磁性材料知识讲解.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,磁性材料,磁记录材料,磁记录原理,3种记录模式：,水平(纵向)、垂直,、杂化,磁记录系统基本单元：换能器、存贮介质、传送介质装置以及相匹配的电子线路,磁记录原理,3种信号类型,：音频信号、数字信号、调频信号,两种记录方式：模拟、数字,磁记录介质：磁带、磁盘、磁鼓、磁卡片,磁记录材料,磁记录材料,磁头材料,磁头的基本结构,基本功能：写入、读出,磁头材料得到基本性能要求：高的磁导率、高的饱和磁感应强度、高的电阻率和耐磨性,常用的磁头铁芯材料：合金、铁氧体、非晶态合金、薄膜磁头材料,磁记录材料,磁记录介质材料,对材料的要求,类型：,颗粒（磁粉）涂布型：将磁粉与非磁性粘合剂等含少量添加剂形成的磁浆涂布于聚脂薄膜(涤纶)基体上制成。,连续薄膜型：连续磁性薄膜无须采用粘合剂等非磁性物质，制备方法有两种,湿法，如电镀和化学镀,干法，如溅射法、真空蒸镀法及离子喷镀法,其他磁性材料,超磁致伸缩材料,磁致伸缩现象：铁磁性材料在磁场中被磁化时，沿外磁场方向其尺寸会发生微小变化,一般材料的磁致伸缩系数：306010,-6,超磁致伸缩效应：（12）10,-3,超磁致伸缩材料与压电陶瓷的性能比较,巨磁电阻材料,磁电阻效应：由磁场引起材料电阻发生变化,巨磁化强度材料,巨磁化强度材料也称为高磁化强度材料，饱和磁化强度高于传统的Fe和Fe-Co软磁合金的材料,磁光效应材料：磁光记录,水平(纵向)、垂直记录,磁记录原理,3种基本信号类型,磁头的基本结构,软磁材料,定义：特指那些矫顽力小、容易磁化和退磁的磁性材料,特点,：,磁滞回线细而长,高磁导率,低矫顽力,容易磁化，也容易去磁,常见软磁材料的饱和磁感应强度B,s,和最大磁导率,m,软磁材料,分类：金属软磁材料、软磁铁氧体,常用的金属软磁材料,电工用纯铁,电工用硅钢片,铁镍合金,与,铁铝合金,非晶态合金,：,铁基,、钴基、铁镍基,电工用纯铁,含碳量极低、纯度99.95%以上,用途：铁芯、磁极、磁路等,性能：机械、,磁性能,影响性能的因素：结晶轴对磁化方向的取向、杂质、晶粒大小、金属的塑性变形、内应力,改善性能措施,工作环境及减少涡流损耗方法,电工用硅钢片,分类：热轧非织构（无取向）硅钢片、冷轧非织构（无取向）硅钢片、冷轧高斯织构（单取向）硅钢片、冷轧立方织构（双取向）硅钢片、,用途：电机、发电机、变压器、扼流圈、电磁机构、继电器、测量仪表,机械性能、磁性能的影响因素：硅含量、晶粒大小、结晶结构、有害杂质(硝，氧，氢)含量分布状况以及钢板厚度有关,高斯织构,、立方织构硅钢片,性能,软磁材料的磁滞回线,常见软磁材料的B,s,和,m,几种电工用纯铁的磁性能,铁镍合金,成分：主要成分是铁、镍、铬、铜、铜等元素,特性：在弱磁场及中等磁场下具有高的磁导率，低的饱和磁感应强度，很低的矫顽力，低的损耗，,铁镍合金相图与不同成分合金的性能,铁镍合金的分类及其特性：1J50、1J51、1J65、1J79、1J85,铁铝合金,铁铝合金成本低，应用范围很广。含铝量在16以下时，便可以热轧成扳材或带材；含铝量在56以上时，合金冷轧较困难。,铁铝合金特点：,电阻率高,高的硬度和耐磨性,比重小，可减轻铁芯自重,对应力不敏感,时效：材料在使用时，随时间及环境温度的变化，磁性能发生变化,温度稳定性,非晶态合金,铁基非晶态软磁合金：,特点：饱和磁感应强度高、损耗低,缺点：磁致伸缩系数大,钴基非晶态软磁合金：饱和磁感应强度较低，磁导率高，矫顽力低，损耗小，磁致伸缩系数趋近于零,铁镍基非晶态软磁合金：性能基本上介于两者之间,非晶态合金与晶态软磁材料的比较,：磁导率高，电阻大，损耗,非晶态合金与晶态合金的磁滞回线,铁镍合金相图与不同成分合金的性能,热处理工艺对铁镍合金导率的影响,Fe-Si3.8%合金单晶体磁化方向,高斯织构、立方织构硅钢片性能比较,几种电工用纯铁的磁性能,软磁材料,软磁材料的用途：主要用于导磁，,可用作变压器、线圈、继电器等电子元件的导磁体。