电子材料：第一章 基础知识点复习

第一章

基础知识点复习磨刀不误砍材工在我们具体讲各种磁性材料与应用之前,我们先回顾一下基础知识!1.磁性材料的分类你知道有哪些磁性材料?

如何将磁性材料进行分类?（性能上分；结晶状态；晶粒大小；材料形貌；使用温度；磁效应）按m的排列分主要有哪几种?FM；AFM;PM;FERRI;按Hc的大小分,铁磁性材料分为哪几种?2.磁滞曲线请划出M–H曲线,B-H曲线;请标出Hc,Mr,Br,Ms,Bs,

i，微分磁导率；磁化系数、磁导率的定义是什么？3.磁性物质的磁结构4.五种磁性的磁化率温度曲线(x-T)5.某些物质的磁化率和磁导率磁性物质名称磁化率抗磁体Cu-1.010-5Zn-1.410-5Au-3.210-5顺磁Al2.210-5空气3610-8反铁磁FeO0.78CoO0.78Cr2O30.76NiO0.67磁性物质名称磁化率铁磁体Fe1.4106Co1103Ni1106Fe-Si(3.5%)7104AlNiCo~10铁氧体Fe3O41102NiFe2O411036.各种情况下的磁场强度（A.m-1)1014中子星的表面108爆聚磁体（持续微秒）2~5×107脉冲电磁铁（持续微秒）1~3×107高场电磁铁1~1.5×107超导电磁体1~2×106实验电磁铁1×106最强的永磁体102地球表面磁场10电子机械的杂散磁场1都市磁噪声5×10-2地磁异常图的轮廓值10-4磁性心电图10-5胎儿心跳10-6人脑的磁场10-8SQUIDS可探测的极限7.各种材料的居里温度材料居里温度（oC）铁770镍358钴1130Gd20Tefernol380~430Nd2Fe14B312铝镍钴850SmCo5720Sm2Co17810硬磁铁氧体400~700钡铁氧体4508.影响磁性材料磁性能的因素Composition(成份)Crystallinestructure(晶体结构)Microstructures(微观结构)Domain(磁畴)Magnetizationprocess(磁化机制)磁性能学好本课程的总思路！外在的因素外加的应力、温度、磁场大小、振动、时间、腐蚀、氧化、交变磁场的频率、电阻率等等；内在的因素9.10.11.磁化和反磁化过程的各个阶段磁化曲线磁化曲线和磁滞回线表征了铁磁物质在磁场中行为的基本特征。磁化率、磁导率、矫顽力、剩余磁感强度等都是对结构敏感的性质磁化曲线磁化曲线图中的1区起始或者可逆区域（弱磁场下）M＝xH,呈线性关系磁化曲线图中的2区瑞利（Rayleigh）区域（弱磁场下）上述两个阶段是畴壁随磁场的可逆位移，若移去磁场则整个样品将恢复至退磁状态。磁化曲线图中的3区最大磁导率的区域（中等磁场下)这个阶段是不可逆的磁化过程。磁畴的结构发生突变。磁化曲线图中的4区趋近饱和区域（强磁场下）这个阶段是磁畴磁矩的转动。随着外磁场的进一步增加，样品内的畸壁位移已基本上进行完毕，只有靠磁畴内磁矩的转动才能使磁化强度增加。顺磁磁化的过程图中的5区技术饱和以上的区域属于类似顺磁磁化的过程）技术磁化过程磁化曲线在弱磁场范围内（上图的1、2、3区），畴壁位移过程起着主要作用；在强磁场区域（图中区域4），磁畴转动过程起着主要作用——需要的能量较高的缘故；5区需要克服磁矩间的交换作用。需要的磁场更大。问题：什么是磁畴？为什么会在铁磁性材料中会形成磁畴？什么是磁畴壁？在外加磁场下，磁畴会如何变化？12.磁畴的运动

