磁性材料的研究现状与应用

磁性材料的研究现状与应用

磁性材料是功能材料的重要分支，利用磁性材料制成的磁性元器件具有转换、传递、处理信息、存储能量、节约能源等功能，广泛地应用于能源、电信、自动控制、通讯、家用电器、生物、医疗卫生、轻工、选矿、物理探矿、军工等领域,尤其在信息技术领域已成为不可缺少的组成部分。

磁性材料大体上分为两类：其一为铁磁有序的金属磁性材料；其二绝大多数为亚铁磁有序、具有半导体导电性质的非金属磁性材料。磁性材料的发展过程大致可分为三个阶段：50年代以前主要研究金属磁性材料；50到80年代为铁氧体的黄金时代，除电力工业外，各领域中铁氧体占绝对优势；90年代以来，纳米磁性材料崛起。磁性材料由3d过渡族金属与合金的研究扩展到3d-(4f,4d,5d,5f)合金与化合物的研究与应用。同时，磁性功能材料也得到了显著的进展。

一、磁性的描述

磁及磁现象的根源是电流，或者说磁及磁现象的微观机制是电荷的运动形成原子磁矩造成的，而且，所有的物质都是磁性体，只是由于构成物质的原子结构不同，而显示出的磁学性能不同。有铁磁性、亚铁磁性、反铁磁性、顺磁性、抗磁性以及无磁性等。描述材料的磁性的物理量有磁化强度M、磁化率χ、磁感应强度B、磁导率µ。

根据物质磁化率的符号和大小，可以把物质的磁性大致分为五类：抗磁体、顺磁体、铁磁体、亚铁磁体和反铁磁体。影响材料性质的有磁化强度随温度的变化。即在不同温度下，磁化强度不同的性质。铁磁材料的自发磁化在居里温度Tc处发生相变，Tc以下为铁磁性，而Tc以上铁磁性消失。同样亚铁磁性材料也具有类似的特性。另外一个必须注意的因素便是磁各向异性，即磁学特性随材料的晶体学方向不同而不同的性质，典型特征便是在不同方向施加磁场会测得不同的磁滞回线。

磁性材料的基本特征可以分为两大类：

(1)完全由物质本身(成分组分比)决定的特性。主要有饱和磁化强度Ms和磁感应强度Bs;

(2)由物质决定,但随其晶体组织结构变化的特性。主要有磁导率、矫顽力Hc和矩形比Br/Bs，以及磁各向异性。

由此，利用和开发磁性材料就需要有分析技术和加工工艺两个方面的进展。从历史上而言，按材料加工技术进展区分，大体可有以下几个阶段：

(1)熔炼铸造技术，获得铁及其合金等软磁和永磁材料。

(2)粉末冶金，开发绝缘性磁性材料、陶瓷材料和稀土永磁材料。

(3)真空镀膜，开发了镀膜磁性材料及非晶磁性材料，制成磁纪录介质及微磁学器件。

(4)单原子层控制技术，制备了定向晶体学取向型、巨磁电阻多层膜、人工超晶格等有特殊用途的磁性材料。

而磁性材料的开发和利用，也就是采取以上这几种技术工艺方法来加强所需要的性能，抑制不利于所需性能的因素。

二、软磁材料和永磁材料

软磁材料，也是高磁导率材料，是应用中占比例最大的传统磁性材料，多用于磁芯。是指由较低的外部磁场强度就可获得很大的磁化强度及高密度磁通量的材料，对这种材料的基本要求是：

(1)初始磁导率μi和最大磁导率μm要高，以提高功能效率；

(2)剩余磁通密度Br要低，饱和磁感应强度Ms要高,以节省资源并迅速响应外磁场；

(3)矫顽力Hc要小，以提高高频性能；

(4)铁损要低以提高功能效率；

(5)电阻率要高，以减少涡流损失；

(6)磁致伸缩系数要低，以降低噪声；

(7)磁各向异性系数K要低。

现在所应用的高磁导率材料主要有：合金，如硅钢(Fe-Si)、坡莫合金(Fe-Ni)、仙台斯特合金(Fe-Si-Al)，用于发电机、变压器、马达等；软磁铁氧体，这方面有:Mn-Zn系、Ni-Zn 系、Cu-Zn系等，多用于变压器、线圈、天线、磁头、开关等。另外，非晶态和薄膜也可制成软磁材料，而且还可以根据需要制备有特殊用途的磁性材料,如超晶格。

