《磁性材料与器件》全册完整教学课件 - 副本

《磁性材料与器件》

全册完整

教学课件主要参考书[1]姜寿亭李卫编著凝聚态磁性物理科学出版社2003[2]奥汉德利著现代磁性材料原理和应用英文版2000;化学工业出版社2002[3]戴道生等编著铁磁学(上，中，下)科学出版社1987[4]宛德福马兴隆编著磁性物理学电子工业出版社1999[5]李国栋编著当代磁学中国科学技术大学出版社1999[6]章综、李国栋编著我们生活在磁的世界里清华大学出版社2000磁性材料及器件Part

1绪论(4)Part

2软磁材料及应用(4)Part

3永磁材料及应用(4)Part

4磁电子学材料及应用(4)

Part

5铁氧体材料及其应用(4)

Part

6特种磁性材料(4)Part

7纳米磁性材料(2)Part

1

绪论1.1

磁性功能材料及应用概述1.2

磁学基础知识1.2.1静磁现象1.2.2

材料的磁化1.2.3

磁性和磁性材料分类1.1磁性功能材料及应用概述了重要作用。以磁科学进行研究的创始者当数吉尔伯特，后经安培、奥斯特、法拉第等人开创性的发现和发明，初步奠定了磁学科学的基础。1544～1603吉尔伯特首次给出了指南针工作原理的解释。《论磁》1600年在伦敦出版战国时期，我国已有磁性指南--司南的记载，其开创了人类对磁学和磁性

材料研究的先河；指南针

—中国古代四大发明，对西方航海业的大发展起一

.磁学、磁性材料历史回顾从1902年塞曼、洛伦兹获得诺贝尔奖，到1985年冯

·克利青量子霍尔效应、1998年崔琦分数量子霍尔效应获诺贝

尔物理学奖，再到2007年费尔、格林贝格尔巨磁电阻获

得诺贝尔奖，至少有25次诺贝尔奖得主在磁学相关领域作出了杰出的贡献。从1900年到1930年，先后确立了金属电子论、顺磁性理论、分子磁场、磁畴概念、

X射线衍射分析、原子磁矩、

电子自旋、波动力学、铁磁性理论、金属电子量子论等相关的理论。从而形成了完整的磁学科学体系。在此后

的20~30年间，出现了种类繁多的磁性材料。磁学相关-诺贝尔奖名人堂叶企孙(1898.7.16~1977.1.13)1923年获哈佛大学博士

学位.1924年回国后，历任清华大学教授、物理系

系主任和理学院院长.他还是中国物理学会的创建人之一，1948年中央研究院院士，1955年学部委员叶企孙在物理学上重要研究成果有两个.一是用X射线精确地测

定普朗克常数h,得出当时用X射线测定h值的最高的精确度；二

是开创性地研究了流体静压力对铁磁性金属的磁导率的影响，这

是本世纪20年代在物质铁磁性方面的一项重要研究工作，受到了

世界各地科学界的重视。施汝为(190111.19-198301.18),物理学家，1934年耶鲁博士，1955年学部委员，中国近代磁学的奠基者和开拓者之一。在铁磁合金和磁铁矿的磁晶各向异性、磁畴观察研究和铝镍钴系永磁合金磁性改进等方面做出了重要贡献，并在中央研究院建立了我国第一

个磁学研究实验室，培养了大量磁学专门人才。长期

担任中国科学院物理研究所所长，为我国磁学研究和

物理学研究事业的发展做出了贡献。

1931年在国内发表了第一篇磁学研究论文。国内主要的磁学与磁性材料的重点、专业研究单位中国科学院物理研究所磁学国家重点实验室兰州大学磁学与磁性材料教育部重点实验室中科院宁波材料所正在筹建“磁性材料与器件中科院重点实验室”西南应用磁学研究所国内一些磁性材料及器件知名厂家北矿磁材、横店东磁中科三环、浙江天通银河磁体

世界粘结钕铁硼行业前三强世界最大磁性材料基地落户海门世界500强企业宝钢集团的又一项目——宝钢磁业(江苏)有限公司日前签约落户海门开发区。该项目是宝钢集团多元产业发展的一个重要项目，项目分两期建设5万吨磁性材料，

一期建设1.8万吨，年内开工建设，明年部分投产，预计2015年前项目全部建成后，海门将成为世界规模最大、技术最先进的磁性材料生产示范基地。原子核物理学原子核磁学基本粒子磁学磁化学天体磁学微波电子学微波磁学磁电子学岩石磁学生物磁学力学磁流体力学磁学地球磁学基本粒子

物理学化学

.磁学、磁性材料研究领域生物学

地球

天文学电子学岩石学物理学磁-力效应其他磁效应

磁-声效应磁学性质磁-光效应

磁-热效应磁-电效应其他物性光学性质声学性质热学性质电学性质力学性质三.

磁性功能材料应用领域电力新能源电子通信仪表家用电器科学研究航天新材料信息生物磁应用军事电视机录象机电冰箱洗衣机空调器录音机电唱机电子表微波炉除尘器电门铃收音机磁应用4321(L)气隙1.5厘米左右气隙1.5厘米左右磁铁(a)SunAulcmaticTempwratureControlSpeakersDefogg

otorT4-GatMotorDoorLock

一MokorAnti-SkldFuet

Pump

MotorWindowMotorSstThenumberof

magnetsin

the

familycarhasincreased

fromonein

the

1950's

toover

thirty

today.现代汽车需要使用几十个小型永磁电动机和其

它磁控机械元件。EconomyandPolutlon

ControlCookant

FanMotorHeatandAi

Conditon

MotoStater

MotorObanitonLft

Anta

作价朵L

雁

MotorActuatorMotorhttp://www.tcd.ie/Physics/Magnetism/Guide/modmags.phpRoof

Motor

Speedomcter,Gug

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Motor

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WiperMotorThottle

andCrnksha维PosltionSonOFwindehieid

WsherPunpHeclght

Door

MotorCrul

峰Control其他应用农业应用工业应用医学应用定物

花

物

场场磁生物磁性生物磁场生物磁学(狭义)物法

系研

统究生物磁技术应用生

物磁学生物磁技术磁生物学生物磁学(狭

义

)(a)

(b)图7-3

一名脑瘤患者头部的

(a)核磁共振CT

图

，和

(b)X

射线CT

图

.