当180°的畴壁位移∆x距离后，能量的变化为：

其中：A为畴壁面积作用于单位面积畴壁上的力为3.高表面能畴壁（刚性畴壁）的平面位移（势能近似）（1）刚性wall倾向于保持平面形状磁化畴，外加H给这个系统提供的能量为：如果设单位截面积（A=1）180°畴壁位移dx，M的变化为：

Ox

X

在外加H下，180°wall的位移大小x按如下方法来计算：当a小时，x大（对于小势阱）当a大时，x小（对于大势阱）

4.柔性低能wall的运动wall弯曲程度的影响因素

（1）H；（2）wall的能量γ；（3）夹杂物的大小

其中γ是主要因素，低能的wall易于弯曲，高能的wall易于平行运动

wall

对于柱形弯曲，磁矩的变化为：

平衡态下，磁场产生的力必须等于wall的表面张力

对柱形wall弯曲，可用曲率半径来表示作用在wall上的力:

13.某些纯金属的铁磁性

13.1.Fe,Co,Ni,Cr,Mn等Fe纯Fe的晶体结构与磁性能在常压下,当T<910C时,具有b.c.c结构,为-Fe,

Tc=770C.

易磁化方向为<100>,难磁化方向为<111>;当910C<T<1400C时,转变为面心立方的-Fe;当T>1400C时,晶体结构为b.c.c.结构的-Fe;当在室温下加压时,约在140千帕下转变为具有六方结构的-Fe.-Fe,-Fe,-Fe为顺磁性物质;Tc=358CNiTc=1117CCoFe,Co,Ni磁性来源于3d电子的交换相互作用;Cr,Mn的磁性:在常温下,Cr和Mn下为bcc结构,单独存在时,但它的原子间距较近时,由于直接交换作用,它的磁结构为为AFM;当间距较大时,若能通过别的原子作为媒介的超交换作用,或通过传导电子作为媒介的s-d相互作用就可以产生平行取向.故Cr,Mn和其它元素组成合金或化合物后就常常显示出亚铁磁性或铁磁性。⑴结构主要指原子序数为57（La）至71（Lu）的15个元素，加上性质类似的Y和Sc；晶体结构大都为密排六方结构。⑵磁性

Gd从0K到居里温度293K只表现出纯粹的铁磁性，但磁矩的取向随温度而变。

Gd以前的轻稀土Ce、Nd、Sm具有反铁磁性。重稀土金属Tb、Dy、Ho、Er、Tm表现为铁磁性或亚铁磁性。Y、Sc、La、Yb、Lu为非磁性稀土元素，但Y、Sc、Yb的离子具有磁矩。13.2稀土族元素的结构和磁性14.

磁性材料中可能存在的各种磁各向异性磁晶各向异性的宏观描述：磁性晶体材料所固有的,反映出结晶磁体的磁化难易与晶轴方向有关的特性；（只能在单晶体测量M-H曲线的方向性）单晶体：原子离子按同一方式有规则地周期性排列组成的固体。多晶体：由许多取向不同的单晶体组成的固体。（1）、Fe、Co、Ni单晶的磁化曲线可见三种单晶体沿不同晶轴方向磁化可以得到不同的磁化曲线（这种特性称为磁晶各向异性，是铁磁体单晶的一种普遍属性），而且沿不同的晶轴方向磁化到饱和的难易程度相差甚大。易磁化方向与难磁化方向

易磁化方向是能量最低的方向，所以自发磁化形成磁畴的磁矩取这些方向，在较弱的H下，磁化就很强甚至饱和。14.1磁晶各向异性能易磁化轴与难磁化轴：易磁化方向对应的晶轴称为易磁化轴