,变压器磁性传感器,硬磁材料(永磁材料),定义：指材料被外磁场磁化以后，去掉外磁场仍然保持着较强剩磁的材料,评价永磁材料性能好的指标,剩余磁感应强度B,r,矫顽力H,c,最大磁能积(BH),MAX,凸起系数,：,(,BH,),m,B,r,H,c,退磁曲线,：永磁材料饱和磁滞回线第二象限部分,硬磁材料,永磁材料种类,铝镍钴系硬磁合金,硬磁铁氧体材料,稀土永磁材料,可加工的永磁合金,永磁材料,用途：硬磁材料主要用来储藏和供给磁能，作为磁场源。硬磁材料在电子工业中广泛用于各种电声器件、在微波技术的磁控管中亦有应用,永磁材料的退磁曲线和磁能曲线,可加工的永磁合金,在淬火态具有可塑性，可以进行各种机械加工。合金的矫顽力是通过塑性变形和时效(回火)硬化后得到的,四个主要系列,-铁基合金,Fe-Mn-Ti及Fe-Co-V合金,铜基合金,Fe-Cr-Co永磁合金,铝镍钴系硬磁合金,特点：铝镍钴系永磁合金具有高的磁能积及高的剩余磁感府强度，适中的矫顽力。(,BH,),max,=4070kJm,3,，,B,r,=0.71.35T，,H,c,4060kAm。这类合金属沉淀硬化型磁体，高温下呈单相状态(相)，冷却时从相中析出磁性相使矫顽力增加。AlNiCo系合金硬而脆，难于加工。,成型方法：有铸造法和粉末烧结法两种。,成分：以Fe，Ni，A1为主要成分，通过加入Cu，Co，Ti等元素进一步提高合金性能,铝镍钴系硬磁合金,按成分分类：铝镍型，铝镍钴型，铝镍钴钛型三种,铝镍钴型合金具有高的剩余磁感应强度,铝镍钴钛型则以高矫顽力为主要特征,铸造铝镍钴系合金从织构角度可划分为各向同性合金，磁场取向合金和定向结晶合金三种,逐渐被永磁铁氧体和稀土永磁合金被取代。但在对永磁体稳定性具有高要求的许多应用中，铝镍钴系永磁合金往往是最佳的选择。,铝镍钴合金广泛用于电机器件上，如发电机，电动机继电器和磁电机；电子行业中的扬声器，行波管，电话耳机和受话器等,稀土永磁材料,成分：稀土元素(用R表示)与过渡族金属Fe、Co、Cu、Zr等或非金属元素B，C，N等组成的金属间化合物,研究与发展的4阶段：,第一代是稀土钴永磁材料RCo,5,型合金(1：5)型。其中起主要作用的金属间化合物的组成是按1：5的比例。,单相：单一化合物的RCo,5,永磁体SmCo,5,，(Sm，Pr)Co,5,多相：以1：5相为基体，有少量2：17型沉淀相的1：5型永磁体,第二代稀土永磁合金为R,2,TM,17,型(2：17型，TM代表过渡族金属)。其中起主要作用的金属间化合物的组成比例是2：17(RTM原子数比)，亦有单相，多相之分,第三代为Nd-Fe-B合金,第四代主要是R-Fe-C系与R-Fe-N系。,稀土永磁材料分类,钴基稀土永磁体,SmCo,5、,PrCo,5,或(SmPr)Co,5,结构：CaCu,5,型六方结构,矫顽力：,来源于畴的成核和晶界处畴壁钉扎,性能：,降低成本：成分取代、制备方法,Sm,2,Co,17,结构：六方晶体结构,矫顽力：,沉淀粒子在畴壁的钉扎,性能：矫顽力低，剩余磁感应强度及饱和磁化强度高,铁基稀土永磁体,Nd-Fe-B系永磁合金,特点：磁能积最大的永磁体,分类：烧结永磁材料和粘结永磁材料,相组成：Nd,2,Fe,14,B、富Nd相、Nd,1.1,Fe,4,B、Nd,2,O,3,缺点：耐蚀性差，居里温度低(312)，磁感应强度温度系数大，材料使用温度低不超过(150),性能与结构的关系,矫顽力,剩磁,改进措施,调整合金成分,新的 制备工艺,铁基稀土永磁体,调整合金成分：,(Nd,R)-(Fe,M1,M2)-B,取代元素,Dy、Tb取代Nd）,Co、Ni、Cr取代Fe,作用：提高主磁化相的内禀特性,掺杂元素：提高矫顽力、耐蚀性,M1：Cu、Al、Ga、Sn、Ge、Zn，形成非磁性相,M2：Nb、Mo、V、Cr、Zr、Ti，形成硼化物,改进制备工艺：控制磁粉晶粒粒度、含氧量，提高定向度,铁基稀土永磁体,R-Fe-N（C）系永磁合金：第四代稀土永磁材料。