磁性材料

磁性材料
magnetic material
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。

磁石
单位质量的磁性材料在交变磁场中磁化，从变化
磁场中吸收并以热的形式耗散的功率称为磁损耗，或称
铁损耗，它包括磁滞损耗和涡流损耗。

其中由磁滞现象
引起的能量损耗为磁滞损耗，与磁滞回线所包围的面积
成正比。

在交变磁场中导电物质将感应出涡流，由涡流
产生的电阻损耗称涡流损耗。

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。

软磁材料
soft magnetic material
具有低矫顽力和高磁导率的磁性材料。

软磁材料易于磁化，也易于退磁，广泛用于电工设备和电子设备中。

应用最多的软磁材料是铁硅合金(硅钢片)以及各种软磁铁氧体等。

软磁材料种类繁多，通常按成分分为：
①纯铁和低碳钢。

含碳量低于0.04％，包括电磁纯铁、电解铁和羰基铁。

其特点是饱和磁化强度高，价格低廉，加工性能好；但其电阻率低、在交变磁场下涡流损耗大，只适于静态下使用，如制造电磁铁芯、极靴、继电器和扬声器磁导体、磁屏蔽罩等。

②铁硅系合金。

含硅量0.5％～4.8％，一般制成薄板使用，俗称硅钢片。

在纯铁中加入硅后，可消除磁性材料的磁性随使用时间而变化的现象。

随着硅含量增加，热导率降低，脆性增加，饱和磁化强度下降，但其电阻率和磁导率高，矫顽力和涡流损耗减小，从而可应用到交流领域，制造电机、变压器、继电器、互感器等的铁芯。

