磁性材料应用与进展

磁性材料应用与进展

庞丽丽

(萍乡学院，13级无机非金属材料1班，学号13461025)

摘要磁性材料广泛的用在我们的生活之中，特别在节约能源方面的应用。新型的纳米结构自旋电子学材料已是磁性材料领域中的传奇。

关键词磁性材料、自选电子学、永磁、软磁。

Abstract:Magnetic materials are widely used in our lives, p

articularly in the application of energy conservation.

Structure of new Nano-spintronics material is legendary in th e field of magnetic materials.

Key words: Magnetic materials. Spin electronics. Permanent magnet. Soft magnetic.

1引言

磁性材料，通常所说的磁性材料是指强磁性物质，是古老而用途十分广泛的功能材料。而物质的磁性早在3000年以前就被人们所认识和应用，例如中国古代用天然磁铁作为指南针。现代磁性材料已经广泛的用在我们的生活之中，例如将永磁材料用作马达，应用于变压器中的铁心材料，作为存储器使用的磁光盘，计算机用磁记录软盘等。而通常认为，磁性材料是指由过渡元素铁、钴、镍及其合金等能够直接或间接产生磁性的物质。磁性材料按磁化后去磁的难易可分为软磁性材料和硬磁性材料。磁化后容易去掉磁性的物质叫软磁性材料，不容易去磁的物质叫硬磁性材料。一般来讲软磁性材料剩磁较小，硬磁性材料剩磁较大。

20世纪80年代在(Fe/Cr/Fe)n纳米多层膜中发现了巨磁电阻效应,其物理本质是薄膜厚度小于自旋扩散长度,因此电子在输运过程中将保持自旋方向,通过外磁场可以改变自旋方向,从而改变电阻值,这发现开拓了在电子输运过程中通过调控自旋,显示与利用自旋特性的新领域,从而产生重要的自旋电子学新学科,利用调控自旋的特性,首先制备成高灵敏度的磁盘读出磁头,使磁盘的记录密度提高千倍,至今保持着信息存储的主流地位,其产值超过300亿美元,此外各种利用磁电阻效应的新颖传感器脱颖而出,其应用领域十分宽广。与微电子技术相结合,目前已研发成磁随

机储存器,MRAM,不同类型的MRAM如STT-MRAM;MeRAM等可统称为自旋芯片，自旋芯片属于核心高端芯片,是科技关键核心技术,可军民两用,具有高达上千亿美元的巨大市场前景,有可能成为后摩尔时代的主流芯片。[1]

2 磁性材料 - 分类 [2]

磁性材料具有磁有序的强磁性物质，广义还包括可应用其磁性和磁效应的弱

磁性及反铁磁性物质。磁性是物质的一种基本属性。物质按照其内部结构及其在外磁场中的性状可分为抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性物质。铁磁性和亚铁磁性物质为强磁性物质，抗磁性和顺磁性物质为弱磁性物质。磁性材料按性质分为金属和非金属两类，前者主要有电工钢、镍基合金和稀土合金等，后者主要是铁氧体材料。按使用又分为软磁材料、永磁材料和功能磁性材料。功能磁性材料主要有磁致伸缩材料、磁记录材料、磁电阻材料、磁泡材料、磁光材料，旋磁材料以及磁性薄膜材料等，反应磁性材料基本磁性能的有磁化曲线、磁滞回线和磁损耗等。

2.1永磁材料

一经外磁场磁化以后，即使在相当大的反向磁场作用下，仍能保持一部或大部原磁化方向的磁性。对这类材料的要求是剩余磁感应强度Br高，矫顽力BHC(即

抗退磁能力)强，磁能积(BH)(即给空间提供的磁场能量)大。相对于软磁材料

而言,它亦称为硬磁材料。

永磁材料有多种用途。①基于电磁力作用原理的应用主要有：扬声器、话筒、电表、按键、电机、继电器、传感器、开关等。②基于磁电作用原理的应用主要有：磁控管和行波管等微波电子管、显像管、钛泵、微波铁氧体器件、磁阻器件、霍尔器件等。③基于磁力作用原理的应用主要有：磁轴承、选矿机、磁力分离器、磁性吸盘、磁密封、磁黑板、玩具、标牌、密码锁、复印机、控温计等。其他方面的应用还有：磁疗、磁化水、磁麻醉等。

