稀土磁性材料.pptx

1稀土磁性材料稀土磁性材料 2一 材料磁性能的基本知识v1.1 磁学基本量v磁场强度、磁感应强度和磁导率：磁场强度磁场强度（Magnetic field strength）磁感应强度磁感应强度（Magnetic flux density）磁导率磁导率（Magnetic permeability）真空磁导率真空磁导率 3磁化强度和磁化率磁化强度和磁化率v磁场强度磁场强度 H H ：外加磁场的强度（外加磁场的强度（A/mA/m）；）；v磁感应强度磁感应强度 B B ：通过磁场中某点、垂直于磁场方向单位面积的磁力线数（通过磁场中某点、垂直于磁场方向单位面积的磁力线数（T T，特斯拉），它与磁场强度成正比；特斯拉），它与磁场强度成正比；v磁化强度磁化强度 M M ：单位体积内原子固有磁矩矢量和（单位体积内原子固有磁矩矢量和（A/mA/m）41.2 磁性的分类与宏观表现v按物质对磁场的反应进行磁性分类按物质对磁场的反应进行磁性分类5磁性分类及特征磁性分类及特征 6磁性宏观表征v 铁磁性物质铁磁性物质 v具有极高的磁化率，具有极高的磁化率，磁化易达到饱和的物质。磁化易达到饱和的物质。v如如Fe，Co，Ni，Gd等金属及其合金称为铁磁等金属及其合金称为铁磁性物质。性物质。铁磁性铁磁性磁磁场场 磁矩的排列与磁性的关系磁矩的排列与磁性的关系7v 亚铁磁性物质亚铁磁性物质v 如铁氧体如铁氧体(M2+Fe23+O4)等，等，v是一些复杂的金属化合物，是一些复杂的金属化合物，比铁磁体更常见。比铁磁体更常见。v 它们相邻原子磁矩反向平行，它们相邻原子磁矩反向平行，但彼此的强度不相等，具有但彼此的强度不相等，具有高磁化率和居里温度。高磁化率和居里温度。亚铁磁性亚铁磁性磁磁场场 磁矩的排列与磁性的关系磁矩的排列与磁性的关系8v 顺磁性物质顺磁性物质 v存在存在未成对电子未成对电子 永久永久磁矩。磁矩。Pr，MnAl，FeSO47H2O，Gd2O3；在居里温度以上的铁磁性金在居里温度以上的铁磁性金属属Fe,Co,Ni等。等。v 居里温度居里温度 由铁磁性或亚铁由铁磁性或亚铁磁性转变为顺磁性的临界温磁性转变为顺磁性的临界温度称为居里温度度称为居里温度(Tc)。顺磁性顺磁性磁磁场场 磁矩的排列与磁性的关系磁矩的排列与磁性的关系磁矩的排列与磁性的关系磁矩的排列与磁性的关系9v 抗磁性物质抗磁性物质 不存在未不存在未成对电子成对电子 没有永久磁矩。没有永久磁矩。惰性气体，不含过渡元素惰性气体，不含过渡元素的离子晶体，共价化合物的离子晶体，共价化合物和所有的有机化合物，某和所有的有机化合物，某些金属和非金属。些金属和非金属。反磁性反磁性磁磁场场 磁矩的排列与磁性的关系磁矩的排列与磁性的关系10v 反铁磁性物质反铁磁性物质 FeO，FeF3，NiF3，NiO，MnO，各种锰，各种锰盐以及部分铁氧体盐以及部分铁氧体ZnFe2O4等，它们等，它们相相邻原子的磁矩反向平邻原子的磁矩反向平行行，而且彼此的，而且彼此的强度强度相等相等，没有磁性。，没有磁性。反铁磁性反铁磁性磁磁场场 磁矩的排列与磁性的关系磁矩的排列与磁性的关系111.3 铁磁性的的宏观表征v（1）磁化曲线v1 1）在微弱的磁场中，）在微弱的磁场中，B B 和和 M M 均随均随 H H 的增大而缓慢上的增大而缓慢上升。升。M M 与与 H H 之间近似呈线之间近似呈线性关系，并且磁化是可逆的；性关系，并且磁化是可逆的；v2 2）随）随 H H 继续增大，继续增大，B B 和和M M 急剧升高，磁导率急剧升高，磁导率增大的增大的非常快，并且出现极大值非常快，并且出现极大值m m ；3）随）随 H 继续增大，继续增大，B 和和 M 增加趋增加趋势变缓，势变缓，减小并趋于减小并趋于0。当。当 H 达达到到 Hs 时，时，M 达到饱和值达到饱和值 Ms，而，而 B（=H+M）仍然继续升高。）仍然继续升高。12（2 2）磁滞回线）磁滞回线 剩余磁感应强度（剩余磁感应强度（Br）矫顽力（矫顽力（Hc）磁滞损耗磁滞损耗 最大磁能积最大磁能积13vA.A.饱和磁化强度饱和磁化强度M MS S是永磁材料极为重要的参数。永磁材料的饱和磁化强度越高越好，它标志着材料的最大磁能积和剩磁可能达到上限值越高。vB.B.居里温度居里温度T TC C 强铁磁体由铁磁性和亚铁磁性转变为顺磁性的临界温度称为居里温度或居里点（Tc）。居里点高的材料好，居里点高标志着永磁材料的使用温度也高。