中科大材料性能测试课件第3章 磁学性能测试

第三章

磁学性能及测试方法第一节磁性材料简介1)

自然界磁现象：“先王立司南以端朝夕”

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《韩非子》（春秋）

“郑人取玉，必载司南，为其不惑也”

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《鬼谷子》（春秋）“司南之杓，投之于地，其柢指南”-《论衡》（东汉王允）最早的自然磁性应用-司南（公元前三世纪）王振铎复原模型一、发展历史2)古代磁现象的应用“以磁石摩针锋，则锐处常指南，亦有指北者，恐石性亦不同，南北相反，理应有异，未深考耳。”-《梦溪笔谈》（北宋沈括）“舟师识地理，夜则观星，昼则观日，阴晦则观指南针。”-《萍洲可谈》（北宋朱彧）磁化方法：航海应用：a)

指南鱼、指南针b)古代医疗慈(磁)石治疗风湿、肢节痛、除热和耳聋，《神农本草》（东汉）“磁石可以养肾脏，强骨气，通关节，消痛肿”

-《名医别录》（南北朝陶弘景）磁石治疗耳卒聋闭、肾虚耳聋、老人耳聋、老人虚损、眼昏内障、小儿惊痫、子宫不收、大肠脱肛、金疮肠出、金疮血出、误吞针铁、丁肿热毒、诸般肿毒，《本草纲目》（明李时珍）用磁石制成蜜丸，经常服用可以对眼力有益，《千金方》（唐孙思邈）磁石医治听力不佳，《济生方》（南宋严用和）3)近代磁现象的应用a)核磁共振在医疗中的应用原子核磁共振成像，简称核磁共振成像，又称核磁共振CT目前应用的是氢元素的原子核核磁共振层析成像。这种层析成像比目前应用的X射线层析成像(又称X射线CT)具有更多的优点脑瘤病人头部的

CT成像和X射线成像

b)宇宙空间探测阿尔法磁谱仪是人类送入宇宙空间的第一个大型磁谱仪（1998）。它利用强磁场和精密探测器来探测宇宙空间的反物质和暗物质，探索和研究宇宙物理学、基本粒子物理学和宇宙演化学的一些重大和疑难问题。反物质：是指由质量相同但电荷符号相反的反电子(即正电子)、反质子和反中子组成的反原子构成的物质，如反氦和反碳等。暗物质是指不能用光学方法探测到的物质。阿尔法磁谱仪的核心部件-永磁铁4)

近代磁性材料的发展Fe-Si软磁合金（1900年）Fe-Ni软磁合金（1920年）铝镍钴永磁合金（1932年）稀土金属铁氧体（1956年）钕铁硼永磁合金（1985年）二、磁性材料的分类1)

永磁材料（硬磁）：经磁化后能长期保留其磁性的材料。特征：a)具有高的最大磁能积(BHm)：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；b)具有高的剩余磁化强度(Mr)和高的矫顽力(Hc)；c)具有较高的稳定性。主要有：a)

稀土永磁材料（钕铁硼）：当前磁能积最高的一类永磁材料，为铁族元素和稀土元素的金属互化物；b)

金属永磁材料：分铝镍钴(AlNiCo)系和铁铬钴(FeCrCo)系两大类，AlNiCo系成本中等，FeCrCo系合金可以制成管状、片状或线状永磁材料而供多种特殊应用；c)

铁氧体永磁材料

：(

BaO•6Fe2O3和SrO

•6Fe2O3)等；d)

其他：微粉永磁材料、纳米永磁材料、胶塑永磁材料等。2)

软磁材料：既容易磁化又容易退磁的磁性材料。

特征：a)高的磁导率。磁导率(符号为μ)是对磁场灵敏度的量度；b)具有高的饱和磁化强度(Ms)和低的矫顽力(Hc)；c)具有较高的稳定性。主要有：a)

铁-硅(Fe-Si)系软磁材料，俗称硅钢片；b)铁-镍(Fe-Ni)系软磁材料，具有低矫顽力的一类材料；c)铁氧体软磁材料，可在高频或超高频使用；d)非晶态软磁材料和纳米晶软磁材料，制造工艺简单；e)

其他软磁材料：高能和高磁化强度的铁-钴(Fe-Co)系合金，高电阻率的铁-铝(Fe-Al)系合金，磁晶各向异性和磁致伸缩都趋近于零的铁-硅-铝(Fe-Si-Al)系合金等。3)

磁存储材料：电子计算机存储器所用的磁性材料，其磁滞回线近似于矩形。特征：a)

具有高的剩磁比Br/Bm和低的矫顽力Hc；b)短的开关时间；c)磁滞回线近似于矩形。主要有：a)铁氧体矩磁材料（MnO•Fe2O3、MgO•Fe2O3）；b)金属磁膜材料（Fe-Ni系）等。4)

磁微波材料：具有独特微波磁性的材料。5)

磁光材料：激光、光电子学和正在发展的光子学中所用多种磁光效应器件使用的磁性材料。主要有：a)旋磁材料，高旋磁性高电阻率的旋磁铁氧体材料，如BaO•6Fe2O3、3Y2O3•