(a)图中右侧中黑点为脑瘤.植物人根据回答问题是“yes”

还

是

“no”,

显

示了不同的大脑激活。根据语料库和脑成像

数据，科学家重建了

被试心中所想的概念宇航员头盔的密封是纳米磁性材料的最早重要应用之一----磁性液体磁冰箱很可能在某一天取代您厨房中的传统电冰箱Science

June

23,2004磁冰箱原型机ModernMagnetic

Materials:Principles

andApplications0'Handley

2000年在他的书中写道：美国来自硅谷的磁性元件产值，已经大于在那里制造的半导体元件产值，这是磁性元件在信息工业中地位迅速提高的最好说明。没有磁的应用，现代文明是不可想像的。了解物质磁性，已经成为我们从事现代生产，熟悉现代生活的必要准备，更是我们可以选择的研究方向。全球市场

：300亿美元Iron-Others

Ni-Fe/Fe-Co

(heads)Globalmarketformagneticmaterialsthetotalin

1999was

aboutFe-SiCo-Cr(discs)Hard

ferrite

HardMagnetsSoft

ferrite

Amorphous-Ni-Fe/Fe-Co-Co-γ

Fe

₂O3(tapes,floppy

discs)CrO2(tapes)Nd-Fe-BSm-CoAlnicoOthersMagnetic

RecordingSoftMagnets30b$.Iron

(tapes)Fe-Si(GO)Others20世纪80～90年代磁学的重大发展1984年

NdFeB稀土永磁材料的发现

Sagawa(佐川)1984年德国的H.Gleiter

教授等合成了纳米晶体Pd,Fe

等。1988年由非晶态FeSiB

退火通过掺杂Cu和Nb控制晶粒成为新型

的纳米晶软磁材料

才料等横空出1986年

Grunberg

发现Fe/Cr

/Fe

三明治结构中Cr适当厚度产

生反铁磁耦合。1988年

Baibich

、

Fert

等发现(Fe/Cr)

多层膜的巨磁电阻效应。1994年

Jin

等在LaCaMn03中发现了庞磁电阻

(CMR)

效应。1995年

T.Miyazaki

发现隧道磁电阻

(TMR)

效应1993年理论表明纳米级的软磁和硬磁颗粒复合将综合软磁M高

，硬磁

H.

高的优点获得磁能级比现有最好NdFeB

高一倍的新型

纳米硬磁材料。磁性材料的进步对社会生产的巨大推动纳米软磁以最小的损耗实现高磁通量的转换，大大节约了能源

。NdFeB永磁材料比传统的AINiCo

永磁材料存储能量提高20倍以上，使用该材料制成的器件重量只有用传统材料同样

功率器件的二十分之一。磁记录密度的提高，磁头灵敏度的提高，大大减小了磁硬盘的体积，直接推动了计算机体积的减小，计算速度的提

高以及容量的加大。Year第

一

代SmCo₅(60

年

代

)

;

第

二

代Sm₂Co₁

7(70

年

代

);第三

代Nd₂Fe₁₄B(80

年

代

)

;

第

四

代

稀

土

永

磁

?ASm-Fe-N

来米米Ferrite(1967—1975)AlnicosSteels□--1920

19301940195019601970198019904003202401608001910第一，二代稀

土永磁EnergyProduct(kJ.m3)第三代稀土

永磁d□-(1984)Sm-Co44Nd-Fe-B□(BH)m(kJ/cm³)400Nd-Fe-B系(最高值)300Nd-Fe-B系

。1940

1960

1980t(

年

代

)Sm₂COu系6SmCos系O

Sm-Fe-N系

Fe-Cr-Co系Pt-Co系

Alnico系100-01900Co-Fe-V系

OBaFe₁₂O₁g系Co

钢Q19202000O200IBM91年研发，94年推出AMR读出头。在1998年推出采用自旋阀结构的GMR

读出头，轻易突破10

Gbits/in²。

日立宣布将采用CPP-GMR

技术在2010年实现1

Tbits/in²

。IBM

ArealDensityPerspective45

YearsofTechnologyProgressTravelstar

30GN

1st

AFCMedia

ProgressDeskstar

16GP1st

GMRHead100%CGRCorsair1stMRHead

60%cGR◆IndustryLabDemosIBMRAMAC(FirstHardDiskDrive)60

70

80

90

2000

2010Production

YearEd

Grochowski

at

Almaden硬盘读出头的发展10⁶10⁵10⁴10³10²10110⁻¹10⁻²

|10⁻³3375

1stThinFilm

Head25%CGRArealDensityMegabits/in2重重重~17

MillionX自旋电子学时代电子时代的瓶颈尺度限制：原子极限?量子涨落：测不准原理。解决途径：利用电子的自旋属性自旋电子学，其目标是利用电子的自旋属性，而不仅是电荷属性，带来电子技术领域的革命。CoNi₈₀Fe₂0Fe入

(nm)5.54.61.5λ(nm)0.60.62.1自旋驰豫：达到微米级。作为对比，动量驰豫是纳米级。先决条件自旋极化

：自旋相关散射：自旋阀读出磁头磁电子学的应用自旋阀随机存储器巨磁电阻传感器巨磁电阻电流放大器自旋阀逻辑器自旋阀开关器磁电阻金属三极管磁电阻半导体三极管图10

.1

磁电子学的若干应用示意图(1975—2005)年“Magnetic

materials”SCI

论文百分数86。42O1975198019851990199520002005□□据Web

of

Science检索(1975—2005)年间，共发表”Magnetic

materials”论文3874篇，

分布如图，

“Magnetism”

论文12813篇。B10370篇四

.磁性功能材料的全球产量、市场、机遇与挑战permanentmagnetmaterialsothersallmagneticmaterials

total30BSNd-Fe-B

ferrites

55%30%magneticrecording53%permanent

magnets20%softmagncts项目金属软磁

软磁

永磁

合金

铁氧体

铁氧体稀土永磁铝钻永磁合计全球产量(1′;680

22

351.270.8739全球产值亿美元151

15

26162.82Il中田产量ID⁴t80

4.0

IIQ.430296中国产值亿美元15

1.

