湖南大学金属功能材料第4章 磁性材料-1

2.2 顺磁性物质 产生顺磁性的机制 组成物质的原子具有恒定的与 外磁场无关的磁矩。在无外加磁 场(即H=0)时，由于热运动的扰乱作用，这些恒定的 原子磁矩没有特定的取向。加入足够强的磁场时, 磁 化强度开始产生并逐渐增大。磁化率χ>0,一般在10-3 ～10-5之间, M与H方向相同。
材质 大多数气体、某些过渡族元素的金属和合金以及 含有过渡元素的化合物(如La, Pr, MnAl, Gd2O3等)、 除Be外的碱金属和碱土金属以及处于居里温度以上 时的铁磁元素(Fe, Ni, Co等)。
1.2 交互作用 由于不同原子在结构上的差异，以及原子间相互 作用的不同，物质的磁性产生显著的差异。 对于磁矩不为零的原子，必须考虑由于近邻原子 共用电子(交换电子)所引起的静电作用(用A表示)， 它所产生的能量叫做交换能。
根据泡利不相容原 理，同一轨道上的电 子自旋反向相同，相 互间原理，从而减小 了静电能。由于电子 磁矩间的相互作用致 使原子磁矩平行排列。
第1节 磁性的基本知识 一、物质的磁性
所有的物质都有磁性，但磁性的强弱有很大区别， 一般在外磁场的作用下都能够或多或少地被磁化。 磁化：物质受磁场作用而表现出一定磁性的现象。 磁介质：在磁场作用下，物质内部状态发生变化， 并反过来影响磁场存在或分布的物质。 实际上包括空气在内的所有物质都能被磁化，因而 都是磁介质。
自发磁化机制 根据键合理论可知, 原子相互接近形成分子时, 电子云相互重叠，电子要相互交换。 过渡族金属原子的d态与s态能量相差不大，因 此它们的电子云也将重叠，引起s、d状态电子的 再分配。这种交换产生一种交换能Eex(与交换积分 有关)，此交换能有可能使相邻原子内d层末抵消的 自旋磁矩同向排列。
第4章 磁性材料
Magnetic Materials
主讲老师 ： 严红革
目 录
第1节 磁性的基本知识 Fra Baidu bibliotek. 物质的磁性 磁性的产生及磁学基本参量、磁性的分类 2. 铁磁材料的特性 内部原子结构和晶格结构有关的特性参数、与磁化过程有关的 特 性参数、铁磁材料的自发磁化及磁畴的形成、 磁致伸缩和磁弹性 能、 磁性合金的磁化。 第2节金属磁牲材料的种类和特性 1.金属软磁材料(又称高磁导率材料) 对软磁材料的基本要求、电工用纯铁、硅铁合金、低碳钢、 铁 镍合金、 铁钴合金、铁铝合金、Fe-Cr系合金。 2. 非晶态软磁材料 分类、特点、制备方法、性能特点，铁基、钴基、铁镍基非晶 态软磁合金及其应用 3. 纳米晶软磁材料 纳米晶结构及其形成、软磁性的起源、FeCuMSiB系Finemet型 合金、 FeMM′B系Nanoperm型合金 4. 金属硬磁材料 第3节 金属磁性材料磁性能的测试
2.3 铁磁性物质 铁磁性物质的磁化率χ可达104数量级。 不加外磁场时，原子磁矩之间作用而互相平行排列, 呈饱和磁化的状态, 称为自发磁化，并形成很多小区域 (称为磁畴)，在每个磁畴内是饱和磁化的，而整个材料 内的各个区域则是杂乱取向的。 一般强度的磁场作用并不增加磁畴内部的磁化强 度，只改变磁畴的大小和取向。
自旋磁矩 每个电子本身作自旋运动，产生一个沿自旋轴方 向的自旋磁矩。因此可以把原子中每个电子都看作 一个小磁体，具有永久的轨道磁矩和自旋磁矩。 实验测定电子自旋磁矩在外磁场方向上的分量恰 为一个玻尔磁子： Pez= ± µB
原子核的质量是电子的1000多倍，运动速度仅为 电子速度的几千分之一, 所以原子核的自旋磁矩仅 为电子自旋磁矩的千分之几, 因而可以忽略不计。 电子的轨道磁矩和自旋磁矩构成了原子 的 固有磁 矩，也称之为本征磁矩。 原子是否具有磁矩，取决于其具体的电子壳层结 构。若有末被填满的电子壳层，其电子的自旋磁矩 未被完全抵消(方向相反的磁矩可互相抵消)，则原 子就具有永久磁矩。
