磁性材料-第7章

第7章磁性材料大自然中的磁现象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.

熔岩冷却变硬形成岩石的同时，其中铁磁性物质中的磁畴按照地球磁场的方向排列，并被固定下来。大洋底部不会受到大气的风化，因此，海底岩石忠实地记录了它形成时的地球磁场的方向。由于所有物质均具有或强或弱的磁性，如果它们聚集在一起，形成矿床，那么必然对附近区域的地磁场产生干扰，使得地磁场出现异常情况。根据这一点，可以在陆地、海洋或者空中测量大地的磁性，获得地磁图，对地磁图上磁场异常的区域进行分析和进一步勘探，往往可以发现未知的矿藏或者特殊的地质构造。

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。

磁性材料具有能量转换，存储或改变能量状态的功能，是重要的功能材料。磁性材料广泛地应用于计算机、通讯、自动化、音像、电视、仪器和仪表、航空航天、农业、生物与医疗等技术领域。

IBM硬盘的发展在现代战争中，制空权是夺得战役胜利的关键之一。为了躲避敌方雷达的监测，可以在飞机表面涂一层特殊的磁性材料－吸波材料，它可以吸收雷达发射的电磁波，使得雷达电磁波很少发生反射，因此敌方雷达无法探测到雷达回波，不能发现飞机，这就使飞机达到了隐身的目的。这就是“隐形飞机”。隐身技术是目前世界军事

科研领域的一大热点。美国的

F117隐形战斗机便是一个成功运用隐身技术的例子。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，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。

无处不在的磁

现代人好比被“磁海”包围。生物磁性的研究为人类开辟了崭新的视野

……⑴磁性材料的分类①按化学组成分类金属磁性材料、非金属(铁氧体)磁性材料、非晶磁性材料、纳米磁性材料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

⑵磁化强度M

磁化强度M：指材料内部单位体积的磁矩矢量和，单位是安/米（A/m）。宏观磁体由许多具有固有磁矩的原子组成。磁化前，原子磁矩紊乱排列，宏观磁体对外不显示磁性。磁化后，原子磁矩同向平行排列，宏观磁体对外显示的磁性最强。

⑶磁化率及磁导率

磁化率：物体在磁场中被磁化的程度与磁化场的强度有关，其关系为M=χH，χ即为磁化率。

磁导率：磁导率的定义是μ=B/H，是磁化曲线上任意一点上B和H的比值。导磁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灵敏程度。（4）磁感应强度B

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。磁感应强度B：

B=μ0(H+M)，其中H和M分别是磁场强度和磁化强度，μ0是一个系数，叫做真空导磁率。磁感应强度又称为磁通密度，单位是特（T）。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

（5）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)。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。日常使用的电饭锅就利用了磁性材料的居里点的特性。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。①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铁磁性m=~106磁场

（6）物质的磁性②亚铁磁性物质磁矩的排列与磁性的关系亚铁磁性m=10-2~106磁场

如铁氧体(M2+Fe23+O4)、磁铁矿等，是一些复杂的金属化合物，比铁磁体更常见。它们相邻原子的磁矩反向平行，但彼此的强度不相等，具有高磁化率和居里温度。③顺磁性物质存在未成对电子→永久磁矩。在磁场中受微弱的引力，如铂、钯、奥氏体不锈钢、La，Pr，MnAl，FeSO4·7H2O，Gd2O3…；在居里温度以上的铁磁性金属Fe,Co,Ni等。顺磁性m=10-6~10-5磁场

磁矩的排列与磁性的关系④

反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反磁性m=-10-5~-10-6磁场

⑤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。反铁磁性m=10-2~10-5磁场

磁矩的排列与磁性的关系铁磁性材料亚铁磁性材料顺铁性材料反铁磁性材料抗铁磁性材料HM五种磁体的磁化曲线示意图讨论课：软磁材料的特点及应用。硬磁材料的特点及应用。磁记录材料的特点及应用。其它磁性材料的特点及应用。对比画出软磁、硬磁、磁记录材料的典型磁滞回线图。下列物体中使用的是软磁性材料的是（）A．录音机磁头线圈的铁芯