2.21.80.521表1

全球及中国磁性材料的产量、产值统计表ToblelTeoutputpndproductionvuluefmpgnetiemntenal

in

boh

Cin

pnd

be

otd我国磁性材料的产量与需求我国磁性材料的生产在国际上占有重要的地位.其中，永磁铁氧体的产量达11×10⁴t

,居世界首位；软磁铁氧体产量4×10⁴

t,

居世界前列；稀土永磁产量4300t,

居世界第二.但是，目前我国生产的磁性材料基本上是低性能、低附加值材料，与发达国家存在较大的差距，产值与产量不相称.根据中国工程院的专项调查和预测，我国2008年磁性材料的需求量：永磁铁氧体15×10⁴t,

软磁铁氧体6×10⁴t,

稀土永磁8000~10000t,

产能不够。我国磁性材料的研究和发展将主要集中在以下几个方面：(1)加强磁性材料的基础和应用基础研究；(2)改善现有的磁性材料：优化制备工艺、降低生产成本、

提高其磁性能；(3)

发展具有自主知识产权的新型磁性材料，特别是纳米磁

性材料。纳米磁性材料是纳米材料中最早进入工业化

生产的功能材料，应用广泛，性能优异，特别是在信息存

储、处理与传输中占据重要地位，其基础研究和应用开发正方兴未艾.(4)加强研究、生产、应用三方面的结合，不断开拓磁性材料新的应用领域并促使其发展.中国加入WTO

后，国外公司的进入增加了中国磁性材料的产量。①中国家电、汽车的发展，成为磁性材料最大的应用市场，促使磁性材料进一步发展；②中国的劳动成本低，有利于国际竞争，国外的一些磁性材料生

产大公司都转移到中国，促进了中国磁性材料产量和产值的总体增加，到2005年中国的磁性材料销售额达到250亿人民币。“十二五”期间，重点开发高性能、高附加值的磁体，以汽车配套磁瓦、计算机硬盘驱动器、DVD

驱动器、通信用磁体为主体，重点提高技术水平和档次。行业内企业要具有国际市场竞争的品牌，要联合发展壮大，形成世界一流的大公司，要以国际市场销售为主体，磁体大国迈入磁体强国。我国稀土资源、产业的一些亟待解决的问题美国一份报告统计显示，2009年，中国稀土储量占全球的36%,产量则占世

界产量的97%

。与之形成鲜明对比的是，美国2009年的稀土储量占世界13%,

而产量为零；俄罗斯储量占世界19%,产量为零；澳大利亚储量为540万吨，

产量为零1)中国稀土生产规模和生产量世界第一、出口量第一，但中国却没有稀

土定价权。销售粗加工、低附加值、恶性竞争，

“黄金”卖“萝卜”价2)在全球产业链上，中国长期以来沦为发达国家廉价的初级产品供应商，

特别是在稀土新材料领域，中国几乎没有自主知识产权，不少稀土企业

维持在微利和亏损的边缘。

NbFeB

烧结永磁体、粘结永磁体3)中国稀土开发浪费和环境污染现象严重，稀土生产现状难以持续下去，

占世界稀土资源比例已下降4)中国稀土被西方广泛应用于军工等行业，是高科技产品和武器的关键原

材料，稀土再廉价也不会被西方国家打入贸易倾销黑名单；可是，西方国

家却在高科技产品对华限制出口，尤其在高科技军售方面长期实施禁运我国政府开始规划稀土产业，出台了一系列相应的稀土政策，如限制出口等1.2.1

静磁现象1.磁偶极子a.磁铁(永磁体):方向性

：N

、S极不可分离性：磁力线：磁力线切线方向为磁场方向磁体无限小时，体系定义为磁偶极子磁偶极矩：jm=ml方向：-m指向+m单位：Wb·m1.2

磁学基础知识正磁极

负磁极正磁荷

+m负磁荷-mb.

定

义：+m-mb.方向：右手螺旋法则决定c.

电子的轨道运动相当于一个恒定的电流回

路，必有一个磁矩，但自旋不能用电流回路

解释，因此，最好将自旋磁矩视为基本粒子的固有磁矩。其磁矩：μm=iA单位：A·m²结论：a

二者的物理意义相同：表征磁偶极子磁性强弱与方向；但单位不同，公式有差异2.

磁

矩用环形电流描述磁偶极子：面积A(电流)μ

。=4π×10⁻⁷H·m-

¹3

磁化强度

M磁化强度定义为材料微小体元△V内的全部分子磁矩矢量

和与△V

之比对于顺磁与抗磁介质，无外加磁场时，M恒为零；存在

外加磁场时，则有磁极化强度磁化强度M~H曲线测试，一般单位为emu,除以质量即得到emu/g,除以体积即可得到emu/cm³

两者可通过密度进行换算比饱和磁化强度A/m/(kg/m³)

=Am²/kg4磁

场

强

度H与与磁感应强度B均为描述空间任意一点的磁场参量(矢量)1)

、H:静磁学定义H为单位点磁荷在该处所受的磁场力的大小，方向与正磁荷在该处所受磁场力方向一致。实际应用中，往往用电流产生磁场，并规定H

的单位在SI制中，用1A的电流通过直导线，在距离导线r=(1/2π)米处，磁场强度即为1A·m-1。常见几种电流产生磁场的形式无限长载流直导线：Oerstedr右手定则大拇指指示正向电流

I四指就指示磁场

B的方向方向是切于与导线垂直

的且以导线为轴的圆周HH=2π/磁场强度1820年方向由右手螺旋法则确定。右手定则四指指示电流方向，拇指

给出线圈内部的磁场方向直流环形线圈圆心：H=2H无限长直流螺线管：n:单位长度的线圈匝数方向沿螺线管的轴线方向H=nl单位：B:T或Wb·m-²;H:A/m;M:A/m;J:

Wb·m-2真空中，M=0当H=107/4πA·m-1

时

，B=1T自由真空中，B与H平行，B=μ₀H磁体内部，B与H不一定平行，

B=μ₀H+J2)磁感应强度B往往确定磁场效应采用磁感应强度B,

而非HB=μ₀(H+M)=μ₀H+μ₀M令B=J=μ₀M,

则：B=μ₀H+B₁=μ₀H+JSI制中，此时，B的单位为Gs,H

的单位为Oe,μ₀=1G/0式中M为磁极密度单位为Gs,4πM为磁通线的密度。SI制与Gauss

制间的转换B:

1G=10-4TH:1

Oe=79.577A.m-

¹10³A·m-¹=4π

Oe,10³/4πA

·

m-¹=79.577A·m-¹=10磁学量的单位制：使用Gauss单位制时，B=H+4πM和B=μ₀H+B磁

矩：在Gauss

单位制中μ₀=1G/0,则磁偶极矩与磁

矩无差别，通称为磁矩，单位为电磁单位

(e.m.u)1e.m.u(磁偶极矩)=4π×10-10

Wb

·m1e.m.u(磁矩)=10-

³A·m²磁

化

强

度：Gauss单位制中，磁极化强度

(J)

与磁化强度(M)

相

同

，单

位

：GJ:1G=4π×10⁻⁴TM:

1G=10³A·m-¹单位制问题：电磁学的单位由于历史的原因曾有过多种，有静电制

(CGSE),

静磁制(CGSM),高斯制，以及目前规定通用的

国际单位制(MKSA),加之历史上对磁性起源有过不同的

认识，至目前为止，磁学量单位的使用上仍存在着一些混

乱，较早的文献多使用高斯制，目前虽多数文献采用了国

际单位制，但仍不时有使用高斯单位制出现的情况。因此

必须熟悉两种单位制之间的换算：高斯单位制

(EMU)B=H+4πMM=xHμ=1+4πX没有μ₀

!国际单位制

(SI)B=μ₀(H+M)

M=xHμ=1+x磁学量符号SI单位制高斯单位emu→SI磁场强度HA.m-1Oe×

103/4π磁感应强度BTGs×10-4磁化强度MA.m-1Gs×10³磁通量WbMx×10-8磁矩μmA.m²emu×10-3磁偶极矩JmWb.memu×4π×10-10磁化率X×4π磁导率μ×1磁极化强度

JTGs×4π×10-⁴磁

学

量符号SICGS由SI单位

换算成CGS单位时的

相乘因数单位名称单位符号单位名称单位符号磁场强度H安培/米A/m奥斯特Oe4π×10-³磁感应强度(磁通量密度)B特斯拉T高斯Gs10⁴磁化强度M安培/米A/m高斯Gs10⁻³磁极化强度J特斯拉T高斯Gs磁极强度m韦伯Wb电磁单位108/4π磁通量Φ韦伯Wb麦克斯韦Mx10⁸磁偶极矩jm韦伯·米Wb

·m电磁单位101⁰/4π磁矩μ安培平方米A

·m²电磁单位10³磁化率(相对)X1/4π磁导率(相对)μ1真空磁导率μ0亨利/米H/m10⁷/4π应

为

：4π10°附表

主要磁学量在两种单位制中的换算关系摘自姜书p471符号mΦMIBHφmv.XXμ一MKSA单位WbWbWbmTTAm¹AHm⁻¹Hm⁻¹转换比CGS值MKSA值7.96×10⁶

1×10⁸7.96×1087.96×10²1×10⁴1.257×10²1.2576.33×10⁴7.96×10⁵1.257×106.33×10⁷

1.257×10⁸1×10⁹10μH₀=4πNηRmEm×10⁻⁷Hm¹H/AH¹HJm⁻³CGS

单位麦克斯韦(Mx)GGOe吉伯(Gilbert)(Gb)=1Oe⁻¹吉伯/麦克斯韦

绝对亨利erg

cm³Ω

cm

Oe¹附

录

五量磁极磁通磁矩磁化强度磁通密度磁场强度磁势磁通势磁化率相对磁化率

磁导率相对磁导率真空磁导率

退磁因子瑞利常数磁阻电感各向异性常数

能量密度正常霍尔系数MKSA值CGS

值

1.257×10⁷

1×10⁸1.257×10⁹

1.257×10⁻³1×10⁴7.96×107.96×10¹1.579×10⁵

=4πX(CGS)1.257×10⁶

=μ(CGS)7.96×10¹1.579×10⁸7.96×10⁷

1×10⁹I×10¹Wb—韦伯，T一特斯拉，A一安培，H一亨利，J一焦耳，Ω一欧姆，Mx-麦克斯韦，G-高斯

Oe一奥斯特1.257=47/10.796=10²-14π,1.579=(4π³²110²,633=10³(4π)²R

M²A¹1.257×10⁴

7.96×10³磁学量的换算

一MKSA

和CGS

制磁极化强度L

K光速重力加速度万有引力常数普朗克常数热功当量玻尔兹曼常数0℃时的能量kT的值

阿伏加德罗常数电子质量电子电荷(绝对值)

电子荷质比法拉第常数玻尔磁子旋磁比磁通量子c=2.99792458×10⁸m·s-

¹g=9.80665m/s²G=6.67259×10⁻¹¹N·m²·kg-²h=6.6260755×10-³4Jsh=h/2π=1.05457266×10⁻³4J·sJ=4.1840J(15°cal)-

¹k=1.380658×10-²3J.K-

¹kT₀=3.771×10⁻²¹JN=6.0221367×10²³mol⁻¹m=9.1093897×10-³¹kge=1.60217733×10⁻¹⁹℃elm=1.75881962×10¹¹C·kg⁻¹F=Ne=9.6485309×10⁴Cmol¹Mg=1.16540715×10-²9Wb·mv=1.10509896×10⁵g.mA⁻¹.s-Φ

。=h/2e=2.06783461×10⁻¹⁵Wb附录三重要的物理常数*大多数数据来自1986年的CODATAeVcm¹KJ

cal

MA/m11.23985×10⁴0.86177×10⁻⁴0.62415×10¹⁹2.61151×10¹⁹7.27396×10-⁵=0.80655×10⁴=

1=0.69506=0.50341×10²3=2.10631×10²³=0.58668=1.1604×10⁴=1.43872=

1=0.72426×10²³=3.03040×10²³=0.84407=1.60218×10¹⁹=3.8292×10

·²0=1.37477×10⁴=1.98646×10²³=4.7476×10²⁴=1.70450=1.38071×10²³=3.2999×10-²⁴=1.18473=

