第3章材料的磁学

第三章材料的磁学3.1原子磁性及材料磁性3.2磁学量及材料磁性分类3.3铁磁性和亚铁磁性3.4自发磁化和技术磁化3.5磁性材料及其应用磁性与磁学

磁性是原子及物质最基本的属性之一。广义上，一切原子及物质均具有“磁性”。材料的磁学：研究和阐明固体材料磁性起源、磁性结构及其联系的学科，促进对材料磁性的利用和开发。磁性材料

基于材料磁学原理，开发的一类基础性功能材料。磁性材料已经形成了一个庞大的家族，按材料的磁特性来划分，有软磁、永磁、旋磁、记忆磁、压磁等；按材料构成来划分，有合金磁性材料，铁氧体磁性材料。3.1原子磁性及材料磁性1.原子的磁性JJ耦合:各电子的L、S相互作用强，先耦合为该电子的总磁矩，再叠加为原子总磁矩

；（Z>88)JJ+LS(Z=33~88)LS耦合:各电子的L、S相互作用弱，先各自耦合为总L、总S，再叠加为原子总磁矩

；（Z<33)LS耦合:2.材料（固体）的磁性原子磁矩磁化强度铁磁性顺磁性宏观材料磁畴多晶组织微观宏观(2)磁矩（m）环形电流周围的磁场定价于磁偶极子周围的磁场3.2磁学量及材料磁性分类NSNS1.磁学量

电场强度E电偶极距磁偶极矩(1)磁场强度H磁力矩:磁矩m在外磁场H中受到的磁场力距：静磁能：磁矩在外磁场作用下具有的势能：(3)磁化强度M磁化：在外磁场作用下，材料内部随机取向的磁矩在磁力作用下旋转，沿外磁场一致排列，物质被诱导出宏观磁矩M，从而显示宏观磁性。

磁化强度：HSSNN磁化率/系数M外加磁场H在介质中感应的磁场大小（磁力线密度）B，是磁化的综合结果。

对于真空：对于磁介质：（4）

磁感应强度B真空磁导率相对磁导率磁学及电学各基本参量的类比磁学参量电学参量磁化：磁介质在磁场中的变化磁场强度：（真空）磁化强度：

磁感应强度：磁通密度

磁化率：相对磁导率：绝对磁导率：

极化：电介质在电场中的变化电场强度：（真空）极化强度：电感应强度：电通密度极化率：相对介电常数：绝对介电常数：2.物质的磁性分类根据物质的磁化率，可以把物质的磁性大致分为五类。根据的关系，作出磁化曲线。（1）抗磁体在磁场中受微弱斥力。金属中一般简单金属为抗磁体。经典抗磁体：不随温度变化，如铜、银、金、汞、锌等。反常抗磁体：随温度变化，如铋、镓、锑等。（～10-6）（2）顺磁体（10-6～10-3

）在磁场中受微弱吸引力。正常顺磁体：其随温度变化符合反比关系，如金属铂、钯、奥氏体不锈钢、稀土金属等。

与温度无关的顺磁体，如锂、钠、钾、铷等金属。（3）铁磁体（值很大，且与外磁场呈非线性关系变化）如铁、钴、镍等。铁磁体在温度高于某临界温度后变成顺磁体。此临界温度称为居里温度或居里点，用Tc表示。所以，居里温度是铁磁体或亚铁磁体的相变转变点。（4）亚铁磁体（值没有铁磁体那样大）磁铁矿、铁氧体都属于亚铁磁体。亚铁磁性材料：不同原子的磁矩反向平行排列，抵消后的剩余磁矩。（5）反铁磁体（是小的正数。）温度低于某温度时，它的磁化率同磁场的取向有关；高于这个温度，其行为像顺磁体。如、铬、氧化镍、氧化锰等。BaO·6Fe2O31磁化及磁滞回线不同物质磁学特性不同，主要特点表现在磁化曲线及磁滞回线上。1.磁化曲线的三种表达形式2.磁滞回线：即为M－H或B－H变化规律曲线.磁滞现象：顾名思义即物质在磁场中的磁化存在某种阻滞，故M－H或B－H变化不是线性的（非线性）由图可看出：铁磁体磁化时，磁化强度M(B)与磁场强度H间不是简单的线性比例关系。2.3铁磁性和亚铁磁性H-M磁滞回线P-E电滞回线退极化曲线1）坐标2）曲线3）结构4）磁导率4）指纹磁滞回线：在正磁化－退磁－反磁化－退磁－正磁化完成一次循环，M-H曲线或B-H曲线构成一个封闭回路。磁滞现象：退磁过程中M的变化落后于H的变化，无法同时归零。本质是磁畴壁在运动中受到阻力，不可逆，很难恢复到原来的形状。