14vC.C.各向异性场各向异性场H HA A（或或H Hk k）材料在某一方向的磁晶各向异性性能最低，称为易磁化方向。磁晶各向异性性能最高方向，称为难磁化方向。vD.D.剩磁剩磁B Br r 铁磁体磁化到饱和并去掉外磁场后，在磁化方向保留的Mr或Br简称为剩磁。Mr称为剩余磁化强度，Br称为剩余 磁感应强度。其值也要求大，约为Br10-1T（特斯拉）15vE.E.磁能积磁能积(BH)(BH)m m 最大磁能积(BH)max 或简写为(BH)m是退磁曲线上磁感应强度 B Br 和磁场强度 H 乘积的最大值，此值越大，说明单位体积内储存的磁能越大，材料的性能就越好。vF.F.矫顽力矫顽力铁磁体磁化到饱和以后，使它的的磁化强度或磁感应强度降低到零所需要的反向磁场称为矫顽力Hc。它表征材料抵抗退磁作用的本领，Hc值要大，一般为Hc103A/m161.4 磁性材料中磁畴的结构v磁畴：磁畴：磁性材料内部的一个个小区域，小区域包含大量原子，这些原子的磁矩都象一个个小磁铁那样整齐排列，但相邻的不同区域之间原子磁矩排列的方向不同。各个磁畴之间的交界面称为磁畴壁。17磁畴示意图磁畴示意图a、软磁材料条形畴；b、树枝状畴；c、薄膜材料中可以见到的磁畴18磁畴壁示意图19v宏观物体一般总是具有很多磁畴，这样，磁畴的磁矩方向各不相同，结果相互抵消，矢量和为零，整个物体的磁矩为零，它也就不能吸引其它磁性材料。v也就是说磁性材料在正常情况下并不对外显示磁性。只有当磁性材料被磁化以后，它才能对外显示出磁性。201.5 磁性材料的性能软磁与硬磁软磁与硬磁v硬磁硬磁材料（永磁体）材料（永磁体）v特征：特征：在无外磁场下保持在无外磁场下保持高的磁化强度。高的磁化强度。v性能：性能：高的高的Bs、Br、Hs、Hc。v应用：应用：电表、电机、电话电表、电机、电话机、录音机、收音机、拾机、录音机、收音机、拾音器等。音器等。v材料：材料：马氏体时效钢马氏体时效钢 铸造铝镍、铝镍钴磁钢铸造铝镍、铝镍钴磁钢 氧化物铁氧体氧化物铁氧体 稀土钴、钕铁硼稀土钴、钕铁硼软磁软磁材料（变压器铁芯）材料（变压器铁芯）特征：特征：易磁化、易消磁。易磁化、易消磁。性能：性能：低的低的Bs、Br、Hs、Hc；高的；高的。应用：应用：制造磁导体，增加磁制造磁导体，增加磁路磁通量，降低磁阻。如：路磁通量，降低磁阻。如：变压器、继电器、感应圈等变压器、继电器、感应圈等铁芯；电机转子、定子；磁铁芯；电机转子、定子；磁路的连接、磁屏、开关、存路的连接、磁屏、开关、存储元件元件、。储元件元件、。材料：材料：工业纯铁、工业纯铁、硅钢硅钢 坡莫（坡莫（Fe-Ni）合金）合金 软磁铁氧体软磁铁氧体21几种主要磁性材料的退磁曲线221.6 磁性材料分类（1）按化学组成分类）按化学组成分类金属磁性材料、非金属金属磁性材料、非金属(铁氧体铁氧体)磁性材料磁性材料（2）按磁化率大小分类）按磁化率大小分类顺磁性、反磁性、铁磁性、反铁磁性、亚铁磁性顺磁性、反磁性、铁磁性、反铁磁性、亚铁磁性（3）按功能分类按功能分类软磁材料、硬磁材料、半硬磁材料、矩磁材料、软磁材料、硬磁材料、半硬磁材料、矩磁材料、旋磁材料、压磁材料、旋磁材料、压磁材料、磁泡材料、磁光材料、磁记磁泡材料、磁光材料、磁记录材料录材料23（4）按磁化率分类宏观磁体由许多具有固有磁矩的原子组成。宏观磁体由许多具有固有磁矩的原子组成。当原子磁矩同向平行排列时，宏观磁体对外显示当原子磁矩同向平行排列时，宏观磁体对外显示的磁性最强。的磁性最强。当原子磁矩紊乱排列时，宏观磁体对外不显示磁当原子磁矩紊乱排列时，宏观磁体对外不显示磁性。性。v宏观磁体单位体积在某一方向的磁矩称为宏观磁体单位体积在某一方向的磁矩称为磁磁化强度化强度M：M=原子原子/V24v磁化率磁化率 及及 磁导率磁导率 任何物质在外磁场作用下，除了外磁场任何物质在外磁场作用下，除了外磁场H外，由外，由于物质内部原子磁矩的有序排列，还要产生一个于物质内部原子磁矩的有序排列，还要产生一个附附加的磁场加的磁场M。在物质内部外磁场和附加磁场的总和称为在物质内部外磁场和附加磁场的总和称为磁感应磁感应强度强度B：B=o(H+M)o-真空磁导率真空磁导率 =M/H -磁化率磁化率 =B/H -磁导率磁导率 25各类磁性物各类磁性物质质 与温度的关系与温度的关系a.a.抗磁性物抗磁性物质质000（1010-3-3-1010-6-6）随温度升高而降低随温度升高而降低c.c.