1=2.3900×10¹

=8.5806×10²²=

4.1840

=1=1.16542×10²3

=2.7854×10-²4=3.5901×10²³1*此表的数据是根据CODATA工作小组1973年的推荐。参见CODATABulletin11,7,TableIV(1973)

这列表示磁场H的值，当该场作用在一个玻尔磁子(MB)上时，给出的相应的能量为MBH。各种能量单位的换算*Am¹(安培/米)Oe(奥斯特)T

(

特

斯

拉

)备注1

mAm⁻¹=1.26×10⁵Oe=1.26×10⁹T1×10⁵G=1Y(garnma)10mAm¹=1.26×10⁻⁴Oe=1.26×10⁸T100

mA

m¹=1.26

mOe=1.26×10⁷T1Am¹=12.6

mOe=1.26

μT10

Am¹=0.126

Oe=12.6

μT地磁场=0.15-0.300e100

Am¹=1.26

Oe=0.126mT1kAm¹=12.6

Oe=1.26mT10

kAm⁻¹100kAm⁻¹=126

Oe=1.26

kOe=12.6mT=0.126T可由永磁体产生1

MAm⁻¹=12.6

kOe=1.26T可由电磁铁产生10

MAm¹=126

kOe=12.6T可由超导螺线管产生100MAm¹=1.26

MOe=126T可由磁通压缩产生T是磁通密度的单位：但有时也用作磁场的单位在这种情况下应采用μ₀H且最好称为“感应场”。各种磁场单位的换算提

示

：1.

高斯单位制中，因为

μo=1,磁偶极矩和磁矩是没有区别的，磁化强度和磁极化强度也是没有区别的，都称作磁化强度，单位是：高斯

(Gs),

但在国际单位制里，两者是不同的，所以换算关系不同：J:1Gs=4π×10⁴TM:1Gs=10³A·m-

¹而磁感应强度B

在两个单位制中的变换是：B:1Gs=10⁴T这是由于两个物理量在两种单位制中的关系不同造成的。2.从实用观点看，单位制问题，主要就是两种单位制之间的换算问题，解决办法就是建立一个换算表。磁导率μ,

代

表

该磁性材料的导磁能力，是表征磁性材料性能的重要参数。

例

如：

B-H

曲线上某点(B1,H1)的磁导率μ1=B1/H1,即B-H

曲线在某点(B1

,H1)的斜率。通常为了比较介质的导磁性能，以真空磁导率μ₀为基准，定

义介质的磁导率与真空磁导率的比值为相对磁导率

μr5.磁化率与磁导率磁体置于外磁场中磁化强度M将发生磁化。磁化率是单位磁场在磁体内感生的磁化强度，表征磁体磁化难易程度

真空对磁导率

μo=4π×10-⁷H/mx称为磁体的磁化率相对磁导率是磁中性状态

(H=0,M=0)

下磁导率的极限值，在弱场下使用时，μ是一重要参数2)

、

最大磁导率μmax表征单位H在磁体中感生出最大B的能力。一般而言磁性体的磁导率就是指这个参数。磁导率的不同定义：1)

、初始磁导率它是(H或B)的振幅的函数，其最大值称为最大振幅磁导率。4)、增量磁导率μ指磁体受直流电磁场H₀

作用，在H₀上再叠加一个较小的

交变磁场，此时磁体对于交变磁场的磁导率即为μ。3)、振幅磁导率

μ磁体在交变磁场(无直流磁场)中被磁化时，在一定振幅的磁场下，其磁感应强度也有一定振幅B5)、可逆磁导率μrev

6)、复数磁导率

μ

=

B

/

μ₀H=

μ'-iμ''复数磁导率是物质在交变磁场的作用下，交变磁感应强度与

磁场强度的比值。他们常常具有不同的相位，因此为复数，即

u=B/μ₀H=μ₁-iμ₁

,ũ表示的是在交流磁场磁化下磁性特征的一个物理量，它

同时反映B和H之间振幅及相位关系有限几何尺寸的磁体在外磁场中被磁化后，表面将产生磁极，从而使磁体内部存在与磁化强度M

方向相反的一种磁场，起减退磁化的作用，称为退磁场HoHa

的大小与磁体形状及磁极强度有关。若磁化均匀，则Ha

也均匀，且与M

成正比：其中N

为退磁因子，只与磁体几何形状和尺寸有关。非均匀磁化时还与磁性体磁导率有关。6

退磁能1)、退磁场Ha=-NMNa+N₃+N=1对于球形样品N=N₃=N₆=1/3对于很长的圆柱体：a=b

、c=0∞,即N

。=0,

于是2)、简单几何形状磁体的退磁因子N对于旋转椭球体，三个主轴方向退磁因子之和：如何理解?表

面对于大的平板，即相当于a=b=∞的椭球Na+Nb+Nc=1k

为长轴与直径之比，如果k》1N

。

1Na+N₃+N

。=1对于球形样品N

。=N=N₆=1对于很长的圆柱体：

a=b

、c=0∞,即N

。=0,

于

是.k为长轴与直径之比，妇果k》1些椭球形的铁磁体退磁因子的计算结果。对又长又细的旋转椭球，对于大的平板，即相当于a=b=∞

的

椭

球对偏球状的椭球，在圆面方向磁化，则有式中k

为长轴与直径之比，如果k

》1沿长轴方向磁化，退子因子为(1.31)N

。=1尺寸比圆柱形(轴向磁化)

|旋转椭球(沿轴磁化)嘉椭球(扁方沟磁化)011.00.271.00.3331.00.33320.140.17350.236450.040.05580.1248100.01720.020S0.0696200.096170.006750.0369500.001290.003440.014721000.000360.000430.007762000.800090.0001270.00395000.0000140.00002340.00158710000.00000360.00000660.00078420000.00000090.00000190.000392表1

.12某些柱形及楷球形状铁磁材料的退磁因子对椭球体：N

X

+N

+N₂=13)、退磁场能量指磁体在它自身的Ha

中所具有的能量J适用条件：磁体内部均匀一致，磁化均匀。形状不同或沿不同的方向磁化时，Fa也不同，

这种因形状不同而引起的能量各向异性的特征

——

形状各向异性。即

：F

是形状各向异性能量。球体：

Fa=(1/6)μ₀M²细

长

圆

柱

体：Fa=(1/4)μ(M²+M²)薄圆

板

片

：F₄=(1/2)μ₀M₂²外磁场能Jm1θHF’=-mH磁体由于本身的磁偶极矩Jm与H间的相互作用，产生一

力

矩

：→F=mHH7.