磁滞损耗/磁化功：磁滞回线所包围的面积表征磁化一周时所消耗的功，内因：克服交换能、磁弹性能。

最大磁能积

(BH)max

第二象限内磁感应强度和磁场强度乘积的最大值。

硬磁、软磁材料：

硬磁：高Br、高Hc，

软磁：低HC、高磁导率Fe,Co,Ni,NbFeB，硅钢，纯铁概括：7.2.2

与磁化相关的能量磁化与磁畴活动有关，磁畴大小、形状、取向与铁磁体的磁晶各向异性能、退磁场能、磁弹性能、交换能等有关。这些能量对铁磁体的磁化结构和磁参量具有最重要的影响：组织结构：磁畴、晶体磁性性能：M、B、μini、Br、Hc等（1）磁晶各向异性能E

k

在单晶体的不同晶向上，磁性能（自发磁化）是不同的，称为磁晶各向异性，因此消耗的磁化功不同。[100][110][111]α、β、γ

为M与三个晶轴的方向余弦，K0、

K1、K2代表晶体各向异性常数。磁晶各向异性起源，可按自旋－轨道相互作用模型解释：一、电子轨道磁距产生的磁场对电子自旋运动作用，使轨道和自旋间存在耦合作用；二、受晶体场影响，原子磁距倾向于在晶体的某些方向上能量最低，而在另一些方向上能量高。原子磁距最低的方向为易磁化方向，而能量高的方向为难磁化方向。在无磁场作用的平衡状态下，原子磁距倾向于排列在易磁化方向上。（2）退磁能E

d

材料磁化后，内部的总磁场要小于外加磁场，因为磁化后端面形成磁极，与外加磁场反向，相互抵消所致。SSNNHd退磁场的存在抵消了磁化强度，故对磁化起阻碍作用HN退磁因子，越大越难磁化M球形样品：a=b=c,Nx=Ny=Nz=1/3棒状样品：a≫b=c,Nx=0,Ny=Nz=1/2薄圆盘样品：a≪b,c,Nx=1,Ny=Nz=0退磁因子与材料形状有密切关系：xx（3）磁弹性能Eσ材料在磁化时要伸长（或收缩），这一过程如受限制，则在物体内部产生应力、应变。这样，物体内部将产生弹性能，称为磁弹性能。材料的内部缺陷、杂质等都可能增加其磁弹性能。对多晶体，磁化时由于应力的存在而引起的磁弹性能可由下式计算：是磁化方向和应力方向的夹角，是材料所受应力为饱和磁致伸缩系数（4）交换作用能Eex

原子磁矩+交换作用自发磁化铁磁物质原子磁距趋向于平行排列，即自发磁化至饱和，称为自发磁化。对于过渡金属原子，其3d、4s轨道能量相差不大，3d具有空轨道，当它们形成晶体时，电子云重叠使s、d轨道电子再分配、交换，这种交换产生一种交换能Eex。

J交换积分常数，S自旋角动量当J>0，交换能最小，要求相邻自旋角动量平行排列，即磁距自发磁化（铁磁性）；当J<0，要求反向排列（反铁磁性）其它条件：

P3047.2.3磁畴与自发磁化(1)磁畴自发磁化（固有磁距平行）源于交换耦合（能）。交换作用使整个晶体自发磁化到饱和，磁化强度方向沿着晶体内的易磁化轴，使磁晶体内交换能和磁晶各向异性能都达到极小值。但必然在其端面处产生磁极，产生退磁场，从而增加了退磁能。这个退磁能将要破坏已经形成的自发磁化。两个矛盾相互作用使大磁畴分割为小磁畴，以减少退磁能，分畴减小了退磁能，但增加了畴壁能，故过程将终止于二者的平衡。自发磁化分畴不分畴(a)图是整个晶体均匀磁化，退磁场能最大。分为两个或四个平行反向的自发磁化的区域(b),(C)可以大大减少退磁能。如果分为n个磁畴，能量减少1/n，但是相邻磁畴壁的存在，又增加了一部分畴壁能。因此自发磁化区域(磁畴)的形成不可能是无限的，而是畴壁能与退磁场能的和为极小值为条件。形成如图d，e的封闭畴将进一步降低退磁能，但是封闭畴中的磁化强度方向垂直单轴各向异性方向，因此将增加各向异性能。

