功能复合材料-2-磁性复合材料 (2)知识讲解

2.2.4 聚合物基磁性复合材料的制备工艺
常采用模压、注塑、挤压等工艺技术。
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NdFeB/环氧树脂复合材料 的性能与成型压力的关系
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2.3 磁性复合材料的性能、分类及应用
2.3.1 磁性复合材料性能与填充磁体含量的关系 对低填充量的颗粒状磁性功能体填充的复合材料：
μr(V) = 1 + A V
分为橡胶类、热固性树脂类和热塑性树脂类 三种。
2.2.3 加工助剂
为了改善复合体系的流动性，常加入各种助 剂以提高磁功能体沿易磁化轴的方向取向和提高 磁粉含量，常使用一些硬脂酸盐润滑剂、偶联剂 及增塑剂等。其中硅烷偶联剂同时对提高磁功能 体的抗氧化能力起到一定作用。
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通常较大尺寸的金属软磁材料，其相对 磁导率 r 随驱动频率的增大而急速下降， 如下图所示：
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Fe--Si---Al粉末颗粒复合体相对磁导率随驱动频率的变化
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如果把软磁材料（例如Fe--Si--A1合金） 制成粉末，表面被极薄的A12O3层或高聚物 分隔绝缘，然后热压或模压固化成块状软 磁体，则
下图显示了在1MHz高频下，复合材料 磁损耗与粉末颗粒尺寸D的关系。
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从图中可看
出，粉末尺寸越
磁 损
小，损耗越低。 耗
PL/kW.m-3
因此，可以 通过调整磁性粉 末颗粒的尺寸来 调节损耗ＰL值。
磁粉粒度/ um 磁损耗与软磁粉粒度的关系
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此外，磁性材料具有较好的性能，本 身就可以提高记录密度。各种磁性粉末的特 性如下表所示
体积分数V i 的关系可表示为：
μr(V1，V2) = 1 + B1V2 2+ B2V2 2
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2.3.2 磁性复合材料的分类
由于磁性材料有软磁和硬磁之分，因此也有 相应的软磁和硬磁复合材料。
此外，强磁性(铁磁性和亚铁磁性)细微颗粒涂 覆在高聚物材料带上或金属盘上形成磁带或磁盘 用于磁记录，也是一类非常重要的磁性复合材料， 又如与液体混合形成磁流体等。
从表中可看出，每一次材料的重大改进都使介质 材料的磁性产生一次质的飞跃，与此同时，也使磁 记录密度获得一次大的提高。
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2.6.3 叠层结构对磁带性能的影响 在现有材料基础上，为了进一步提高记
录密度，就应考虑在叠层结构上的优化。
一般对于粉状磁性材料，先制造以适当 高分子为粘结剂的涂料，然后把该涂料用适 当的方法进行涂敷、干燥，制造出如下图所 示的一种层压薄片，这就是记录磁带。显然， 它属于叠层型的功能复合材料。
2. 磁性复合材料
2. 1 概述
磁性复合材料(Magnetic composite materials)是以高聚物或软金属为基体与磁 性功能体复合而成的一类材料。
1.无机磁性材料与聚合物基体构成的复合材料。 2.无机磁性材料与低熔点金属基体构成的复合材料。
3. 有机聚合物磁性材料与聚合物基体构成的固态复合材料。 4. 以无机磁性材料与载液构成的液态复合材料-磁流变体。
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永磁复合材料的功能组元是磁性粉末， 高聚物和软金属起到粘结剂的作用。
其中，高聚物使用较为普遍，常用的 有环氧树脂、尼龙和橡胶等材料。
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永磁复合材料的制造方法常采用模压、 注塑、挤压等工艺技术。
对于软金属粘结工艺来说，由于它较为 复杂，因此除磁体要求在较高温度下(＞200 ℃)使用外，很少采用这种金属基复合磁体。
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显然，选择合适的金属粒子尺寸和包 覆层厚度即可获得所需的相对磁导率r值， 这对电感器和轭源圈的设计是十分重要的。
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由于绝缘物质的包覆，这类材料的电阻 率比其母体合金高得多(高1011倍)，因此在交 变磁场下具有低的磁损耗PL。
μr 相对磁导率；
A 依赖于磁性材料性能、形状和填充量的系数； V 磁性材料填充的体积分数。