铁磁性物铁磁性物质质1010-1-1-10105 5数值很大，与温度的关数值很大，与温度的关系复杂系复杂d.d.亚铁磁性亚铁磁性物质物质同同c c同同c ce.e.反铁磁性反铁磁性物质物质00数值与顺磁性物质相近数值与顺磁性物质相近2627二 稀土磁性材料磁性的来源v2.12.1稀土元素的磁性来源稀土元素的磁性来源v电子轨道磁距与自旋磁距；电子轨道磁距与自旋磁距；v 同时与晶体成分、晶体结构、组织、同时与晶体成分、晶体结构、组织、晶粒、内应力有关等。晶粒、内应力有关等。282.2 2.2 与与d d族过渡金属元素磁性的对比族过渡金属元素磁性的对比va.7a.7个个4f4f轨道、未成对电子可到轨道、未成对电子可到7 7个，个，d d族族5 5个；个；v La4fLa4f0 0，Lu4fLu4f1414 v b.4f b.4f电子受电子受5S5S2 25P5P6 6电子屏蔽，成键的元素电子屏蔽，成键的元素之间的相互作用力较小，距离较远，主要是之间的相互作用力较小，距离较远，主要是电子的间接交换作用，电子的间接交换作用，d d族主要为直接交换作族主要为直接交换作用用;vc.c.某些稀土元素化合物的饱和磁化强度很某些稀土元素化合物的饱和磁化强度很 高，及很高的磁各项异性；高，及很高的磁各项异性；29v d.d.有些有些 稀土化合物有很高的磁光旋转能力；稀土化合物有很高的磁光旋转能力；v e.e.稀土元素的磁性居里温度低；稀土元素的磁性居里温度低；vf.df.d族元素的自旋族元素的自旋-轨道磁距相互作用较弱，轨道磁距相互作用较弱，轨道相互作用强，在外磁场的作用下，磁场主要轨道相互作用强，在外磁场的作用下，磁场主要作用于作用于自旋矩自旋矩，而轨道矩被，而轨道矩被“冻结冻结”.稀土元素的自旋稀土元素的自旋-轨道相互作用较强，其有轨道相互作用较强，其有效磁矩效磁矩effeff不仅取决于自旋量子数不仅取决于自旋量子数S S，还取决于，还取决于轨道量子数（偶合），轨道量子数（偶合），30三 稀土磁性材料v3.1稀土永磁材料v3.2稀土磁光材料v3.3稀土磁泡材料v3.4稀土磁致冷材料v3.5稀土超磁致伸缩材料31 3.1 稀土永磁材料v选择永磁合金基本特性主要考虑三个因素：选择永磁合金基本特性主要考虑三个因素：va.a.要求尽可能高的饱和磁化强度要求尽可能高的饱和磁化强度MsMs；vb.b.要求合金有尽可能高的居里温度要求合金有尽可能高的居里温度TcTc；vc.c.合金的磁硬化机制有利于得到高内禀矫顽合金的磁硬化机制有利于得到高内禀矫顽力力32概述v永磁体的定义：通常把磁化后撤去外磁场而永磁体的定义：通常把磁化后撤去外磁场而能长期保持较强磁性的物质叫永磁体、硬磁能长期保持较强磁性的物质叫永磁体、硬磁体或简称为永磁。而可用于制造磁功能器件体或简称为永磁。而可用于制造磁功能器件的强磁性材料称为磁性材料。包括、硬磁材的强磁性材料称为磁性材料。包括、硬磁材料、软磁材料、半硬磁材料、磁致伸缩材料、料、软磁材料、半硬磁材料、磁致伸缩材料、磁性薄膜、磁性微粉、磁性液体、磁致冷材磁性薄膜、磁性微粉、磁性液体、磁致冷材料以及磁蓄冷材料等。料以及磁蓄冷材料等。33v稀土永磁材料（或合金）定义：稀土永磁稀土永磁材料（或合金）定义：稀土永磁材料，即稀土永磁合金，含有作为合金元材料，即稀土永磁合金，含有作为合金元素的稀土金属，它的永磁性来源于稀土与素的稀土金属，它的永磁性来源于稀土与3d3d过渡族金属形成的某些特殊金属间化合过渡族金属形成的某些特殊金属间化合物。物。v稀土永磁材料的力学性能：稀土永磁材料的力学性能：到目前为止，到目前为止，让人们对稀土永磁材料的力学性能研究很让人们对稀土永磁材料的力学性能研究很少，而且由于稀土永磁材料属脆性材料。少，而且由于稀土永磁材料属脆性材料。稀土永磁材料的抗拉、抗弯强度均较低，稀土永磁材料的抗拉、抗弯强度均较低，但抗压强度较高；且其断裂韧性但抗压强度较高；且其断裂韧性K KCC比普通比普通金属低金属低1 12 2个数量级。个数量级。34稀土永磁材料的特点及发展概况v特点：稀土永磁材料一般具有高剩磁、高矫顽力、稀土永磁材料一般具有高剩磁、高矫顽力、和高磁能级特征，它是一种不需要外部提供和高磁能级特征，它是一种不需要外部提供固定或不固定能量就能产生一定磁化能的功固定或不固定能量就能产生一定磁化能的功能材料。对永磁材料磁性能优劣的主要依据：能材料。