钴单晶磁畴的形成过程相邻的两个磁畴内的磁化强度方向常常是反平行或相互垂直，称为1800畴壁和900畴壁，在畴壁中磁化矢量是逐步转变的。举1800畴壁为例，畴壁交换能↓

：交换能的面密度：a为晶格常数，Na畴壁厚

磁晶各向异性能密度↑

：畴壁总能密度：（2）磁畴壁

退磁能密度↑

：突然反转：逐渐转向：求能量极小值－最佳层数对于铁的1800畴壁,0=1800=，得到对铁尔格/厘米2得到

单畴颗粒：当磁性材料小到某一尺寸，以至于形成单畴的退磁能小于形成多畴的畴壁能时，磁性材料就以单畴（整畴）存在一个球形的铁磁颗粒的退磁能为如分为四个畴，畴壁能为能量平衡条件：单畴临界半径：严格解：S颗粒表面积，a0为晶格常数。Z对于简单立方，体心立方，面心立方，分别为1、2、4。(a)分畴(b）不分畴分畴不分畴7.3磁性材料的动态特征（交流磁性能）

必要性：磁性材料尤其是软磁材料在交变磁场条件下工作，磁化过程是动态的，从一个磁化状态过渡到另一磁化状态需要时间。该时间与磁场变化的周期或频率有很重要的关系。因此，需要研究磁化动态特征。

工程应用：电机、变压器铁芯，中高频电子器件，如微波器件等等。

目的：获得动态磁化的一般规律，如损耗机理、磁滞效应及频率依赖性，设计和正确使用磁性材料尤其是软磁材料。DC

1kHz

10kHz

B/TH/Am-1不同频率下79Ni4MoFe材料的磁滞回线比较

Bm-Hm

1、形状大体相似；2、与频率有关频率升高，涡流损耗上升，磁损增大，交流幅值磁场减小；回线区增大（椭圆形），磁化所需的磁场强度增大。0.06mm7.3.1高频磁导率

磁性材料在交变磁场下磁化，因为损耗的出现，磁感应强度B或磁化强度M一般滞后一个相角，表示为：令tan叫做损耗因子，Q＝1/tan，称为软磁材料的品质因子。弹性磁导率粘滞磁导率一个周期内，单位铁磁体的平均能量损耗或磁损规律密度P耗：一个周期内，单位铁磁体储存的平均磁能密度：磁滞损耗Pn：磁化功，在低频区域最重要的损耗是磁滞损耗(磁滞回线所包围的面积)。磁化强度的幅值很小，对应于瑞利区，磁滞损耗依赖于磁场的幅值。在高频区，作为磁滞损耗的主要来源于，不可逆的畴壁位移（M的转动）被阻尼。

涡流损耗Pe：电磁感应加热引起，功率损耗与频率的平方成正比。减小涡流损耗的一种方法是在与磁化强度垂直的一个或两个方向上减小材料的尺寸，尽量使用薄片或丝，例如硅钢片。提高材料电阻率是减小涡流损耗最有效的方法，例如铁氧体。7.3.2交变磁场作用下的能量损耗

剩余损耗Pc：在低频和弱磁场条件下，剩余损耗主要是磁后效引起的。在突然施加磁场H后，磁化强度M的变化被延迟的现象叫磁后效magneticafter-effect。

为弛豫时间，表示B=0→Bm所需的特征时间，可用B=0→0.63Bm时间代表。

7.4磁性材料及其应用(1)软磁材料高磁导率，高饱和磁感应强度，磁化容易；矫顽力小（畴壁易运动），磁滞回线很窄，有剩磁，退磁容易；磁滞损耗低，损耗源于沉淀相和杂质对畴壁的钉扎作用7.4.1铁磁材料分类措施：1）增加纯度，减小不均匀性2）减小各向异性3）减小电阻率。按矫顽力分类，Hc<1KA/m为软磁材料，Hc