Fe：易轴[100]，难轴[111]Ni：易轴[111]，难轴[100]Co：易轴[0001]，难轴[1010]（2）、磁化功——铁磁体磁化时所需要的磁化能沿铁磁晶体不同的晶轴方向上，磁化到饱和时所需要的磁化能不同：上式表明：铁磁体从退磁状态磁化到饱和状态时，所需要的磁化能在数值上等于磁化曲线与纵轴之间所包围的面积。MHMsO（3）、磁晶各向异性能定义：饱和磁化强度矢量在铁磁体中取不同方向而改变的能量。只与磁化强度矢量在晶体中相对的取向有关。在易磁化轴上，磁晶各向异性能最小，Ms与磁畴取向它最稳定；在难磁化轴上，磁晶各向异性能最大，Ms与磁畴取向它不稳定。（4）、磁晶各向异性常数（用以表示单晶体磁各向异性的强弱）对于立方晶体，定义为：单位体积的铁磁体沿[111]轴与沿[100]轴饱和磁化所耗费的能量差。∴Fe：K>0，

Ni：K<0对于六角晶系：∴Co：K>0立方晶系磁晶各向异性的表达式对于立方晶系，单位体积中的磁晶各向异性能的表达式如下：

1,2,3为磁化强度矢量Ms与立方晶轴[100],[010],[001]的方向余弦；K0

为常数项；K1,K2为磁晶各向异性常数。通常K0及含有K2的项忽略不计。磁晶各向异性场Hk：由于磁晶各向异性的存在，自发磁化强度矢量束缚于易磁化方向，当受到不与易磁化轴重合的外加磁场时，自发磁化矢量Ms将偏离易磁化方向，转向外场方向，这时Ms受到两个转矩的作用：一个由外场产生；另一个是当Ms偏离易磁化方向时，磁晶各向异性能Ek增加引起的恢复转矩，此转矩相当于一个作用在易磁化方向上的等效磁场，称为磁晶各向异性场，其值可由下式表示：磁晶各向异性场

表示Ms偏离易磁化方向的夹角。表：立方晶系的各向异性从优方向[100][110][111]各项异性能0(¼)K1(1/3)K1+(1/27)K2从优方向的条件K1>0K1>(-1/9)K20>K1>(-4/9)K2K1<0,K1<(-4/9)K2;K1>0,K1<(-1/9)K2;各向异性场Hk2K1/(

0Ms)(100):-2K1/(

0Ms)-4/3[K1+(1/3)K2]/(

0Ms)14.2.形状磁各向异性：

反映沿磁体不同方向磁化与磁体几何形状有关的特性。磁矩取向一致→退磁场→退磁场能（取决于磁体的几何形状，如：由细长微粒组成的磁体、磁性薄膜）→显出很强的形状各向异性如纳米线表现出来的形状各向异性-Fe2O3nanowires14.3.应力诱发的磁各向异性反映磁体内磁化强度矢量取向与应力方向有关的特性。具体表现为：铁磁性材料在有无应力或不同类型应力下，磁化难易有所不同。14.4.交换磁各向异性：

将强磁性的Co微粒表面进行微弱氧化，形成薄层CoO，由于Co是铁磁性的，而CoO是反铁磁性的，在Co与CoO界面就有交换作用，当磁场热处理后，由此引起交换各向异性（做成磁带，录音效果好）。在磁滞回线上表现为磁滞回线沿H轴发生位移!14.5.感生磁各向异性：许多铁磁性合金与铁氧体中，通过对磁体施以某种方向性处理的工艺，可以感生出磁各向异性。`感生各向异性又可分为：磁场或应力热处理感生各向异性塑性形变感生各向异性生长感生各向异性14.5.1磁场或应力热处理感生的磁各向异性对于某些置换式合金或复合铁氧体，在低于居里温度但原子扩散能进行的温度下，施加磁场或应力作用下进行热处理，就会在与磁场或应力有关的方向上形成一定的感生磁各向异性。来源：这种各向异性来源于磁性原子对或磁性离子的扩散形成的。例子1：应力热处理感生的磁各向异性例子2：应力热处理感生的磁各向异性14.5.2塑性形变感生的磁各向异性概念：对于某些磁性合金，在室温下进行冷加工发生塑性变形后可以产生磁各向异性。这种冷加工大多是由轧制完成的，所以又常称这种感生磁各向异性为轧制感生磁各向异性。来源：当磁性材料发生塑性形变时，磁性晶体的某部分格点作为一个单元总是沿一些特定的晶面在一定的晶向上产生滑移，于是在某些方向上形成一些从优取向的原子对，从而产生了感生磁各向异性。生长感生的磁各向异性大多发生在磁性薄膜中，如液相外延YIG薄膜和真空沉积的各种磁性合金薄膜，由于生长过程的特殊条件，使得磁性离子沿特定方向形成有序化，致使呈现生长感生磁各向异性。而且在薄膜的特定方向上形成易磁化轴，从而感生出单轴磁各向异性。14.5.3生长感生的磁各向异性15.合金的组成(1)、基本概念合金：由金属和其它一种或多种元素通过化学键合而形成的材料。组元：组成合金的每种元素称为组元（包括金属、非金属），可以为一元、二元、三元等相：和纯金属不同，在一定的外界条件（一定的温度和压强）下，一定成分（指合金的总成分）的合金内部不同区域可能具有不同的成分、结构和性能。人们把具有相同的（或连续变化的）成分、结构和性能的部分（或区域）称为合金相或简称相。组织：在一定的外界条件下，一定成分的合金可以由若干不同的相组成，这些相的总体便称为合金的组织。（如下页所示）(2)、合金的基本相

