磁性功能陶瓷材料

由磁化过程知,畴壁移动和畴内磁化方向旋 转越容易,磁导率μ 值越大。因此，要获得高 磁导率μ值的磁性材料,必须满足以下条件： 1）不论在哪个晶向上磁化，磁能的变化都不大 （磁晶各向异性小）； 2）磁化方向改变时产生的晶格畴变小（磁致收缩 小）； 3）材质均匀，没有杂质（没有气孔、异相），没 有残余应力。 如果满足以上三个条件，磁导率μ就会 很高，矫顽力Hc就会很小。
磁畴
磁性物质内部自发磁化方向相同的小区域称为磁畴。 磁畴尺寸大约为10-9cm3。磁畴之间被畴壁隔开，畴壁 实质是相邻磁畴之间的过渡层，在 过渡层中，磁矩不是 突然改变方向，而是逐渐的改变，因此过渡层有一定厚 度，畴壁的厚度一般为10-5cm。 铁磁体在外磁场中的磁化过程主要为畴壁的移动和 磁畴内磁矩的转向。
矫顽场Hc大的物质，由 于消磁困难，称为硬磁材 料，Hc＞10KA/m。 最大磁能积（BH）mห้องสมุดไป่ตู้x是 退磁曲线B和H对应点乘积 的最大值，是硬磁材料最 重要的性能指标。 矫顽场小的物质，称为 软磁材料，Hc＜1KA/m， 能够在小的磁场中进行磁 化或消磁。 软磁材料经常用于变压器的铁芯或发电机的转子等高频电流 机电设备中，这是由于交流发电情况下，磁场方向频繁改变， 因此需要能量损失尽可能小，即需要选择磁滞回线包围面积 小的材料。
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顺磁性
在具有未成对电子的原子、分子或离子中，由于存 在未成对电子的轨道运动和自旋运动而具有磁矩，这种 性质称为顺磁性，具有顺磁性的物质称为顺磁体。
顺磁体的主要特征是： 不论外加磁场是否存在，原 子内部存在永久磁矩。
顺磁体宏观无磁性，在 外磁场作用下，磁矩可以规 则取向，物质显示极弱的磁 性。顺磁体的磁化强度为正， 且M严格与外磁场H成正比。
Bs：饱和磁感应强度；Br：残余磁感应强度 反向磁场使残余磁感应强度变为零时的磁场强度称为矫顽场Hc。 磁滞回线包围面积的大小代表能量损失的多少。
4、磁导率μ 磁导率μ是表征磁介质磁化性能的一 个物理量。对铁磁体来说，磁导率很大， 且随外加磁性的强度而变化。磁导率μ越 大越好，已成为鉴别磁性材料性能是否 优良的主要指标。
5、最大磁能积（BH）max 见图7-2和图7-3。 6、损耗系数和品质因数 利用磁性材料制作线圈或变压器磁芯时，希 望磁芯内的能量损耗小到尽可能忽略的程度。 损耗系数tgδ=R/2ΠfL 品质因数为tgδ/µ，这是表征铁氧体损 耗大小的一个重要参数。
三、磁性的分类
抗磁性、顺磁性、铁磁性和反铁磁性
1 抗磁性
当磁化强度M为负时，介质表现为抗磁性。抗磁性 物质的磁化率×一般为-10-5。这种物质的原子或离子 的电子结构是闭层的，正、反旋转的电子数目相等， 不产生磁矩。周期表在中前18个元素主要表现为抗磁 性，并且在磁性陶瓷材料中，构成了几乎所有的阴离 子，如O2-，F-，Cl-，S2-，CO32-，N3-，OH-等，在这 些阴离子中，电子填满壳层，自旋磁矩平衡。
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反铁磁性
磁矩的排列并不只在一个方向发生，如果在一个晶面 上的排列方向与其在相邻的另一晶面上的排列方向完全相 反，这种物质称为反铁磁体。在反铁磁体中，由于磁矩相 互抵消，所以不产生自发磁化，也不产生吸引力。 在反铁磁体的磁矩排列中，如磁矩的大小不相同没有完 全抵消时，磁矩不为零，这种物质称为亚铁磁性。
第八章
磁 功 能 材 料
由于金属和合金磁性材料的电阻率低,损 耗大，因而无法适用于高频。陶瓷质的磁 性材料电阻率高，可以从商用频率到毫米 波范围以多种形态得到应用，而且具有较 高的高频磁导率，这是其他磁性材料难以 比拟的。 磁性陶瓷分为含铁的铁氧体陶瓷材料和 不含铁的磁性陶瓷材料。
一、磁性材料发展状况
B 0 H M H
其中：
M r 1H H
μr=μ/μ0为介质的相对磁导率；
×=μr-1定义为介质的磁化率，反映材料磁化的能力，
无量纲，可正可负，取决于材料的不同磁性类别。
3、磁滞回线：见图7-2
将一未经磁化或退磁状态的铁磁体放入外 磁场H中，其磁体内部的磁感应强度B随外磁 场H的变化是非线形的，如果外磁场是交变磁 场，则与电滞回线类似，可得磁滞回线。 是磁性材料的主要特性。Hc为矫顽力， Hm为最大磁场，Br称为剩余磁感应强度， Bs 称为最大磁感应强度（饱和磁感应强度）。
永磁材料 2000年产值：65亿美元，占磁性材料70% 应用领域：电机50%，电声20%，测量与控制20%，其余10% 目前水平： NdFeB ： (BH）m =446KJ/m3（55.8MGOe） 铁氧体（FB6N）：(BH）m =38.5 446KJ/m3 Br=440mT Hc=258.8kA/m
软磁铁氧体材料 2000年产量：26万吨（我国1/4），功率铁氧体25%，高磁导率 20%，宽带射频铁氧体电子镇流器15% 进展： 磁导率：4×104 工作频率：0.5→2MHz
二、磁性材料的基本磁学性质
1、磁矩
任何一个封闭的电流都具有磁矩m，其大小为电流 与封闭环型的面积的乘积。在均匀磁场中，磁矩受到 磁场作用的力矩J为：
顺磁体的磁化率小，一般 为10-5。含有奇数个电子的 原子或电子未填满壳层的原 子或离子，如过渡族元素、 稀土元素及铝铂等金属，都 属于顺磁性物质。
（a）顺磁性
（b）铁磁性
（c）反铁磁性 （d）亚铁磁性
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铁磁性
即使无外加磁场，磁矩也按同一方向整齐排列，这种 性质称为铁磁性，具有铁磁性的物质称为铁磁体。 铁磁体在室温下磁化率可达103数量级，属于强磁性 物质，如铁、钴、镍等。 即使在较弱的磁场内，铁磁体也可得到极高的磁化 强度，而且当外磁场移去后，仍可保留极强的磁性。
J=m×B
J为矢量积；B为磁感应强度。
磁矩是表征磁性物体磁性大小的物理量，磁矩越 大，磁性越强，即物体在磁场中受的力越大。 电子绕原子核运动产生电子轨道磁矩；电子本身自 旋，产生电子自旋磁矩。 这两种微观磁矩是物质具有磁性的根源。
2、磁化强度
一般磁介质无外加磁场时，其内部各磁矩的取向不一， 宏观无磁性；但在外磁场作用下，各磁矩有规则取向，使 磁介质宏观显示磁性，这就是磁化。 磁化强度M是单位体积的磁矩，表征物质被磁化的程 度，与磁感应强度B和磁场强度H的关系为：