而永磁材料即高矫顽力材料，是人类最早认识到磁性的材料。决定永磁体强度的主要指标是最大磁能积(BH)max，有较高的矫顽力Hc和较高的残留磁通密度Br，这是永磁体的“三要素”。这方面的材料有马氏体钢，合金，如铁铬钴合金、钴镍铝合金等，铁氧体(MO·xFe2O3)等不含高价格金属元素的永磁材料。稀土永磁材料———即稀土材料与过渡金属的合金，可分为R-Co系和R-Fe系。粘结永磁材料是永磁材料重要的分支。其性能虽低于烧结磁体，但它可以制备小型、异型的永磁体，广泛地应用于微型电机、办公用品、自动控制等领域。

永磁材料具有下列一些磁性上的特点：高的最大磁能积、高的矫顽力和内禀矫顽力、高的剩余磁通密度和剩余磁化强度以及高的居里温度和稳定性。永磁材料具有广泛的应用领域,从军工到民用，从小到手表、照相机、CD机、摄像机,大到汽车、发电机、医疗器械、悬浮列车，永磁材料几乎无所不在，特别是稀土永磁材料更是发挥着重要的作用。

目前，永磁材料的研究和发展方向主要有以下两个：第一个研究方向是探索和发展新型的稀土永磁材料。如ThMn12型体合物、Sm2Fe17Nx、Sm2Fe17C化合物等。第二个研究方向是研制纳米复相永磁材料。通常软磁材料的饱和磁化强度高于永磁材料，而永磁材料的磁晶各向异性又高于软磁材料，如将软磁相与永磁相在纳米尺度范围内进行复合获得高磁能积、高饱和磁化强度、高矫顽力的新型永磁材料。

三、铁氧体磁性材料

铁氧体作为一种具有铁磁性的金属氧化物，是由铁和其他一种或多种金属组成的复合氧化物。实用化的铁氧体主要有以下几种晶体类型：①尖晶石型铁氧体，化学分子式为MFe2O4或M O﹒Fe2O3，M是指离子半径与二价铁离子相近的二价金属离子(Mn2+、Zn2+、Cu2+、Ni2+、Mg2+、Co2+等)或平均化学价为二价的多种金属离子组(如Li+0.5Fe+0.53)。②磁铅石型铁氧体，与天然矿物—磁铅石Pb(Fe7.5Mn3.5Al0.5Ti0.5)O19有类似晶体结构，属于六角晶系，分子式为MFe l2O19或BaO·6Fe2O3，M为二价金属离子Ba2+、Sr2+、Pb2+等。③石榴石型铁氧体，与天然石榴石(Fe，Mg)3Al2(SiO4)3有类似晶体结构，属于立方晶系，分子式为R3Fe5O12或3Me2O3﹒5Fe2O3，M表示三价稀土金属离子Y3+、Sm3+、Eu3+或Lu3+等。④钙钦矿型铁氧体，与钙钛矿(CaTio3)有类似晶体结构，分子式为RFeO3，M表示三价稀土金属离子。

铁氧体材料组成结构同其磁率矫顽力和损耗的内票磁性不同。各种铁氧体材料成分范围很宽，通过控制材料的组成，可以制备不同特性的铁氧体材料。根据铁氧体磁性材料的应用情况，通常可将已被开发和正在开发的铁氧体材料分为软磁铁氧体、硬磁铁氧体、旋磁铁氧体、矩磁铁氧体和压磁铁氧体等5大类，它们又各有单晶、多晶和薄膜等多种形式。

铁氧体性能好、成本低、工艺简单、又能节约大量贵金属，已成为高频弱电领域中很有发展前途的一种非金属磁性材料。虽然铁氧体磁性材料相对于金属磁性材料来说有很多优点，但是它还不能完全替代金属磁性材料，它和各种高质量的铁磁合金相比也有不足之处，其中最突出的是铁氧体的饱和磁化强度较低，通常只有纯铁的1/3一1/5。这就是说，由于铁氧体单位体积中贮存的磁能较低，限制了它在要求有较高磁能密度的低频、强电和大功率领域内的应用。

四、磁性分析的应用