对永磁材料磁性能优劣的主要依据：a a 磁化强度要高磁化强度要高;b b 磁晶各向异性要大磁晶各向异性要大;c c居里温度要高。居里温度要高。35发展 第一代稀土永磁合金是第一代稀土永磁合金是2020世纪世纪5050年代发现的，年代发现的，19591959年内斯毕年内斯毕特等人、特等人、19601960年哈伯特等人先后发现年哈伯特等人先后发现GdCoGdCo5 5化合物具有很高化合物具有很高的各向异性；直到的各向异性；直到19681968年布休等人采用等静压方法获得了高年布休等人采用等静压方法获得了高磁能积的磁能积的SmCoSmCo5 5永磁体，标志着第一代稀土永磁合金进入实永磁体，标志着第一代稀土永磁合金进入实用阶段。用阶段。19731973年日本人小岛等人用粉末冶金法研制出年日本人小岛等人用粉末冶金法研制出SmSm（CoCo，CuCu，FeFe，ZrZr）7.27.2永磁体，使之成为第二代稀土永磁材料。永磁体，使之成为第二代稀土永磁材料。19831983年日本金子秀宣称，日本住友公司以传统制备年日本金子秀宣称，日本住友公司以传统制备SmCoSmCo5 5的工艺研制出了的工艺研制出了NdNdFeFe稀土永磁材料，同年稀土永磁材料，同年1111月肯定月肯定了其组成为了其组成为NdFeBNdFeB，至此标志着第三代稀土永磁材料的诞生。，至此标志着第三代稀土永磁材料的诞生。2020世纪世纪9090年代开始，人们开始研发第四代稀土永磁材年代开始，人们开始研发第四代稀土永磁材料，即料，即RE-Fe-NRE-Fe-N化合物稀土永磁材料。化合物稀土永磁材料。36趋势 NdFeB前景非常广阔。因为前景非常广阔。因为NdFeB的潜在市场仍然看好，每台汽的潜在市场仍然看好，每台汽车上的永磁马达将从车上的永磁马达将从1995年的年的20个增加到个增加到2005年的年的31个，预计到个，预计到2005年，汽车中使用的粘结磁体将达到年，汽车中使用的粘结磁体将达到12000吨吨/年，年增长率达年，年增长率达到到64%。随着电脑生产的快速增长，所用。随着电脑生产的快速增长，所用NdFeB的数量也是很大的数量也是很大的，另一个潜在市场是下一世界的，另一个潜在市场是下一世界MRI的普及使用，这些应用都将的普及使用，这些应用都将维持维持NdFeB生产的快速增长。生产的快速增长。展望展望21世纪，个人电脑的销售量在西方国家将维持世纪，个人电脑的销售量在西方国家将维持20%增长，而增长，而我国对电脑需求的增长远远超过我国对电脑需求的增长远远超过20%的增长率，因而的增长率，因而NdFeB在在VCM上应用的需求将会成倍增长。上应用的需求将会成倍增长。NdFeB永磁体在电脑中硬盘驱永磁体在电脑中硬盘驱动器及其它电机的应用，应是动器及其它电机的应用，应是NdFeB永磁后延应用发展的重要方永磁后延应用发展的重要方向向37稀土永磁材料的结构v稀土元素的稀土元素的4f4f层电子结构和层电子结构和3d3d金属外层电子结构都金属外层电子结构都有未成对的电子，因此都有原子磁矩。有未成对的电子，因此都有原子磁矩。3d3d金属的原金属的原子磁矩由于受晶体场和配位场的影响，发生轨道矩子磁矩由于受晶体场和配位场的影响，发生轨道矩的冻结。的冻结。v镧系元素最外层电子结构为镧系元素最外层电子结构为5s5s2 25p5p6 6，它对，它对4f4f层电子层电子有屏蔽作用，因此有屏蔽作用，因此4f4f层电子轨道矩和自旋矩都参加层电子轨道矩和自旋矩都参加磁化。磁化。38稀土永磁材料的晶体结构v稀土永磁材料是以稀土金属间化合物为基础稀土永磁材料是以稀土金属间化合物为基础的永磁材料。稀土永磁的磁性能与组成该永的永磁材料。稀土永磁的磁性能与组成该永磁体的稀土化合物的晶体结构有密切关系。磁体的稀土化合物的晶体结构有密切关系。稀土钴、稀土铁等稀土永磁合金的磁性相的稀土钴、稀土铁等稀土永磁合金的磁性相的晶体结构主要分为以晶体结构主要分为以SmCoSmCo5 5为代表为代表1:51:5型结构、型结构、以以SmSm2 2CoCo1717为代表的为代表的2 2：1717型结构和以型结构和以Nd-Fe-BNd-Fe-B为代表的为代表的1414：2 2：1 1型结构。型结构。