磁材基础知识简介

1.磁性材料简介

磁性材料是指由过渡金属元素铁、钴、镍及其合金等组成的能够直接或间接产生磁性的物质。

根据物质在外磁场中表现出的特性，物质的磁性可分为五类：顺磁性、抗磁性、铁磁性、亚铁磁性、反铁磁性。我们把顺磁性和抗磁性物质称为弱磁性物质，把铁磁性和亚铁磁性物质称为强磁性物质。

通常所说的磁性材料是指强磁性物质。磁性材料按磁化后去磁的难易可分为软磁材料和硬磁材料。磁化后容易去掉磁性的物质叫软磁材料，不容易去磁的物质叫硬磁材料，也称为永磁材料。软硬磁材料最明显的区别就是矫顽力，一般来讲软磁材料的矫顽力较小，硬磁材料的矫顽力较大。通常软磁材料的矫顽力小于80 A/m，而永磁材料的矫顽力则大于4000 A/m。磁性材料按使用又可分为软磁材料、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。

磁性材料的磁化过程可通过磁滞回线来表示。图1和1’分别为软磁材料和永磁材料的磁滞回线。其中Bs表示饱和磁感应强度，Br表示剩磁，Hc表示矫顽力。图中可以看出，软磁材料和硬磁材料最明显的区别就在于，硬磁材料的矫顽力远大于软磁材料。

图1 磁性材料的磁滞回线

1：软磁材料的磁滞回线，1’：硬磁材料的磁滞回线；Hc、Hc’：矫顽力；Bs、Bs’：饱和磁感应强度；Br、Br’：剩磁。

1.1 磁性材料各性能参数

（1）饱和磁感应强度Bs：是指磁体被磁化至饱和状态时的磁感应强度，其大小取决于材料的成分，与其他外在条件无关。它所对应的物理状态是材料内部的磁化矢量整齐排列。

（2）剩余磁感应强度Br：磁性材料经磁化至技术饱和，去掉外磁场后所保留的表面场Br, 称为剩余磁感应强度。简称剩磁，用Br表示，单位为特斯拉（T）或高斯（Gs），换算关系为1 T=10000 Gs。

（3）矫顽力Hc：磁性材料在饱和磁化后，当外磁场退回到零时其磁感应强度B 并不退到零，只有在原磁化场相反方向加上一定大小的磁场才能使磁感应强度退回到零，该磁场称为矫顽磁场，又称矫顽力。矫顽力单位是奥斯特（Oe）或千安/米（kA/m），1 kA/m=12.56 Oe。矫顽力反应了磁性材料抵抗退磁的能力。（4）居里温度Tc：也称磁性转变点，是指材料可以在铁磁和顺磁体之间改变的温度。当温度低于居里温度时物质表现为铁磁性，此时和材料有关的磁场很难改变。当温度高于居里温度时物质表现为顺磁性。简单地说，居里温度就是材料失去磁性时的温度，即高于此温度时材料磁性消失。

1.2 软磁材料的主要技术指标

软磁材料是指能够迅速响应外磁场的变化，且能低损耗地获得高磁感应强度的材料，它既容易受外磁场磁化，又容易退磁。应用中，对软磁材料的主要技术指标有以下要求：

（1）初始磁导率μi和最大磁导率μmax要高。磁导率是表征材料的磁性、导磁性及磁化难易程度的一个磁学量，是软磁材料的重要参数。初始磁导率是磁中性状态下磁导率的极限值，从使用要求看，主要是看起始磁导率μi。

（2）矫顽力Hc要小。软磁材料的基本性能要求是能快速地响应外磁场变化，这就要求材料具有低矫顽力值。通常软磁材料的矫顽力约为10-1~102 A/m。（3）饱和磁感应强度Bs要高。饱和磁感应强度是软磁材料的重要磁性参量。通常要求软磁材料具有高的饱和磁感应强度Bs，这样不仅可以获得高的μi值，还可以节省资源，实现磁性器件的小型化。材料的Bs值一般不可能有较大变动。（4）功率损耗P要低。软磁材料多用于交流磁场，因此动态磁化造成的次损耗不可忽视。动态磁化所造成的次损耗包括3个部分：涡流损耗，磁滞损耗和剩余损耗。随着交流磁场频率的增加，软磁材料动态磁化所造成的磁损耗增大。（5）高的稳定性。软磁材料的高稳定性是指磁导率的温度稳定性要高，减落要小，随时间的老化要尽可能小，以保证其长寿命工作于太空、海底、地下和其他恶劣环境。高科技特别是高可靠工程技术的发展，要求软磁材料不但要具有高μi、低损耗等，更重要的是高稳定性。影响软磁材料稳定工作的因素有低温、潮湿、电磁场、机械负荷、电离辐射等。在这些因素的影响下，软磁材料的基本特性参数发生变化，从而导致性能的变化。

1.3 永磁材料的主要技术指标

永磁材料是指被外加磁场磁化以后，除去外磁场，仍能保留较强磁性的一类

材料。永磁材料被磁化到饱和以后，如果撤去外加磁场，在磁铁的两个磁极之间的空隙中便产生恒定磁场，对外界提供有用的磁能。通常对永磁材料主要技术指标有以下要求：

（1）剩余磁感应强度Br要高。剩磁是表征永磁材料磁性能好坏的重要指标，剩磁越高，磁性能越好。一般材料的饱磁只跟材料本身有关，基本不随外界条件变化。而剩磁则会受材料制备过程中的工艺条件的影响，因此可通过适当调整和改变工艺条件来提高永磁材料的剩磁。

（2）矫顽力Hc要高。永磁材料的矫顽力Hc有两种定义：磁感矫顽力（Hcb）和內禀矫顽力（Hcj）。磁体在反向充磁时，使磁感应强度B降为零时所需反向磁场强度的值称之为磁感矫顽力，常用Hcb表示。但此时磁体的磁化强度并不为零，只是所加的反向磁场与磁体的磁化强度作用相互抵消（对外磁感应强度表现为零）。此时若撤消外磁场，磁体仍具有一定的磁性能。使磁体的磁化强度M 降为零时所需施加的反向磁场强度，我们称之为内禀矫顽力，常用Hcj表示。内禀矫顽力是衡量磁体抗退磁能力的物理量。一般內禀矫顽力大于磁感矫顽力。在磁体使用中，磁体矫顽力越高，温度稳定性越好。

（3）最大磁能积(BH)max要高。退磁曲线上任何一点B和H的乘积即BH称为磁能积，而BH的最大值及(BH)max称之为最大磁能积。磁能积单位用MGOe或kJ/m3表示，换算关系为1MGOe=7.96 kJ/m3。磁能积是衡量磁体所储存能量大小的重要参数之一。(BH)max越高的永磁体，产生同样的磁场所需的体积和质量就越小。在相同体积和质量下，(BH)max越高的永磁体获得的磁场越高。因此，(BH)max 是评价永磁体磁性能的最主要指标。

（4）居里温度Tc要高。局里温度即磁体失去磁性的温度，当温度高于居里温度时，永磁体便失去磁性。因此磁体的使用温度必须低于其居里温度，高居里温度则对应于高的使用温度。永磁体根据应用领域和使用环境的不同，对其使用温度要求也不相同，尤其是一些特殊环境，要求非常高的使用温度。因此，要求永磁具有高居里温度，进而使其具有较高的使用温度，以适应更多的应用环境。（5）材料稳定性要高。永磁体的稳定性是指它的有关磁性能在长时间使用过程中会受到温度、外磁场、冲击、振动等外界因素影响时保持不变的能力。材料稳定性的好坏直接关系到永磁体工作的可靠性。