磁性材料——研究生课程

场频率变化。
4) 磁后效：当H发生突变时，B的变化需经过一定的时间才能
稳定下来。这种现象是由于磁化过程本身或热起伏的影响，引 起材料内部磁结构或晶体结构的变化。 *在交变磁场中，以上四种现象都将引起铁磁材料的能量损耗。
动态磁性参数
①复数磁导率
~
~ i ( t ) B Bm e
*好处：可同时反映B和H间的振幅和相位关系。
*在低频、弱场（B<0.01T）条件下，磁损耗为：
e：涡流损耗系数；a：磁滞损耗系数；c是不依赖于f的常数，
来自由磁后效或频散引起的损耗。 *总损耗W既决定于材料，也决定于交变磁场的 f和 Bm, 因此 讨论W指标时，应注明f和Bm。
①涡流损耗
*涡流是在迅速变化的磁场中的导体内部产生的感生电流， 因其流线呈闭合漩涡状而得名。f越高，涡流越大。
②磁滞损耗
*若在磁化过程中只存在磁滞损耗，则回线的面积在数 值上就等于每磁化一周的磁滞损耗的数值。
Wa HdB
*降低Wa的方法：减小材料的矫顽力回线变窄面积减小
③剩余损耗
*低频弱场中，主要是磁后效损耗。
*高频情况下，主要是尺寸共振损耗、畴壁共振损耗、
自然共振损耗。
2.软磁材料
定义：能够迅速响应外磁场的变化，且能低损耗地获 得高磁感应强度的材料(Hc≤100A／m)。 特点：既容易受外加磁场磁化，又容易退磁。 *对软磁材料的基本要求有： （1）初始磁导率i和最大磁导率max要高；
a Bm / 0 H m
如下图，回线为动态饱和磁滞回线，BS和HS则为饱和状 态下饱和磁感应强度和相应的磁场强度，Br和HC 为剩余
磁感应强度和矫顽力。
饱和磁感应强度 剩余磁感应强度
最大磁导率
初始磁导率 矫顽力 磁化曲线
磁滞回线
根据矫顽力大小分为： 硬磁材料：Br要高；Hc要高；最大磁能积(BH)m要高；从实用角 度考虑，稳定性要高。 软磁材料：μi和μmax要高；Hc要小；Bs要高；功率损耗要低；
磁性材料分类
从实用的观点出发，磁性材料可以分为以下几类：
软磁材料、永磁材料、磁记录材料等.
1.4磁性材料中的基本现象
磁晶各向异性 定义：对于单晶材料，其磁化曲线随晶轴方向的不同
而有所差别，即磁性随晶轴方向显示各向异性。
*磁晶各向异性存在于所有铁磁性晶体中。
Ni单晶的磁化曲线
*易磁化方向（易轴）<111>；难磁化方向（难轴）<100>
（2）矫顽力Hc要小；
（3）饱和磁感应强度MS要高；
（4）功率损耗P要低;
（5）高的稳定性。
*主要的软磁材料：
（1）金属软磁材料－－如工业纯铁、硅钢（Fe-Si）、坡莫合 金（Fe-Ni）、铁硅铝合金（Fe-Si-Al）； （2）软磁铁氧体－－Mn-Zn系、Ni-Zn系等； （3）非晶态、纳米晶、薄膜等。
*i越低，其fr越高，因此要提高材料的高频应用范围，降低材 料的起始磁导率是一个有效的手段。
③品质因数Q
*Q值反映软磁材料在交变磁化时能量的贮存和损耗的性能。
④损耗因子tan
1 tan Q
物理意义：铁磁材料在交变磁化过程中能量的损耗与贮存之比。
⑤ Q积
*对软磁材料，总是希望其Q值越高越好， 值越大越好，常用 Q积来表征软磁材料的技术指标。
磁晶各向异性起源
*晶体场电子轨道角动量淬灭电子的轨道运 动失去了自由状态下的各向同性，变成了与晶格
相关的各向异性电子云分布各向异性。
* 电子的自旋运动与轨道运动之间存在耦合作用
电子轨道运动随自旋取向发生变化。
磁晶各向异性来源模型
（a）磁体水平磁化时，电子云交叠少，交换作用弱 （b）磁体垂直磁化时，由于L-S耦合作用，电子云随自旋 取向而转动，电子云交叠程度大，交换作用强
*应用：电磁铁的铁芯和磁极，继电器的磁路和各种零件，感
应式和电磁式测量仪表的各种零件，扬声器的各种磁路，电话 中的振动膜、磁屏蔽，电机中用以导引直流磁通的磁极，冶金 原料等。
*缺点：电工纯铁只能在直流磁场下工作，在交变磁场下工 作时涡流损耗大。
2.1.2硅钢（硅钢片或电工钢片）
