第四章磁性材料

1、第四章 磁性材料 4.1 4.1 材料的磁性材料的磁性 4.2 4.2 物质磁性分类物质磁性分类 4.3 4.3 磁性材料的分类磁性材料的分类 4.4 4.4 几种新型的磁性材料几种新型的磁性材料 4.5 4.5 磁性材料的应用磁性材料的应用 4.1 材料的磁性材料的磁性 地球磁场地球就是一块巨大的磁铁，它的N极在地理的南极附近，而S极在地理的北极附近. 磁性是物质的基本属性地球磁场正在出现裂缝或破洞地球磁场正在出现裂缝或破洞2003-01-15 14:09:042003-01-15 14:09:04 首先，磁场强度将在一段时间内减弱，太阳辐射强度将会大大升高，人和动物都会出现不适感； 其次，

2、磁力线方向发生变化，这可能使鸟类及其它动物的迁徙活动发生混乱； 第三，地球磁场的变化将给科学研究带来很大问题，地球磁力线的变化将直接影响到科学仪器的工作状态，因为几乎所有的科学仪器都与磁场有密切的关系。磁性材料是古老而年轻的功能材料司南（战国时期）司南利用天然磁石琢磨而成,样子像一把勺，重心位于底部正中，底盘光滑，四周刻有二十四向，使用时把长勺放在底盘上，用手轻拨，停下后长柄就指向南方。IBM硬盘的发展1.材料磁性的起源物质的磁性来源于原子的磁矩 原子磁矩原子核磁矩电子磁矩原子核磁矩 电子磁矩电子磁矩轨道磁矩自旋磁矩 量子力学的分析： 在填满电子的壳层中，总轨道磁矩和总自旋磁矩均为零物质磁矩一

3、般不等同于孤立原子的磁矩和 （相互作用）原子磁矩实际上来源于未填满壳层中的电子 矢量和磁极磁极：磁性强的区域磁性强的区域 N极：指北的一端，正磁极；正磁荷，+ m S极：指南的一端，负磁极；负磁荷，-m 磁荷可以看成点磁荷 磁偶极子：无限小的磁体磁偶极子：无限小的磁体产生的磁偶极矩为：产生的磁偶极矩为：（矢量）（矢量） mlmj2. 磁偶极子磁偶极子 假想在磁极之间存在着一种曲线，它代表着磁极之间相互作用的强弱。这种假想的曲线称为磁力线，并规定磁力线从N极出发，最终进入S极。 在磁极周围的空间中真正存在的不是磁力线，而是一种场，我们称之为磁场。磁性物质的相互吸引等就是通过磁场进行的。 磁场的强

4、弱可以用假想的磁力线数量来表示，磁力线密的地方磁场强，磁力线疏的地方磁场弱。 3. 3. 磁力线和磁场 5. 5. 磁场强度磁场强度： 描述空间某一点描述空间某一点磁场磁场的的大小大小和和方向方向，用，用H H表示。表示。 设试探磁极的点磁荷为m，它在磁场中某处受力为F，则该处的磁场强度矢量H为： 4.磁化强度：指材料内部单位体积的磁矩矢量和, 用M表示，它反映出磁体的磁性强弱程度。 rrmmkF321mFH/HM 磁感应强度磁感应强度： 磁感应强度磁感应强度B B的定义是：的定义是：B=B=m m0 0(H+M)(H+M)，其中，其中m m0 0是一个系数，叫是一个系数，叫做真空磁导率。做真

5、空磁导率。 磁导率磁导率： 磁导率实际上代表了磁性材料被磁化的容易程度，或者说是磁导率实际上代表了磁性材料被磁化的容易程度，或者说是材料对外部磁场的材料对外部磁场的灵敏灵敏程度。导磁率的定义是程度。导磁率的定义是mB/mmB/m0 0H H，是，是磁化曲线上任意一点上磁化曲线上任意一点上B B和和H H的比值。的比值。)1 (m 6.6.磁感应强度和磁导率磁感应强度和磁导率 7.7.自发磁化自发磁化 铁磁性物质内的原子磁矩，通过自身的某铁磁性物质内的原子磁矩，通过自身的某种作用，克服热运动的无序效应，能种作用，克服热运动的无序效应，能有序取向有序取向，按不同的按不同的小区域分布小区域分布。即物