391:5型-SmCo5vSmCo5永磁合金磁性相晶体永磁合金磁性相晶体结构属结构属CaCu5型结构，它属型结构，它属于六方晶系，空间群为于六方晶系，空间群为Pb mmm，稀土占据，稀土占据a晶位，晶位，Co占据占据c晶位和晶位和g晶位这种晶位这种结构可以认为是两个原子层结构可以认为是两个原子层沿沿001轴方向交替堆垛轴方向交替堆垛而成，其中一个原子层由稀而成，其中一个原子层由稀土原子和钴原子组成（土原子和钴原子组成（A层）层），另外一层由钴原子组成，另外一层由钴原子组成（B层），这种层），这种CaCu5结构结构即是由这种即是由这种A层和层和B层的堆层的堆垛，即垛，即ABABAB等组成等组成402:17型-Sm2Co17v Th Th2 2Ni1Ni11717型结构属于六方型结构属于六方晶系，空间群为晶系，空间群为P63mmcP63mmc；ThTh2 2ZnZn1717 与与ThTh2 2Ni1Ni11717为同素异为同素异形体，两者的晶体结构相似形体，两者的晶体结构相似.Th.Th2 2Ni1Ni11717型晶体结构型晶体结构-高高温条件下温条件下4114:2:1型-Nd-Fe-BvNd-Fe-BNd-Fe-B永磁合金的晶体结永磁合金的晶体结构构.以以NdNd2 2FeFe1414B B为代表的稀土为代表的稀土铁硼合金的磁性相晶体结构铁硼合金的磁性相晶体结构属于四方晶系，空间群为属于四方晶系，空间群为P42/mnmP42/mnm。稀土原子占据。稀土原子占据f f和和g g晶位，硼占据晶位，硼占据g g晶位，铁占晶位，铁占据据c c、e e、j1j1、j2j2、K1K1和和K2K2六六种晶位，每一个单胞中有种晶位，每一个单胞中有6868个原子，所有稀土族元素均个原子，所有稀土族元素均可形成可形成RERE2 2FeFe1414B B相。相。42RE-Fe-B永磁材料v稀土金属原子的优点：顺磁磁化率高，各项异性强，但原子交换弱，居里温度低；v 3d元素优点：原子交换作用强，饱和磁化强度高，居里温度高，但各项异性场低。v 两者结合：3d族3d电子与RE原子平行排列，形成磁性耦合的现象，而且自发磁化。v二元合金：REFe2、REFe3、RE6Fe23、RE2Fe17最有可能形成永磁材料的为Nd2Fe17。43vNd2Fe17的居里温度低。v 原因Fe-Fe原子之间的距离太近，由于Fe磁矩的局域性较强,受其近邻原子的影响较大,周围近邻原子数,原子间距等因素均对Fe的磁矩有较大影响,最终导致合金居里点低。v B的介入解决了这个问题。v B成为RE-Fe化合物中的固溶元素，存在于晶格中，从而改变了Fe-Fe 的距离和Fe原子的周围环境近近 邻数，Nd2Fe14B中含有B原子的三角棱柱44三种结构的稀土磁性材料性能45Nd-Fe-B磁体的制备46烧结NdFeB细磨制粉技术A.磨粉方法和制度决定最终粒子的形状和及粒子表面的氧化情况，这些因素直接影响着磁体的磁性。希望得到单一磁化方向的晶粒，即单畴粒子；B.烧结温度高，磁体密度大，但晶粒易于长达导致矫顽力下降；C.Nd2Fe14B实际合金成分中加入的Nd含量要比理论计算要多，主要是Nd被氧化成Nd2O3，Fe就成为单一的Fe相析出；D.加入Tb、Dy可提高磁体的矫顽力。47快淬Nd-Fe-B磁体快淬凝固技术快淬技术快淬技术：是将融化的合金钢液急速冷却到室温，制得非是将融化的合金钢液急速冷却到室温，制得非晶态或纳米晶态合金。晶态或纳米晶态合金。工艺简介：工艺简介：A.A.工艺设备：真空感应炉或电弧炉；冷却：旋转的铜辊，冷却工艺设备：真空感应炉或电弧炉；冷却：旋转的铜辊，冷却壁决定冷却速度；坩埚：石英坩埚或壁决定冷却速度；坩埚：石英坩埚或AlAl2 2O O3 3坩埚坩埚B.B.保护气氛：保护气氛：ArAr、N N2 2；C.C.磁体晶体形状：磁体晶体形状：2040nm2040nm的微晶；的微晶；如果冷却速度过慢：得到晶化态合金，晶粒粗大，分布不如果冷却速度过慢：得到晶化态合金，晶粒粗大，分布不均，磁性差；均，磁性差；如果冷却速度过快：非晶态合金，成软磁性，矫顽力低。如果冷却速度过快：非晶态合金，成软磁性，矫顽力低。48快淬Nd-Fe-B磁体工艺流程图49三种工艺的性能50稀土永磁材料的应用（NbFeB）v磁体最基本的作用是在某一特定的空间产生磁体最基本的作用是在某一特定的空间产生一恒定的磁场，维持此磁场并不需要任何外一恒定的磁场，维持此磁场并不需要任何外部电源。标志永磁材料好坏的参数有许多，部电源。标志永磁材料好坏的参数有许多，最重要的是最大磁能积最重要的是最大磁能积(BH)max(BH)max，磁能积越，磁能积越大，材料每单位体积所产生外磁场的能量就大，材料每单位体积所产生外磁场的能量就越大。越大。