非织构（无取向）硅钢 ( DW270( DW270，DW310-35DW310-35） 冷轧织构（取向）硅钢（冷轧织构（取向）硅钢（DQ122G-30DQ122G-30，DQ133G-30DQ133G-30） 应用应用：非取向：非取向 常用于发电机和电动机上常用于发电机和电动机上 取向取向 变压器铁芯，初始变压器铁芯，初始，磁滞回线特别窄而，磁滞回线特别窄而 陡，反复磁化比一般热轧硅钢降低陡，反复磁化比一般热轧硅钢降低70%70% 软磁材料分类软磁材料分类 镍镍- -铁合金铁合金 与电

34、工钢比：与电工钢比： ，Bs Bs ，Hc Hc ，损耗低，损耗低 ，加工成型性较好，加工成型性较好 价格昂贵价格昂贵 典型材料典型材料：坡莫合金（：坡莫合金（79%Ni79%Ni，21%Fe21%Fe） 应用应用：高质量要求电子变压器、电感器和磁屏蔽上：高质量要求电子变压器、电感器和磁屏蔽上 非晶态合金非晶态合金 结构结构：原子排布为长程无序，短程有序；不存在位错及晶界；：原子排布为长程无序，短程有序；不存在位错及晶界； 成分成分：接近（：接近（FeFe、CoCo、NiNi）80 80（ （B B、C C、SiSi）20 20 含非金属成分 含非金属成分 特性特性： Fe Fe 基：基：Bs

35、 Bs ， Hc Hc ，涡流损耗涡流损耗 ，磁致伸缩，磁致伸缩 Co Co 基：基： ， Bs Bs ；Hc Hc ，涡流损耗涡流损耗 ，磁致伸缩，磁致伸缩 0 0 Fe-Ni Fe-Ni基：介于基：介于 Fe Fe 基与基与 Co Co 基之间基之间 非晶态合金：非晶态合金：高强度，耐腐蚀，制备工艺简单，成本低高强度，耐腐蚀，制备工艺简单，成本低 纳米晶软磁材料纳米晶软磁材料（新开发）（新开发） 软磁材料中晶粒尺寸为纳米级（一般软磁材料中晶粒尺寸为纳米级（一般 50 nm 0.8 Br/Bs 0.8 磁滞回线磁滞回线 电子计算机和一些控制器件对矩磁材料的性能要求：电子计算机和一些控制器件对

36、矩磁材料的性能要求： 1 1） 矩形比（矩形比（ Br/Bs Br/Bs ）或剩磁比高；）或剩磁比高； 2 2） 矫顽力（矫顽力（HcHc）小；）小； 3 3） 开关时间（开关时间（t t）或开关系数（）或开关系数（SwSw）小）小。 Sw = Sw = （Hs - HoHs - Ho）t t HoHo临界磁场；临界磁场；HsHs饱和磁场强度饱和磁场强度 4 4）低损耗低损耗 5 5）对温度、振动和时效的稳定性高对温度、振动和时效的稳定性高 H B 矩磁材料应用矩磁材料应用： 主要用于电子计算机及自动控制与远程控制设备中，作为主要用于电子计算机及自动控制与远程控制设备中，作为 记忆元件（存储器

37、）、逻辑元件、开关元件、磁放大器等。记忆元件（存储器）、逻辑元件、开关元件、磁放大器等。 在磁存储器中用于制作环形存储器，至今仍是内存储器中在磁存储器中用于制作环形存储器，至今仍是内存储器中 主要材料。主要材料。 存储原理：存储原理： 利用利用 +Br +Br 和和 Br Br 两种剩磁状态，分别代表二进制计算机两种剩磁状态，分别代表二进制计算机“1 1” 和和“0 0”。 当当输进输进 +Im +Im 电流脉冲信号电流脉冲信号时，相当于磁芯受到时，相当于磁芯受到 +Hm +Hm 激励被磁激励被磁 化至化至 +Bm+Bm， 脉冲过后，磁芯仍保留脉冲过后，磁芯仍保留 +Br +Br 状态，表示存

38、入信号状态，表示存入信号“1 1” 反之，当通过反之，当通过 Im Im 电流脉冲，电流脉冲， 则保留则保留 Br Br 状态，表示存入信号状态，表示存入信号“0 0”。 H B 读出信息时读出信息时 通入通入 Im Im 脉冲脉冲： 如果原存信号为如果原存信号为“0 0”，磁感应变化由，磁感应变化由 Br Br -Bm-Bm，几乎，几乎没没 有信号电压输出有信号电压输出，表示读出，表示读出“0 0”。 如果原存信号为如果原存信号为“1 1”时，磁感应由时，磁感应由 +Br +Br -Bm-Bm，有明显信，有明显信 号电压输出，表示读出号电压输出，表示读出“1 1”。 根据感应电压大小，判断磁