③铁铝系合金。

含铝6％～16％，具有较好的软磁性能，磁导率和电阻率高，硬度高、耐磨性好，但性脆，主要用于制造小型变压器、磁放大器、继电器等的铁芯和磁头、超声换能器等。

④铁硅铝系合金。

在二元铁铝合金中加入硅获得。

其硬度、饱和磁感应强度、磁导率和电阻率都较高。

缺点是磁性能对成分起伏敏感，脆性大，加工性能差。

主要用于音频和视频磁头。

⑤镍铁系合金。

镍含量30％～90％，又称坡莫合金，通过合金化元素配比和适当工艺，可控制磁性能，获得高导磁、恒导磁、矩磁等软磁材料。

其塑性高，对应力较敏感，可用作脉冲变压器材料、电感铁芯和功能磁性材料。

⑥铁钴系合金。

钴含量27％～50％。

具有较高的饱和磁化强度，电阻率低。

适于制造极靴、电机转子和定子、小型变压器铁芯等。

⑦软磁铁氧体。

非金属亚铁磁性软磁材料。

电阻率高（10-2～1010Ω·m），饱和磁化强度比
金属低，价格低廉，广泛用作电感元件和变压器元件（见铁氧体）。

⑧非晶态软磁合金。

一种无长程有序、无晶粒合金，又称金属玻璃，或称非晶金属。

其磁导率和电阻率高，矫顽力小，对应力不敏感，不存在由晶体结构引起的磁晶各向异性，具有耐蚀和高强度等特点。

此外，其居里点比晶态软磁材料低得多，电能损耗大为降低，是一种正在开发利用的新型软磁材料。

⑨超微晶软磁合金。

20世纪80年代发现的一种软磁材料。

由小于50纳米左右的结晶相和非晶态的晶界相组成，具有比晶态和非晶态合金更好的综合性能，不仅磁导率高、矫顽力低、铁损耗小，且饱和磁感应强度高、稳定性好。

现主要研究的是铁基超微晶合金。

永磁材料
permanent magnetic material
具有宽磁滞回线、高矫顽力、高剩磁，一经磁化即能保持恒定磁性的材料。

又称硬磁材料。

实用中，永磁材料工作于深度磁饱和及充磁后磁滞回线的第二象限退磁部分。

常用的永磁材料分为铝镍钴系永磁合金、铁铬钴系永磁合金、永磁铁氧体、稀土永磁材料和复合永磁材料。

①铝镍钴系永磁合金。

以铁、镍、铝元素为主要成分，还含有铜、钴、钛等元素。

具有高剩磁和低温度系数，磁性稳定。

分铸造合金和粉末烧结合金两种。

20世纪30～60年代应用较多，现多用于仪表工业中制造磁电系仪表、流量计、微特电机、继电器等。

②铁铬钴系永磁合金。

以铁、铬、钴元素为主要成分，还含有钼和少量的钛、硅元素。

其加工性能好，可进行冷热塑性变形，磁性类似于铝镍钴系永磁合金，并可通过塑性变形和热处理提高磁性能。

用于制造各种截面小、形状复杂的小型磁体元件。

③永磁铁氧体。

主要有钡铁氧体和锶铁氧体，其电阻率高、矫顽力大，能有效地应用在大气隙磁路中，特别适于作小型发电机和电动机的永磁体。

永磁铁氧体不含贵金属镍、钴等，原材料来源丰富，工艺简单，成本低，可代替铝镍钴永磁体制造磁分离器、磁推轴承、扬声器、微波器件等。

但其最大磁能积较低，温度稳定性差，质地较脆、易碎，不耐冲击振动，不宜作测量仪表及有精密要求的磁性器件。

④稀土永磁材料。

主要是稀土钴永磁材料和钕铁硼永磁材料。

前者是稀土元素铈、镨、镧、钕等和钴形成的金属间化合物，其磁能积可达碳钢的150倍、铝镍钴永磁材料的3～5倍，永磁铁氧体的8～10倍，温度系数低，磁性稳定，矫顽力高达800千安／米。

主要用于低速转矩电动机、启动电动机、传感器、磁推轴承等的磁系统。

钕铁硼永磁材料是第三代稀土永磁材料，其剩磁、矫顽力和最大磁能积比前者高，不易碎，有较好的机械性能，合金密度低，有利于磁性元件的轻型化、薄型化、小型和超小型化。

但其磁性温度系数较高，限制了它的应用。

⑤复合永磁材料由永磁性物质粉末和作为粘结剂的塑性物质复合而成。

由于其含有一定比例的粘结剂，故其磁性能比相应的没有粘结剂的磁性材料显著降低。

除金属复合永磁材料外，其他复合永磁材料由于受粘结剂耐热性所限，使用温度较低，一般不超过150℃。

但复合永磁材料尺寸精度高，机械性能好，磁体各部分性能均匀性好，易于进行磁体径向取向和多极充磁。

主要用于制造仪器仪表、通信设备、旋转机械、磁疗器械及体育用品等。

磁致伸缩材料
magnetostrictive material
具有显著磁致伸缩效应的磁性材料。

已实用的磁致伸缩材料分为3类：①金属磁致伸缩材料。

其饱和磁化强度较高，力学性能好，可承受较高的功率，但电阻率低，不适用于高频段。

常用的有铁基合金、镍基合金。

②铁氧体磁致伸缩材料。

其饱和磁化强度较低，材料的气隙率影响其力学性能，故不能承受较高功率，但电阻率高，可用于高频段。

③巨磁致伸缩材料。

其磁致伸缩系数（材料在磁场力作用下产生的伸缩量与材料原长度之比）远高于常规材料，耦合系数也高；缺点是所需磁化场强高。

磁致伸缩材料可用于制造超声和水声换能器件，如超声探伤器、超声钻头、回声探测器等；用于制造电信器件，如振荡器、滤波器、谐波发生
器等；也可用于制造自动控制器件及测量和传感器件。