B．录音、录像磁带上的磁性材料

C．电脑用的磁盘

D．电铃上的电磁铁铁芯扬声器的工作原理是：永磁体通过轭铁在磁路的环形气隙中产生一个磁场，和扬声器纸盆相连的音圈插入环形气隙中，永磁体被外部的轭铁所包围，从而可以免遭外界杂散磁场的干扰，反过来也可以减小永磁体磁场对外界的影响，当声音以电流的形式通过磁场时线圈便会因电流强弱的变化产生不同频率的震动，进而带动纸盆发出不同频率和强弱的声音。其中磁体用稀土永磁钕铁硼代替传统的铁氧体或铝镍钴等磁体，不但能使扬声器的灵敏度提高，还可使磁体用量大大减少。在传播的功率不变的情况下使扬声器做得小型化、薄型化、轻型化。由于这一特点为各种电器设备、家用电器、汽车用音响提供轻巧的可能性。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属煲内产生一感应电场。金属煲内的电子受电场影响进行运动。由于有电阻，电子运动时会放出大量热能，这些热能便可用作煮食。金属煲的电阻必须足够大，才能产生足够的热量，所以一般只能选用铁和不不锈钢煲，铜煲就不大可能，更不能用玻璃、陶瓷、塑料等。7.1软磁材料定义：能够迅速响应外磁场的变化，且能低损耗地获得高磁感应强度的材料。特点：既容易受外加磁场磁化，又容易退磁。磁导率大，矫顽力小(Hc≤100A/m)，磁滞损耗低，磁滞回线呈细长条形。

软磁材料磁滞回线*对软磁材料的基本要求有：（1）初始磁导率i和最大磁导率max要高；（2）矫顽力Hc要小；（3）饱和磁感应强度MS要高；（4）功率损耗P要低;（5）高的稳定性。*主要的软磁材料：(1)铁-硅(Fe-Si)系软磁材料，常称硅钢片，是含硅量在3%左右、其它主要是铁的硅铁合金。硅钢片大量用于中低频变压器和电机铁芯，尤其是工频变压器。(2)坡莫合金，即铁镍合金，其含镍量的范围很广，在35%－90%之间。坡莫合金的最大特点是具有很高的弱磁场导磁率，饱和磁感应强度一般在0.6—1.0T之间。(3)软磁铁氧体材料，铁氧体是一系列含有氧化铁的复合氧化物材料（或者称为陶瓷材料）。20世纪50年代至90年代独占鳌头。软磁铁氧体的特点是饱和磁感应强度很低（0.5T以下），但导磁率比较高，而且电阻率很高，铁氧体最广泛的用途是高频变压器铁芯和各种电感铁芯。(4)非晶软磁材料和纳米晶软磁材料。90年代后，优异的磁性、耐蚀性、耐磨性、高的强度、硬度和韧性，高的电阻率和机电耦合性能等。由于它的性能优异、工艺简单，但性价比略差。7.2硬磁材料硬磁材料磁滞回线磁化后不易退磁，而能长期保留磁性的材料称为硬磁材料，因而也称永磁材料或恒磁材料。磁滞回线包围面积大，(Hc≥400A/m)矫顽力大。

*7.2.1基本要求：(1)高的最大磁能积。最大磁能积(BH)m是永磁材料单位体积存储和可利用的最大磁能量密度的量度；(2)高的矫顽力。矫顽力Hc是永磁材料抵抗磁的和非磁的干扰而保持其永磁性的量度；(3)高的剩余磁通密度Br和高的剩余磁化强度Mr。它们是具有空气隙的永磁材料的气隙中磁场强度的量度；(4)高的稳定性，即对外加干扰磁场和温度、震动等环境因素变化的高稳定性。硬磁材料种类：(1)金属永磁材料。以铁和铁族元素(如镍、钴等)为主要组元的合金型永磁材料，永磁性能和成本属于中等，发展较早。(2)铁氧体永磁材料。主要有钡铁氧体和锶铁氧体

