7 -1,7-2 软磁材料,硬磁材料

抗
磁 质 的 磁 化
q
m '
F
m '
v
,
B0
同向时
q
m ' v F
,
B0
反向时
抗磁质内磁场 B B0 B'
铁磁质的磁化
从物质的原子结构观点来看，铁磁质内电子间因自旋引
起的相互作用是非常强烈的，在这种作用下，铁磁质内形 成了一些微小区域，叫做磁畴
B
无
有
外
外
磁
磁
场
场
在没有外磁场时铁磁质内各个磁畴的排列方向是无序 的，所以，对外不显磁性。当处于外磁场中时，铁磁质内 各个磁畴的磁矩在外磁场的作用下都趋向于沿外磁场方向 排列，也就是说，不是像顺磁质那样使单个原子、分子发 生转向，而是使整个磁畴转向外磁场方向，所以在不强的 外磁场作用下，铁磁质可以表现出很强的磁性来，这时， 铁磁质在外磁场中的磁化程度非常大，它所建立的附加磁 感强度比外磁场的磁感强度在数值上一般要大几十倍到数 千倍，甚至达数百万倍。
7.1.3磁性材料分类
按 软磁材料 矫
Hc<100A/m(1.25 Oe)
顽 力
半硬磁材料
Hc :100～1000A/m (1.25～12.5Oe)
分
类 硬（永）磁材料 Hc>1000A/m(12.5Oe)
铁芯材料
变压器、继电器
按
磁头材料
录音机
用
磁记录材料
途
磁带、磁盘
分
磁致伸缩材料
传感器
类 磁屏蔽材料 通讯仪器、电器
电工硅钢片中Si的含量在0.5～4.8%Si。1903年 开始投入实际生产，用量极大。主要用于制造大电 流、频率50～400Hz的中、强磁场条件下的电动机、 发电机、变压器等；中、弱磁场和较高频率(达 10KHz)条件下的音频变压器、高频变压器、电视机 与雷达中的大功率变压器、大功率磁变压器、以及 各种继电器、电感线圈、脉冲变压器和电磁式仪表 等；
λ l l
式中， Δl和l分别表示磁场方向的绝对伸长与原 长。在发生缩短的情况下，l为负值，因而λ也为 负值。当磁场强度足够高，磁致伸缩趋于稳定时， 磁致伸缩系数λ称为饱和磁致伸缩系数，用λs表 示。 对于3d金属及合金:λs约为 10-5—10-6。
Ni 随磁场强度 的增大而缩短
Fe 随磁场强度 的增大而伸长
热轧硅钢片（DR）
电
工
冷轧无取向硅钢片（ DW）
硅
钢
片
冷轧单取向硅钢片（ DQ）
冷轧立方组织双取向硅钢片
热轧硅钢片：把硅钢板坯在850度以上加热后轧制，然后再进行退火。 由于轧制温度高，所轧制出来的硅钢片都是各向同性的，也就是说硅 钢片的磁性在各个方向上相同。 这种各向同性的硅钢也叫做无取向硅钢。无取向硅钢大量应用在电机 中的定子或者转子。因为要制造电机定子和转子，就要在大的硅钢片 上冲压出圆形的零件。这时总是希望硅钢片沿圆周方向磁性一致，所 以要用无取向硅钢。
磁化率服从居里(Curie)定律，即：
χ=c/T。泡利（Pauli）顺磁性：
服从居里-外斯（Curie-Weiss）定律，
Tc
即：χ=C/(T-Tc)。
7. 1 磁学基础－磁化过程与技术磁参量
7.1.2 磁化过程与技术磁参量
(一) 磁畴
1.磁畴
在铁磁性材料中，原子磁矩平 行排列，以使交换作用能最低 。但大量原子磁矩的平行排列 增大了体系的退磁能，因而使 一定区域内的原子磁矩取反平 行排列，出现了两个取向相反 的自发磁化区域，降低退磁能 ，直至形成封闭畴。每一个磁 矩取向一致的自发磁化区域就 叫做一个磁畴。
转 动 运 动 方 式移 动
受外磁场作用时，畴内整齐排列在易磁化方 向上原子磁矩一致地偏离易磁化方向而向外 磁场方向转动。外场愈强，材料的磁各向异 性愈弱，则磁矩就愈偏向外场方向。
各磁畴内部的磁矩平行或反平行于外加磁场， 不受这一磁场的力矩。而畴壁附近的磁矩方 向发生改变，使畴壁产生横向移动。
7. 1 磁学基础－磁化过程与技术磁参量
电子轨道运动产 生电子轨道磁矩
电子自旋产生电 子自旋磁矩
构成原子 的总磁矩
物质磁性 的起源
由安培的分子电流假说得知：在原 子和分子内，核外电子的轨道运动 和自旋运动都可看作微小的圆电 流。
(1) 电子轨道磁矩： 设质量为m的电子绕核做半径为r， 速度为v的圆周运动，其结果相当 于一个圆电流I，称为轨道电流。
叫做剩余磁感强度(剩磁).