51v目前商品目前商品NdFeBNdFeB永磁材料的最大磁能积已达到：永磁材料的最大磁能积已达到：50MGOe50MGOe。由于稀土永磁材料的高磁能积和高。由于稀土永磁材料的高磁能积和高矫顽力等优异的特性，已给永磁应用带来革矫顽力等优异的特性，已给永磁应用带来革命性的变化，稀土永磁材料主要应用在以下命性的变化，稀土永磁材料主要应用在以下几个方面：机电类；几个方面：机电类；稀土永磁材料在医疗中的应稀土永磁材料在医疗中的应用；磁选机用；磁选机 ；计算机及外围设备；各种仪表；计算机及外围设备；各种仪表；扬声器和耳机；微波器件等。扬声器和耳机；微波器件等。52v（1 1）机电类）机电类 稀土永磁体的出现，意味着电机领域将引起稀土永磁体的出现，意味着电机领域将引起革命性的变化。这是因为稀土永磁体没有激磁损革命性的变化。这是因为稀土永磁体没有激磁损耗，不发热，用它制造的电机优点很多。因稀土耗，不发热，用它制造的电机优点很多。因稀土永磁电机没有激磁线圈与铁心，磁体体积较原来永磁电机没有激磁线圈与铁心，磁体体积较原来磁场极所占空间小，没有损耗，不发热，因此为磁场极所占空间小，没有损耗，不发热，因此为得到同样输出功率整机的体积，重量可减小得到同样输出功率整机的体积，重量可减小30%30%以以上，或者同样体积、重量，输出功率大上，或者同样体积、重量，输出功率大50%50%以上。以上。永磁电机，尤其是微电机，每年世界产量约永磁电机，尤其是微电机，每年世界产量约几亿台之多，主要用在汽车、办公自动化设备和几亿台之多，主要用在汽车、办公自动化设备和家用电器中。所使用的多为高性能的铁氧体和稀家用电器中。所使用的多为高性能的铁氧体和稀土永磁体。土永磁体。53（2 2）稀土永磁材料在医疗中的应用）稀土永磁材料在医疗中的应用 （3 3）磁选机）磁选机 一般的磁选机有永磁式和电磁式两一般的磁选机有永磁式和电磁式两种，以前，永磁式磁选机的磁体多用铁种，以前，永磁式磁选机的磁体多用铁氧体。稀土永磁出现后，设计并制造了氧体。稀土永磁出现后，设计并制造了各种型号和类型的永磁磁选机，尤其是各种型号和类型的永磁磁选机，尤其是在中高磁场磁选机中，必须用稀土永磁在中高磁场磁选机中，必须用稀土永磁体。体。54（4 4）计算机及外围设备）计算机及外围设备 在计算机中使用的稀土永磁材料最在计算机中使用的稀土永磁材料最多的器件是磁盘驱动电机（多的器件是磁盘驱动电机（VCMVCM），另一），另一种是数据输出打印机电机。种是数据输出打印机电机。（5 5）各种仪表）各种仪表 使用永磁体的仪表种类很多，如磁使用永磁体的仪表种类很多，如磁电式仪表、计数器等。电式仪表、计数器等。55（6 6）扬声器和耳机）扬声器和耳机 扬声器和耳机是永磁体传统应用领域。扬声器和耳机是永磁体传统应用领域。扬声器有外磁式和内磁式二种，稀土永磁出扬声器有外磁式和内磁式二种，稀土永磁出现后在同样输出功率与音质下，扬声器被做现后在同样输出功率与音质下，扬声器被做得非常小，目前稀土永磁扬声器和耳机已应得非常小，目前稀土永磁扬声器和耳机已应用到高级随身听。用到高级随身听。（7 7）微波器件）微波器件 在微波领域中，微波管、毫波管发生器在微波领域中，微波管、毫波管发生器或放大器需要稳定磁场。稀土永磁体在此中或放大器需要稳定磁场。稀土永磁体在此中主要起电子运动的聚集作用。主要起电子运动的聚集作用。563.2 稀土磁光材料当光透过铁磁体或被磁体表面反射，由于铁磁体存在当光透过铁磁体或被磁体表面反射，由于铁磁体存在自发磁化强度，使光的传输特性发生变化，产生新自发磁化强度，使光的传输特性发生变化，产生新的各种光学各向异性现象，统称为磁光效应。的各种光学各向异性现象，统称为磁光效应。磁光材料是指在紫外到红外波段，具有磁光效应磁光材料是指在紫外到红外波段，具有磁光效应的光信息功能材料。的光信息功能材料。稀土磁光材料是一种新型的光信息功能材料，利稀土磁光材料是一种新型的光信息功能材料，利用这类材料的磁光特性以及光、电、磁的相互作用用这类材料的磁光特性以及光、电、磁的相互作用和转换，可制成具有各种功能的光学器件。例如，和转换，可制成具有各种功能的光学器件。例如，调制器、显示器、存储器以及印刷机、光盘等。调制器、显示器、存储器以及印刷机、光盘等。57来源和作用来源和作用 由于稀土元素由于稀土元素4f电子层未填满，因而产生未抵消的磁矩，电子层未填满，因而产生未抵消的磁矩，这是强磁性的来源；同时又会导致电子跃迁，这是光激这是强磁性的来源；同时又会导致电子跃迁，这是光激发的起因，从而导致强磁光效应。