磁记录材料
magnetic recording material
利用磁特性和磁效应输入（写入）、记录、存储和输出（读出）声音、图像、数字等信息的磁性材料。

分为磁记录介质材料和磁头材料。

前者主要完成信息的记录和存储功能，后者主要完成信息的写入和读出功能。

磁记录材料的记录原理是：在记录信息过程中，输入信息先转变为相应的电信号输送到磁头线圈中，使记录磁头中产生与输入电信号相应的变化磁场；此时紧靠近气隙并以恒定速度移动的磁带上的磁记录介质受到变化磁场的作用，从原来的退磁状态转变为磁化状态，即将随时间变化的磁场转变为按空间变化的磁化强度分布；磁带通过磁头后转变到相应的剩磁状态，从而记录下与气隙磁场、磁头电流和输入信号相应的信息。

当需要输出信息时，正好与上述记录过程相反。

磁记录材料按形态分为颗粒状和连续薄膜材料两类，按性质又分为金属材料和非金属材料。

广泛使用的磁记录介质是γ-Fe2O3系材料，此外还有CrO2系、Fe-Co系和Co-Cr系材
系及Fe-Al-Si系合料等。

磁头材料主要有Mn-Zn系和Ni-Zn系铁氧体、Fe-Al系、Ni-Fe-N
b
金材料等。

磁电阻材料
magneto-resistance material
具有显著磁电阻效应的磁性材料。

强磁性材料在受到外加磁场作用时引起的电阻变化，称为磁电阻效应。

不论磁场与电流方向平行还是垂直，都将产生磁电阻效应。

前者（平行）称为纵磁场效应，后者（垂直）称为横磁场效应。

一般强磁性材料的磁电阻率（磁场引起的电阻变化与未加磁场时电阻之比）在室温下小于8％，在低温下可增加到10％以上。

已实用的磁电阻材料主要有镍铁系和镍钴系磁性合金。

室温下镍铁系坡莫合金的磁电阻率约1％～3％，若合金中加入铜、铬或锰元素，可使电阻率增加；镍钴系合金的电阻率较高，可达6％。

与利用其他磁效应相比，利用磁电阻效应制成的换能器和传感器，其装置简单，对速度和频率不敏感。

磁电阻材料已用于制造磁记录磁头、磁泡检测器和磁膜存储器的读出器等。

磁泡材料
magnetic bubble material
在一定外磁场作用下，表面呈现磁泡阵列的磁性材料。

强磁性材料在一定的外加磁场作用下，其表面形成圆柱状反磁化畴。

因这种圆柱状磁畴从其柱轴方向看去好像浮在材料表面的圆泡，故称为磁泡畴，简称磁泡。

磁泡材料主要为薄膜型材料，其单轴各向异性强，畴壁矫顽力小，迁移率高，在机械应力、温度等影响下稳定性好，化学稳定性高。

磁泡材料薄膜的制备主要采用外延生长法，即将具有与待制磁泡材料相同或相近晶体构造和晶格常数的单晶基片，置于含有待制磁泡材料组分的熔体或溶液中，在一定条件下，磁泡材料沉积在基片上，形成具有一定晶面的磁泡材料薄膜。