B
Bm Q
P
Hm Br O
H
Hm
Hc
P'
Bm
磁滞回线
矫顽力 Hc
(四）磁性材料的技术磁参量
内禀磁
主要取决
技
参量:
术
MS、Tc
于材料的 化学成分
磁
参
量
外禀磁 参量:
Hc、Mr 或Br、
磁导率、 损耗、 磁能积
对材料结构（如 晶粒尺寸、晶体 缺陷、晶粒取向 等）敏感，可以 通过适当的工艺 改变
顺磁性 抗磁性 铁磁性
磁体的磁化曲线示意图
被磁化后,磁化场方向与外场
方向相同，χ：10-3-10-6
被磁化后,磁化场方向与外场
方向相反，χ:-（10-5–10-6 ）
被磁化后，磁化场方向与外
场方向相同，χ： 1–104
五、自发磁化 由于原子间的交换作用使原子磁矩发生有序的 排列，产生自发磁化，铁磁质中原子磁矩都平 行排列 （在绝对零度时)
第七章 磁性功能材料
本章主要内容 磁学基础 ——物质的磁性、磁化过程与技术磁参量 磁性材料分类 ——软磁材料、永磁材料、半硬磁材料 磁性材料的基本性能与应用
7.1.1物质的磁性
一、磁性起源 物质的磁性来源于原子的磁性，研究原子磁性是研究 物质磁性的基础。 原子的磁性来源于原子中电子及原子核的磁矩。 原子核磁矩很小，可以忽略。 电子磁矩（轨道磁矩、自旋磁矩） ——→原子的磁矩。
冷轧硅钢片：较低温度下轧制，再退火。冷轧取向硅钢片是其中的代 表。
冷轧取向硅钢片首先对板坯进行冷轧，使得材料内部产生很多结 构缺陷。在随后的退火过程中，材料发生结构上的变化（称为再结 晶），这种变化会使硅钢片在某个方向上磁性能非常好，也就是说磁 性能和方向有关，因此被称为取向硅钢。在最终使用时，让铁芯中的 磁力线沿磁性能最好的方向通过，这样便可以最大限度地发挥硅钢片 的磁性能潜力。
由量子力学的的理论可以推导出电子自旋磁矩可表示为：
B
e 2m
( B ~ 1024 A m 2 )
B 玻尔磁子
普朗克常量。
轨道磁矩和自旋磁矩的大小为同一数量级
二、磁介质(magnetic medium) B B0 B'
磁介质中的 总磁感强度
真空中的 介质磁化后的 磁感强度 附加磁感强度
顺磁质 paramagnet
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(五）磁各向异性 磁性材料在不同方向上具有不同磁性能的特性。 包括：磁晶各向异性，形状各向异性，感生各向异性 和应力各向异性等。
单晶体的易磁化和难磁化方向
六、磁致伸缩 磁性材料磁化过程中发生沿磁化方向伸长(或缩 短)，在垂直磁化方向上缩短(或伸长)的现象，叫 做磁致伸缩。它是一种可逆的弹性变形。材料磁致 伸缩的相对大小用磁致伸缩系数λ表示，即 ：
旋转平面与畴壁平面平 行，两个畴的磁化方向 相差180
壁 奈耳（Neel）
磁畴壁
畴壁内原子磁矩的旋转 平面与两磁畴的磁矩在 同一平面平行于界面
7. 1 磁学基础－磁化过程与技术磁参量
二、磁畴移动与磁化过程
磁化过程：磁性材料在外磁场作用下由宏观的无磁状 态转变为有磁状态的过程。磁化是通过磁畴的运动来 实现。
三、 磁化强度(magnetization)
M
m
V
分子磁矩 的矢量和
体积元
意义 磁介
质中单位体积内 分子的合磁矩.