铁氧体磁性材料具有亚铁磁性，在这类材料 中，金属离子具有几种不同的亚点阵，因相邻 的亚点阵晶位相距太远，因而在其晶位上的金 属离子之间不能直接发生相互交换作用，但可 以通过位于它们之间的氧原子而间接地发生交 换作用，即间接交换作用或称为超交换作用。
举例：Fe3O4 ，分子式以用Fe2+Fe23+O42- 来表示。若 用2价的其它金属(如Mn,Ni,Cu,Mg)置换其中的Fe2+ ， 则可得到尖晶石型铁氧体，M2+Fe23+O42-。
2.5 亚铁磁性物质 反铁磁性是反平行排列的磁矩彼此抵消，而亚铁 磁性则是两种次晶格上没有完全抵消的反铁磁性， 因而在没有外加磁场时，一个晶胞中仍具有一定的 合成磁矩，具有这种特性的物质就称为亚铁磁体或 铁氧体。 亚铁磁性强于反铁磁性而弱于铁磁性，χ》0。 原子磁矩之间存在反铁磁相互作用，不同的是两 相反平行排列的磁矩大小不相等，从而引起一定程 度的自发磁化。因此，和铁磁物质相似，具有自发 磁化基础上的较强磁场和磁滞现象等磁化特征。
1. 磁性的产生及磁学基本参量 磁性来源于原子磁矩(原子核磁矩+电子磁矩)，其 中主要是核外运动的电子磁矩。 1.1 电子磁矩 电子绕核运动产生的轨道 磁矩；电子自旋运动产生 的自旋磁矩。
电子轨道磁矩 电子在一定轨道上绕原子核运动，产生一个非常小 的磁场，形成一个沿旋转轴方向的轨道磁矩。根据磁 矩等于电流与电流回路所包围的面积的乘积的原理， 电子轨道磁矩大小为： Pe=iS=e(ω/2π) πr2= (e/2m)mωr2=eL/2m (r为电子运动轨道半径，L为电子运动轨道角动量，ω为电子绕 核运动的角速度，e为电子电量，m为电子质量)。 该磁矩的方向垂直于电子运动轨迹平面，并符合右 手螺旋定则。电子轨道磁矩在外磁场方向上的分量满 足量子化条件：Pez=mlµB (ml为磁量子数, ml=0, ±1, ±2, ±3,… ±l, µB为波尔磁子, µB=eh/4 πm=9.27×10-24J/T)
2.4 反铁磁性物质 反铁磁体与铁磁体相反， 具有净磁矩的原子或离子 之间的磁矩反平行排列。 相邻磁矩的反平行排列， 使整个晶体中磁矩自发有规则地排列，两种相反方 向的磁矩相互抵消，结果使总的磁矩为零。 磁化率χ>0，一般在10-5～10-3之间。磁化率χ在临 界温度(称为奈尔温度TN)时会出现极大值。当温度 T>TN时，这类物质就呈顺磁性。 材料体系：Mn、Cr等金属；铁氧体如ZnFe2O4 和 某些化合物MnO、NiO、FeF2。
A>0时交换作用使相邻原子磁矩平行排列，产 生铁磁性； A<0时交换作用使相邻原子磁矩反平行排列, 反 产生铁磁性; 当原子间距足够大, A值很小时, 交换作用已不 足以克服热运动的干扰，使得原子磁矩定向排列， 产生顺磁性。 A取决于近邻原子未充满的电子壳层相互靠近的 程度，并决定了原子磁矩的排列方式和物质的基本 磁性。
举 例： 铁原子电子层分布为1s22s22p63s23p63d64s2，除3d 壳层外各层均被电子填满(其自旋磁矩相互抵消)。 根据洪德法则，3d壳层的电子应尽可能填充不同的 轨道，其自旋应尽量在向一个平行方向上。因此， 3d壳层的5个轨道中除了1个轨道填有2个自旋相反的 电子外，其余4个轨道均只有1个电子，且这4个电子 的自旋方向互相平行，使总的电子自旋磁矩为4。 锌的各电子层都是充满的，其电子磁矩互相抵 消，因此不显磁性。
铁磁性物质的原子结构特点 原子中存在未填满的内电子层(例如3d或4f层)， 在此层中未对消的电子自旋磁矩产生原子磁矩； 原子间距与未满电子层半径之比值要求有一定 的大小，这样才能有足够大的交换力，使物质中原 子磁矩同向排列，才能形成铁磁性。 铁磁性材料的磁性很强，主要是Fe、Co、Ni，某 些稀土元素以及由Fe、Co、Ni组成的合金等。
二、铁磁材料的特性
铁磁物质和弱磁物质的差别很大。 铁磁物质在很小的外加磁场下就会强烈磁化。 磁性与其内部原子结构、晶格结构有关的特性 称为内禀特性；与其磁化过程有关的特性称作磁化 特性。
物质磁性的种类