静磁能十MAθ一m负号表示力矩沿顺时针方向(逆时针方向为正)θ=0°,L

最小，处于稳定状态θ≠0,L≠0,不稳定，会使磁体转到与H

方向一致，这就要做功，相当于使磁体在H中位能降低。即：磁体在磁场中位能：=-mlH

cosθ+c,(

取c=0)

.H=-F·lsinθ=-mlH

sin

θ∴单位体积中磁位能(即磁场能量密度)θ=

0,FH

最小θ=180°,FH最大1.2.2材料的磁化一

、典型测试系统1

、美国Quantum

Design公司磁性测量系统MPMSSuperconducting

Quantum

Interference

Device(SQUID)0~2T

or

0~7T,1.9

or

4.2~400K,LHe

or

Cryogen

FreeSensitivity:<1E-7emu磁化强度与磁滞回线；直流、交流磁化率；单晶磁各项异性；光诱导磁

性；压力诱导磁性；电导测量。

变温度、变磁场进行、连续低温操作低温强场2

、美国Quantum

Design公司物性测量系统PPMSPhysical

Property

Measurement

System(PPMS)420万0~9T

or

0~14T,1.9~400K,LHe

or

Cryogen

FreeSensitivity:<2E-5

emu主要测试功能：1

、直流电阻，2、交流电阻，3、HALL效应，4、I-V特性，5、临界电流，6、DC磁化强度，7、AC磁化率，8、扭矩磁化测量，9、比热，

10

、热导率，11、热电势，12、FIGUREOFMERIT,13、超低场较正。以上测量可以变温度、变磁场进行、连续低温操作。超

强

功

能低

温

强

场LakeShore的7410

VSM967500元4、磁滞回线仪0～3T5×10-7emu液氦、液氮恒温器，8K

或80K

下工作高温炉可实1000℃下工作3、美国LakeshoreVSMVibration

Sample

System(VSM)1.

磁化

曲

线表示磁场强度H与所感生的B或M之间的关系B—H

关系：工程技术中应用M—H关系：磁性物理学中常用可通过环形磁材样品测出：初级线圈N1

接DC电路，次级线圈N2接电子磁通计。当N1通

DC时，磁环内部产生磁场，此环形样品被磁化，由磁通计反映出B

的变化，由此可作出B—H曲线，也可由B=μ₀(H+M)画出μ₀M一H

曲线。

(如图)二

、

材料的磁化磁性材料对外加磁场有明显的响应特征，状态随外加磁场强度而变化，可用磁化曲线与磁滞回线表征。○点：H

=0,

B=0,M=0,磁中性和原始退磁状态OA段：近似线性，起始磁化阶段AB段：较陡峭，表明急剧磁化结论

：1.两曲线机理一样；2.H<Hm时，二曲线基本重合，均急剧增大。3.H>Hm后

，M逐渐趋于一定值Ms

(饱和磁化强度),而B则仍不断增大；4.由B一H(M

一H)

曲线可求出μ或x;5.饱和后再磁化无意义。铝

钴

镍

的

两

种磁化曲线2.

磁滞回

线从饱和磁化状态开始，再使磁化场减小，B

或M不再沿原始曲线返回。H

从正的最大到负的最大，再回到正的最大时，B-H或M-H形成一封闭的曲线-

磁滞回线，磁材的重要特性之一当H=0

时，仍有一定的剩磁Br或Mr。1)矫顽力Hc为使B(M)

趋于零，需反向加一磁场，

此时H=Hc

称为矫顽力。BHc:

使B=0的Hc。(工程技术上指)MHc:M=0

时的Hc(内禀矫顽力)一般

|BHcI<1mHcl磁滞回线的第二象限为退磁曲线(依据此考察硬磁材料性能)

,(BH)为磁能积，表征永磁材料中能量大小。

(BH)max

是永磁的重要特性参数之一。H=Hc称为矫顽力通常以Hc

划分软磁、永磁、半永磁材BHardSoft-BHc<100A/m(<1.25Oe):Hc>1000A/m(>12.5Oe)介于100～1000A/m之间为使B(M)趋于零，需反向加一磁场，此时软磁:硬磁:半硬磁周寿增《稀土永磁材料及应用》-HH磁晶各向异性:在磁性物质中，自发磁化主要来源于自旋间的交换作用，这种交换作用本质上是各向同性的，如果没有附加的相互作用存在，在晶体中，自发磁化强度可以指向任意方向而不改变体系的内能。实际上在磁性材料中，自发磁化强度总是处于一个或几个特定方向，该方向称为易轴。当施加外场时，磁化强度才能从易轴方向转出，此现象称为磁晶各向异性。Co

HCP1.5[0001][10I0],

[0001][1120]0.5[1120]

[10I0]00.2

0.4

0.62.0[100][110][111]1.0[111]A

BC[110]

[100]00

10,000

20,000IronBCC

铁FCC镍Nickel30,000

40,000

50,000Magneticfield

strength,H(10⁶A/m)Magneticfieldstrength,H(A/m)Magnet

i

za

ion,M(10gA/m)Magnet

i

za

ion,M(10gA/m)0.81.001.2.3

磁性和磁性材料分类1.物质的磁性分类从实用的观点，根据磁化率x(=M/H)大小与符号，可分

为五种：1)、抗磁性原子磁矩μj=0。在外磁场作

用下，电子运动将产生一个附加

的运动(由电磁感应定律而定),

出现附加角动量，感生出与H

反向的磁矩。因此：

xa<0,

且|xal～10-5,

与H、T无关。实例：惰性气体、许多有机化合物、某些金属

(Bi、Zn、Ag、Mg)、

非金属(如：Si、P、S)C为居里常数，

Tp为顺磁性居里温度。a).μj≠0,无相互作用，各原子磁矩取向混乱，对外不显示宏观磁性b).弱磁性，它呈现出正的磁化率xp>0,室温下xp:10-⁶-10-³。c).xp与T

