材料物理-240109F

1、Rev. for Dec.30 class,磁性体中的自由能 退磁场、磁致伸缩与磁弹性能 自发磁化理论与交换作用能 温度对磁性的影响,自发磁化理论,原子之间相互接近形成分子时，电子云相互重叠，产生相互作用。 对于过渡族元素，原子的 3d 状态与 s 态能量相差不大。它们的电子云相互重叠，使 s、d 态电子再分配，这种作用便产生一种交换能 Eex。由量子力学得到,A：交换积分常数 ：相邻原子磁矩夹角,交换积分常数,A 0 ：相邻原子磁矩排列相同，从而实现自发磁化； A0 ：相邻原子磁矩排列紊乱，为顺磁； A 0：相邻原子磁矩反向排列。,反铁磁性与亚铁磁性,交换积分常数 A0 时，原子磁矩取反向平

2、行排列能量最低。,相邻原子磁矩相等时，原子磁矩相互抵消，自发磁化强度为零，称为反铁磁性。 物质由磁矩大小不同的两种离子(或原子)组成，二者之差表现为宏观磁矩，称为亚铁磁性。,反铁磁性,磁化率与温度的关系曲线上存在最大值，称为奈耳温度； 当温度趋于 0K 时， 趋于定值。,亚铁磁性,亚铁磁性物质由磁矩大小不同的两种离子 (或原子) 组成，相同磁性的离子磁矩同向平行排列，而不同磁性的离子磁矩是反向平行排列。由于两种离子的磁矩不相等，反向平行的磁矩就不能恰好抵消，二者之差表现为宏观磁矩。 具有亚铁磁性的物质绝大部分是金属的氧化物。,6.3 磁性材料的自发磁化和技术磁化,铁磁性与顺磁性为什么不一样？

3、外斯假说：铁磁体内部存在很强的“分子场”在“分子场”的作用下，原子磁矩趋于同向平行排列，即自发磁化至饱和称为自发磁化。 为什么许多铁磁体对外不显示磁性？ 铁磁体自发磁化分成若干个小区域，这种自发磁化至饱和的小区域称为磁畴，由于各个磁畴的磁化方向各不相同。 磁性彼此相互抵消，导致铁磁体对外不显示磁性。,磁畴,铁磁体与亚铁磁体均有自发磁化，为什么大块磁铁对外不显示磁性？,自发磁化是以小区域磁畴存在的，各磁畴的磁化方向不同。,外斯假说-,磁畴的形成,磁性体中自由能的影响,交换能倾向于产生单畴结构，产生单畴之后，其端面处产生磁极，从而增加退磁场能。 交换能与退磁场能两个不同的竞争机制，使单畴分割成小磁

4、畴。,磁畴的形成 (续),组织不均匀性的影响,一般不均匀性不仅导致进一步分畴，且畴壁切割不均匀区域，这是因为,夹杂物、应力、空洞,夹杂处磁通的连续性遭到破坏，出现磁极和退磁场能。为减少退磁场能，往往在夹杂物附近出现附加畴，即分畴现象。 新的畴壁切割不均匀区域，可以降低畴壁的有效面积。,磁畴壁的特征,磁畴壁是一个磁矩方向转换过渡区，有一定厚度。换句话说，磁畴的磁化方向在畴壁处不能突然转一个很大角度，而是经过畴壁的一定厚度逐步转过来的，即在过渡区中原子磁矩是逐步改变方向的。,布洛赫 (Bloch) 畴壁：在整个磁畴壁中，原子磁矩均平行于畴壁平面，这种畴壁叫布洛赫壁。,磁畴壁中的能量,畴壁是原子磁矩

5、方向由一个磁畴的方向转到相邻磁畴的方向的逐渐转向的一个过渡层。,交换能 磁晶各向异性能 磁弹性能,壁内由于原子磁矩的逐渐转向，各方向上的伸缩难易不同，因此产生磁弹性能。,交换能与磁晶各向异性能,原子磁矩之间有一定相互取向，即交换能相对于磁畴内部升高。可以证明，逐渐转向比突然转向的交换能小。所以，畴壁的厚度越大，可降低壁的交换能。 原子磁矩的逐渐转向，使原子磁矩偏离易磁化方向，使磁晶各向异性能增加。所以，磁晶各向异性能倾向于使畴壁变薄。,磁畴壁的厚度,畴壁能最小值时对应的壁厚 No ，就是平衡状态下壁的厚度。,畴壁的厚度越大，可降低壁的交换能。 磁晶各向异性能倾向于使畴壁变薄。,180与90磁畴