39、芯处于根据感应电压大小，判断磁芯处于 +Br +Br 或或 Br Br 状态。状态。 利用这种性质可使磁芯作为记忆元件，判别磁芯所存储信息。利用这种性质可使磁芯作为记忆元件，判别磁芯所存储信息。 1- 7 1- 7 磁性测量及其应用磁性测量及其应用 一、材料的静态磁性测量一、材料的静态磁性测量 直流磁场下直流磁场下：磁化曲线、磁滞回线及由此定义的各种磁参磁化曲线、磁滞回线及由此定义的各种磁参 数，如数，如MsMs、BrBr、HcHc、 、（、（BHBH）max max 1. 1. 冲击法冲击法 建立在电磁感应基础上的经典方法，在理论和实践上均较建立在电磁感应基础上的经典方法，在理论和实践上均较

40、 成熟，具有足够高准确性和良好重现性。成熟，具有足够高准确性和良好重现性。 采用采用环状试样环状试样，其上绕，其上绕 2 2 个线圈个线圈 测磁原理测磁原理：线圈：线圈I I为磁化线圈，与直流电路相连为磁化线圈，与直流电路相连 外外 H H 线圈线圈IIII为测量线圈，与冲击检流计串联为测量线圈，与冲击检流计串联 冲击检流计冲击检流计：测某一瞬间通过的电量：测某一瞬间通过的电量 若测量瞬时比摆动周期小得多时，通过电量与最若测量瞬时比摆动周期小得多时，通过电量与最 大偏摆成正比大偏摆成正比 即即 Q = CQ = Cb bmax max C Cb b：检流计冲击常数；：检流计冲击常数； max

41、max：最大偏摆，光点扫过角度 ：最大偏摆，光点扫过角度 磁化线圈通电流磁化线圈通电流 I I 时产生磁场：时产生磁场： H = NH = N1 1i i1 1 / l / l N1 N1：磁化线圈的匝数；：磁化线圈的匝数； l l ：环形试样平均周长：环形试样平均周长 通过调可变电阻，使通过调可变电阻，使 i i1 1 i i2 2 则则 H H1 1 H H2 2 磁感应强度在瞬间磁感应强度在瞬间 B B1 1 B B2 2 磁通量 磁通量 1 12 2 = B S = B S 根据电磁感应原理根据电磁感应原理 测量线圈测量线圈IIII中产生感生电动势中产生感生电动势 e = - Ne =

42、 - N2 2d d /dt/dt 可测出不同可测出不同 H H 值下的值下的 B B 值值 画出磁化曲线与磁滞回线画出磁化曲线与磁滞回线 注：科研中，常常不需要测定完整磁化曲线与磁滞回线注：科研中，常常不需要测定完整磁化曲线与磁滞回线 用冲击法测磁化强度用冲击法测磁化强度 测量仪器：冲击磁性仪测量仪器：冲击磁性仪 M = (CM = (C / / 0 0NSNS2 2 ) ) m m C C ：测量回路的冲击常数，通常用实验方法测定 ：测量回路的冲击常数，通常用实验方法测定 0 0： N N：测量线圈的匝数（已知）：测量线圈的匝数（已知） S S2 2：试样的截面积（可测）：试样的截面积（可

43、测） m m：检流计灯尺上光点最大偏移格数：检流计灯尺上光点最大偏移格数 可见可见 M M m m 因冲击磁性仪磁场因冲击磁性仪磁场 H H 很强，使试样达到磁饱和，测出的很强，使试样达到磁饱和，测出的 M M Ms Ms 2. 2. 热磁仪（磁转矩仪）热磁仪（磁转矩仪） 原理：磁学量原理：磁学量力学量力学量 3. 3. 振动样品磁强计振动样品磁强计 灵敏度高、应用广泛的磁性测量仪器。灵敏度高、应用广泛的磁性测量仪器。 采用比较法测量采用比较法测量 4. 4. 磁秤（磁天平）磁秤（磁天平） 测量测量弱磁质弱磁质（顺磁质与抗磁质）的磁化率。（顺磁质与抗磁质）的磁化率。 三、磁性测量的应用三、磁性

44、测量的应用 1. 1. 测量淬火钢中测量淬火钢中 A AR R 含量 含量 不同成分钢，淬火后组织不同不同成分钢，淬火后组织不同 低碳钢低碳钢 M + AM + AR R 1 1个顺磁相个顺磁相 高碳钢高碳钢 M + FeM + Fe3 3C + AC + AR R 1 1个顺磁相，个顺磁相，2 2个铁磁相个铁磁相 低合金钢低合金钢 M + FeM + Fe3 3C +C +（FeMeFeMe）3 3C+ AC+ AR R 1 1个顺磁相，个顺磁相，3 3个铁磁相个铁磁相 组织组织：机械混合物：机械混合物 饱和磁化强度与铁磁相符合叠加法则饱和磁化强度与铁磁相符合叠加法则 M = （VM M/ V） MM M + （VR R/V ）MR R V VM M、V VR R ：马氏体