已实用的磁泡材料主要是稀土石榴石型铁氧体，可用以制造存取速度快、结构简单、功耗低、存储密度高的信息存储、记录和逻辑元件。

永磁功能材料常称永磁材料，又称硬磁材料，而软磁功能材料常称软磁材料。

这里的硬和软并不是指力学性能上的硬和软，而是指磁学性能上的硬和软。

磁性硬是指磁性材料经过外加磁场磁化以后能长期保留其强磁性(简称磁性)，其特征是矫顽力(矫顽磁场)高。

矫顽力是磁性材料经过磁化以后再经过退磁使具剩余磁性(剩余磁通密度或剩余磁化强度)降低到零的磁场强度。

而软磁材料则是加磁场既容易磁化,又容易退磁,即矫顽力很低的磁性材料。

退磁是指在加磁场(称为磁化场)使磁性材料磁化以后，再加同磁化场方向相反的磁场使其磁性降低的磁场。

永磁材料是发现和使用都最早的一类磁性材料。

我国最早发明的指南器(称为司南)便是利用天然永磁材料磁铁矿制成的。

现在的永磁材料不但种类很多，而且用途也十分广泛。

常用的永磁材料主要具有4种磁特性：(1)高的最大磁能积。

最大磁能积[符号为(BH)m ]是永磁材料单位体积存储和可利用的最大磁能量
密度的量度；(2)高的矫顽(磁)力。

矫顽力[符号为(H)c ]是永磁材料抵抗磁的和
非磁的干扰而保持其永磁性的量度；(3)高的剩余磁通密度(符号为Br)和高的剩余磁化强度(符号为Mr)。

它们是具有空气隙的永磁材料的气隙中磁场强度的量度；(4)高的稳定性，即对外加干扰磁场和温度、震动等环境因素变化的高稳定性。

当前常用的重要永磁材料主要有：(1)稀土永磁材料，这是当前最大磁能积最高的一大类永磁材
料，为稀土族元素和铁族元素为主要成分的金属互
化物(又称金属间化合物)。

图1是我国研制和生产
的钕铁硼稀土合金永磁材料。

(2)金属永磁材料。

这是一大类发展和应用都较早的以铁和铁族元素
(如镍、钴等)为重要组元的合金型永磁材料，主要有铝镍钴(AlNiCo)系和铁铬钴(FeCrCo)系两大类
永磁合金。

铝镍钴系合金永磁性能和成本属于中等，发展较早，性能随化学成分和制造工艺而变化的范围较宽，故应用范围也较广。

铁铬钴系永磁合金的特点是永磁性能中等，但其力学性能可进行各种机械加工及冷或热的塑性变形，可以制成管状、片状或线状永磁材料而供多种特殊应用。

(3)铁氧体永磁材料。

这是以Fe 2O 3为主要组元的复合氧化物强磁材料(狭义)和磁有序材料如反铁磁材料(广
义)。

其特点是电阻率高，特别有利于在高频和微波应用。

如钡铁氧体(BaFe 12O 19)和锶铁氧体(SrFe 12O 19)等都有很多应用。

除上述3类永磁材料外，还有一些制造、
磁性和应用各有特点的永磁材料。

例如微粉永磁材料、纳米永磁材料、胶塑永磁材料(可应用于电冰箱门的封闭)、可加工永磁材料等。

图1 钕铁硼稀土永磁材料
图2 铁-硅系软磁材料的磁
软磁材料种类多和用途广,具有5种主要的磁
特性：(1)高的磁导率。

磁导率(符号为μ)是对磁场灵敏度的量度；(2)低的矫顽力H c 显示磁性材料既容易受外加磁场磁化，又容易受外加磁场或其他因素退
磁，而且磁损耗也低；(3)高的饱和磁通密度B s 和高的饱和磁化强度M s 。

这样较容易得到高的磁导率μ和低的矫顽力H c ，也可以提高磁能密度；(4)低的磁损耗
和电损耗。

这就要求低的矫顽力H c 和高的电阻率；(5)高的稳定性，这就要求上
述的软磁特性对于温度和震动等环境因素有高的稳定性。

当前常用的重要的软磁材料主要有：(1)铁-硅(Fe-Si)系软磁材料，常称硅钢片，是电机工业广泛使用磁性材料。

图2示出这一磁性材料系统的非取向Fe-Si 合金(i)、单取向Fe-Si 合金(ⅱ)、双取向Fe-Si 合金(ⅲ)、特殊处理Fe-Si 合金(ⅳ)和非晶Fe-Si-B 材料(v)的磁和电损耗P 降低随年代的进展。