磁特性 原子磁矩µJ 磁化率χ 交换积分常数A 磁化曲线 饱和磁化场Hs 磁场强弱 抗磁性 µJ = 0 顺磁性 µJ ≠ 0 反铁磁性 µJ ≠ 0 铁磁性 µJ ≠ 0 +(102-106) >0 非线性 亚铁磁性 µJ ≠ 0 +(102-106) <0 非线性
1.3 磁化强度(M)及磁化机制 磁化强度M 单位体积中磁矩的矢量和称为磁化强度。 用来衡量磁性大小的物理量。 磁化强度M和磁场强度H之比表征了物质磁性的 大小，该值称为磁化率χ。 磁化机制
1.4 磁矩M 用真空中每单位外加磁场作用在磁偶极子上的 最大力矩来度量它的磁偶极矩pm。磁偶极子的磁矩 m和磁偶极矩pm的关系：m=pm/µ0。 单位体积内磁偶极矩的矢量和称为磁极化强度J; 单位体积内材料磁矩的矢量和称为磁化强度M。 B= µ0H+J
-(10-5-10-6) +(10-3-10-6) +(10-2-10-4) 0 线性 无限大 弱 Cu, Ag, Au,S, F， 惰性元素 ~0 线性 >1010A/m 弱 O2,Pt, IA,IIA <0 线性
在尖晶石结构中金属离子被阳离子包围。由于中 间O2-的屏蔽作用，两侧的金属磁性难以直接相互作 用。但当O2-的2p轨道扩张到磁性离子的电子轨道范 围，也可能进入到磁性金属离子的3d轨道，即发生 所谓的p轨道与d轨道轻微重叠造成的电子交换。这 样，由于氧这一 非磁性中间离子 的介入，使得磁 性离子之间相互 作用的现象称为 超交换相互作用。
每个原子内有Z个电子，每 个电子具有一定的运动轨道， 在外磁场H作用下，轨道面绕H 进动，进动频率为ω，称为拉 莫尔进动频率。由于轨道面绕 磁场H进动，使电子运动速度 有一个变化∆v，这样使电子的 轨道磁矩增加∆µ，但方向与H 相反，所以得到的磁化率是负 值。进动着的轨道面在垂直H 方向的平面上的投影是圆，半 径设为ρ。
量子力学计算表明，当磁性物质内部相邻原子的 电子交换积分为正时(A＞0), 相邻原子磁矩将同向平 行排列, 从而实现自发磁化，这就是铁磁性产生的原 因。 这种相邻原子的电子交换效应，本质仍是静电力 迫使电子自旋磁矩平行排列，作用的效果好像强磁 场一样。外斯分子场就是这样得名的。
a-原子间距、r-未填满的电子层半径。
1.5 磁感应强度B 物质在外磁场作用下，其内部原子磁矩的有序排 列还将产生一个附加磁场M。 材料内部的磁感应强度B由两部分组成：材料对 自由空间磁场的反映µ0H；材料对磁化引起的附加 磁场的µ0M。B称为磁感应强度, 又称为磁通密度。 μ0为真空磁导率。 B=μ0(H+M)
1.6 磁通量 通过磁场中某一微小面积∆S的磁通量Φ，等于该处 磁感应强度B在垂直于面积方向上的分量Bn和面积∆S的 乘积，即∆S= Bn∆S =Bcosα ∆S 1.7 磁导率µ 磁导率的定义：µ=B/ µ0H 一般将B与H的比值称为绝对磁导率µ绝对。 磁导率µ等于材料的绝对磁导率µ绝对与真空的绝对磁 导率之比，故也叫做相对磁导率。
2. 磁性的分类
2.1 抗磁性物质 抗磁性物质的磁化率χ<0。M=χH，M与H的方向相 反，这就是抗磁性。磁化率χ很小，约为-10-5～10-6，且 不随温度而改变。 物质类型包括惰性气体、许多有机化合物、某些金属 (如Zn, Cu, Ag, Au, Mg, Bi等)和某些非金属(如Si, P, S等)。 对于电子壳层已填满的原子，无外加磁场时其轨道 磁矩和自旋磁矩的总和为零。当有外磁场作用时，即使 对于那种总磁矩为零的原子也会显示出磁矩来。这是由 于电子的循轨运动在外磁场的作用下产生了抗磁磁矩∆P 的缘故。
交换积分A不仅与电子运动状态的波函数有关， 而且强烈地依赖子原子核间的距离a。只有当a与参 加交换作用的电子与原子核之间的距离r(电子壳层 半径) 之比(a/r)大于3时，交换积分才有可能为正。 铁、钴、镍以及某些稀土元素满足自发磁化的条 件。铬、锰的A是负值，不是铁磁性金属，但通过 合金化作用来改变其点阵常数，使a/r>3，便可得到 铁磁性合金。