。其特点是电阻率高，特别有利于在高频和微波应用。20世纪30年代永磁铁氧体基本上取代了金属永磁材料。(3)稀土永磁材料。当前已知的综合性能最高的一种永磁材料，为稀土元素和铁族元素为主要成分的金属间化合物。NdFeB系永磁体被称为“永磁王”，是目前磁性最高的永磁材料。(4)近年来：纳米双相永磁材料，RE(稀土元素)-Fe-N系永磁体。1.铝镍钴系永磁铝镍钴系永磁主要有Fe及Al、Ni、Co组成，有良好的磁特性和热稳定性，剩余磁感应强度高，磁能积大，矫顽力适中，但硬而脆，难以加工，主要用铸造和粉末烧结两种方法成形。2.硬磁铁氧体主要有两类：一类是CoFe2O4-Fe2O3；另一类是BaO-xFe2O3。硬磁铁氧体可用作永磁体，用于高频磁场领域。由于Hc值大，可制成片状或粉末状，应用在与橡胶和树脂混合制成的复合磁铁上。软磁铁氧体要求具有较大的矫顽力Hc、较高的剩余磁Br和高的最大磁积能（BH）max。3.稀土硬磁材料稀土硬磁合金包括稀土钴和稀土铁系金属间化合物，为硬磁材料中性能最高的一类。其中最著名的是钕铁硼永磁合金，号称磁王，具有其它永磁材料所不及的高矫顽力和最大磁能积，而且体积小、重量轻、效率高、成本较低等特点。不含战略物质Co和Ni，它能吸起相当于自重640倍的重物，而铁氧体只能吸起自重的120倍。如一台核磁共振成像仪需用铁氧体永磁材料100t，而改用钕铁硼永磁后，仅需10t。4双相纳米晶复合永磁材料*问题提出：能否得到一种磁体，使其既具有硬磁性相的高内禀矫顽力又具有软磁性相的饱和磁化强度高、易充磁的优点。*解决方案：多相复合磁体－即硬磁相基体中均匀分布有软磁相颗粒，可全面解决上述问题。7.3信息磁性材料在信息技术中获得应用的磁性材料统称。日前研究和应用的信息磁性材料有磁存储材料、磁记录材料、磁微波材料、磁光效应材料。7.3.1矩磁材料—磁存储材料磁滞回线近似矩形的磁性材料，结晶各向异性，应力各向异性。

若外加的正向脉冲电流，那么在电流消失后磁感应强度是处在+Br状态(正剩磁状态)。反之，当外加负向脉冲电流时，磁感应强度B将处在-Br状态(负剩磁状态)。这就是说，当磁性材料被磁化后，会形成两个稳定的剩磁状态，就像触发器电路有两个稳定的状态一样。磁性材料上呈现剩磁状态的地方形成了一个磁化元或存储元，它是记录一个二进制信息位的最小单位。1.磁存储原理由于计算机采用两进制，即只有“0”和“1”两个数码，所以采用这种材料的两种剩磁状态+Bm和-Bm就可以分别代表两个数码1和0，起到记录作用。因此矩磁材料适于做信息存储元件。磁记录介质——磁表面存储计算机的外存储器又称磁表面存储设备，是用硬磁性（矩磁）材料薄薄地涂在金属铝、玻璃或塑料表面作载磁体来存储信息。硬盘存储器、磁带存储器等均属于磁表面存储器。磁表面存储器的优点：(1)存储容量大，价格低；(2)记录介质可以重复使用；(3)记录信息可以长期保存而不丢失，甚至可以脱机存档；(4)非破坏性读出，读出时不需要再生信息。磁表面存储器的缺点：存取速度较慢，机械结构复杂，对工作环境要求较高。常用的矩磁材料

在常温使用的矩磁材料有(Mn-Mg)Fe2O4系，(Mn-Cu)Fe2O4系，(Mn-Ni)Fe2O4系等。在-65℃~+125℃较宽范围使用的矩磁铁氧体有Li-Mn，Li-Ni，Mn-Ni，Li-Cu等。7.3.2磁记录材料