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随着填充比例的增加，磁导率明显偏离线性。
μr(V) = 1 + B V 2 B，磁感应强度。
对于填充两种或两种以上不同尺寸磁粉及不 同尺寸分布和形状的混杂磁性复合材料，如果其 粒子形态相似而磁性能不同，则μr 与各磁性材料
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2. 2 聚合物基磁性复合材料
聚合物基磁性复合材料主要由强磁粉 （功能体） 、聚合物基体（黏结剂） 和加 工助剂三大部分组成。
2.2.1 无机磁粉功能体
磁粉性能的优劣与其组成、颗粒大小、粒度 分布以及制造工艺有关。
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1. 铁氧体磁粉 2. SmCo5类磁粉 3. Sm2Co17类磁粉 4. NdFeB
一、尝试把现在单一的磁性层变成 双磁性层。
二、不是用涂敷磁性粉末和粘结剂 混合成的涂料的方法来制造磁性层，而 是依靠真空镀敷Co/Ni合金薄膜的方法， 来制造磁带。
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把单一磁性层变成双磁性层的尝试是采 用上层使用高娇顽力的微颗粒金属磁性材料， 厚度为0.4um，下层使用低矫顽力的钴改性 的氧化铁磁性材料，厚度为2.5um。这样， 上层能够高效率地记录，再生用高频和较强 磁场记录的亮度信号。
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Mr(Ms)[0(1)2]3f
其中，Mr为复合磁体的剩余磁化强度；Ms为磁 性组元的饱和磁化强度；为复合磁体密度； o为 磁性组元的理论密度；为复合物中的非磁性相的 体积分数；f为铁磁性相在外磁场方向的取向度。
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由于复合永磁材料的易成形和良好加工 性能，因此常用来制作薄壁的微型电机使用 的环状定子，例如计算机主轴电机，钟表步 进电机等。
Sm2Co17和熔融-淬火法生产的微晶NdFeB磁粉的矫顽力 是由晶粒内部畴壁钉扎所决定，其矫顽力不受颗粒大小影响， 其颗粒大小主要由填充密度和制造工艺等因素决定。
磁粉粒度分布也对磁性复合材料性能有影响。
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2.2.2 聚合物基体
BaO ·Fe2O3或SrO ·Fe2O3 第一代稀土复合永磁材料 第二代稀土复合永磁材料 第三代稀土复合永磁材料
磁粉颗粒大小是影响磁性复合材料性能的重 要因素。
铁氧体和SmCo5类粉体的矫顽力是由磁体内部的晶粒形 核机制所控制，因此，当磁粉颗粒尺寸大小接近或等于单畴 尺寸大小时，其矫顽力明显提高，抗外界干扰能力明显增大。
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2.6.2 磁性记录介质的性能
作为记录介质的强磁性材料，主要性能指标是 矫顽力Hc和剩余磁化强度Mr的大小。
这两个性能指标不仅受磁性材料种类的影响， 也受颗粒的大小和形状的影响。
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下表列出了目前使用的磁记录介质材料的磁
特性。
各种磁性粉末的特性
磁性材料
-Fe2O3 Co- -Fe2O3 金属Fe Co-Ni 合金
读出时，与记录过程相反，使声音和 图像再生。
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理想的磁记录介质要尽可能地高密度， 能长期保存记录，再生时尽可能高输出。
在考虑能够实现高密度、长期保存、高
输出时，大致有两方面的考虑，一是磁性材
料的种类，二是以磁性层为中心的叠层结构
的构成。
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从图A、B、D曲线看出，它的r值在相当宽的 驱动频率范围内不随交变场频率的升高而下降， 从而保持在一个较平稳的恒定值。
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这种复合软磁材料的相对磁导率r值可 由下式描述:
r(cd)/d (2c)
式中d、c和分别表示金属粒子尺寸、 块状金属相的磁导率和包覆层厚度。
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2.6 磁性记录与读出 2.6.1 磁性记录材料的工作原理
记录声音和图像，然后将其读出(再生) 的过程，如下图所示：
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音光
电气 信号
磁性 信号
磁头
作为磁 性保留
记录材料
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磁记录再生的原理示意图