*在纯铁中加入少量硅，形成固溶体，这样提高了合金电阻 率，减少了材料的涡流损耗。 *碳的质量分数在0.02％以下，硅的质量分数为1.5％-4.5 ％。常温下，Si在Fe中的固溶度大约为15％，但Fe-Si系合 金随Si含量的增加加工性能变差（变脆），因此硅质量百 分含量5％为一般硅钢制品的上限。
1.磁学基础知识 2.软磁材料 3.永磁材料 4.应用
1.磁学基础知识
1.1基本磁学量
①磁场强度： Hi /D 对于一个直径为D的单匝环形线圈，当通一电流i时中 心处磁场强度。 ②磁化强度：M=∑μ/ΔV 单位体积的磁体中磁矩的矢量和。 ③磁感应强度：B=ΔΦ/Α 单位面积磁通量的变化。 ④磁化率：χ=M/H 单位磁场强度在磁体中感生的磁化强度。 ⑤磁导率：μ=B/H 单位磁场强度在磁体中感生的磁感应强度。
*或用tan/表示，称为软磁材料的比损耗系数，反映材料的相 对损耗大小。
*和可通过交流电桥法进行测量；Q值可以用交流电桥或Q表 测量得到；tan可以通过交流电桥、Q表、测量位相差或测量 磁损耗的方法得到。
磁损耗
定义：磁性材料在交变磁场中产生能量损耗。
磁滞损耗＋涡流损耗＋剩余损耗（残留损耗）
*静态磁化过程：磁场恒定，样品从一个稳定磁化状态转变
到新的平衡状态。不考虑建立新的平衡过程的时间问题，因此 称之为静态磁化过程。
不可逆磁化导致磁滞现象，每个磁化状态都处于亚稳态，且磁 化状态不随时间改变。
*动态磁滞回线：铁磁体在周期性变化的交变磁场中时，其磁 化强度也周期性地反复变化，构成动态磁滞回线。
（3）1970年，Fe-Ni-B非晶态合金研制成功； 1988年，Fe-Ni-B-Nb-Cu纳米微晶软磁材料 问世； 90年代后，非晶与纳米微晶金属软磁材料逐 步成为软磁铁氧体的新的竞争对手。 优点：性能上远优于铁氧体；缺点：性价比 上尚处于劣势。
2.1金属软磁材料
2.1.1 电工纯铁
*纯度在99.8%以上的铁，不含任何故意添加的合金化元素。
②铁硅铝合金
*1932年在日本仙台被开发出来，因此又称为仙台斯特合金， 成分为Fe－9.6Si－5.4Al。该成分时， K1 和 S 几乎同时趋 于零，且具有高 和低 HC。不需要高价的Co和Ni，且电阻率 高、耐磨性好，所以作为磁头磁芯材料比较理想。
能变化，即所谓的压磁效应，这是磁致伸缩的逆效应。 *研究磁致伸缩的意义： （1）了解磁体内部各种相互作用的本质以及磁化过程 与物体形变的关系；
（2）根据材料的压磁效应原理制成许多有用的器件。
磁致伸缩机理 *同磁晶各向异性的来源一样，由于原子或离子的自旋 与轨道的耦合作用而产生。
1.5 动态磁化
动态磁化过程
在相同的磁场强度范围内，动态磁滞回线的面积比静
态磁滞回线的面积要大些。
原因：回线面积等于磁化一周所损耗的能量。 静态仅有磁滞损耗；动态磁滞损耗、涡流损耗、剩余损耗。
*动态磁化曲线：频率不变，改变磁场强度的大小，可得一系
列动态磁滞回线，它们的顶点(Bm, Hm)连线称为动态磁化曲线。
振幅磁导率：
1.2磁性参量
①初始磁导率：
B i lim 0 H 0 H
1
②最大磁导率：
max
1 B ( ) max 0 H
③饱和磁感应强度Bs：其大小取决于材料的成分，它所 对应的物理状态是材料内部的磁化矢量整齐排列。 ④剩余磁感应强度Br：是磁滞回线上的特征参数，H回 到0时的B值。 ⑤矫顽力Hc：是表示材料磁化难易程度的量，取决于材 料的成分及缺陷（杂质、应力等）。 ⑦居里温度Tc：铁磁物质的磁化强度随温度升高而下降 ，达到某一温度时，自发磁化消失，转变为顺磁性，该临 界温度为居里温度。它确定了磁性器件工作的上限温度。
1.3磁性和磁性材料的分类
所有的物质都具有磁性，但并不是所有的物质
都能作为磁性材料来应用。有些物质具有很强的磁
性，而大部分物质磁性很弱，因此实际上只有很少
一部分物质能够作为磁性材料来应用。 物质的磁性分类
按照磁体磁化时磁化率的大小和符号，可以将物 质的磁性分为五个种类：抗磁性、顺磁性、反铁磁性、 铁磁性和亚铁磁性。
稳定性高。
