磁性材料及应用

1、磁性材料及其应用磁性材料及其应用天然磁石天然磁石 F Fe e3 3O O4 4吸铁性吸铁性指南性指南性人类认识和使用最早的磁性材料人类认识和使用最早的磁性材料“山上有赭者，其下有铁，山上有铅者，其下有银。一曰上山上有赭者，其下有铁，山上有铅者，其下有银。一曰上有铅者，其下有有铅者，其下有鉒鉒银，上有丹沙者，其下有银，上有丹沙者，其下有鉒鉒金，上有慈石金，上有慈石者，其下有铜金，此山之见荣者也。者，其下有铜金，此山之见荣者也。” 管子管子地数篇地数篇管仲管仲 春秋时期春秋时期 “西流注于西流注于泑泑泽，期中多慈石。泽，期中多慈石。”山海经山海经北山经北山经战国时期战国时期 “若慈石之取针。若慈

2、石之取针。” “慈石召铁，或引之也。慈石召铁，或引之也。” 鬼谷子鬼谷子鬼谷子鬼谷子 战国中期战国中期吕氏春秋吕氏春秋精通精通吕不韦吕不韦 战国后期战国后期关于磁石的最早记载关于磁石的最早记载“若遇天景噎（阴暗）霾，夜色瞑黑，又不能辨若遇天景噎（阴暗）霾，夜色瞑黑，又不能辨方向方向出指南车或指南鱼，以辨所向出指南车或指南鱼，以辨所向鱼法，鱼法，用薄铁叶剪裁，长二寸阔五分，首尾锐如鱼形，用薄铁叶剪裁，长二寸阔五分，首尾锐如鱼形，置炭中烧之，候通赤，以铁钤钤鱼首出火，以尾置炭中烧之，候通赤，以铁钤钤鱼首出火，以尾正对子位，蘸水盆中，没尾数分则止，以密器收正对子位，蘸水盆中，没尾数分则止，以密器收之

3、。用时置水碗于无风处，平放鱼在水面令浮，之。用时置水碗于无风处，平放鱼在水面令浮，其首常南向午也其首常南向午也”。 北宋北宋 曾公亮与丁度编撰的曾公亮与丁度编撰的武经总要武经总要 （1044年）年）关于指南针的应用和制作方法的记载关于指南针的应用和制作方法的记载“舟师识地理，夜者观星，昼者舟师识地理，夜者观星，昼者观日。阴晦观指南针。观日。阴晦观指南针。” 北宋人北宋人 朱或朱或 萍洲可谈萍洲可谈司南司南指南车指南车指南鱼指南鱼各种指南针挂件各种指南针挂件 永磁材料永磁材料 软磁材料软磁材料 磁记录材料磁记录材料 特殊功能的磁性材料特殊功能的磁性材料 磁弹性材料磁弹性材料 磁电阻材料磁电阻材料

4、 磁制冷材料磁制冷材料 磁流体磁流体 新型磁性材料的分类：新型磁性材料的分类：几种常见的永磁材料几种常见的永磁材料 铝镍钴合金铝镍钴合金 铁氧体永磁材料铁氧体永磁材料 稀土永磁材料稀土永磁材料 铝镍钴合金铝镍钴合金铝镍钴合金是由铝镍铁合金发展来的，目前我国能制铝镍钴合金是由铝镍铁合金发展来的，目前我国能制造的铝镍钴合金的型号主要有造的铝镍钴合金的型号主要有 LNG34,LNG52,LNGJ32,LNGJ56等。等。 由于铝镍钴的主要特点是高由于铝镍钴的主要特点是高Br、低、低Hc 的永磁材料，其的永磁材料，其相对磁导率在相对磁导率在 3 以上，所以在具体应用时，其磁极须以上，所以在具体应用时，

5、其磁极须做成长柱体或长棒体，以尽量减少退磁场作用。做成长柱体或长棒体，以尽量减少退磁场作用。 铝镍钴磁体本身矫顽力低，铝镍钴磁体本身矫顽力低， 所以在使用过程中应严格所以在使用过程中应严格禁止任何铁器接触铝镍钴永磁材料，以避免造成永磁禁止任何铁器接触铝镍钴永磁材料，以避免造成永磁体局部退磁而使磁路中磁通分布发生畸变。体局部退磁而使磁路中磁通分布发生畸变。 铝镍钴磁体的优点是温度系数小，而且因温度变化铝镍钴磁体的优点是温度系数小，而且因温度变化 而而发生的永磁特性的退化也较小，但该材料硬而脆，加发生的永磁特性的退化也较小，但该材料硬而脆，加工困难。工困难。铁氧体永磁材料铁氧体永磁材料铁氧体永磁材