6、质内部的原子磁矩。即物质内部的原子磁矩是按区域自发平行取向的。这种现象称为自发是按区域自发平行取向的。这种现象称为自发磁化。磁化。 8.8.磁畴磁畴 自发磁化的小区域，称为磁畴。各个磁畴自发磁化的小区域，称为磁畴。各个磁畴之间的交界面称为磁畴壁。之间的交界面称为磁畴壁。磁性材料中常见的磁畴形状：条形畴，树枝状畴和迷宫畴Fe 3%Si 单晶（111）晶面的磁畴结构 强磁性材料被磁化后表现出一个重要特征，即有磁滞回线。磁滞回线是磁化磁场变化(H)一周时，磁性材料的磁感应强度(B)或磁化强度(M)随之而变化的曲线。由于磁滞，B或M的值，不是沿着原来的磁化路径改变，而是沿着当H作循环变化时另外的路径变

7、化，以至于当磁化磁场正反磁化一周所得的磁化曲线，形成一闭合回线。 9. 9.磁滞回线磁滞回线变压器钢和碳钢的磁滞回线 10. 10.居里温度居里温度 对于所有的磁性材料来说，并不是在任何温度下都具有磁性。一般地，磁性材料具有一个临界温度Tc，称为居里温度。在这个温度以上，由于高温下原子的剧烈热运动，原子磁矩的排列是混乱无序的。在此温度以下，原子磁矩排列整齐，产生自发磁化，物体变成磁性材料。 利用磁性材料存在居里温度的特点，可以开发出很多控制元件。在电饭锅的底部中央装了一块磁铁和一块居里点为105的磁性材料。当锅里的水分干了以后，食品的温度将从100度上升。当温度到达大约105度时，由于被磁铁吸

8、住的磁性材料的磁性消失，磁铁就对它失去了吸力，这时磁铁和磁性材料之间的弹簧就会把它们分开，同时带动电源开关被断开，停止加热。 11.11.磁致伸缩磁致伸缩 在铁磁体和亚铁磁体材料中，在铁磁体和亚铁磁体材料中，原子磁矩原子磁矩的定的定向排列，不仅导致向排列，不仅导致磁性质磁性质的各向异性，还导致的各向异性，还导致键合键合力力的各向异性和的各向异性和晶格常数晶格常数的择优取向。这种作用在的择优取向。这种作用在宏观上宏观上的表现为磁化方向上的的表现为磁化方向上的长度长度变化，即磁致伸变化，即磁致伸缩。利用磁致伸缩效应可以激励磁棒产生机械振动，缩。利用磁致伸缩效应可以激励磁棒产生机械振动，在电声技术有

9、应用价值。在电声技术有应用价值。 4.2 物质磁性分类物质磁性分类 物质磁性物质磁性抗磁性抗磁性顺磁性顺磁性铁磁性铁磁性反铁磁性反铁磁性亚铁磁性亚铁磁性 某些物质当它们受到外磁场某些物质当它们受到外磁场H作用后，感生作用后，感生出与（出与（H）方向相反的磁化强度方向相反的磁化强度（M），磁化率磁化率0，这种磁性称为抗磁性。，这种磁性称为抗磁性。 表现出磁化率小于零的物质称为抗磁性物质。表现出磁化率小于零的物质称为抗磁性物质。 抗磁性物质有；惰性气体、大部分有机化合抗磁性物质有；惰性气体、大部分有机化合物、若干金属物、若干金属(如如Bi、Zn、Ag和和Mg等等)、非金属、非金属(如如Si、P和和

10、S等等)。 抗磁性抗磁性 许多物质在受到外磁场作用后，感生出与磁化许多物质在受到外磁场作用后，感生出与磁化磁场同方向的磁化强度，磁场同方向的磁化强度，磁化率磁化率0 0，但数值很，但数值很小小，仅显示微弱磁性。这种磁性称为顺磁性。，仅显示微弱磁性。这种磁性称为顺磁性。 具有顺磁性的物质很多，典型的有稀土金属具有顺磁性的物质很多，典型的有稀土金属和铁族元素的盐类、除和铁族元素的盐类、除BeBe以外的碱金属和碱土以外的碱金属和碱土金属以及在居里温度以上的铁磁元素金属以及在居里温度以上的铁磁元素FeFe、NiNi、CoCo。顺磁性顺磁性 铁磁性物质只要在很小的磁场作用下就能被磁化到饱和，不但磁化率0

11、，而且数值大到10106数量级，其磁化强度M与磁场强度H之间的关系是非线性的复杂函数关系。这种类型的磁性称为铁磁性。 铁磁性物质的磁性很强，我们通常所说的磁性材料主要是指这类物质。 反复磁化时出现磁滞现象. 铁磁性物质只有在居里温度以下才具有铁磁性；在居里温度以上，由于受到晶体热运动的干扰，原子磁矩的定向排列被破坏，使得铁磁性消失，这时物质转变为顺磁性。 铁磁性铁磁性 当TTN时，顺磁性 当TTN时，磁化率降低，并逐渐趋于定值。 这类物质的磁化率在温度等于TN的地方存在极大值。TN奈耳温度。 反铁磁性材料内部磁矩反平行排列，相临近的两种相反方向的磁矩相互抵消，使得总磁矩为零。 反铁磁性物质有过

