新功能磁性材料及其应用

1、新功能磁性材料及其应用,Magnetic refrigeration , Magnetic record , Thermo-magnetic-electric generator,YJ.Liu,2011年12月5日,新功能磁性材料及其应用,一、磁性的来源 简单介绍磁性的来源、磁性材料的特点以及磁性材料 的磁化曲线和磁滞回线 二、磁性材料的应用 简单介绍磁性材料在各个领域的应用，例如在日常记录，发电、制冷等方面的应用,一、磁性的来源,物质的磁性是指在其在外磁场H中能够感应出磁矩的性能，物质的磁性强弱可由磁化强度 M 来表示。M 定义为单位体积中的磁矩矢量总和。物质内的磁感应轻度 B 定义为,磁化

2、率 x=M/H 反映了物质磁化的难易程度，根据磁化率的大小，物质可分为抗磁性、顺磁性、反铁磁性、铁磁性、亚铁磁性五大类,顺磁性：,铁磁性和亚铁磁性：,1010的六次方数量级,强磁性物质 应用上重点研究,材料的磁性来源于材料中原子的磁矩，在原子内，处于旋转运动的电子，可以简单看成一个电流闭合回路，因此旋转状态的电子必然伴随着磁矩的产生。 实际上物质磁性来源于原子或分子。由于物质是由原子或分子组成，依照原子理论，磁矩的产生是由于：（1）原子中的电子绕原子核运动（轨道磁矩）；（2）电子的角动量（自旋磁矩）及（3）原子核的角动量（核磁矩）,对于多电子体系，其磁性来源于未满壳层的电子产生的轨道磁矩和自旋

3、磁矩提供。当电子填满壳层以后，各个电子的轨道运动与自旋运动取向占据了所有可能的方向，这些方向成对称性分布，因此总的角动量等于零，对原子磁矩没有贡献。,铁族过渡族元素，如Fe、Co、Ni等，原子磁矩来源于未满壳层的3d电子；稀土元素的磁性来源于未满壳层的4f电子，自由原子或离子的磁矩可以根据洪德法则来计算。,常用的铁族元素和稀土离子的未满壳层电子组态，用洪德法则可以计算出的磁矩与g有关，即朗德因子，它的大小反映了轨道磁矩和自旋磁矩对原子总磁矩的贡献程度。,如果g=1，则原子磁矩都是由轨道磁矩贡献；如果g=2，则原子磁矩都是由自旋磁矩贡献。对于铁族元素，3d电子处于外层轨道，因此它们的运动会受到近

4、邻原子的核库仑场和其他电子的作用，等效于一个晶场，晶场作用下，3d电子轨道角动量消失，所以总得磁矩来源于电子的自旋磁矩，即轨道淬灭。,黄昆固体物理P381页,对于4f 稀土元素，由于4f 电子处于原子深层，受到外面 5s 和 5p 电子很好的屏蔽，相对来说受晶体场影响较小，因此对于 4f 稀土元素组成的化合物或金属，总得磁矩来源于自旋轨道和轨道角动量的耦合,自发磁化与磁畴,在经过抛光的铁磁体表面上，滴上含有细铁粉末的胶体溶液后，在显微镜下可以看到铁粉在抛光面上形成了一块块局域性的小团，说明在铁磁体内部存在着局域磁场，即磁畴。磁畴产生的根本原因是铁磁性物质的自发磁化。解释自发磁化主要有外斯分子场

5、理论和1928年海森堡提出的局域电子交换理论。,顺磁性、强磁性、其热磁曲线和磁滞回线,不同的铁磁材料，磁化曲线有很大的差异，软磁材料的矫顽力Hc只有1 A/m量级，而一般的硬磁材料矫顽力Hc在10 A/m以上，正是利用这一点，做出了许多功能各异的磁性材料,磁化曲线，磁滞回线,二、磁性材料的应用,1、普通磁记录、现代磁光记录材料 2、磁性流体材料 3、非晶、纳米晶软磁材料 4、高性能新型永磁材料 5、磁致伸缩材料 6、磁制冷材料 7、热磁发电材料 ,1、传统磁记录和现代磁光材料,原理：,磁记录材料按形态分为颗粒状和连续薄膜材料两类，按性质又分为金属材料和非金属材料。广泛使用的磁记录介质是-Fe2

6、O3系材料，此外还有CrO2系、Fe-Co系和 Co-Cr系材料等。磁头材料主要有Mn-Zn系和Ni-Zn系铁氧体 、Fe-Al系、Ni-Fe-Nb系及Fe-Al-Si系合金材料等。,2、磁性流体材料,3、非晶，纳米晶软磁材料,通过快速冷凝技术制备的亚稳态非晶、纳米晶材料的磁晶各向异性近似为零，因此它具有一般晶体材料所没有的、独特的软磁特性。而且非晶纳米晶的制备工艺相对简单，可以快淬成薄带，提高材料的利用率。近些年了，非晶纳米晶材料得到了迅速的发展，成为不可替代的软磁材料，在变压器铁芯，传感元件，薄膜磁头等方面得到了很好的应用。,4、高性能永磁材料,稀土永磁材料的出现对推动工业进步, 特别是电

7、机工业、办公自动化等起到了积极的作用。在实现元器件的小型化、轻量化、高性能、高可靠性方面, 稀土永磁材料更是显示出其优秀的特性。 稀土永磁材料发展到今天, 已经经历了第一代SmCo5、第二代Sm2Co17、第三代Nd2Fe14B 三个发展阶段, 其中Nd- Fe- B 永磁材料以其优良的磁学性能成为目前应用最广泛的一类稀土永磁材料。 近年来, 材料科学工作者又研发了一些新型的稀土永磁材料, 最有代表性的有3 种:ThMn12 型稀土永磁材料; 间隙稀土金属间化合物永磁材料, 如Sm2Fe17Mx( M=C, N) 等; 纳米晶复合交换耦合永磁材料。,5、磁致伸缩材料,物质在磁场中被磁化时，其长

8、度会发生微小的变化，这现象称为磁致伸缩。磁致伸缩系数a=dL/L，磁致伸缩系数随外加磁场的变化而变化，当材料磁化到饱和，a也达到相应的饱和值。 磁致伸缩系数大的材料可以用来做电信号与机械信号的变换元件。目前主要用于雷达系统，水下声纳系统，科学家们一直期望将它用在超声波上,6、磁制冷材料,Refrigeration,Vapor compression refrigeration 30% Energy consumption: high Refrigerants: CFCs, HCFCs, HFCs ODP&GWP,Thermoelectric refrigeration 10% Energy c

9、onsumption: low Semiconductors,Thermoacoustic refrigeration 30% Energy consumption: high Inert gases: helium or xenon,Magnetocaloric refrigeration 60% Energy consumption: low Magnetic materials:,Mechanical,Sound waves,Peltier effect,Magnetocaloric effect,Magnetocaloric effect (MCE),T,Entropy, S,Temp

10、erature, T,A magnetic field change causes a magnetic material to warm or to cool.,The nature of MCE is magnetic entropy change,磁热效应 (MCE) In 1881, E. Warburg first observed the MCE in Iron. 一种制冷方法 In 1933, W.F. Giauque and D.P. Macdougall experimentally demonstrated the use of MCE to achieve low temperatures below 1 K. 室温磁制冷 In 1976, G. Brown ushered in the dawn of room-temperature magnetic refrigeratio