6、料是目前应用非常广泛的永磁材料之一，铁氧体永磁材料是目前应用非常广泛的永磁材料之一，其主要成分是其主要成分是MoFe2O3。 其具有的优点是：其具有的优点是： （1）矫顽力）矫顽力Hc大。大。 铁氧体永磁材料的矫顽力铁氧体永磁材料的矫顽力Hc介于铝镍钴合金材料和稀介于铝镍钴合金材料和稀土钴永磁材料之间。土钴永磁材料之间。 由于其剩磁较低，故一般适合设计成扁平形状；（由于其剩磁较低，故一般适合设计成扁平形状；（2）重量轻，密度为重量轻，密度为(4.6 5.1)103 kg / m3； （3）原材）原材料来源丰富，价格便宜，耐氧化，耐腐蚀；料来源丰富，价格便宜，耐氧化，耐腐蚀； （4）磁晶体的各向

7、异性常数大；）磁晶体的各向异性常数大； （5）退磁曲线近似为直线。）退磁曲线近似为直线。 缺点是剩磁较低，温度系数大，易碎。缺点是剩磁较低，温度系数大，易碎。稀土永磁材料稀土永磁材料稀土永磁材料的优点稀土永磁材料的优点 （1）矫顽力）矫顽力Hc高高; （2）最大磁能积大）最大磁能积大; （3）可逆磁导率）可逆磁导率1。 因此其磁性能远超过铁氧体和铝镍钴等其他磁性材料。因此其磁性能远超过铁氧体和铝镍钴等其他磁性材料。 稀土永磁材料的出现，稀土永磁材料的出现， 使得重量轻、使得重量轻、 体积小的永磁同步体积小的永磁同步电机相继问世，从而扩大了永磁同步电机的应用范围。电机相继问世，从而扩大了永磁同步

8、电机的应用范围。常用的稀土永磁材料有常用的稀土永磁材料有 SmPrCo、SmCoPeCo、SmPrNdCo、CeCoCuFe、Sm2Co17 等。等。 稀土钴永磁材料性能优异，稀土钴永磁材料性能优异， 但价格较高，但价格较高， 因此在设计时因此在设计时必须精打细算，力求用最小的体积达到预期的效果。必须精打细算，力求用最小的体积达到预期的效果。 由于稀土钴永磁材料的矫顽力由于稀土钴永磁材料的矫顽力Hc很大，可作成薄片永磁很大，可作成薄片永磁材料，以减少体积，节省材料。材料，以减少体积，节省材料。由由 于于 成成 本本 低低 廉廉 ， 铁铁 氧氧 体体 磁磁 材材 有有 广广 阔阔 的的 应应 用

9、用 领领 域域 ， 从从 电电 机机 、 扬扬 声声 器器 到到 玩玩 具具 、 工工 艺艺 品品 ， 因因 而而 是是 目目 前前 应应 用用 最最 广广 的的 永永 磁磁 材材 料料 。铝铝 镍镍 钴钴 的的 主主 要要 应应 用用 领领 域域 ： 电电 子子 点点 火火 系系 统统 、 电电 度度 表表 、 伏伏 安安 表表 、 医医 疗疗 仪仪 器器 、 工工 业业 电电 机机 、 磁磁 力力 簧簧 片片 开开 关关 、 发发 电电 机机 、 手手 动动 工工 具具 、 自自 动动 售售 货货 机机 。 铁铬钴变形永磁合金铁铬钴变形永磁合金烧结烧结NdFeB（钕铁硼）永磁材料（钕铁硼）

10、永磁材料表面处理分电镀（表面处理分电镀（Zn、Ni）、喷涂、电泳、磷）、喷涂、电泳、磷酸钝化等，产品具有强的耐腐蚀性。酸钝化等，产品具有强的耐腐蚀性。 用于手机、用于手机、BB机振动器的烧结机振动器的烧结NdFeB永磁材料永磁材料 用于各种电机的烧结用于各种电机的烧结NdFeB磁瓦磁瓦 用于核磁共振成像仪及磁选机等的烧结用于核磁共振成像仪及磁选机等的烧结NdFeB永磁材料永磁材料 各种规格的环形烧结各种规格的环形烧结NdFeB永磁材料永磁材料 外径外径3mm160mm；内径：内径：1mm140mm 各种规格的圆片形烧结各种规格的圆片形烧结NdFeBNdFeB永磁材料永磁材料 尺寸范围：外径尺寸

11、范围：外径2mm2mm160mm160mm； 厚度：厚度：0.3mm0.3mm60mm 60mm 各种未经表面保护处理的烧结各种未经表面保护处理的烧结NdFeB永磁材料永磁材料 喷涂处理的烧结喷涂处理的烧结NdFeB永磁体永磁体 各种管状烧结各种管状烧结NdFeB永磁材料永磁材料尺寸范围：外径尺寸范围：外径3mm160mm；内径：；内径：1mm140mm 圆柱形的烧结圆柱形的烧结NdFeB永磁体永磁体 软磁材料按成分分类软磁材料按成分分类纯铁和低碳钢。含碳量低于纯铁和低碳钢。含碳量低于0.04，包括电磁纯铁，包括电磁纯铁 、电解铁和羰基铁。其特点是饱和磁化强度高，价格低电解铁和羰基铁。其特点是