6、壁,相邻磁畴的界限称为磁畴壁。,磁畴数目,细分磁畴后，畴壁增多，导致畴壁能增加。 退磁场能与畴壁能两个不同的竞争机制，决定了磁畴数目。极端情况下出现单畴。,磁畴结构的影响因素,磁畴的形状、尺寸、畴壁的类型与厚度总称为磁畴结构。,单晶体磁畴结构受到交换能，各向异性能，磁弹性能，磁畴壁能、退磁能的影响。 多晶体的磁畴结构不仅受到上述磁性体中各项自由能的影响，还与组织有关，如晶界、第二相、晶体缺陷、夹杂、应力、成份不均匀有关。,6.3.2 技术磁化过程,技术磁化过程： 外加磁场对磁畴的作用过程，即外加磁场把各个磁畴的磁矩方向转到外磁场方向的过程。 可通过两种形式进行：,磁畴壁的迁移；磁畴的旋转。 磁

7、化过程有时存在一种形式，有时存在两种形式。,磁化曲线和磁滞回线是技术磁化的结果。,技术磁化本质,技术磁化过程包括：,磁畴壁可逆迁移区； 磁畴壁不可逆迁移区，即巴克豪森跳跃区； 磁畴旋转区。,对应磁导率的变化是由小大最大值减小。,影响磁畴壁迁移的因素,不均匀相、磁晶各向异性能、磁弹性能,磁导率增大 矫顽力减小,影响合金铁磁性和亚铁磁性的因素,与自发磁化有关的参量为组织不敏感，而与成份，原子结构组成合金各相的数量比有关。 Ms、s、K、Tc,组织：晶粒大小、形貌、弥散度、缺陷,与技术磁化有关的参量为组织敏感。 Hc、 或 、Br,温度的影响,在低于居里温度的条件下，各类铁磁和亚铁磁性均随温度升高而

8、所下降，直到居里温度附近，有一个急剧下降。 下降过程，两者不同。,铁磁体的饱和磁化强度随温度的变化,温度升高，磁性下降存在居里温度。,铁磁相的饱和磁化强度与温度的关系曲线，称为热磁曲线。,MB-MA,亚铁磁体饱和磁化强度随温度的变化,每个磁结构的磁性来源不同，故当温度增加时，每种磁结构对温度反应不会完全相同； 在某一温度下，亚铁磁性材料的磁化温度 M0，该温度被称为补偿温度 Tcomp (补偿点)。,加工硬化的影响,加工硬化引起晶体内缺陷增加，因而会引起与组织有关的磁性关系。 再结晶退火与加工硬化的作用相反，退火之后，缺陷减少，最终各种磁性又恢复到加工硬化之后。,Goss 织构,合金元素含量的

9、影响,合金元素(包括杂质)的含量对铁的磁性有影响，绝大多数合金元素都将降低饱和磁化强度。 Co例外,合金元素含量的影响(续1),Ni 含量对 Fe - Ni 合金磁性的影响。,合金元素含量的影响(续2),第6章 材料磁性能,第6章 材料磁性能,6.5 磁性材料,按矫顽力大小分为硬磁、半硬磁和软磁材料,6.5.1 软磁材料,如何获得优异的软磁性能？,降低各向异性常数； 减小磁致伸缩； 使组织均匀。,高的磁导率、低矫顽力和低的铁芯损耗。,6.5.2 硬磁材料,硬磁材料又称永磁材料，指材料被外磁场磁化后，去掉外磁场后仍然保持着较强剩磁的磁性材料。 用途：磁场源或磁力源，提供磁空间。,在磁化后取消外磁

10、场，则在磁铁中有 Br，但无法对外提供可利用的磁空间。,若磁体是一个闭合回路 (如环状)，没用！,磁场源的产生,若在环上开一个空气隙，在磁铁上出现两极，并在此空气隙中建立了磁场，但因为有磁极，又会产生退磁场，降低 Br 的值。,开路永磁体的退磁曲线上各点 Bd 随 Hd 的变化。,空气隙的磁场,Hd：退磁场强度Bd：退磁场磁感应强度 Vd：磁铁体积Vg：空气隙体积,若要提高空气隙的磁场强度，必须提高Bd、Hd 。,磁能积的概念,磁能积,BH 就是磁能积，代表磁铁的能量，BH 最大值，称为最大磁能积，用 (BH)max 表示。,对硬磁材料的要求：四高,高 Hc； 高 Br； 高 (BH)max；