12、渡族元素的盐类及化合物，如MnO、Cr2O3、 CoO等。反铁磁性反铁磁性 亚铁磁性是未抵消的反铁磁性结钩的铁磁性。 宏观上：磁性与铁磁性相同，仅仅是磁化率的数量级稍低一些，大约为100一103数量级。 内部磁结构上：与反铁磁性的相似，具有相反排列的磁矩，但相反排列的磁矩不等量。 典型的亚铁磁性材料有尖晶石型铁氧体、石榴石型铁氧体，稀土钴金属化合物和一些过渡族金属、非金属化合物等。亚铁磁性亚铁磁性4.3 4.3 磁性材料的分类磁性材料的分类软磁材料软磁材料硬磁材料硬磁材料半硬磁材料半硬磁材料旋磁材料旋磁材料矩磁材料矩磁材料压磁材料压磁材料按磁性种类按磁性种类按化学成份按化学成份金属磁性材料金属

13、磁性材料非金属磁性材料非金属磁性材料按使用形态按使用形态块体磁性材料块体磁性材料粉末磁性材料粉末磁性材料薄膜磁性材料薄膜磁性材料 磁性材料磁性材料1.1.软磁材料软磁材料概念：概念： 软磁材料主要是指那些软磁材料主要是指那些容易反复磁化容易反复磁化，且在外磁，且在外磁场去掉后，场去掉后，容易退磁容易退磁的磁性材料。的磁性材料。特点：特点： 高导磁率高导磁率：在较弱的外磁场下就能获得高磁感应：在较弱的外磁场下就能获得高磁感应强度，并随外磁场的增强很快达到饱和。强度，并随外磁场的增强很快达到饱和。 低矫顽力低矫顽力：当外磁场去除时，其磁性立即基本消：当外磁场去除时，其磁性立即基本消失。失。常见的软

14、磁材料： 铁和MFe2O4、MFeO3、M3Fe2O5、MFe12O19（M为金属离子）等 铁氧体都是软磁材料。用途： 软磁材料在电子工业中主要是用来导磁。可用作变压器、线圈、继电器等电子元件的导磁体。 变压器变压器变压器的铁芯处于不断变化的电磁场中，铁芯材料的磁化强度和磁感应强度也是不断改变的。这就自然要求铁芯材料对这种变化的阻力小，变化足够灵敏。所以，几乎对所有的变压器铁芯，都要求导磁率高。 软磁材料的应用软磁材料的应用磁性传感器磁性传感器 普通的水雷或者地雷只能在接触目标时爆炸，因此作用有限。而如果在水雷或地雷上安装磁性传感器，由于坦克或者军舰都是钢铁制造的，在它们接近（无须接触目标）时

15、，传感器就可以探测到磁场的变化使水雷或地雷爆炸，提高了杀伤力。概念：概念： 硬磁材料是指那些硬磁材料是指那些难以磁化难以磁化，且除去外场以后，且除去外场以后，仍能保留高的剩余磁化强度的材料，又称仍能保留高的剩余磁化强度的材料，又称永磁材永磁材料。（磁铁）料。（磁铁）特点：特点： 具有高矫顽力。具有高矫顽力。2. 2. 硬磁材料硬磁材料种类： 铝镍钴系硬磁合金、硬磁铁氧体材料、稀土硬磁材料等几个系列用途： 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。硬磁材料的应用硬磁材料的应用扬声器扬声器硬（永）磁直流步进电机硬（永）磁直流

16、步进电机 用于变速控制系统用于变速控制系统 1. 1.非晶态磁性材料非晶态磁性材料 与晶态相比，非晶态材料通常具有高强度、与晶态相比，非晶态材料通常具有高强度、高耐腐蚀性与高电阻率的特性。高耐腐蚀性与高电阻率的特性。 非晶态软磁材料大致上可分为三大类：（非晶态软磁材料大致上可分为三大类：（1 1）过渡金属类金属非晶合金，主要包括铁基非晶合过渡金属类金属非晶合金，主要包括铁基非晶合金、铁镍基非晶合金和钴基非晶合金；（金、铁镍基非晶合金和钴基非晶合金；（2 2）稀土）稀土过渡族非晶合金，如过渡族非晶合金，如TbFeCoTbFeCo、GaTbFeGaTbFe等；（等；（3 3）过渡金属过渡金属非晶态

