材料科学磁性材料及其应用

<111>方向
4f电子云
RFe2晶胞发生<111>方向磁致伸缩后的变形
铁磁体的磁致伸缩已在技术上得到利用，例如具有高磁致 伸缩系数的材料已被用来做超声波换能器（接受和产生超声 波）、传感器、延迟线和存储器等。
磁致伸缩用于声纳
磁致伸缩液位仪
磁致伸缩液位仪工作原理
伺服机构在机器人技术中的应用
磁致伸缩可用于制备称重、测力、扭矩 传感器等
磁电阻磁头材料：坡 莫合金
多层膜磁头材料：FeC/Ni-Fe ；Fe-Al-N/SiN；Fe-Nb-Zr/Fe-NbZr-N；Co-Nb-Zr/CoNb-Zr-N 等
合金磁头材料：含钼
坡莫合金和仙台斯特
合金
铁氧体磁头材料：镍锌铁
氧体和锰锌铁氧体
非晶态磁头材料： Co-(Zr， Hf，Nb，Ta，Ti) 二元系合 金薄膜和Co-Fe-B类金属非 微晶薄膜磁头 晶态薄膜 材料： Fe-Ta-C， Fe-Ta-N等
➢ 磁场处理 热处理过程中析出的磁性颗粒沿磁场取向
➢ 细化晶粒 在材料中出现有效的钉扎点，形成晶格缺陷
3、永磁材料的分类及其应用
金属永磁材料
永
磁 材
铁氧体永磁材料
料
稀土永磁材料
淬火硬化型磁钢 析出硬化型磁钢 时效硬化型永磁 有序硬化型永磁
六角晶系铅石型铁氧 体 MO-xFe2O3 (M＝Ba、Sr、Ca、Pb)
磁性合金：坡莫合金、仙台斯特合金、 Fe-Al合金和Fe-Al-B合金 ；
体型磁头 电
铁氧体磁头：Mn-Zn铁氧体和Ni-Zn铁 氧体
磁
MIG磁头：铁氧体磁芯间隙中沉积一层
感
软磁合金薄膜
应 原
薄膜磁头
工作缝隙小、磁场分布陡河磁迹宽度 窄，故可提高记录速度和读出分辨率
理
磁电阻磁头 利用磁电阻效应制成
磁头材料
四、磁记录材料
我们已经进入信息社会？ “知识大爆炸”？ 记忆靠人脑？
磁记录：是使用记录磁头在磁记录介质内写入磁化强度图纹 作为信息存储，用同一或另外记录磁头可从磁化强度图纹读 出所储存的信息。
磁 记
抹音磁头 录音磁头
录
的
放音磁头驱动器
基
本
过
程
（a）
（b）
（c）
1、磁头与磁头材料 磁头是指能对磁介质进行信息记录、再生及读取功能的器件。
磁性材料的分类
其他功能 磁性材料
磁记录 材料
永磁 材料
主
要
磁性 材料
应 用 的
强
磁
磁致伸缩 材料
软磁
材
材料
料
磁致电阻 材料
磁效应：物质的磁性和磁场会影响到物质其他物理性质的变化， 同时，物质其他性质的变化也会引起物质磁性的变化。
其他物理性质
其他磁效应
光学性质
磁－光效应
力学性质 磁－力效应 磁学性质 磁－电效应 电学性质
声学性质
磁－声效应
磁－热效应
热学性质
一、软磁材料 1、性能特点
起始磁导率高
与MS平方成正比；与K1和λS成反比； 与内应力σ和杂质浓度β成反比
矫顽力HC 小
降低HC的方法与提高μi的方法相一致
饱和磁感应强度MS 高
调节配方
磁损耗小
稳定性好
在磁场作用下，这类材料非常容易
磁化，而取消磁场后又很容易去磁。
-Fe2O3：矫顽力范围为20～32kA/m
包覆Co的-Fe2O3：矫顽力范围为55～70kA/m
CrO2：矫顽力范围为35～50kA/m 磁
