第三章 磁性功能材料

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磁学基础－物质的磁性
产生抗磁性的原理 m Dm k Dk m：磁矩 Dm ：附加磁矩 k：向心力 Dk ：附加向心力
H
Dk k
m
Dm 抗磁性具有普遍性
物质是否表现出抗磁性要看物质的抗 磁场是否大于其顺磁场
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磁学基础－物质的磁性
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)
功能材料
Functional Materials
第三章 磁性功能材料
磁性功能材料 ——磁性材料指那些有实际工程意义具有较强磁性 的材料。是最古老的功能材料。公元前几世纪人类就 发现自然界中存在天然磁体，磁性(Magnetism)一词 就因盛产天然磁石的Magnesia地区而得名。早期的磁 性材料主要是软铁、硅钢片、铁氧体等。二十世纪六 十年代起，非晶态软磁材料、纳米晶软磁材料、稀土 永磁材料等一系列的高性能磁性材料相继出现。磁性 材料广泛应用于计算机及声像记录用大容量存储装置 如磁盘、磁带，电工产品如变压器、电机，以及通讯、 无线电、电器和各种电子装置中，是电子和电工工业、 机械行业和日常生活中不可缺少的材料之一，
B=H+M
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磁学基础－物质的磁性
磁导率和磁化率 在真空中磁感应强度B与磁场强度H间的关系为： B=μ0H 在磁性材料中： B=μ0（H+ M） 在均匀的磁性材料中，上式的矢量和可改成代数和： B=μ0（H+M） 磁性材料的磁导率定义为磁感应强度与磁场强度之比： μ=B/H μ 0 : 真空磁导率; μ: 绝对磁导率，单位为 H/m， μr: 相对磁导率 μr =μ/μ0 磁化率定义为磁化强度与磁场强度之比： χ = M/H
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力按 分矫 类顽
磁学基础－磁性材料分类
软磁材料 半硬磁材料 Hc<100A/m(1.25 Oe) Hc :100～1000A/m (1.25～12.5Oe)
硬（永）磁材料 Hc>1000A/m(12.5Oe) 铁芯材料 分按 类用 途 磁头材料 磁记录材料 磁致伸缩材料 变压器、继电器 录音机 磁带、磁盘 传感器
MS: 饱和磁化强度 Hc：矫顽力 Mr或Br：剩磁
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磁学基础－磁化过程与技术
磁参量
损耗： 软磁材料磁化一周总的能量损耗W，由涡流损 耗，磁滞损耗Wh和剩余损耗Wr三部分组成，通常以每公 斤材料损耗的功率表示，即: W=We+Wh+Wr We：在交变磁化条件下，材料垂直于磁场的平面内产 生的涡流引起发热产生的损耗。循环磁化一周的涡流损 耗与材料的电阻率、厚度D、磁感变化幅度Bm关系如下: We∝D2Bm2/ρ Wh：在循环磁化条件下，材料每循环磁化一周所消耗 的能量，它也以热的形式表现出来，其大小与磁滞回线 的面积呈正比。 Wr ：从总损耗中扣除涡流损耗和磁滞损耗所剩的部分
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磁学基础－物质的磁性
(三）物质磁性的分类 顺磁性 物 质 磁 性 分 类 被磁化后，磁化场方向与外 场方向相同，χ ：10-3-10-6
抗磁性 铁磁性
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
与外加磁 场的关系
原子核的磁矩比电子磁矩小三个数量级，一般情况 下可忽略不计。
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磁学基础－物质的磁性
电子的循轨磁矩 原子磁矩 电子的自旋磁矩
物质磁性
物质磁性具有普遍性
＝Σ
原子磁矩
原子磁矩间相互作用
物质表现何种磁性
外加磁场的作用
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磁学基础－物质的磁性
细菌细胞中的磁力线
200nm的Co粒子中的 磁力线
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第三章 磁性功能材料
本章主要内容
• 磁学理论 —— 物质的磁性、磁性的基本物理量 • 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
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磁学基础－物质的磁性
(一) 物质的磁性 将一个面积为（A) 、通有电流 （Is)的环型导体放入磁场中，该 环型导体将会在磁场（H)的作用 下发生偏转，即环型导体受到力 矩的作用。力矩（M)的大小可由 下式表示： M Is x A x H 定义Pm= Is x A为通过电流为Is 、面积为A的环型导体的磁矩。 Is
（三）磁化曲线
磁化过程四阶段：
Baidu Nhomakorabea
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磁学基础－磁化过程与技术
磁参量
(四）磁性材料的技术磁参量 技 术 磁 参 量
内禀磁 参量: MS 、T c 主要取决 于材料的 化学成分
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
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
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磁学基础－磁化过程与技术
磁参量
布洛赫
奈尔壁
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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。
转 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。
立方结构单晶铁磁材 料的磁畴结构示意图
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磁学基础－磁化过程与技术
磁参量
Co中的磁畴结构
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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 旋转平面与畴壁平面平 布洛赫(Bloch) 行，两个畴的磁化方向 磁畴壁 畴 相差180 壁 奈耳（Neel） 磁畴壁
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磁学基础－物质的磁性
顺磁性起因于原子或分子磁矩，在外加磁场作用下 趋于沿外场方向排列，使磁质沿外场方向产生一定 强度的附加磁场。顺磁性是一种弱磁性。顺磁性材 料多用于磁量子放大器和光量子放大器，在工程上 的应用极少。顺磁金属主要有Mo，Al，Pt，Sn等。 抗磁性是由于外磁场作用下，原子内的电子轨道绕 场向运动，获得附加的角速度和微观环形电流，从 而产生与外磁场方向相反的感生磁矩。原子磁矩叠 加的结果使宏观物质产生与外场方向相反的磁矩。 由于属于此类的物质有C，Au，Ag，Cu，Zn，Pb等。