据结构的基本特点可分为｛固溶体化合物材料的微观组织示意图

固溶体定义：是一种组元（溶质）溶解在另一种组元（溶剂，一般为金属）中，其特点是溶剂（或称基体）的点阵类型不变，溶质原子或是代替部分溶剂原子而形成置换式固溶体，或是进入溶剂组元点阵中的间隙中而形成间隙式固溶体。一般来说，固溶体都有一定的成分范围。溶质在溶剂中的最大含量（即极限溶解度）便称为固溶度。分类据固溶体在相图中的位置一次固溶体二次固溶体按溶质的固溶度有限固溶体无限固溶体按溶质原子在点阵中的位置置换固溶体间隙固溶体按溶剂、溶质原子间分布的规律无序固溶体有序固溶体也称为中间相也称为端部固溶体

金属间化合物合金中各组元的化学性质和原子半径彼此相差很大，或者固溶体中溶质的浓度超过了溶解度极限，就不可能形成固溶体，这时，金属与金属、或金属与非金属之间常按一定比例和一定顺序，共同组成一个新的、不同于其任一组元的新点阵的化合物。这些化合物统称为金属间化合物。稀土元素和过渡元素可以形成许多金属间化合物，其中许多是强磁性化合物，著名的高性能永磁合金SmCo5和Sm2Co17就是典型的例子。金属间化合物可以大约写出其分子式，但不一定满足正常化合价平衡的规律。16.合金的磁性3d过渡族合金的结构和磁性稀土族合金的结构和磁性固溶体的结构和磁性（1）3d过渡族合金的结构和磁性多为无序固溶体，且多显示铁磁性；合金的自发磁化与平均外层电子数（3d+4s）成函数关系（斯莱特-泡林曲线）（2）稀土族合金的结构和磁性多为固溶体和金属间化合物。目前开发的稀土永磁材料都是以金属间化合物为基的材料。晶体结构多为复杂的四方结构和六方结构。轻稀土化合物中3d-4f电子磁矩是属铁磁耦合，而重稀土化合物中3d-4f电子磁矩是亚铁磁性耦合。

磁性合金，大部分为无序固溶体、有限固溶体和间隙固溶体；少数有序固溶体；相当多的金属间化合物。形成置换固溶体时，磁性组元间存在同种原子对和异种原子对两种不同的交换作用，和非磁性组元间不存在交换作用，致使固溶体中交换相互作用的综合结果改变，材料基本磁特性就改变。另一方面，由于溶质、溶剂原子尺寸的差别，引起晶格畸变，存在应力，使材料的二次磁特性改变，特别对软磁不利。形成间隙固溶体时，产生的应力比置换固溶体的大，对二次磁特性影响很大。有序化对磁性的影响很大，一方面是有序和无序固溶体原子环境不同，其交换相互作用不同，使基本磁特性变化；另一方面，在有序核形成初期，晶格畸变，而有序化后，有、无序共存都会产生应力，使二次磁特性也改变。本征磁特性；二次磁特性固溶体的结构和磁性17.相变、脱溶和失稳分解一、固态相变1、定义