17、合金，如过渡金属过渡金属非晶态合金，如FeZrFeZr、CoZrCoZr等。等。4.4 4.4 几种新型的磁性材料几种新型的磁性材料 2. 2. 磁性液体磁性液体 1963年，美国国家航空与航天局的年，美国国家航空与航天局的S SPapellPapell采采用油酸为用油酸为表面活性剂表面活性剂，把它包覆在超细的，把它包覆在超细的四氧化三四氧化三铁铁微颗粒上微颗粒上( (直径约为直径约为10nm10nm) )，并高度弥散于煤油，并高度弥散于煤油( (基基液液) )中，从而形成一种稳定的中，从而形成一种稳定的胶体胶体体系。在磁场作用体系。在磁场作用下，磁性颗粒带动着被表面活性剂所包裹着的液体下，磁

18、性颗粒带动着被表面活性剂所包裹着的液体一起运动，好象整个液体具有磁性，因此，取名为一起运动，好象整个液体具有磁性，因此，取名为磁性液体。磁性液体。 生成磁性液体的生成磁性液体的必要条件必要条件是强磁性颗粒要足够地是强磁性颗粒要足够地小，以致可以削弱颗粒间的静磁作用，能在基液中小，以致可以削弱颗粒间的静磁作用，能在基液中作无规则的热运动。例如对铁氧体类型的微颗粒，作无规则的热运动。例如对铁氧体类型的微颗粒，大致尺寸为大致尺寸为10nm10nm；对金属微颗粒，通常小于；对金属微颗粒，通常小于6nm6nm。 为了防止颗粒聚集成团，产生沉积，每个磁性为了防止颗粒聚集成团，产生沉积，每个磁性微颗粒的表面

19、必须化学吸附一层长链的高分子微颗粒的表面必须化学吸附一层长链的高分子( (称为称为表面活性剂表面活性剂) )，高分子的链要足够地长，以致颗粒接，高分子的链要足够地长，以致颗粒接近时排斥力应大于吸引力，此外，链的一端应和磁近时排斥力应大于吸引力，此外，链的一端应和磁性颗粒产生化学吸附，另一端应和基液亲和。性颗粒产生化学吸附，另一端应和基液亲和。 主要特点：主要特点： 1.1.在磁场作用下，可以被在磁场作用下，可以被磁化磁化； 2.2.具有液体的具有液体的流动性流动性，可以运动。，可以运动。 3.3.在静磁场作用下，磁性颗粒将沿着外磁场方向在静磁场作用下，磁性颗粒将沿着外磁场方向形成一定有序排列的

20、形成一定有序排列的团链簇团链簇，从而使得液体变为，从而使得液体变为各各向异性向异性的介质。的介质。 3. 3.纳米磁性材料纳米磁性材料特性特性：超顺磁性，如无磁滞，高磁导率，低损耗、高：超顺磁性，如无磁滞，高磁导率，低损耗、高饱和磁化强度等饱和磁化强度等原因原因：与磁相关的：与磁相关的特征物理长度特征物理长度恰好处于恰好处于纳米量级纳米量级； 例如：磁单畴尺寸，超顺磁性临界尺寸，交换作用长度，以及电子平均自由路程等大致处于1-100 nm量级。 当磁性体的尺寸与这些特征物理长度相当时，就当磁性体的尺寸与这些特征物理长度相当时，就会呈现反常的磁学性质。会呈现反常的磁学性质。 4.5 4.5 磁性

21、材料的应用磁性材料的应用 1. 1.磁磁悬浮列车悬浮列车 上海上海磁磁悬浮列车悬浮列车 平均时速平均时速300300公里公里/ /小时，最高时速小时，最高时速430430公里公里/ /小时小时传统轮轨技术：传统轮轨技术： 速度低、噪音大速度低、噪音大磁悬浮技术：磁悬浮技术： 采用磁力悬浮的方式，使列车悬浮在轨道上采用磁力悬浮的方式，使列车悬浮在轨道上方行驶，具有如下优点：方行驶，具有如下优点： 减少摩擦力，大幅度提高车辆的行驶速度；减少摩擦力，大幅度提高车辆的行驶速度； 不会造成噪音或空气污染，并可提高能源的使用不会造成噪音或空气污染，并可提高能源的使用效率；效率； 磁悬浮列车是运用磁铁“同性相斥，异性相吸”的性质，使磁铁具有抗拒地心引力的能力，使列车完全脱离轨道而悬浮行驶，成为“无轮”列车。 磁悬浮列车也有两种相应的形式：一种是电磁型，也称吸力型、常导型。另一种是电动型，也称斥力型、超导型。 磁悬浮列车原理磁悬浮列车原理 两种磁悬浮列车系统的结构示意图：(a)电磁型；(b)电动型 2. 2.电磁炉电磁炉 特点： 直接发热，热效率高达90% 炉面无明火，无烟无废气 电磁火力强劲，安全可靠 电磁炉的内部有一个金属线圈，当电流通过线圈时，会产生磁场。这一随时间变化的磁场导致在金