在磁记录(称为写入)过程中，首先将声音、图像、数字等信息转变为电信号，再通过记录磁头转变为磁信号，记录磁头便将磁信号保存(记录)在磁记录介质材料中。在需要取出记录在磁记录介质材料中的信息时，只要经过同磁记录(写入)过程相反的过程(称为读出过程)，即将磁记录介质材料中的磁信号通过读出磁头，将磁信号转变为电信号，再将电信号转变为声音(类似电话)、图像(类似电视)或数字(类似计算机)。1.磁头材料磁头的基本功能是与磁记录介质构成磁性回路,对信号进行加工,包括记录、重放和消磁（抹除信息）三种功能。磁头工作原理有二种：磁阻式和磁感应式，磁阻式磁头只能读出。写入：磁感应磁头记录信号时，在磁头线圈中通入信号电流，就会在缝隙产生磁场溢出，则剩磁沿着介质长度方向上的演变规律完全反映信号变化规律，这就是记录信号的基本过程。要求高磁导率、高磁感应强度。读出：如何读出记录在磁表面上的二进制代码信息呢？也就是说，如何判断载磁体上信息的不同剩磁状态呢？当磁头经过载磁体的磁化元时，由于磁头铁芯是良好的导磁材料，磁化元的磁力线很容易通过磁头而形成闭合磁通回路。不同极性的磁化元在铁芯里的方向是不同的。当磁头对载磁体作相对运动时，由于磁头铁芯中磁通的变化，使读出线圈中感应出相应的电动势e。要求：高磁导率、高磁感应强度、低的Br和Hc高的电阻率和耐磨性发展：随着磁记录介质的矫顽力的提高，原有的磁头材料如坡莫合金(4%Mo,17%Fe-Ni)难以满足要求,非晶态磁性材料就是新开发出的磁头材料。7.3.3磁微波材料

磁微波材料是微波电子学技术中常用的材料。雷达、卫星通信、电子战和射电天文学等都是微波电子学技术的重要应用。旋磁材料微波吸收材料其它应用1.旋磁材料能使作用于它的电磁波发生一定角度偏转的材料称为旋磁材料。

应用于各种正反传播方向的特性不同的非互易微波器件，如正反传播方向的阻抗很不相同的旋磁隔离器和旋磁环行器等，所用的旋磁材料主要是高旋磁性高电阻率的旋磁铁氧体材料，如石榴石型的钇铁氧体(Y3Fe5O12)系统，磁铅石型的钡铁氧体(BaFe12O19)系统等。2.磁微波吸收材料应用于各种吸收微波的器件和设备中，要求磁微波吸收材料具有高的电磁波吸收系数和宽的电磁波吸收频带，在这方面应用的有以磁性金属粉末或薄膜为组元的复合吸收材料，六角晶系复合铁氧体等。隐形飞机涂层：软磁铁氧体化合物在高频状态下损耗增大来吸收电磁波。

Mg-Mn，Mg-Mn-Al，Mg-Al，Mg-Al，Mg-Cr，Ni-Mg，Ni-Zn，Ni-Al，Ni-Cr铁氧体，Li-Al，Li-Mg铁氧体等。

3.其它应用用于与输送微波的波导管或传输线等组成的各种微波器件，微波电子管如磁控管、行波管、返波管和自由电子激射器等中所用的永磁材料等。

7.4压磁材料——磁致伸缩材料在磁化时,长度会发生伸长或缩短变化的材料称为压磁材料或磁致伸缩材料。这种材料具有电磁能与机械能或声能的相互转换功能，是重要的磁功能材料之一。传统磁致伸缩材料、Fe，Co，Ni基合金及铁氧体、稀土磁致伸缩材料REFe2Λ：为磁致伸缩系数常用磁致伸缩材料室温下的饱和磁致伸缩系数为10-8~10-6Fe随磁场强度的增大而伸长Ni随磁场强度的增大而缩短1.在磁（电）-声换能器中的应用声纳、超声换能器、扬声器等。2.在磁(电)-机械致动器中的应用精密流体控制、超精密加工、超精密定位、机器人、精密阀门、微马达以及振动控制等工程领域。3.传感器敏感元件超磁致伸缩材料除用于驱动之外，利用其磁致伸缩效应或逆效应还可以制作检测磁场、电流、应变、位移、扭矩、压力和加速度等的传感器敏感元件。磁致伸缩液位传感器，可实现对液位的高精度计量,其测量分辨率高于0.11mm。压磁材料的应用7.5巨磁电阻材料磁电阻效应（MR)是指某些铁磁性材料在受到外加磁场作用时引起电阻变化的现象，不论磁场与电流方向平行还是垂直，都将产生磁电阻效应。2007年诺贝尔物理学奖授予法国科学家阿尔贝费尔和德国科学家彼得格林贝格尔，以表彰他们发现了“巨磁电阻”效应GMR。磁电阻MR效应，η=2%-3%1988年，巨磁电阻GMR效应，η=50%

199