I
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磁学基础－物质的磁性
原子内的电子做循轨运动和自旋运动，所以必然产 生磁矩。前者称为轨道磁矩，后者称为自旋磁矩。 eh l (l 1) 电子的循轨磁矩 Pl = 4m 电子的自旋磁矩
eh s ( s 1) Ps = 2m
e：单位电荷；h:普朗克常数；m:电子质量；l:轨 道量子数；s:自旋量子数。
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磁学基础－磁化过程与技术
磁参量
对通常的永磁体的应用而 言， Hg 越大越好。因此、 在设计磁铁时，应使其工 作点在图中的D点附近。同 时、 (BH)max 越大， Hg 也越 大。 (BH)max 越高，所需要 的磁体体积就越小 (BH)max 的大小取决于磁感矫顽力 Hc 、剩磁 Br 和隆起系数 γ ， 即:
磁学基础－物质的磁性
（二）基本磁性参量
磁场强度：电流强度为 I 的电流在一个每米有N匝线圈的 无限长螺旋管轴线中央产生的磁场强度 H 为： H=N xI A/m （安/米） 距离永磁体r处的磁场强度 H 为： H = km1r0/r2 H/m（亨利/米） m1为磁极的磁极强度，单位为Wb(韦伯)；r0是r的矢量单 位； 磁化强度(M ):单位体积磁性材料内各磁畴磁矩的矢量和， 单位为A/m。 磁感应强度(B ):物质在外磁场作用下，其内部原子磁矩 的有序排列还将产生一个附加磁场。在磁性材料内部外加 磁场与附加磁场的和,单位为T（特斯拉）。
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软磁材料－铁芯材料
用途：变压器、电机与继电器的铁(磁)心。 要求：低的矫顽力、高的磁导率和低的铁损。 主要材料：高磁饱和材料(Bs为2T左右)，如工业纯铁、 电工硅钢片、非晶态软磁合金和铁钴合金；中磁饱和 中导磁材料；高导磁材料如坡莫合金等；恒磁导率材 料；以及铁粉心型材料与氧化物粉心材料等 （一） 工业纯铁 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。
磁屏蔽材料
通讯仪器、电器
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磁学基础－磁性材料分类
主要磁性材料分类
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软磁材料
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。
要求：高的饱和磁感应强度、高的最大磁导率、高 的居里温度和低的损耗。
分类：高磁饱和材料，中磁饱和中导磁材料，高导 磁材料，高硬度、高电阻、高导磁材料，矩磁材料， 恒磁导率材料，磁温度补偿材料，磁致伸缩材料。
永磁材料的退磁曲线 与磁能积(密度)曲线
(BH)max =γ · B r· HCB
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磁学基础－磁化过程与技术
磁参量
磁滞回线族
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磁学基础－磁化过程与技术
磁参量
（五）磁性材料的稳定性 衡量磁性材料的磁参量随外界因素作用产生的变化， 主要考虑Br和Hc。 （1）温度稳定性：磁性能随温度的变化。 （2）时间稳定性：在某一特定工作环境下长期工 作过程中磁性随时间的变化。 （3）化学稳定性：在腐蚀介质的环境中磁性随时 间的变化。 磁畴结构变化 可逆，再次充磁时材 定性 引起的磁时效 料能恢复原来的磁性 的能 原不 显微组织变化引 不可逆 因稳 起的组织时效
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磁学基础－磁化过程与技术
磁参量
磁能积（BH） ：磁铁在气隙空间所建立的磁能量 密度。 永磁体均在开路状态下使用，作为磁场源或动作 源。主要作用是在磁铁的两磁极空间 (或称空气隙) 产生磁场Hg。 Hg=(BmHmVm/μ0Vg)1/2 式中Vm、Bm和Hm分别是磁铁的体积、磁感强度和 磁场强度， Vg 、 Hg 是气隙的体积和磁场强度。磁 场强度（ Hg）除与磁体的体积及气隙体积有关外 ，主要取决于磁体的磁能积（BH） 。 最大磁能积（BH）max：退磁曲线上磁能积最大的 一点，工程应用中通常将(BH)max称为磁能积。
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。
运 动 方 式
移 动
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磁学基础－磁化过程与技术
磁参量
畴壁的移动
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磁学基础－磁化过程与技术
磁参量
（1） M随H呈线性地缓慢增 长，可逆畴壁移动过程。 （2） M随H急剧增长，不可 逆畴壁移动过程，的巴克豪森 （Barkhausen）跳跃。 （3）M的增长趋于缓慢。磁 畴的磁化矢量已转到最接近H 方向，M的增长主要靠可逆转 动过程来实现。 （4）磁化曲线极平缓地趋近 于水平线而达到饱和状态。
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
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磁学基础－物质的磁性
（四）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 χ 高而被破坏，温度达到居里温度（Tc） 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： 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， 即：χ =C/(T-Tc)。
Tc
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磁学基础－物质的磁性
(四）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
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磁学基础－物质的磁性
（五）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 ： λ=Δl/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 λ s 表 示。 对于3d金属及合金:λ s约为 10-5—10-6。
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磁学基础－磁化过程与技术
磁参量
(一) 磁畴结构 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。