【磁性材料的研究现状文献综述3900字】

磁性材料的研究现状文献综述磁性是自然界物质的基本性质，磁性材料的应用也在人类文明中源远流长。物质磁性的内容非常广泛，如果按照材料的磁化率对物质的磁性进行分类，可以分为铁磁性、亚铁磁性、顺磁性、抗磁性、和反铁磁性等ADDINNE.Ref.{298ABD35-B14F-4187-899F-102DEB51E2E1}[4]。近年来，随着磁学知识的革新和磁性材料的发现运用，磁性材料已经成为国民经济和国防建设中关键的基础材料。磁性材料按照不同的分类方式，可以划分为很多种分类。若将材料按照成分和结构进行分类，可分为金属材料、非金属材料、非晶合金和纳米材料等ADDINNE.Ref.{450CD203-DA16-4796-89A7-C28E7CF6E248}[4]。而我们通常从实用观点出发，将磁性材料分为：永磁材料、软磁材料和其他功能材料等。现如今，电动机、电感器、变压器、磁性传感器、磁带、音响和风力发电机等大量民用及工业器件都使用软磁和永磁材料，同时磁光记录材料、磁致伸缩材料、磁电阻材料、磁热材料和磁性液体等磁性功能材料的应用也日益增多。1.1永磁材料的特点及应用永磁材料又可以被称为“硬磁材料”，是一类经磁化后退磁，仍具有很高的剩余磁化强度的一类材料。这类材料一般还具有具有较高的矫顽力，因此材料的磁滞回线也很宽。同时，永磁材料能够应用就要保证其具有高的最大磁积能（BH）max，和高的稳定性。永磁体由于在气隙中的强磁场，磁极与磁极之间存在强的相互作用，因此可以与带电物体产生相互作用而做功，从而实现能量和信息的交换。因此永磁材料能够应用于通讯、化工、磁分离、磁医疗等各个领域ADDINNE.Ref.{17C50C05-3613-49F9-AFDA-5C945DA8A206}[5]。永磁材料主要包括金属永磁材料、铁氧体永磁材料和稀土永磁材料三大类ADDINNE.Ref.{5311C3E7-8112-4845-AAE6-1DBBB4F51AE5}[6,7]。其中，稀土永磁材料是一种被广泛使用的磁性材料，被用作许多磁性功能装置的重要部位。因为稀土永磁材料具有很好的磁性能被广泛应用在各个领域，并且促进了磁器件的高效化小型化发展ADDINNE.Ref.{91EC634F-50E0-4227-A849-7ADD7DB3127C}[8]。而铁氧体永磁材料由于其高的电阻率被广泛应用于高频和微波领域。永磁材料的稳定性是决定其应用的重要因素。永磁材料的稳定性是指其在长时间的使用过程中，磁性能抵抗外界条件干扰的能力。比如在仪器仪表中的永磁材料，经长时间使用后，其磁性能受到环境干扰，感生电流降低，从而无法满足设备使用的精度要求，这种情况下，就需更换配件。因此从节能减排方面考虑，永磁材料的稳定性至关重要。金属永磁材料是一类发展较早的合金型永磁材料，它们主要以铁和铁族元素为重要组成成分，又可以称为永磁合金。Al-Ni-Co永磁合金是永磁合金中发展较早的一类合金，因其优异的温度稳定性而闻名ADDINNE.Ref.{8C47F832-4C05-4EAB-8251-3811BC7FD30A}[9]。但是它虽然具有剩磁高和温度系数低等优点，但是该合金矫顽力很低，退磁曲线不是线性的，导致其易受外界影响而退磁，限制了它的使用ADDINNE.Ref.{AB8E123D-C571-4032-ABB6-5B32D4981AB8}[5,10-14]。其次，Al-Ni-Co永磁合金还具有组织结构上的缺陷，即硬脆、致密性低等ADDINNE.Ref.{4C45E421-E77A-4880-AB32-1F63A473D088}[5]。