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由麦克风及摄像机将声音及光变成电 信号，再由磁头变成磁信号，从而固定在 磁记录介质上。
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Co-Ni合金薄膜磁带是基于将来需记录信 号的波长可能向短波长方向发展的角度出发而 设计和构思的。
短波长的磁场由于波及的深度浅，考虑到 厚度损失的问题，那么0.2um程度的超薄膜是 最理想的。要制造这样的超薄膜，真空蒸镀法 是适合的。
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另一方面，因为色调信号和声音信号是 低频，在磁性层深部才变弱。所以适当地搭 配上层与下层的厚度及矫顽力可得到比只使 用一种磁性材料的磁性层更高的输出功率。
这样，不同波长都提高了输出功率，可 获得更清晰的图像和声音。
然而这种双层结构给涂敷技术提出更高 的要求，不是常规涂敷方法能实现的。
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磁层
磁粉 粘结剂 添加剂
下涂层
基膜
背涂层
记录磁带的结构
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到目前为止，为提高涂敷型磁带的性 能采取了下面一些措施： (1)提高磁性层中磁性材料的填充率； (2)尽可能缩小磁性材料的颗粒； (3)缩小磁头与磁带间的空隙，防止磁损失。
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复合永磁材料的良好成型性，使其适用 于制作体积小、形状复杂的永磁体。如汽车 仪表用磁体，磁推轴承及各类蜂鸣器等。
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复合永磁材料的功能体可看作是各类 磁体粉末（如铁氧体、铝镍钴、Sm--Co、 Nd--Fe--B等）制成的粘结磁体。
Mr/T (1400~1800)*10-4 (1400~1800)*10-4 (2300~2900)*10-4 (11000~12000)*10-4
Hc/A.m-1 (15.92~31.83)*103 (47.75~71.62)*103 (111.41~127.33)*103 (55.71~59.69)*103
2.3.3 磁性复合材料的应用
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2.4 永磁复合材料
典型的永磁材料包括永磁铁氧体、铝镍 钴以及稀土永磁材料。
一般情况下，永磁材料的密度较高， 脆而硬，不易加工成复杂的形状。
但是，制成高聚物基或软金属基复合 材料后，上述难加工的缺点可得到克服。
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也可以选用两种或两种以上的不同磁 粉与高分子材料复合，以便得到更宽范围 的实用性能。
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2.5 软磁复合材料
电器元件的小型化，导致磁路中追求更 高的驱动频率，为此应用的软磁材料，除在 静态磁场下经常要求的高饱和磁化强度和高 磁导率外，还要求它们具有低的交流损耗PL。
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上面这些都是能够提高磁带记录密度的 措施。但是，这些改进都是有限度的，超过 一定极限值会导致一些负面作用出现。
因此，为了进一步改善记录密度，就需 要有新的叠层构思和技术，即要创造出以复 合技术为中心的新功能。
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目前，研究者对此进行两种尝试。
表中的排列是按发展的顺序排列的。
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-Fe2O3 Co- -Fe2O3 金属Fe Co-Ni 合金
Mr/T (1400~1800)*10-4 (1400~1800)*10-4 (2300~2900)*10-4 (11000~12000)*10-4
Hc/A.m-1 (15.92~31.83)*103 (47.75~71.62)*103 (111.41~127.33)*103 (55.71~59.69)*103
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很显然，与高密度的金属磁体或陶 瓷磁体(铁氧体)相比，复合磁体的优良加 工性能是以牺牲一部分磁性能为代价的。
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非磁性基体及非磁性相的比例直接影响 到材料的饱和磁化强度及剩余磁化强度，它 可用下述关系式来表达：
Mr(Ms)[0(1)2]3f