(2)铁-镍(Fe-Ni)系软磁合金是磁导率μ和矫顽力Hc 低的性能良好的软磁材料，有着广泛的应用。

(3)铁氧体软磁材料，其突出优点是电阻率极高，可以在高频率和超高频率使用，在通信和多种电子学器件中有着重要的应用。

(4)非晶软磁材料和纳米晶软磁材料，是在20世纪后期发展起来的新软磁材料。

非晶软磁材料的特点是制造工艺较简单，化学
成分变化范围较宽、磁性均匀和良好的各向同性
(因无晶粒结构)。

从图3中可以看出非晶软磁材料
的低损耗的优点。

将适当成分的非晶软磁材料通过
适当的热处理后，可以使非晶状态转变为晶粒直径
为纳米量级的结晶态软磁材料，也可以得到良好的
软磁材料。

(5)其他软磁材料。

选择适当的化学成
分和适当的制造工艺，可以得到具有特定软磁等性能的软磁材料。

例如，具有高能和磁化强度的铁-
钴(Fe-Co)系软磁合金，具有较高电阻率的铁-铝(Fe-Al)系软磁合金，具有磁晶各向异性和磁致伸缩都趋近于零的铁-硅-铝(Fe-Si-Al)合金等。

7．2 磁功能材料
7.2.1 软磁材料
特性：较低的磁场中被磁化而呈强磁性，磁场去除后磁性基本消失。

分类：高磁饱和材料（低矫顽力）、中磁饱和材料、高导磁材料；耐磨高 导磁材料、磁温度补偿材料和磁致伸缩材料等。

材料：纯铁、Fe-Si 合金(硅钢)、Ni-Fe 合金、Fe-Co 合金、Mn-Zn 铁氧体、 Ni-Zn 铁氧体和Mg-Zn 铁氧体等
应用：用于电力、配电和通信变压器和继电器、电磁铁、电感器铁芯、发电 和电损耗P 随年代降低
图3 非晶软磁材料的低损耗
机与发动机转子和定子及磁路中磁轭材料等。

变压器继电器7.2.2 永（硬）磁材料
特性：在磁场中被充磁，磁场去除后材料的磁性仍长时保留。

分类及应用：
7.2.3 信息磁材料
用于光电通信、计算机、磁记录及其他信息处理技术中的存取信息。

分类及应用：
磁记录材料对声音、图象和文字等信息进行写入、记录、存储，并在需要时输出，制作磁记录介质（磁带、磁盘、磁卡片及磁鼓）和磁头；磁记录介质材料有 -Fe2o3磁粉和包Co的 -Fe2o3磁粉、Fe金属磁粉、CrO2系磁粉、Fe-Co 系磁膜以及BaFe12O19系磁粉或磁膜等；磁头材料有(Mn, Zn) Fe2o4系、(Ni, Zn) Fe2O4系单晶和多晶铁氧体, Fe-Ni-Nb(Ta)系、Fe-Si-Al系高硬度软磁合金以及Fe-Ni(Mo)-B(Si)系、Fe-Co-Ni-Zr系非晶软磁合金等；新型磁记录介质中的磁光盘具有超存储密度、极高可靠性、可擦除次数多、信息保存时间长等优点，其材料主要有稀土-过渡族非晶合金薄膜和加Bi铁石榴石多晶氧化物薄膜。

磁泡材料作高速、高存储密度存储器，包括(Y, Gd, Yb)3(Fe, Al)5O12系石榴石型铁氧体薄膜, (Sm,Tb)FeO3系正铁氧体薄膜, BaFe12O19系沿铅石型铁氧体膜, Gd-Co系、Tb-Fe系非晶磁膜等。

磁光材料用于激光、光通信和光学计算机的磁性材料，包括稀土合金磁光材料、Y3Fe5O12膜红外透明磁光材料。

特殊功能磁性材料微波磁材料：用于雷达、卫星通信、电子对抗、高能加速器等的微波设备和隔离器和环行器等非互易旋磁器件，包括多种微波电子管用永磁材料、微波旋磁材料和微波磁吸收材料，如Y3Fe5O12系石榴石型铁氧
体、(Mg, Mn)Fe2O4系尖晶石型铁氧体、BaFe12O19系磁铅石型铁氧体等；微波磁吸收材料：可作雷达检测不到的隐型飞机表面涂料等，如非金属铁氧体系、金属磁性粉末或薄膜系等；磁电材料：磁场作用下可产生磁化强度和电极化强度, 电场作用下可产生电极化强度和磁化强度，如DyAlO3、GaFeO3.
磁性材料软磁铁氧体
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