性 粉
金属磁粉磁：硬化强度和矫顽力比氧化物高，但易腐蚀 纯铁的，MS＝1700kA/m
2、磁记录介质及介质材料
颗粒状涂布介质结构
涂布型磁带主要由带基和附着其上的磁性涂覆层构成。
有机粘接剂及润滑剂
磁性粉 Al2O3粉/铁丹粉/碳粉
记录层
带基 涂布型磁带结构示例
Al2O3微颗粒
有机粘接剂
磁性粉
Al2O3补强剂
记录层
基板
涂布型磁盘结构示例
常用磁盘分硬盘和软盘两大类： 硬盘是在厚度为1～2mm的铝合金盘基上附着磁记录层。 软盘是在可挠性PET盘基上附着磁记录层。
1:5型SmCo5磁体 2:17型Sm2TM17磁体 R2Fe14B型Nd-Fe-B磁 体
磁控管
电机
三、磁致伸缩材料
磁致伸缩材料：是指随磁化状态变化而自身尺寸相应改变的 一类磁性材料。 到巨应稀大。土的铁金磁磁属致及的伸亚1缩铁0-效2磁。应材稀磁磁磁，料土致致致其的-伸伸伸铁值磁缩缩缩赝为致？的系二1应0三数元-3变量种？系的级表，范，面如围称形T从为b式F铁巨e？2基、磁非S致m晶伸F的e缩21具效0-有5
软磁材料主要用于动力工程、高性能电子学、通信技术、 航空及空间技术等，来制造磁导体，增加磁路的磁通量，降低 磁阻。
二、永磁材料
永磁材料又称硬磁材料，是用于制造各种永久磁铁的磁性
材料。
M
1、性能特点
剩磁高
矫顽力大
M HC B HC
最大磁能积大
最为重要
H
矫顽力大 Z 100%
Z
HC，Br等参量
1、稀土金属
磁致伸缩量大，但居里温 度低
2、稀土-过渡金属间化合物
解决了稀土距离温度低的 问题
3、非晶薄膜合金
优良的软磁性，低磁场下 磁致伸缩性能优良
4、稀土氧化物
在低温下，有很大的磁 致伸缩
5、锕系金属化合物
在低温下，有很大的磁致 伸缩，但居里温度低
超磁致伸缩机制
磁致伸缩量
磁致伸缩后的晶胞
原始晶胞
磁滞回线示意图
最大磁能积 (BH)max
B
B
S
N
S
N
SN
0(BH)max
0H
0BH
永磁体在退磁曲线上稳定下来的一点B和H的乘积的2倍， 它代表永磁体能量的大小，称为磁能积。
2、改善永磁材料磁性能的途径
➢ 定向结晶 使晶粒长大方向和易磁化轴方向一致
➢ 塑性变形 形成择优取向和织构
➢ 磁场成型 使易磁化轴沿磁场取向
磁Hale Waihona Puke Baidu回线示意图
3、软磁材料的分类及其应用 软磁材料
金属软磁
铁氧体软磁
非晶及纳米晶软磁
• 电工纯铁 • 硅钢 • 坡莫合金 • 其它软磁合金（FeAl、Fe-Si-Al、Fe-Co）
• MnZn，NiZn，
MgZn等尖晶石型
铁氧体
• Co2Y，Co2Z等平 面六角型铁氧体
• 3d过渡金属（T） －非金属系 • 3d过渡金属（T） －金属系 • 过渡金属（T） －稀土类金属（R） 系
2、改善软磁材料磁性能的途径
➢ 高的磁导率和小的矫顽力要求材料的结构 M 尽量均匀，没有缺陷，在磁学上各向同性。
➢ 若要在交变磁场中用作软磁材料， 铁磁体应有较大的电阻率，这可以 通过材料的合金化来做到，如铁硅合金、铁-镍合金等。
H
➢ 改善材料的显微结构，降低杂质和气 孔的含量，增大晶粒尺寸。
➢ 降低内应力σ