5Fe2O3铁氧体系统等；b)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，如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。特征：a)高的磁光效应；b)低的磁光损耗；c)宽的磁光效应频带；d)高的稳定性。主要有：a)金属磁光材料，如锰-铋(Mn-Bi)系合金等；(2)铁氧体磁光材料，如石榴石型铋-钆-铁-镓-氧(Bi-Gd-Fe-Ga-O)系铁氧体等；(3)非晶态磁光材料，如钆-钴(Gd-Co)系非晶态合金等。6)多功能磁性材料：同时具有磁性和其他性能的材料主要有：a)同时具有铁磁性和铁电性的铁磁-铁电功能材料，如BiFeO3(Ba,Pb)(Ti,Zr)O3系材料；b)同时具有铁磁性和半导体的铁磁-半导功能材料，具有高的磁导率和高的载流子迁移率，如铕-硫(Eu-S)系和铕-硒(Eu-Se)系材料；c)磁电材料，是一类由磁场可产生磁化强度和电极化强度，由电场可产生电极化强度和磁化强度的磁性材料，如DyAlO3和GaFeO3；d)铁磁-有机材料，是一类不含磁性金属的纯有机化合物磁性材料。可以说多功能磁性材料是正在发展和扩大的新型磁性材料。第二节宏观磁性特征一、材料的磁性1)分子环流假说：分子或原子中的电子绕核运动产生环形电流，环形电流的定向排列产生磁性。由原子核的自旋磁矩、电子的轨道磁矩和自旋磁矩产生。轨道磁矩其中,自旋磁矩其中2)原子磁矩

:成对电子轨道磁矩和自旋磁矩矢量和为零，未成对电子不为零。原子的磁矩由未成对电子决定。二、材料的磁化物质在磁场中表现出一定的磁性称为磁化其中H为外加磁场强度，单位为A/m为附加磁场强度，其大小可用磁化强度表示磁化强度：单位体积内的总磁矩1)

磁化率和磁导率a)

磁化率为相对磁导率，为磁导率b)

磁导率真空磁导率磁感应强度将代入得2)

磁化曲线和磁滞回线软刚的磁化曲线磁化过程中B和M与H的关系a)

磁化曲线顺磁体抗磁体铁磁体一些工业材料的磁化曲线b)

磁滞回线铁磁体在磁化过程中存在着不可逆过程，退磁时其磁化强度不沿磁化曲线降低而是更为缓慢。当H降为零时，仍保留的磁化强度称为剩余磁化强度Mr，施加反向磁场直至磁化强度减为零时的磁场称为矫顽力Hc。第三节抗磁性和顺磁性一、

抗磁性抗磁磁矩示意图（约10-6）二、顺磁性其中j被称为磁偶极矩磁场对条形磁体的作用顺磁体磁化过程三、影响因素1)

原子结构惰性气体：典型的抗磁性非金属：大多数具有抗磁性（氧和石墨例外）金属：铜、银、金、汞等具有抗磁性碱金属、碱土金属具有顺磁性过渡金属多具有铁磁性3)

其他因素：合金成分的影响相变的影响等2)

温度第四节铁磁性一、铁磁性的产生1)

外斯假说①物体中存在着与外磁场无关的自发磁化，其强度与温度有关②铁磁体内部分成很多微小的区域，称为“磁畴”。在外磁场作用下磁畴的取向发生变化。为原子的能量，为核a,b相互作用的势能为电子之间、电子与核之间相互作用的能量项为两个原子的电子交换位置产生的作用能，称为交换能2)

自发磁化（自旋平行）（自旋反平行）A>0为铁磁体(Fe、Co、Ni)或顺磁体A<0为反铁磁体(Cr、Mn)二、铁磁材料的测量：冲击法感生电动势感生电流总电量因为代入得闭路试样示意图三、反铁磁性和亚铁磁性反铁磁体：亚铁磁体：铁氧体MeO•Fe2O3，M为铁、钴、镍、锌、镁等三种磁体磁矩排列示意图宏观磁性分类第五节铁磁材料静态磁化特性的测量一、冲击法1)闭路试样a)

试样要求：b)

磁场强度和磁感应强度：其中Cb为冲击常数，由冲击计给出，R为测量回路总电阻，为光电计偏移量，N2为测量线圈匝数，S为试样截面积闭路试样示意图c)

冲击法测量线路图K1控制磁化电流方向，用于基本磁化曲线的测量，K3控制辅助电路，用于磁滞回线的测量。d)

冲击法测得的磁化曲线和磁滞回线磁化曲线测量：K3闭合，R1调节电流，K1换向，磁感应从+B-B,或-B+B所以磁滞回线测量：调节R1达到磁化饱和，断开K3，读出检流计偏转

C根据磁滞回线可得到剩余磁感应强度Br和矫顽力Hc2)开路试样：适用于永磁材料a)

试样要求：当时，取试样或时，取当试样或b)

饱和磁化强度其中

0为真空磁导率，410-7(H/m)，S2为试样截面积开路试样示意图二、自动测量1)光电放大磁通计2)