发的起因，从而导致强磁光效应。单纯的稀土金属并不显现强磁光效应，只有当稀土单纯的稀土金属并不显现强磁光效应，只有当稀土元素掺入光学玻璃、化合物晶体、合金薄膜等光学材料元素掺入光学玻璃、化合物晶体、合金薄膜等光学材料之中，才会显现稀土元素的磁光效应。之中，才会显现稀土元素的磁光效应。常用的磁光材料是常用的磁光材料是(REBi)3(FeA)5O12石榴石晶体（石榴石晶体（A为为Al、Ga、Sc、Se、Ge、In等金属元素）和等金属元素）和RE-TM非非晶薄膜（晶薄膜（TM为为Fe、Co、Ni、Mn）等过渡族元素以及）等过渡族元素以及稀土玻璃。稀土玻璃。58发展发展早在早在1845年，法拉第首先发现了平面偏振光通年，法拉第首先发现了平面偏振光通过沿磁光传输方向磁化的介质时，偏振面发过沿磁光传输方向磁化的介质时，偏振面发生旋转现象，后来人们称之为法拉第效应，生旋转现象，后来人们称之为法拉第效应，这是历史上最早发现的一种磁光效应。之后这是历史上最早发现的一种磁光效应。之后相继发现了克尔效应、塞曼效应、瓦哥特效相继发现了克尔效应、塞曼效应、瓦哥特效应及科顿穆顿效应，然而研究最多的还是应及科顿穆顿效应，然而研究最多的还是法拉第效应。法拉第效应。59到到20世纪世纪60年代初，由于激光的诞生以及后年代初，由于激光的诞生以及后来光电子领域的开拓，许多新型磁光材料来光电子领域的开拓，许多新型磁光材料和器件应运而生，使磁光效应的研究和应和器件应运而生，使磁光效应的研究和应用进入了空前发展时期。其中美国贝尔实用进入了空前发展时期。其中美国贝尔实验室在磁光材料及器件方面开展了大量而验室在磁光材料及器件方面开展了大量而卓有成效的工作。卓有成效的工作。20世纪世纪70年代，液相外延稀土石榴石年代，液相外延稀土石榴石单晶薄膜及高频溅射稀土过渡族金属非单晶薄膜及高频溅射稀土过渡族金属非晶薄膜问世，才使得磁光材料的应用扩展晶薄膜问世，才使得磁光材料的应用扩展到磁泡、磁光光盘、光纤通讯、激光陀螺、到磁泡、磁光光盘、光纤通讯、激光陀螺、磁光传感、微波等新兴技术领域，出现了磁光传感、微波等新兴技术领域，出现了稀土磁光材料发展的新阶段。稀土磁光材料发展的新阶段。60磁光效应及表征磁光效应及表征v光通向磁场或磁矩作用下的物质时，其传输特性的变化称为光通向磁场或磁矩作用下的物质时，其传输特性的变化称为磁光效应。磁光效应一般包括：法拉第效应、科顿穆顿效磁光效应。磁光效应一般包括：法拉第效应、科顿穆顿效应、磁圆振、磁线振二向色性、塞曼效应、磁激发光散射、应、磁圆振、磁线振二向色性、塞曼效应、磁激发光散射、磁光克尔效应、霍尔效应等。磁光克尔效应、霍尔效应等。v法拉第效应法拉第效应磁致旋光磁致旋光v 科顿科顿-莫顿效应莫顿效应磁致双折射磁致双折射v 克尔效应克尔效应磁致反射光旋光磁致反射光旋光v 塞曼效应塞曼效应磁致光谱分裂磁致光谱分裂61法拉第旋光效应法拉第旋光效应v当线偏振光沿着磁场当线偏振光沿着磁场方向或磁化强度矢量方向或磁化强度矢量方向传播时，由于左方向传播时，由于左右圆偏振光在铁磁体右圆偏振光在铁磁体中的折射率不同，使中的折射率不同，使偏振面发生偏转，偏振面发生偏转，这这种现象称为种现象称为法拉第法拉第效应。效应。法拉第效应是法拉第效应是光与原子磁矩相互作光与原子磁矩相互作用而产生的现象用而产生的现象。当当YIG（Y3Fe5O12）等一些透明物质透过）等一些透明物质透过直线偏振光时，若同时施加与入射光平行的直线偏振光时，若同时施加与入射光平行的磁场，透射光将在其偏振面上旋转一定的角磁场，透射光将在其偏振面上旋转一定的角度。度。62科顿科顿-莫顿效应（磁双折射效应）莫顿效应（磁双折射效应）v 当线偏振光垂直于磁化强度矢当线偏振光垂直于磁化强度矢量方向透通铁磁晶体时，光波的量方向透通铁磁晶体时，光波的电矢量分成两束，一束与磁化强电矢量分成两束，一束与磁化强度矢量平行，称为正常光波，另度矢量平行，称为正常光波，另一束与磁化强度矢量垂直，称非一束与磁化强度矢量垂直，称非正常光波。正常光波。v 产生相位差，两种光在铁磁产生相位差，两种光在铁磁体中的折射率不同，产生双折射体中的折射率不同，产生双折射现象，称为科顿现象，称为科顿-莫顿效应莫顿效应（Cotton-Mouton effectCotton-Mouton effect），又），又称磁致双折射效应。称磁致双折射效应。