单位（安/米） A m1
磁场强度
H
B
M
0
四、磁导率和磁化率
磁导率 μ=B/H
μ0 : 真空磁导率;
μ: 绝对磁导率
μr: 相对磁导率 μr =μ/μ0
磁化率：χ= M/H
纯铁的自然磁时效现象：即随着时间的增长，材料 的矫顽力上升，磁导率下降。纯铁的时效在130℃附 近特别明显。引起时效的原因是由于在Fe中含有N， 逐渐形成铁的氮化物所致。
人工时效处理：克服纯铁严重的自然磁时效现象， 为保持纯铁元件的磁稳定性，须在热处理后进行 100℃，保温100小时的人工时效处理。或选择低时 效敏感性的材料。
主要磁性材料分类
软磁材料概述
7. 2 软磁材料
软磁材料: 能够迅速响应外磁场的变化， 能低损耗地获得高磁感应强度的材料。
容易受外加磁场磁化，容易退磁。
分类：金属软磁材料 软磁铁氧体
用途：发电机、电动机、变压器、电磁铁、各类继 电器与电感、电抗器的铁心；磁头与磁记录介质； 计算机磁心等。
对软磁材料的基本要求有：
物质内部原子磁矩的排列 a顺磁性 b铁磁性 c反铁磁性 d亚铁磁性
六 温度对物质磁性的影响
铁磁质：磁矩的有序排列随着温度升
高而被破坏，温度达到居里温度（Tc）M
以上时有序全部被破坏，磁质由铁磁 性转为顺磁性。 Tc是材料的M-T曲线
上MS2→0对应的温度。
顺磁质：朗之万（Langevin）顺磁性：
工业纯铁的热处理：纯铁材在加工成元件后必须经 过热处理才能获得好的软磁性能
去 应 力 退 火 ： 消除加工应力 。保护条件下 860～ 930℃，保温4小时后随炉冷却。 去除杂质处理：纯铁中的杂质（ C，Mn，Si，P， S，N等）会显著降低材料的磁导率和矫顽力。通过 去杂质退火处理来降低材料中杂质的含量。在纯干 燥氢气或真空(10-2帕以下)中，于1200～1300℃温度 保温5～10小时。
电子轨道运动的周期为：T 2 r v
所以轨道电流的大小为：I eT ev 2 r
轨道电流产生的轨道磁矩为： 电子轨道运动的角动量为：
L
IS mvr
ev 2 r r 2
evr
2
用轨道角动量表示电子的轨道磁
矩时，有：
e
L
2m
( ~ 1024 A m 2 )
(2) 电子自旋磁矩： 电子除轨道运动外，其本身还 会作自旋运动，电子的自旋运 动也相当于一个圆电流，从而 产生自旋磁矩。
畴壁的移动 磁畴的转动
三、磁滞回线
当外磁场由 Hm 逐渐
减小时，磁感强度 B并不
沿起始曲线 0P 减小 ，而 是沿 PQ比较缓慢的减小，
这种 B的变化落后于H的
变化的现象，叫做磁滞现 象 ，简称磁滞.
由于磁滞，当磁场强
度减小到零（即 H 0 ）
时，磁感强度 B 0，而 是仍有一定的数值 Br ，Br
7.2.1电工用纯铁
资源丰富、价格低廉，具有 良好的可加工性。早在1890 年热轧纯铁就用于制造电机 和变压器铁芯。是直流技术 中非常重要的高磁饱和材料 ，主要用于制造电磁铁的铁 心、极头与极靴；继电器和 扬声器的磁导体；电话机的 振动膜；电工仪器仪表及磁 屏蔽元件等。
最常见的是电磁纯铁，名称为电铁(代号DT)，含碳 量低于0.04%的Fe-C合金，Bs达2.15T，其供应状态 包括锻材、管材、圆棒、薄片或薄带等。
2.矫顽力Hc
软磁材料的矫顽力通常很低，10-1A.m~ 10-2A.m 影响因素：材料内部应力起伏，杂质的含量与成分。
3,饱和磁化强度Ms要高
4.磁损耗
包括三个部分：涡流损耗，磁滞损耗，剩余损耗
由于软磁材料多用于交流磁场，随着交流磁场频率的增加，软磁材料动态磁化 所造成的磁损耗增大。
5.稳定性 温度稳定性，随时间老化性。
A 初始磁导率 i和最大磁导率max要高
B
矫顽力
H
小
c
C 饱和磁感应强度M s 要高
D 功率损耗要低；
E 高的稳定性
衡量软磁材料的重要指标
1.磁导率
起始磁导率
i
1
0
lim
H 0
B H
最大磁导率
max
1
0
B H
max
决定起始磁导率的因素：材料的饱和磁化强度，磁晶各向异性常数，磁致伸缩， 内应力，杂质浓度等。
抗磁质 diamagnetic
铁磁质 ferromagnetics
B B0 B B0 B B0
(铝、氧、锰等) (铜、铋、氢等) (铁、钴、镍等)
弱磁质
m
分子圆电流和磁矩
I
顺 磁 质 的 磁 化
无外磁场
B B0 B'
Is
B0
有外磁场
无外磁场时抗磁质分子磁矩为零 m 0
B0
m '
B0
立方结构单晶铁磁材 料的磁畴结构示意图
7. 1 磁学基础－磁化过程与技术磁参量
Co中的磁畴结构
7. 1 磁学基础－磁化过程与技术磁参量
磁畴结构包括磁畴和畴壁两部分。磁畴的体积为 10-1～10-6cm3。畴壁是指磁畴交界处原子磁矩方向 逐渐转变的过渡层
畴壁两侧的原子磁矩的
布洛赫(Bloch)
畴
磁畴壁
纯铁的缺点：电阻率低，使用时产生很大的涡流损 耗，不适于制作在交变场中工作的铁心。
7.2.2 电工硅钢片（Fe-Si软磁合金）
铁中加Si的作用： 可提高铁的最大磁导率，增大电阻率，还可显著
改善磁性时效。但Si加入量过多时，会降低饱和磁化 强度、居里温度、磁晶各向异性常数K1、磁致伸缩 系数含Si量的增大会使材料变脆。