有关。顺磁朗之万理论：原子磁矩之间无相互作用，为自由磁矩，热平衡态下为无规则分布，受外加磁场作用后，原子磁矩的角度发生变化，沿着接近于外磁场，方身作择优分布，因而引起顺磁磁化强度。里定律居里一外斯定律2)、顺磁性H=01/xa→→H3)反铁磁性1.μ≠0,Xar

与顺磁物质接近；2.物质中存在相互作用，自旋次晶格成反平行排列，每一次晶格的磁矩大小相等，合成磁矩为零；3.Xar与T

有关，存在奈尔温度T。即在T=Tn

(奈尔温度)时，

Xaf最大。实例：过渡族元素的盐类及化合物，如MnO,CrO,CoO

等T>T,

服

,但T,<0T<Tɴ,xaf

不增反降，并逐渐趋于定值。T<TN4)铁磁性1).μj≠0,xr>>0,

(约为10～10⁶),有磁滞现象；2).物质中存在相互作用，

μj有序；3).xr

与T有关，存在居里温度T——

铁磁性

或亚铁磁性物质转变为顺磁性的临界温度；当T>Tc

时，铁磁性转变为顺磁性，服从居

里

一

外斯定律。实例：3d金属Fe,Co,Ni,4f

金属铽、铒、铥、钬、铒、铥、镨和钕以及很多合金与化合物

。MI/xM

X

10T.↑

个1/X1亚

铁

磁

性1).μm≠0,Xm>0,

(约为10⁰~10³),;2).存在相互作用，

μj有序，内部磁结构与反铁磁性相同，但相反排列的磁矩大小不等量；4).电阻率高，多用于高频。典型代表为铁氧体。一-=c+。T=θ0

iT.M,1.'XM,T.前三种为弱磁性，后两种为强磁性，具有此二性的材料叫磁性材料，按其被应用的性能，磁性材料可分为软磁、永磁、旋磁、矩

磁、压磁五类)1

6θ分

类原子磁矩M

-

H

特

性M,.

随温度的变化物质实例强磁性铁磁性M1/XFe,Co,Ni,Gd,Tb,Dy等元素及其合金、金

属间化合物等。FeSi,NiFe,CoFe,SmCo,NdFeB,CoCr,CoPt等M1/X.x10²10T.T业铁磁性A·

各种铁氧体系材料

(Fe,Ni,Co氧化物)·Fe.Co等与重稀土

类金属形成的金属间

化合物(TbFe等)弱

磁

性顺磁性Mx>00

HI/XX=10³-10-5TO₂

,Pt,Rh,Pd等Ia族(Li,Na,K等)la族(Be,Mg,Ca等)NaCl,KCI的F中心◎AB→

一

ABM4x>0O

H1/XTN

TCr,Mn,Nd,Sm,Eu等3d过渡元素或稀土元素，还有MnO、MnF₂等合金、化合物

等抗磁性轨道电子的拉摩回旋运动(a)抗磁性Cu,Ag,AuC,Si,Ge,a-SnN,P,As,Sb,BiS,Te,Se,F,CI,Br,IHe,Ne,Ar,Kr,Xe,Rn(#)抗磁性反铁

磁

性磁性类型铁磁体反铁磁体亚铁磁体图5几种常见磁性类型的磁化曲线形状0H/Oe铁磁性亚铁磁性M/emu.Gs

·mol-自旋排列情况反铁磁性饱和磁化强度抗磁性顺磁性M为样品磁矩(CGS

单位制下，其单位为emu),M为样品的摩尔质量

(g/mol),H

为磁场强度(Oe),m

为样品质量

(g)。

在CGS单位制下，xm的常用单位为cm³/mol。有

效

磁

矩e

(常用单位为μB)

与间的关系为：N₀为阿伏伽德罗常数，KB为玻尔兹曼常数，μʙ为玻尔磁子。2、在某一温度下，进行磁化曲线的测试，摩尔磁化强度Mmo与样品磁

矩M和摩尔磁化率xmo间的关系为：数

据处理1、在某一外场H下，进行变温磁化率的测试，仪器所测得

的信号为样品磁矩M,

它与摩尔磁化率xmo间的关系为：Mm的常用单位为Gscm³/mol

或是Nβ,N

和β分别是阿伏加

德罗常数和玻尔磁子，两者的转换关系为：1Nβ=5585Gs·cm³/mol。2磁性材料分类从实用观点分：I.软磁材料II.永磁材料II.

信磁材料(信息磁性材料)IV.

特磁材料(特种功能磁性材料)1、软磁材料易受磁场磁化，又易退磁的材料作用形式：①能量转换；②信息处理。特点：在外磁场作用下才显示磁性，去掉外磁场后不对外显示磁性(1)主要特征是：①

高的初始磁导率和最大磁导率；②

低的矫顽力Hc;③

高的饱和磁化强度和低的剩余磁感应强度；④此外，出于节省能源降低噪声等方而考虑，软磁材料还应

具备低的铁损，高的电阻率，低的磁致伸缩系数等特征。(2)

应用用于制造发电机和电动机的定子和转子；变压器、电感器、电抗器、继电器和镇流器的铁芯；计算机磁芯；磁记录的磁头与

磁介质；磁屏蔽；电磁铁的铁芯、极头与极靴；磁路的导磁体等。

它们是电机工程、无线电、通讯、计算机、家用电器和高新技术领域的重要功能材料。软磁材料制造的设备与器件大多数是在交变磁场条件下工作，要求其体积小、重量轻、功率大、灵敏度高、发热量小、稳定性好、寿命长材料磁导率饱和磁通密度B./T矫顽力Hd/(A

·

m²¹)电阻率

plμΩm居里温度Tc℃系

统材料名称组成初始μ最大Hmax铁

及铁

系

合

金电工软铁Fe30080002.15640.11770硅钢Fe-3Si1000300002.0240.45750铁铝合金Fe-3.5Al500190001.51240.47750Alperm(阿尔帕姆高磁导率铁镍合金)Fe-16Al3000550000.643.21.53一Permendur(珀明德铁钴系高磁导率合金)Fe-50Co-2V65060002.41600.28980仙台斯特合金Fe-9.5Si-5.5Al300001200001.11.60.8500坡