铁氧体永磁材料属于金属间化合物材料，其具有亚铁磁性，相较于金属永磁材料，铁氧体永磁材料具有更大的矫顽力、更小的密度、更加耐腐蚀以及价格低廉等优点，这使其在仪器仪表和微波领域具有广泛的应用。在铁氧体永磁材料中，最具代表性的是钡（锶）铁氧体，又称M型钡铁氧体材料。刘ADDINNE.Ref.{50DD3E50-D2F9-4515-9F9E-E5EEC515518D}[15]等研究了元素掺杂对锶铁氧体永磁材料磁的性能影响，发现除CaCo3以外，其他元素的适量添加都会使Hcj升高，Br降低，而CaCo3正好相反。具体结果如图1-1所示ADDINNE.Ref.{29AE2A6A-9414-4A7B-812C-79EF58712CC8}[15]。稀土永磁材料具有很好的永磁性能，并广泛应用于交通、机械、计算、通讯等领域。其磁性能比磁钢高100多倍，且比铁氧体永磁材料的磁性能也优越得多，相比于价格昂贵的铂钴合金，其磁性能也高出许多ADDINNE.Ref.{5F5EC973-FC4A-49A4-8BB5-9659B86DEE96}[16]。稀土永磁材料由稀土元素与过渡金属组成。其中，稀土元素共有17个，除了15个镧系元素以外，还有第三副族的钪和钇ADDINNE.Ref.{BB95B138-FA2D-45F5-BD53-AABDD584A7FA}[17]。而在稀土永磁材料中，Nb-Fe-B系稀土永磁材料的磁性能最为优异，应用也最为广泛。相较于其他稀土永磁材料，Nb-Fe-B系稀土永磁材料具有磁性能更高，价格较低，力学性能好等优点。近年来，许多新应用要求材料具有内禀顽力Hcj，并要保持较高的最大磁积能（BH）max。中科三环发表文章宣称通过烧结钕铁硼常规工艺的全面优化，结合新型晶界扩散工艺的采用，研制出在20℃时，Hcj高达35.2kOe，同时（BH）max能保持在40.4MGOe的高性能烧结钕铁硼磁体ADDINNE.Ref.{7CF479F5-1DB2-4851-BCF1-3ED6060E95D1}[18]。目前随着原材料价格的增加，以及钕铁硼系永磁材料在风力发电和混合动力汽车等领域的需求越来越多，对钕铁硼系稀土永磁材料的开发不仅要求其具有高的磁积能和高的内禀矫顽力，还要求其具有低的生产成本，这也是为了响应国家号召，促进稀土资源的应用ADDINNE.Ref.{9A026A1C-5B23-47D8-B1DA-2B5C74EF5D60}[19]。张ADDINNE.Ref.{CF4FE79E-2730-4905-A410-3E33E429ADF9}[20]等研究了Nd7Fe61B22Mo4Y6纳米复合永磁材料的显微结构及其磁性能，其磁滞回线如图1-2所示。实验发现退火温度对Nd7Fe61B22Mo4Y6铸态合金的磁性能影响很大，并且740℃时，样品磁滞回线最为光滑饱满，无拐点，硬磁性能最佳。升至760℃后，磁性能下降，可能是由于晶粒长大，软磁相和硬磁相之间耦合作用减弱。因此，材料的磁性能与热处理温度高度相关，要想得到良好的磁性能需要选择合适的热处理温度。1.2软磁材料的特点及应用软磁材料具有高的磁感应强度和初始磁导率，能较快地响应外部磁场的变化。因其高的磁导率和低的矫顽力，对外界磁场感应灵敏，不仅容易被磁化，还容易退磁，因此被广泛应用于电力工业和电子设备中ADDINNE.Ref.{CD24AD63-6D20-4490-94A3-4E659B3AF146}[21]。而为了使软磁材料尽可能的满足其使用要求，对软磁材料提出如下要求ADDINNE.Ref.