新功能磁性材料及其应用

顺磁性、强磁性、其热磁曲线和磁滞回线
不同的铁磁材料， 磁化曲线有很大的差异， 软磁材料的矫顽力Hc只 有1 A/m量级，而一般 的硬磁材料矫顽力Hc在 10 A/m以上，正是利用 这一点，做出了许多功 能各异的磁性材料
磁化曲线，磁滞回线
二、磁性材料的应用
• 1、普通磁记录、现代磁光记录材料 • 2、磁性流体材料 • 3、非晶、纳米晶软磁材料 • 4、高性能新型永磁材料 • 5、磁致伸缩材料 • 6、磁制冷材料 • 7、热磁发电材料
近年来, 材料科学工作者又研发了一些新型的稀土永 磁材料, 最有代表性的有3 种:ThMn12 型稀土永磁材料; 间 隙稀土金属间化合物永磁材料, 如Sm2Fe17Mx( M=C, N) 等; 纳米晶复合交换耦合永磁材料。
5、磁致伸缩材料
物质在磁场中被磁化时，其长度会发生微 小的变化，这现象称为磁致伸缩。磁致伸缩系 数a=dL/L，磁致伸缩系数随外加磁场的变化而 变化，当材料磁化到饱和，a也达到相应的饱 和值。
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1、传统磁记录和现代磁光材料
原理：
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γFe2O3系材料，此外还有CrO2系、Fe-Co系 和 Co-Cr系材料等。磁头材料主要有Mn-Zn 系和Ni-Zn系铁氧体 、Fe-Al系、Ni-Fe-Nb系 及Fe-Al-Si系合金材料等。
Vapor compression refrigeration η <30%
Energy consumption:
high
Refrigerants: CFCs, HCFCs, HFCs ODP&GWP
如果g=1，则原子磁矩都是由轨道磁矩贡献； 如果g=2，则原子磁矩都是由自旋磁矩贡献。对 于铁族元素，3d电子处于外层轨道，因此它们 的运动会受到近邻原子的核库仑场和其他电子 的作用，等效于一个晶场，晶场作用下，3d电 子轨道角动量消失，所以总得磁矩来源于电子 的自旋磁矩，即轨道淬灭。
对于4f 稀土元素，由于4f 电子处于原子深层， 受到外面 5s 和 5p 电子很好的屏蔽，相对来说受 晶体场影响较小，因此对于 4f 稀土元素组成的化 合物或金属，总得磁矩来源于自旋轨道和轨道角 动量的耦合
磁致伸缩系数大的材料可以用来做电信号 与机械信号的变换元件。目前主要用于雷达系 统，水下声纳系统，科学家们一直期望将它用 在超声波上
6、磁制冷材料
Refrigeration
Mechanical
Th
Q+W
ຫໍສະໝຸດ Baidu
Sound waves W
PN Peltier effect
Q Tc
Magnetocaloric effect
铁族过渡族元素，如Fe、Co、Ni等，原子 磁矩来源于未满壳层的3d电子；稀土元素的磁 性来源于未满壳层的4f电子，自由原子或离子 的磁矩可以根据洪德法则来计算。
常用的铁族元素和稀土离子的未满壳层电子 组态，用洪德法则可以计算出的磁矩与g有关， 即朗德因子，它的大小反映了轨道磁矩和自旋磁 矩对原子总磁矩的贡献程度。
• 二、磁性材料的应用
简单介绍磁性材料在各个领域的应用，例如 在日常记录，发电、制冷等方面的应用
一、磁性的来源
物质的磁性是指在其在外磁场H中能够感应出
磁矩的性能，物质的磁性强弱可由磁化强度 M 来
表示。M 定义为单位体积中的磁矩矢量总和。物
质内的磁感应轻度 B 定义为 B 0 H M 磁化率 x=M/H 反映了物质磁化的难易程度，
4、高性能永磁材料
稀土永磁材料的出现对推动工业进步, 特别是电机工 业、办公自动化等起到了积极的作用。在实现元器件的 小型化、轻量化、高性能、高可靠性方面, 稀土永磁材料 更是显示出其优秀的特性。
稀土永磁材料发展到今天, 已经经历了第一代SmCo5、 第二代Sm2Co17、第三代Nd2Fe14B 三个发展阶段, 其中NdFe- B 永磁材料以其优良的磁学性能成为目前应用最广泛 的一类稀土永磁材料。
实际上物质磁性来源于原子或分子。由于物质是由原子或分 子组成，依照原子理论，磁矩的产生是由于：（1）原子中的电 子绕原子核运动（轨道磁矩）；（2）电子的角动量（自旋磁矩） 及（3）原子核的角动量（核磁矩）
I dS L
对于多电子体系，其磁性来源于未满壳层 的电子产生的轨道磁矩和自旋磁矩提供。当电 子填满壳层以后，各个电子的轨道运动与自旋 运动取向占据了所有可能的方向，这些方向成 对称性分布，因此总的角动量等于零，对原子 磁矩没有贡献。
新功能磁性材料及其应用
YJ.Liu
Magnetic refrigeration , Magnetic record , Thermo-magnetic-electric generator 2011年12月5日
新功能磁性材料及其应用
• 一、磁性的来源
简单介绍磁性的来源、磁性材料的特点以及 磁性材料 的磁化曲线和磁滞回线
自发磁化与磁畴
在经过抛光的铁磁体表面上，滴上含有细铁粉 末的胶体溶液后，在显微镜下可以看到铁粉在抛光 面上形成了一块块局域性的小团，说明在铁磁体内 部存在着局域磁场，即磁畴。磁畴产生的根本原因 是铁磁性物质的自发磁化。解释自发磁化主要有外 斯分子场理论和1928年海森堡提出的局域电子交换 理论。
根据磁化率的大小，物质可分为抗磁性、顺磁性、 反铁磁性、铁磁性、亚铁磁性五大类
顺磁性：在10 3 ~ 106 数量级
强磁性物质 应用上重点研究
铁磁性和亚铁磁性：10~10的六次方数量级
材料的磁性来源于材料中原子的磁矩，在原子内，处于旋转 运动的电子，可以简单看成一个电流闭合回路，因此旋转状态的 电子必然伴随着磁矩的产生。
2、磁性流体材料
3、非晶，纳米晶软磁材料
通过快速冷凝技术制备的亚稳态非晶、纳 米晶材料的磁晶各向异性近似为零，因此它具 有一般晶体材料所没有的、独特的软磁特性。 而且非晶纳米晶的制备工艺相对简单，可以快 淬成薄带，提高材料的利用率。近些年了，非 晶纳米晶材料得到了迅速的发展，成为不可替 代的软磁材料，在变压器铁芯，传感元件，薄 膜磁头等方面得到了很好的应用。