63磁光克尔效应磁光克尔效应v 当平面偏振光由不透明的铁磁晶体表面当平面偏振光由不透明的铁磁晶体表面反射时，由于各磁畴的磁化矢量方向不反射时，由于各磁畴的磁化矢量方向不同，偏振面将发生不同的旋转，其旋转同，偏振面将发生不同的旋转，其旋转角的大小与磁化强度成正比，这种现象角的大小与磁化强度成正比，这种现象称为磁光克尔效应（称为磁光克尔效应（Kerr effectKerr effect）64塞曼效应塞曼效应v光源在强磁场（光源在强磁场（10105 510106 6A/mA/m）中发射的）中发射的谱线，受到磁场的影响而分裂为几条，谱线，受到磁场的影响而分裂为几条，分裂的各谱线间的间隔大小与磁场强度分裂的各谱线间的间隔大小与磁场强度成正比的现象，称为塞曼效应。成正比的现象，称为塞曼效应。65稀土磁光材料的制备方法稀土磁光材料的制备方法（1）高温溶液（助剂法）高温溶液（助剂法）该方法是使高熔点的结晶物质溶解于低熔点的该方法是使高熔点的结晶物质溶解于低熔点的助熔剂中，使之形成饱和溶液，然后通过缓慢降温助熔剂中，使之形成饱和溶液，然后通过缓慢降温或在恒定温度下蒸发的方式，使欲生长的物质自发或在恒定温度下蒸发的方式，使欲生长的物质自发结晶或在籽晶上生长。结晶或在籽晶上生长。（2）真空蒸发）真空蒸发 用真空蒸发可制备几种稀土用真空蒸发可制备几种稀土-铁族金属非晶薄膜，铁族金属非晶薄膜，即把稀土即把稀土-铁族金属合金放入钨盘中，在铁族金属合金放入钨盘中，在2.3310-4Pa真空中蒸发。真空中蒸发。66（3）等温浸渍液相外延法）等温浸渍液相外延法 稀土石榴石单晶薄膜的制备采用的是等稀土石榴石单晶薄膜的制备采用的是等温浸渍液相外延法。温浸渍液相外延法。（4）溅射法）溅射法 溅射法是通过高能惰性气体离子碰撞，溅射法是通过高能惰性气体离子碰撞，把材料中的原子打出来再进行沉积，其沉把材料中的原子打出来再进行沉积，其沉积固化过程是一个原子接一个原子排列堆积固化过程是一个原子接一个原子排列堆积，增长速度很慢，但该法制备的非晶薄积，增长速度很慢，但该法制备的非晶薄膜稳定性很高。溅射法又包括：膜稳定性很高。溅射法又包括：1）高频溅射）高频溅射2）磁控溅射）磁控溅射67稀土磁光材料的应用稀土磁光材料的应用v磁光器件是指用具有磁光效应的材料制磁光器件是指用具有磁光效应的材料制作的各类光信息功能器件。作的各类光信息功能器件。68v（1）磁光调制器）磁光调制器 磁光调制器是利用偏振光通过磁光介质磁光调制器是利用偏振光通过磁光介质发生偏振面旋转来调制光束。磁光调制器有发生偏振面旋转来调制光束。磁光调制器有广泛的应用，可作为红外检测器的斩波器，广泛的应用，可作为红外检测器的斩波器，可制成红外辐射高温计、高灵敏度偏振计，可制成红外辐射高温计、高灵敏度偏振计，还可用于显示电视信号的传输、测距装置以还可用于显示电视信号的传输、测距装置以及各种光学检测和传输系统中。及各种光学检测和传输系统中。v（2）磁光传感器）磁光传感器 用磁光效应来检测磁场或电流的器件称用磁光效应来检测磁场或电流的器件称为磁光传感器。它集激光、光纤和光技术于为磁光传感器。它集激光、光纤和光技术于一体，以光学方式来检测磁场和电流的强弱一体，以光学方式来检测磁场和电流的强弱及状态的变化，可用于高压网络的检测和监及状态的变化，可用于高压网络的检测和监控，还可用于精密测量和遥控、遥测及自动控，还可用于精密测量和遥控、遥测及自动控制系统。控制系统。69v（3）磁光隔离器）磁光隔离器 在光纤通信、光信息处理和各种测量系统中，在光纤通信、光信息处理和各种测量系统中，都需要有一个稳定的光源，由于系统中不同器件的都需要有一个稳定的光源，由于系统中不同器件的联接处往往会反射一部分光，一旦这些反射光进入联接处往往会反射一部分光，一旦这些反射光进入激光源的腔体，会使激光输出不稳定，从而影响了激光源的腔体，会使激光输出不稳定，从而影响了整个系统的正常工作。磁光隔离器就是专为解决这整个系统的正常工作。磁光隔离器就是专为解决这一问题而发展起来的一种磁光非互易器件。它能使一问题而发展起来的一种磁光非互易器件。它能使正向传输的光无阻挡地通过，而全部排除从光纤功正向传输的光无阻挡地通过，而全部排除从光纤功能器件接点处反射回来的光，从而有效地消除了激能器件接点处反射回来的光，从而有效地消除了激光源的噪声。光源的噪声。70v（4）磁光记录）磁光记录 磁光记录是近十几年迅速发展起来的高新技术。磁光记录是近十