*磁化的时间效应表现为以下几种不同的现象： 1) 磁滞现象： 交变磁场中的磁化是动态过程，有时间效应。 2) 涡流效应： 动态磁化中，铁磁材料内部会形成涡流。涡
流的产生将抵抗B的变化，从而使磁化产生时间滞后效应。
3) 磁导率的频散和吸收现象： 交变磁场中，畴壁位移或
磁畴转动受到各种不同性质的阻尼作用，导致复数磁导率随磁
*涡流不能象导线中的电流那样输送出去，仅使磁芯发
热造成能量损耗。 *一个周期内材料的涡流损耗
*如何降低涡流损耗？ （1）降低材料厚度d （2）提高材料的电阻率
*金属材料：都较低，通常采用添加合金元素的方法； 例子：Fe中加入少量Si，可增加磁导率，降低矫顽力，提高
*铁氧体材料：很高，适合在高频技术领域应用。
*制备方法：平炉冶炼时，首先用氧化渣除去碳、硅、
锰等元素，再用还原渣除去磷和硫，并在出钢时在钢包
中添加脱氧剂获得。经过退火热处理 i（300~500）, max（6000~12000）, HC（39.8~95.5） *含碳量是影响磁性能的主要因素。
除碳方法：高温用H2 处理除碳，以消除铁中碳对畴壁移动的阻 碍作用。
②磁谱与截止频率fr
磁谱：铁磁体在交变磁场中的复数磁导率的实部和虚 部随频率变化的关系曲线。 截止频率：在材料的磁谱曲线上， 下降到初始值的 一半或达到极大值时所对应的频率。
物理意义：它给出了磁性材料能够正常工作的频率范围
*当f=fr时，达到最大值，损耗最大，此时材料无法使用，所
以一般软磁材料的工作频率应选择低于它的截止频率。
*发展史：
（1）铁氧体问世之前，金属软磁材料垄断了电力、电子、通信
各领域。优点：其 MS 远高于铁氧体，因此电力工业中的变压器、 电机等至今仍是Fe-Si合金材料。缺点：涡流损耗限制了其在高 频段的应用。 （2）20世纪40年代开始，软磁铁氧体由实验室走向工业生产。 50年代至90年代，铁氧体在软磁行业中独占鳌头。
2.1.4其它软磁合金 ①铁铝合金
*优点：价格低；通过调解铝的含量，可以获得满足不同要求的
软磁材料；合金具有较高的电阻率；具有较高的硬度、强度和耐
磨性；合金密度低，可减轻元件重量；对应力不敏感，适于在冲 击、振动等环境下工作；较好的温度稳定性；抗核辐射性能好。
*应用：由于价格优势，常用作Fe-Ni合金的替代品。
*随硅含量的增加，不足之 处在于Fra Baidu bibliotek BS 和 TC 降低；好处：
K1 和S 降低 i增加，HC
降低，增加降低铁损
2.1.3坡莫合金
*1913年被开发出来，镍的质量分数为30％-90％的镍铁合金。 *优点：很高的磁导率，成分范围宽，而且磁性能可通过改变 成分和热处理工艺等进行调节，延展性好，低的损耗。 *缺点：BS低，Ni是高价金属。 *Ni：75％~83%范围时，具有最佳的综合磁性能，但这一范围 时BS较低。 *应用：可用作在弱磁场下具有很高的铁芯材料和磁屏蔽材 料；也可用作要求低剩磁和恒磁导率的脉冲变压器材料；还可 用作各种磁致伸缩合金、热磁合金、矩磁合金等。
磁致伸缩效应 定义：磁性材料由于磁化状态的改变，其长度和体积
都要发生微小的变化。
线磁致伸缩：纵向磁致伸缩、横向磁致伸缩 体积磁致伸缩很小，可忽略 磁致伸缩系数：
l / l
的大小与H的大小有关
S：饱和磁致伸缩系数
S>0 正磁致伸缩； S<0 负磁致伸缩
*通过对材料施加拉应力或压应力，能引起材料的磁性
~ ~ B cos i sin i ~ m m 0 H
代表单位体积铁磁材料中的磁能存储
代表单位体积铁磁材料在交变磁场中每磁化一周的磁能损耗 2 损耗角 H m 0
1 0 H 2 2
~ it H H me
*电工纯铁存在时效现象
原因：高温时铁固溶体内溶解有较多的碳或氮，产品快速 冷却到室温时，溶解度减小，Fe3C或Fe4N由固溶体中以细 微弥散形式析出，从而HC增加，i降低。
消除方法：保温后，采用缓慢冷却到100-300℃的退火措施， 这样在650-300℃之间Fe3C有足够的时间析出、长大为对磁 性能影响不大的大颗粒夹杂物。