12、饱和磁化强度高，价格低廉，加工性能好；但其电阻率低、在交变磁场下涡流廉，加工性能好；但其电阻率低、在交变磁场下涡流损耗大，只适于静态下使用，如制造电磁铁芯、极靴、损耗大，只适于静态下使用，如制造电磁铁芯、极靴、继电器和扬声器磁导体、磁屏蔽罩等。继电器和扬声器磁导体、磁屏蔽罩等。 铁硅系合金。含硅量铁硅系合金。含硅量 0.5 4.8，一般制成薄板，一般制成薄板使用，俗称硅钢片。在纯铁中加入硅后，可消除磁性使用，俗称硅钢片。在纯铁中加入硅后，可消除磁性材料的磁性随使用时间而变化的现象。随着硅含量增材料的磁性随使用时间而变化的现象。随着硅含量增加，热导率降低，脆性增加，饱和磁化强度下降，但加，热导率

13、降低，脆性增加，饱和磁化强度下降，但其电阻率和磁导率高，矫顽力和涡流损耗减小，从而其电阻率和磁导率高，矫顽力和涡流损耗减小，从而可应用到交流领域，制造电机、变压器、继电器、互可应用到交流领域，制造电机、变压器、继电器、互感器等的铁芯。感器等的铁芯。软磁材料按成分分类软磁材料按成分分类铁铝系合金铁铝系合金 。含铝。含铝616，具有较好的软磁性能，具有较好的软磁性能，磁导率和电阻率高，硬度高、耐磨性好，但性脆，主磁导率和电阻率高，硬度高、耐磨性好，但性脆，主要用于制造小型变压器、磁放大器、继电器等的铁芯要用于制造小型变压器、磁放大器、继电器等的铁芯和磁头、超声换能器等。和磁头、超声换能器等。 铁硅

14、铝系合金。在二元铁铝合金中加入硅获得。其铁硅铝系合金。在二元铁铝合金中加入硅获得。其硬度、饱和磁感应强度、磁导率和电阻率都较高。缺硬度、饱和磁感应强度、磁导率和电阻率都较高。缺点是磁性能对成分起伏敏感，脆性大，加工性能差。点是磁性能对成分起伏敏感，脆性大，加工性能差。主要用于音频和视频磁头。主要用于音频和视频磁头。 软磁材料按成分分类软磁材料按成分分类镍铁系合金。镍含量镍铁系合金。镍含量3090，又称坡莫合金，又称坡莫合金，通过合金化元素配比和适当工艺，可控制磁性能，获通过合金化元素配比和适当工艺，可控制磁性能，获得高导磁、恒导磁、矩磁等软磁材料。其塑性高，对得高导磁、恒导磁、矩磁等软磁材料。

15、其塑性高，对应力较敏感，可用作脉冲变压器材料、电感铁芯和功应力较敏感，可用作脉冲变压器材料、电感铁芯和功能磁性材料。能磁性材料。铁钴系合金。钴含量铁钴系合金。钴含量2750。具有较高的饱和。具有较高的饱和磁化强度，电阻率低。适于制造极靴、电机转子和定磁化强度，电阻率低。适于制造极靴、电机转子和定子、小型变压器铁芯等。子、小型变压器铁芯等。 软磁铁氧体。非金属亚铁磁性软磁材料。电阻率高软磁铁氧体。非金属亚铁磁性软磁材料。电阻率高（10-21010m ），饱和磁化强度比金属低，价格），饱和磁化强度比金属低，价格低廉，广泛用作电感元件和变压器元件（见铁氧体）。低廉，广泛用作电感元件和变压器元件（见铁

16、氧体）。 软磁材料按成分分类软磁材料按成分分类非晶态软磁合金。一种无长程有序、无晶粒合金，非晶态软磁合金。一种无长程有序、无晶粒合金，又称金属玻璃，或称非晶金属。其磁导率和电阻率高，又称金属玻璃，或称非晶金属。其磁导率和电阻率高，矫顽力小，对应力不敏感，不存在由晶体结构引起的矫顽力小，对应力不敏感，不存在由晶体结构引起的磁晶各向异性，具有耐蚀和高强度等特点。此外，其磁晶各向异性，具有耐蚀和高强度等特点。此外，其居里点比晶态软磁材料低得多，电能损耗大为降低，居里点比晶态软磁材料低得多，电能损耗大为降低，是一种正在开发利用的新型软磁材料。是一种正在开发利用的新型软磁材料。 超微晶软磁合金。超微晶软