当外界条件（温度、压强）作连续变化时，固体物质在确定的条件下，其化学成分或浓度、结构类型、晶体组织、有序度、体积、形状、物理特性等一项或多项发生突变。2、相变的驱动力和阻力相变的方向ΔG＜0

ΔG=－VΔgv＋σV＋εV

驱动力：VΔgv

总的化学自由能阻力：总界面能σV和总应变能εV3、金属磁性材料的固态相变 主要通过热处理工艺来控制。对于软磁，常通过高温退火，让材料在室温附近保持均匀的单相，使界面能和应变能尽量降低，以获得高（μ）和低（Hc），对于永磁常通过淬火和低温时效处理，让材料具有多相结构，来提高（Br）和（Hc）。1、定义：过饱和固溶体析出第二相，而其母相仍然保留，但浓度由过饱和达到饱和的相变。 条件：固溶度随温度、成份、压强变化。2、分类 连续脱溶 不连续脱溶3、脱溶过程

αGP区θ“θ‘θ α：母相 GP区：溶质原子偏聚区

θ‘、θ“：过渡相 θ：新相 平衡相：应变能最小，界面能最高； 过渡相；应变能居中而偏高，界面能居中而偏低

GP区：界面能和应变能较小4、脱熔对磁性合金的影响⑴、金属软磁合金 使杂质从合金中脱熔；控制杂质的分布状态。可以有效地改善合金的软磁特性。⑵金属永磁合金脱溶对金属永磁特性的提高有重要作用，特别是析出硬化磁钢。 18.过饱和固溶体的脱溶失稳分解 过饱和固溶体的脱溶大部分为不连续的局部脱溶，形成非均匀的混合固溶体。但是当合金的成分、系统温度、压强、时效时间等条件综合变化到适当的状态范围，也可以发生全域性均匀的普遍脱熔，也就是发生匀相转变。其中失稳分解就是这种匀相转变中的很重要的一类。1、概念 当均匀固溶体中自由能与成份的关系满足时，此固溶体就会失去稳定，而出现幅度越来越大的成分涨落，并最终分解为两相。2、特点匀相转变，全域性的均匀、连续分解，系统中各处几乎是同时发生，并非形核成长过程。浓度波幅度越来越大的涨落是依靠逆扩散来进行的。产生的两相和母相的晶格类型是相同的，仅晶格常数稍有偏差。3、对金属永磁材料的影响 分解时，控制磁性相成单畴，或造成对畴壁的钉扎。可使材料获得极高的矫顽力，具有优异的永磁特性。19.相变种类20.21.金属磁性材料的织构化一、织构化的概念

在材料结构一定的情况下，其晶粒或磁畴在一个方向上成规则排列的状态，称为织构。使多晶材料产生织构就是织构化。 织构的种类：结晶织构磁性织构双重织构

磁性织构的形成㈠、磁场热处理 将磁性材料加热到居里温度附近，这时加上直流磁场，让磁性材料在磁场中保温一定时间并慢冷（或控速冷却）到室温。所加磁场的方向为该材料的宏观易磁化方向。磁伸缩理论能解释部分材料的磁场热处理效果纯金属λs≠0，无磁场热处理效果合金λs→0，却仍然磁场热处理效果好奈耳—谷口原子对方向性有序化理论㈡、磁场成型 将具有形状各向异性的非单畴永磁粉末，在磁场中压制或成型（挤压、注塑）制成粘结体，或再经适当温度烧结成永磁体，这些永磁体就具有磁性织构。

结晶织构的形成㈠、反复冷轧热处理应力感生方向有序排列和晶格滑移感生方向有序排列㈡、定向结晶 使磁性合金从熔融状态开