2.2软磁材料

它的功能主要是导磁、电磁能量的转换与传输。因此，对这类材料要求有较高的磁导率和磁感应强度，同时磁滞回线的面积或磁损耗要小。与永磁材料相反，其Br和BHC越小越好,但饱和磁感应强度Bs则越大越好。

软磁材料的应用甚广，主要用于磁性天线、电感器、变压器、磁头、耳机、继电器、振动子、电视偏转轭、电缆、延迟线、传感器、微波吸收材料、电磁铁、加速器高频加速腔、磁场探头、磁性基片、磁场屏蔽、高频淬火聚能、电磁吸盘、磁敏元件(如磁热材料作开关)等。

2.3矩磁材料

主要用作信息记录、无接点开关、逻辑操作和信息放大。这种材料的特点是磁滞回线呈矩形。

2.4旋磁材料

具有独特的微波磁性，如导磁率的张量特性、法拉第旋转、共振吸收、场移、相移、双折射和自旋波等效应。据此设计的器件主要用作微波能量的传输和转换，常用的有隔离器、环行器、滤波器（固定式或电调式）、衰减器、相移器、调制器、开关、限幅器及延迟线等，还有尚在发展中的磁表面波和静磁波器件（见微波铁氧体器件）。

2.5压磁材料

这类材料的特点是在外加磁场作用下会发生机械形变，故又称磁致伸缩材料，它的功能是作磁声或磁力能量的转换。常用于超声波发生器的振动头、通信机的机械滤波器和电脉冲信号延迟线等，与微波技术结合则可制作微声（或旋声）器件。非晶态合金中新出现的有较强压磁性的品种，适宜于制作延迟线。压磁材料的生产和应用远不及前面四种材料。

3磁性材料的应用

磁性材料是生产、生活、国防科学技术中广泛使用的材料。如制造电力技术中的各种电机、变压器，电子技术中的各种磁性元件和微波电子管，通信技术中的滤波器和增感器，国防技术中的磁性水雷、电磁炮，各种家用电器等。此外，磁性材料在地矿探测、海洋探测以及信息、能源、生物、空间新技术中也获得了广泛的应用。

3.1 磁性技术在节约能源方面的应用 [3]

3.1.1节能的永磁材料

降低现有磁性材料的损耗，研发更低损耗的新材料，便可以在使用磁性材料的各种电机和电器中节约能源。例如，用永磁体代替电流在空间形成1个静磁场（如永磁电机中的定子磁场或转子磁场，扬声器和仪器仪表中的气隙磁场等），这样，不但节省了电能，降低了温度，而且省去1部分电源及控制系统、冷却系统。如在汽车中用永磁电机替代传统的电机，可使体积和重量减小40％～70％，效率提高50％以上，并可节省铜材和电力。将电气设备中大量使用的电磁开关、电磁阀的电磁铁换成永磁体，可节电90％以上。

在人类活动中，大量的能源消耗在克服摩擦力的做功上。利用永磁体之间的排斥力和吸引力，做成各种磁悬浮系统，如果再将系统中的空气抽出，则摩擦力几乎按近于零。例如，利用磁悬浮原理制成新型磁轴承，其能源可降低90％以上，转速可达每分钟几十万转。

3.1.2 奇特的非晶态磁性合金

非晶态磁性合金就是磁性玻璃。这种非晶态合金材料是将熔融的金属用每秒近100万℃的超急冷方法直接喷在高速旋转的风轮上，使熔化的液态合金立即凝固成薄带，来不及结晶而形成非晶态。

非晶态合金具有铁芯损耗小、电阻率高、频率特性好、磁感应强度高、抗腐蚀性强等特点。在漏电保护器、电感滤波器、电力配电变压器和开关电源等方面已获得广泛应用。据估计，我国变压器的总损耗占系统发电量的10％左右，损耗每降低1％，每年可节约上百亿度电，其节能效果十分显著。

3.1.3 磁性节能器件

磁水器在锅炉和热交换系统中的使用，不但提高了热效应，节约了能源，而且还减少了管道和设备的除垢工作。如果采用磁力除垢器或磁水器均可节约能源并提高维护保养水平。我国某油田用磁水器处理石油，使石油除蜡降粘，热洗周期由12天增加到140天，单井年节电达1.4万度，年节约天然气1.8万m3，年增产原油180吨，多获利2万元。