17、磁合金。20世纪世纪80年代发现的一种软磁材年代发现的一种软磁材料。由小于料。由小于50纳米左右的结晶相和非晶态的晶界相组纳米左右的结晶相和非晶态的晶界相组成，具有比晶态和非晶态合金更好的综合性能，不仅成，具有比晶态和非晶态合金更好的综合性能，不仅磁导率高、矫顽力低、铁损耗小，且饱和磁感应强度磁导率高、矫顽力低、铁损耗小，且饱和磁感应强度高、稳定性好。现主要研究的是铁基超微晶合金。高、稳定性好。现主要研究的是铁基超微晶合金。共模电感铁芯共模电感铁芯 磁放大器铁芯磁放大器铁芯 漏电保护开关互感器铁芯漏电保护开关互感器铁芯 大功率开关变压器铁芯大功率开关变压器铁芯 纳米晶开气隙恒电感纳米晶开气隙恒

18、电感 电流电流电压互感器用铁芯电压互感器用铁芯 小型开关电源变压器用环形铁芯小型开关电源变压器用环形铁芯 非晶恒电感非晶恒电感 磁记录的发展历史磁记录的发展历史1898年，一位丹麦工程师伯尔森（年，一位丹麦工程师伯尔森（Ponlsen）将声音用磁的方法记）将声音用磁的方法记录在磁性钢丝上，由此发明了录音电话机录在磁性钢丝上，由此发明了录音电话机 1936年年 利用氧化铁作磁记录介质为一个乐队录音，其录音带一直利用氧化铁作磁记录介质为一个乐队录音，其录音带一直保留到现在。保留到现在。20世纪世纪50年代年代 开发了存储电子计算机数据的硬磁盘技术和磁录像开发了存储电子计算机数据的硬磁盘技术和磁录像

19、技术。技术。60年代年代 出现了体积小的盘式录音磁（记录）带。出现了体积小的盘式录音磁（记录）带。70年代初年代初 开发了存储电子计算机数据的软盘技术和家庭盒式录像开发了存储电子计算机数据的软盘技术和家庭盒式录像磁带磁带80年代年代 磁带摄像机的开发和应用是磁记录技术的又一新的发展。磁带摄像机的开发和应用是磁记录技术的又一新的发展。1996年年 数字式数字式Video磁盘的商品化。磁盘的商品化。1998年，美国年，美国IBM开始采用开始采用GMR磁头量产磁头量产3.5英寸台式电脑英寸台式电脑硬盘，东芝也开始供应配备该磁头的硬盘，东芝也开始供应配备该磁头的2.5英寸笔记本电脑硬盘英寸笔记本电脑硬

20、盘样品。当时的面记录密度约为样品。当时的面记录密度约为3Gbit/平方英寸平方英寸 2004年年 东芝垂直磁记录微硬盘（东芝垂直磁记录微硬盘（MK4007GAL，133GBit/in2)2005年年 希捷垂直磁记录硬盘商业化（希捷垂直磁记录硬盘商业化（130GBit/in2) 磁带磁带 磁盘磁盘 磁卡磁卡磁记录媒体的分类：磁记录媒体的分类： 磁带结构图示磁带结构图示 磁记录介质磁记录介质 磁头磁头磁盘结构磁盘结构4.4 MbyteIBM RAMAC 19552 kbits/in250 x24” dia disks 80 Gbyte Seagate U series 200132.6 Gbits

21、/in22 x 3.5”glass disks特殊功能的磁性材料特殊功能的磁性材料磁弹性材料磁弹性材料磁电阻材料磁电阻材料磁制冷材料磁制冷材料磁流体磁流体磁弹性材料磁弹性材料磁性材料在磁场的作用磁性材料在磁场的作用下形状发生改变，具体下形状发生改变，具体表现可为长度上的伸长表现可为长度上的伸长或缩短，体积上的膨胀或缩短，体积上的膨胀和收缩和收缩磁弹性材料应用模型磁弹性材料应用模型磁电阻材料磁电阻材料磁性材料的电阻在磁场的作用下发生改变的现象磁性材料的电阻在磁场的作用下发生改变的现象Magnetoresistance (MR)磁制冷材料磁制冷材料磁制冷是一种以磁性材料为工质的制冷技术磁制冷是一种以磁性材料为工质的制冷技术 ，基本原理，基本原理是借助磁制冷材料的磁热效应（是借助磁制冷材料的磁热效应（magnetocaloric effect）即磁制冷材料等温磁化时向外界放出热量，而等温退磁即磁制冷材料等温磁化时向外界放出热量，而等温退磁时从外界吸取热量，以达到制冷目的时从外界吸取热量，以达到制冷目的 环境友好：无环境污染和破坏环境友好：无环境污染和破坏高效节能高效节能: 卡诺循环效率可达