>40KA/m为永磁材料。

软磁材料主要应用磁路：变压器、继电器的磁芯(铁芯)、电动机转子和定子、磁路中的连接元件、感应圈铁芯。（利用高导磁率、低损耗）磁极：电磁极头、电子计算机开关元件和存储元件等。

（利用饱和磁化强度高）电磁屏蔽：磁屏蔽、吸波材料（利用导磁率高、导电性）

剩磁电阻磁极导磁磁极导磁中频高频低频

P324－327

(2)硬磁材料硬磁材料又称永磁材料，难于磁化又难于退磁。主要特

矫顽力大，典型值Hc＝104～106A/m；

剩磁大，适合做永磁极；磁滞回线较粗，具有较高的最大磁能积(BH)max；硬磁性材料如碳钢、铝镍钴合金、稀土永磁体等。

主要用途应用用于制造各种永磁体，以便提供磁场空间；可用于各类电表和电话、录音机、电视机中以及利用磁性牵引力的举重器、分料器和选矿器中。主要分为Fe-Cr-Co合金，Tc高Al-Ni-Co合金，Tc高硬磁铁氧体材料，Tc中稀土永磁材料，Tc低一类是钴基稀土永磁材料，主要代表是SmCo5烧结永磁体和Sm2Co17多相沉淀硬化永磁材料。它们的缺点是脆，加工性稍差，造价高，因为Co贵。一类是钕铁硼(Nd-Fe-B)系合金，是目前工业用硬磁材料磁能积最高的品种。优点Br、Hc大，缺点是温度稳定性，抗腐蚀性稍差。

Hc<1KA/m为软磁材料，Hc

>40KA/m为永磁材料

一．Al-Ni-Co合金(1960)它们是含有Al、Ni、Co加上3%Cu的铁基系合金,以磁性能高稳定性好著称。脆性，铸造/粉末冶金。第一章广泛应用的合金永磁体。用于仪表、电机器件上，例如，发电机、电动机、继电器和磁电机；电子行业中的应用如扬声器、电话耳机和受话器。

Al-Ni-Co具有高(BH)max=40~70kJ/ｍ3，高剩磁Br=0.7~1.35Ｔ，适中的矫顽力Hc＝40~160kA/m。二．

Fe-Cr-Co合金(1980)

它是1971年Kaneko等研制的永磁材料，它具有良好的延展性和可成型性，作为冲压件、薄带材及线材，由于Fe-Cr-Co的冷加工变形性好，允许高速室温成型成杯状，这是别的合金不能做到的。它是在Fe-Cr合金基础上发展的，Fe-Cr合金在475oC发生Spinodal分解。

α→α１+α２，产生富铁的铁磁相α１和富铬的、低磁性相α２，具有永磁性能

。但铬使Br、Tc降低，在Fe-Cr合金基础上加入Co,形成Fe-Cr-Co合金。

Co使Br、Tc提高,Spinodal分解温度提高。

成分，W/%

Bs,THc,kA.m-1(BH)max,kJ.m-325Co-30Cr-3Mo-1Ni1.086.436.015Co-23Cr-2Mo-0.5Ti1.456.059.215Co-22Cr-1.5Ti1.5650.966.115Co-24Cr-3Mo-1.0Ti1.5466.975.34Co-30Cr-1.5Ti1.2545.439.823Co-33Cr-2Cu1.386.078.0

三、硬磁铁氧体硬磁铁氧体是非导电化合物，其阳离子为过渡族金属。在铁氧体中金属离子处于四面体为A位、八面体为B位。从配位情况看，金属离子最近邻都是阴离子，金属离子间电子壳层几乎不能交叠，直接交换作用不适用了，磁性被认为来源于间接交换作用（或叫超交换作用）。

磁铅石型铁氧体：一般式是MO.6Fe2O3,这里M代表二价金属Ba、Sr、Pb；常用的为钡铁氧体(BaO·6Fe2O3)、锶铁氧体(SrO·6Fe2O3)和铅铁氧体(PbO·6Fe2O3)。

烧结成型。

成分

Bs,THc,kA.m-1(BH)max,kJ.m-3Y300.38～0.42160－21626.3－29.5Y350.40～0.44176－22430.3－33.4Y15H≥0.31232－248≥17.5Y20H≥0.34248－264≥21.5Y25BH0.