11、 高 Tc；,如何提高Hc、Br 、(BH)max,如何阻碍反磁化过程？即磁畴转动,增加磁晶各向异性常数； 增加磁致伸缩； 增加缺陷：应力、渗杂； 产生析出相：针状沉淀粒子。,第6章 材料磁性能,6.1 磁学基本量及磁性分类 6.2 铁磁性和亚铁磁性材料的特性 6.3 磁性材料的自发磁化和技术磁化 6.4 磁性材料的动态特性 6.5 磁性材料 6.6 信息存储磁性材料,磁信息存贮系统,磁芯记忆系统 磁感应记录系统 磁光记录系统 磁泡记忆系统,6.6 信息存储材料,6.6.1 磁感应记录系统 6.6.2 磁(致)电阻效应和磁头材料 6.6.3 磁光记录材料,6.6.1 磁感应记录系统,记录的一般

12、原理 颗粒涂布记录介质 高密度磁膜,记录的一般原理,磁盘、磁带等记录系统有四个基本单元：,存储介质； 磁记录介质，涂在带或盘上。 换能器； 磁头，靠它把电信号变成磁信号把信息记录在磁介质中(写入)，或将磁信号变成电信号(读出)。 介质或磁头的驱动系统； 与其相匹配的电子线路系统。,水平记录原理,磁感应记录的两种方式：水平记录和垂直记录,来自麦克风等的电信号或微机的数据，经过电子线路调制处理； 进入磁头的绕组线圈，在磁头铁芯产生磁通。 当磁带紧贴磁头的表面匀速通过时，磁介质被空气隙的磁场所磁化。 磁带被磁化的区域离开磁头时，仍保留剩余磁化强度。,记录波长,记录信号的电流在一个变化周期内，使记录磁

13、头的磁场方向改变一次并在介质上产生方向相反的两个剩余磁化区，加上过渡区构成了一个记录周期，称为记录波长。,记录波长越小，记录介质的密度越大。 记录波长与记录信号的频率f 和磁头/磁带的相对速度v之间的关系，,(6.35),记录波长 (续),记录系统的技术指标,记录密度 存储容量 数据传输速度 数据存储时间 误码率,颗粒涂布记录介质,将磁粉涂覆于有机薄膜上的记录介质。,矫顽力； 磁感应强度 磁性层厚度； 表面光洁度； 磁层特性的均匀度。,影响磁记录特性的因素：,矫顽力,矫顽力越大，记录性能越稳定。,提高磁粉的矫顽力，必须消除磁畴壁，使粒子尺寸达到单畴的尺寸。,（6.54）,（6.55）,合适的矫

14、顽力,剩余磁感应强度Br,Br 愈高，读出信号就愈大，系统的信噪比愈高，但同时退磁场强度也高。 必须兼顾考虑剩磁和退磁场对记录系统的综合影响。 合适的矩形性。,磁层厚度,磁层愈厚，退磁愈严重，使记录密度降低，并且颗粒磁性层不容易得到均匀化，引起读出误差。 磁层愈小，读出信号下降且涂布工艺也很难做到均匀。,综合各种矛盾选择最适当的厚度层。 ？,磁粉尺寸,（6.59）,单畴临界尺寸,磁单畴结构有利于提高磁介质的矫顽力； 颗粒尺寸太小变成超顺磁体，矫顽力降为零；,高密度连续膜磁介质,提高记录密度,缩短记录波长,提高Hc 减小退磁场,减少磁层厚度,磁化强度大，退磁场小。,最理想的磁记录介质,金属薄膜,

15、垂直记录薄膜,需要垂直于膜面方向的各向异性场HK必须大于退磁场。,易磁化轴与膜平面相互垂直的磁性膜。,又有,典型硬盘膜结构,磁电阻材料,磁性材料的电阻率随磁化状态而改变的现象。,磁电阻效应,一般金属的磁阻效应； 铁磁金属的各向异性磁阻效应； 金属多层膜的巨磁阻 (Giant magnetoresistance)效应； 钙钛矿结构锰酸盐的庞磁阻 (colossal magnetoresistance) 效应。,巨磁电阻效应,庞磁阻效应,当磁场使电阻率变化达到更高量级，称为庞(Colossal)磁电阻材料，但庞磁电阻一般在很高的磁场(约1T)中产生。 最近研究钙钛矿型的(Nd1-y，Smy)1/2Sr1/2Mn03的单晶磁性和磁电阻性能时，观察到显著的低磁场庞磁电阻现象。当y0.94，略高于居里温度Tc，在0.4T的外磁场中得到磁电阻率变化(0)/(H)103的庞磁电阻。,磁