磁性材料的现状与未来

金属磁性材料 Fe Ni Co FeSi
磁畴和分子场理论
FeNi AlNiCo
SmCo5 FeSiB非晶态合金
Sm2Co17 Fe/Ge/Co,TMR
nm—Fe,Co 室温磁制冷(Gd)实验
Nd2Fe14B GMR, Finemet 量子磁盘，65Gb/in2 CMR,庞磁电阻效应 巨磁卡效应
非金属磁性材料
1。永磁材料
碳钢 AlNiCo;MnAl;FeCrCo;FePt;CoPt 铁氧体：Sr(Ba)Fe12O19 稀土永磁
SmCo5; Sm2Co17;Sm-Fe-N Nd2Fe14B
磁性材料的矫顽力(Hc)随时代的演化
全世界主要永磁材料的产量与产值
NdFeB
产量（T）
Ferrite
2010年永磁材料产 值对比
磁带的磁滞回线
磁性材料二大类
矫顽力随颗粒直径的变化
材料磁性分二类： 1.结构非灵敏性量,主要由组成所决定：Tc;Ms;K;λ 2.结构灵敏性量，与微结构关系密切：Hc;Br;μ;Pw
纯金属
铁磁序
γ-Fe
反铁磁序
Bethe-Slater 曲线（1930/1933）
Eex=-2JexSiSj; Jex 交换积分ra —原子间距；rd –d壳层半径
硅钢 MnZn , NiZn铁氧体 非晶态 NiFe,FeCo,CoCr薄膜 Co-Fe2O3粉体 CrO2粉体 AlNiCo SmCo,NbFeB (Sr,Ba)铁氧体
J.M.D.Coey, J.Alloys and Compounds 326(2001)2－6，
二。磁滞回线表征的磁性材 料：
永磁，软磁，磁记录，
film
美国
// film
0 .0 -0 .6
西班牙
中国
德国
-1 .2
-6
-4
-2
0
2
4
6
H (T ) 0
近10年中，每3年风电量增加1倍，2009年为
159213MW,2020年估计全球为1900GW
3MW的风力发电机需1.5T的稀土永磁
Oliver G., et al., Adv.Mater,2011,23,821
自旋系统中五种类型的交换作用
磁 性 材 料 发 展 进 程
年代 BC1400 1751 1773 1900 1905 1909 1921 1932 1935 1946 1948 1949 1951 1952 1956 1960 1967 1970 1972 1975 1976
1983 1988 1993 1994 1997
一。以磁滞回线为主要特性表征的磁性材料： 永磁，软磁，矩磁，磁记录，
二。以交叉效应为基础的磁性材料： 磁致收缩材料，磁光材料，旋磁材料，磁制冷材 料,多铁性材料,超构材料与器件，自旋电子学材 料与器件, 材料-结构与器件完美的结合成为新材料特色 磁性材料的内涵在不断的发展中。 新的磁性材料体系探索 有机磁性材料
第一代SmCo5 (60年代）；第二代Sm2Co17 (70年代）；第三代 Nd2Fe14B(80年代）； 第四代稀土永磁？
第一代 第二代 第三代 第四代
稀土永磁 晶体结构
Js(T)＝ oMs Tc (oC)
SmCo5
CaCu5型六 角晶系
1.14
Sm2Co17
六角或菱 方结构
1.25
Nd2Fe14B 四方晶系
元素
Fe
Co
Ni
Gd
居里温度(K) 1043 1404 631
289
Magnetic nitrides
Bethe-Slater-Neel curve J.M.D.Coey,P.A.I.Smith,J MMM 200,1999,405
磁性 合金
3d 3d-4f
Slater-Pauling 曲线；（巡游电子理 论）3d过渡族元素合金的磁矩随3d电子数的变化。 Heuslers: A2MnB: Co2MnSi; AMnB: NiMnSb
“磁性材料的现状与未来”
都有为
南京大学
报告提纲
一。磁性材料的基本概念 二。磁滞回线表征的磁性材料 三。交叉耦合效应的磁性材料
一。磁性材料的 基本概念
磁滞回线
Bm 基本磁学量：
Br
饱和磁化强度，Bm,Ms
剩磁
Br
矫顽力
Hc
Hc
磁导率
μ
损耗
Pw
磁能积
(BH)m
矩磁比
Br/Bm
K, λ，Tc
金属颗粒与铁氧体颗粒制备成 电性：金属与非金属
人工合成铁氧体
反铁磁理论 尖晶石铁氧体 软磁铁氧体生产 亚铁磁理论 旋磁性理论 微波铁氧体，钙钛矿磁性化合物
BaFe12O19 YIG(石榴石)，平面六角铁氧体
Fe3O4型磁性液体 CrO2,RFeO3,磁泡
铁磁
亚铁磁
3d-4f 低维 FM/AFM 耦合 交叉
磁性材料的分类与演变
从磁特性来分类，主要可分二大类：
1.6
?
低对称晶 系 1.8
727
920
320
>300
HA(T)
25-44 6.5
7
(BH)m(kJ/m3) 200(259)* 250(310) 462(512)
*(--)(BH)m理论值。
SmFeN; SmFeC； 1:12;
7 600
3:29;
纳米复合稀土永磁（BH)m(理论） >800（kJ/m3)，1988年－？？
Coey J.M.D. ,J. Alloys and compounds 326(2001)2
全球每年人平均磁性材料消耗量如下
永磁铁氧体 稀土永磁 软磁铁氧体 电工钢 非晶态磁性材料 硬盘 读出磁头 软盘 磁带
80克 1克 40克 0.25m2 几厘米 1/16th 1/8th 1/4 1m2
常用的磁性材料
氧化物磁性材料
1.铁氧体：亚铁磁序 尖晶石型：MnZn;NiZn;MgZn;…… 石榴石型: Y3Fe5O12;…. 六角晶型: M型：Sr(Ba) Fe12O9;… W;Y;Z;X型….
2.CrO2:铁磁性 3.钙钛矿型：双交换耦合型
ABO3(LaMnO3);A3B2O7;A2B’B”O6;…. 4.硫族化合物： FeCr2S4
工艺：速凝；氢爆；双合金
永磁材料在小轿车中的应用
效率（ 6-8%） 体积（ 70%） 重量（ 40%）
永磁电机与软磁芯感应电机性能对比
Oliver G., et al., Adv.Mater,2011,23,821
J (T)
近10年世界风力发电量与2009年各国所占份额
其他
1 .2 0 .6
4 7 0 oC d e p o s itio n + 5 9 0 oC a n n e a lin g