{314D8304-AAF5-4156-8C48-B14E281DCFCE}[21]：（1）高的初始磁导率和最大磁导率，高的初始磁导率可是其对外界条件变化反应更加灵敏，而高的最大磁导率则保证其高的功能效率；（2）小的矫顽力，软磁材料的矫顽力通常约为10-1A/m~102A/m，小的矫顽力在保证及时响应外界变化及时退磁外，还能够减小磁滞损耗；（3）高的饱和磁感应强度和饱和磁化强度，高的饱和磁感应强度有利于实现器件的小型化；（4）低的功率损耗，低的功率损耗可以增加材料的使用上限，节约资源；（5）稳定性好，稳定性越好，材料在太空、海底等恶劣环境中稳定工作的时间越长。相较于永磁材料，软磁材料的种类更多，按照合金类型，可将软磁材料分为铁氧体软磁材料和金属软磁材料等。而其中金属软磁材料又分为硅钢、非晶软磁材料、坡莫合金等。硅钢其实是Fe-Si合金，但是因Si在Fe中的固溶度有限，且随Si的固溶，不仅材料的加工性能变差，其磁性能也会随之降低，因此硅钢中Si的含量一般低于6.5%。相较于低碳钢等电工纯铁，硅钢的效率高、损耗低使其在电力工业中被广泛应用。张ADDINNE.Ref.{9D0AE003-EDA1-4DEA-8CE0-02342F86943D}[22]等研究了热轧温度和轧制角度对无取向硅钢软磁性能的影响，如图1-3，1-4所示。研究发现，无取向硅钢的铁损受温度影响很大，但对磁感应强度的影响不大；另外轧制方法对材料的磁性能也会有影响。非晶、纳米晶软磁材料的发现使用是磁性材料历史上的里程碑。非晶软磁材料是一类具有短程有序而长程无序的非晶态材料，它具有高的磁导率和低的矫顽力，体系自由能高，抗化学腐蚀能力强等独特的优点。而纳米晶软磁材料则是在非晶软磁材料的基础上加以晶化处理得到的，它不仅兼非晶软磁材料的优点，而且价格低廉。坡莫合金因其很高的磁导率而广为人知，且坡莫合金的合金成分选择范围较其他合金大，其磁性能可以通过调整合金成分来调节，这就使坡莫合金能够适应更多领域的应用，如磁屏蔽材料、脉冲变压器材料和磁致伸缩材料等。但其成本高、低饱和磁感应强度等缺点也限制了它的大批量生产运用。季勇ADDINNE.Ref.{6A7D714D-9512-49B4-B3F9-801ABAAAF8D9}[23]等研究了磁致伸缩镀层材料对坡莫合金磁性能的影响，结果如图1-5所示。实验发现，大磁致伸缩材料可以改善坡莫合金的软磁性能，降低材料各向异性。软磁材料中另一大分类就是铁氧体软磁材料，它是由Fe2O3和其他二价金属氧化物组成的金属间化合物ADDINNE.Ref.{8909A06A-F927-4FDF-801B-2904A348E712}[21]，相较于金属软磁材料，铁氧体软磁材料即使在弱磁场下也能够即使响应外界信号变化，完成磁化和退磁。虽然软磁铁氧体具有更高的磁导率和低矫顽力但其居里温度低，饱和磁化强度也较低。LiADDINNE.Ref.{5C670930-06B8-46E0-92DF-7820610D4B45}[24]等研究了锌锰铁氧体的磁性能，其磁滞回线如图1-6所示。从图中可以看出，锌锰铁氧体具有明显的软磁特性，其矫顽力大约为74Oe，饱和磁化强度约为74emu/g。饱和磁化强度不高可能是因为其晶体内部的亚铁磁性导致的。在磁性材料中，铁氧体软磁材料、铁氧体永磁材料以及稀土永磁材料都属于金属间化合物材料。即金属间化合物在磁性材料方面表现出了很好的应用前景。但金属间化合物的室温脆性等结构缺陷极大地限制了它的使用。另外铁氧体材料的饱和磁化强度低，居里温度低等缺点也有待突破。参考文献[1] 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