莫

合

金78坡莫合金Fe-78.5Ni80001000000.8640.16600超坡莫合金Fe-79Ni-5Mo1000006000000.630.160.6400Mumetal(镍铁铜系高磁导率合金)Fe-77Ni-2Cr-5Cu200001000000.5240.6350Hardperm(镍铁铌系高磁导率合金)Fe-79Ni-9Nb1250005000000.10.160.75350铁

氧

体

化

合

物Mn-Zn系铁氧体32MnO

·

17ZnO

·51

Fe₂O₃100042500.42519.510⁴~10⁵185Ni-Zn系铁氧体15NiO

·34ZnO

·51

Fe₂O₃90030000.22410⁹~10¹³70Cu-Zn系铁氧体22.5CuO

·27.5

ZnO

·50Fe₂O₃40012000.24010⁹90非

晶

态金属玻璃2605SCFe-3B-2Si-0.5C25003000001.613.21.25370金属玻璃2605S2Fe-3B-5Si50005000001.562.41.30415表1.3

几种主要的软磁材料I1

、永磁材料又称为硬磁材料，能长期保留Br。作用原理：①利用永磁合金在给定的空间产生一定的磁场强度；②利用永磁合金的磁滞特性产生转动矩，使电能转化为机械能特点：充磁后，去掉外磁场后仍可保留磁性。(1)主要特征①高的剩余磁感应强度和高的剩余磁化强度；②高的矫顽力；③高的最大磁能积；④高的稳定性；(2)

应用应用主要利用永磁体在气隙产生足够强的磁场，利用磁极与磁极的相互作用，磁场对带电物体或离子或载

电流导体的相互作用来做功，

而实现能量转换。永磁材料已纤在通讯、自动化、音像、计算机、电机、仪器仪表、石油化工、磁分离、磁生物、磁医疗与健身

器械、玩具等技术领域得到广泛的应用。材料残留磁通密度Br/T矫顽力/(kAm¹)最大磁能积(BH)ma/(kJ

·m¹)MHcBHc钢

系马氏体钢，9%Co0.7511103.3马氏体钢，40%1.0021198.2铁

铬

钴

系各向同性0.80424012各向异性1.004645281.30494743铝

镍

钴

系铝镍钴5,JIS-MCB500JISMCB7501.25一50.139.81.35一61.763.7铝镍钴61.065一62.931.8铝镍钴8(Ticonall500)0.8一11131.8Ticonal20000.74一16747.7铁

氧

体

系BaFe₁₂O19各向同性0.22~0.24255~310143~1597.96~10.3BaFe₁₂O19湿式各向异性(高磁能积型)0.40~0.43143~175143~17528.6~31.8BaFe₁₂O₁9湿式各向异性(高矫顽力型)0.33~0.37239~279223~25519.9~23.9SrFe₁₂O₁9湿式各向异性(高磁能积型)0.39~0.42199~239191~22326.3~30.2SrFe₁₂O₁9湿式各向异性(高矫顽力型)0.35~0.39223~279215~25520.7~26.3稀

土

系Sm₂Co₁71.12550520250Nd₂Fe₁₄B1.23960880360表1.4

几种主要的永磁材料II

、信磁材料在信息技术中获得应用的磁性材料统称信

息

磁

性

材

料

，简称信磁材

料

；目前在电子计算机、微波通信和光通信等高新技术中研究和应用的信磁材料主要有：磁记录材料、磁存储材料、磁微波材料和磁光效应材料等IV、特磁材料除以上几种磁性材料外，还有多种具有各种特殊磁性功能和各种

特别应用的磁性功能材料统称为特种功能磁性材料，简称特磁材料。主要有：磁致伸缩材料、磁电阻材料、磁性液体、磁制冷材料和复合磁性材料等第

二章

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。*

对软磁材料的基本要求有：(1)初始磁导率μ₁和最大磁导率μ

max要高；(

2)矫顽力

H

要小；(3)饱和磁感应强度M

要高；(4)功率损耗P要低；(5)高的稳定性。*主要的软磁材料：(1)合金

—

—

如硅钢(Fe-Si)、

坡莫合金(Fe-Ni)、

仙台

斯

特合金(Fe-Si-Al);(2)软磁铁氧体一—Mn-Zn系

、Ni-Zn

系

、Mg-Zn系等；(3)非晶态、纳米晶、薄膜等。*发展史：(1)铁氧体问世之前，金属软磁材料垄断了电力、电子、通

信

各

领

域

。优点：其Ms远高于铁氧体，因此电力工业中的变压器、

电机等至今仍是Fe-Si合金材料。缺点：涡流损耗限制了其在高

频段的应用。(2)20世纪40年代开始，软磁铁氧体由实验室走向工业生产。50年代至90年代，铁氧体在软磁行业中独占鳌头。(3)1970年，Fe-Ni-B非晶态合金研制成功，1988年，Fe-Ni-B-Nb-Cu

纳米微晶软磁材料问世，90年代后，非晶与纳米微晶金属软磁材料逐步成为软磁铁

氧体的新的竞争对手。优

点：性能上远优于铁氧体；缺点

：性价比上尚处于劣势。2.

1衡量软磁材料的重要指标1、起始磁导率u=μ

i转

+μμ

αC

位-动力：饱和磁化强度-

阻力：内应力、参杂、空泡、晶界1、可逆磁畴转动“

畴壁厚度2、可逆畴壁位移

杂质体积浓度μM、

2S§2.2.2

提高软磁特性的措施影响磁导率的因素；提高磁导率的措施；损耗(一)、影响磁导率的因素机理：

可逆磁畴转动可逆畴壁位移μi=μi转+

μi位杂质直径δd13Ms;

饱和磁化强度K;

磁晶各向异性常数λ;磁致伸缩系数Materialmicrostructures(crystaldefects,impurities,presence

of

2nd

phase);晶格缺陷、杂质、第二相Heattreatments(withandwithoutHapplied);场退火Grain

sizes;晶粒尺寸Magnetizationmechanism(domain

walldisplacement

or

domain

rotation)磁化机制决定磁性材料μ的因素贝

力

用量级：10-¹A/m~10²A/m*材料内部应力起伏和杂