其中R通常为Sm或Nd，Er，Y。Sm,2,Fe,17,N,x,的居里温度可达746K，大大高于Nd-Fe-B的583K。N以间隙原子形式溶入Sm,2,Fe,17,晶格，产生晶格畸变，磁化方向改变，具有单轴磁各向异性；磁晶各向异性场约为Nd-Fe-B的两倍，理论磁能积与Nd,2,Fe,14,B相近。Sm,2,Fe,17,N,x,是亚稳态化合物，在600以上不可逆分解为SmN,x,和Fe，所以不可能将其制成烧结磁体，只能制成粘结磁体，损失磁性能。粘结磁体的磁性能在很大程度上依赖于制备工艺，用成分为Sm,2,Fe,17,N,3,的磁粉制成的粘结磁体，最大磁能积可达104-152kJ/m,3,。,由于技术上的问题，使R-Fe-N系永磁合金至今未能实现工业化生产。但优异的磁性能使其很有希望成为新一代永磁材料。,铝镍钴系列化学成分及性能,永磁材料的应用,永磁式强力吸力器：静吊2050kg/平方厘米，通过磁短路开关可方便吸吊、卸吊铁器物,永磁式自动磁选机：可将磁性能不均匀的磁性粉末自动分成等级，或将磁性与非磁性混合粉末分离，粉末颗粒度为级，一次分选两级，通过调整磁辊间隙改变磁场大小，可对粉末进行多次分选,永磁材料的应用,扬声器硬（永）磁直流步进电机,磁记录材料(1),磁记录原理,磁记录系统的基本单元,换能器,存贮介质,传送介质装置,相匹配的电子线路。,三种最基本的磁记录信号,音频信号,数字信号,调频信号,三种最基本的磁记录信号,磁记录,磁记录材料(2),磁头材料,磁头材料的基本性能要求,高的磁导率,高的饱和磁感应强度,高的电阻率和耐磨性,磁头材料种类,合金,铁氧体,非晶态合金,博膜材料,磁头基本结构,后隙；线圈；,铁芯；前隙,磁记录材料(3),磁记录介质材料,磁记录介质的基本性能要求：(1)剩余磁感应强度高：(2)矫顽力适当；(3)磁滞回线接近矩形，Hc附近的磁导率尽量高；(4)磁层均匀，厚度适当，记录密度越高，磁层愈薄；(5)磁性粒子的尺寸均匀，呈单畴状态：(6)磁致伸缩小，不产生明显的加压退磁效应；(7)基本磁特性的温度系数小，不产生明显的加热退磁效应；(8)磁粉粒子易分散，在磁场作用下容易取向排列，不形成磁路闭合的粒子集团。,磁记录材料(4),磁记录介质材料的种类,颗粒(磁粉)涂布型介质：将磁粉与非磁性粘合剂等含少量添加剂形成的磁浆涂布于聚脂薄膜(涤纶)基体上制成。,连续薄膜型磁记录介质：连续磁性薄膜无须采用粘合剂等非磁性物质，制备方法有两种,湿法，如电镀和化学镀,干法，如溅射法、真空蒸镀法及离子喷镀法,磁性与磁性材料的发展史,指南针 司马迁史记描述黄帝作战用,1086年 宋朝沈括梦溪笔谈指南针的制造方法等,1119年 宋朝朱或萍洲可谈 罗盘 用于航海的记载,16世纪,W.Gibert,，最早的著作,De Magnete,磁石,18世纪 奥斯特 电流产生磁场,法拉弟效应 在磁场中运动导体产生电流,安培定律 构成电磁学的基础,磁性与磁性材料的发展史,电动机、发电机等开创现代电气工业,1907年 P.Weiss的磁畴和分子场假说,1919年 巴克豪森效应,1928年 海森堡模型，用量子力学解释分子场起源,1931年 Bitter在显微镜下直接观察到磁畴,加藤与武井发现含Co的永磁铁氧体,1935年 荷兰Snoek发明软磁铁氧体,磁性与磁性材料的发展史,1935年 Landau和Lifshitz考虑退磁场,理论上预言了磁畴结构,1946年 Bioembergen发现NMR效应,1948年 Neel建立亚铁磁理论,1954-1957年 RKKY相互作用的建立,1958年 Mssbauer效应的发现,1960年 非晶态物质的理论预言,1965年 Mader和Nowick制备了CoP铁磁非晶态合金,磁性与磁性材料的发展史,1970年 SmCo5稀土永磁材料的发现,1982年 扫描隧道显微镜,Brining和Rohrer,(1986年,AFM),1984年 NdFeB稀土永磁材料的发现 Sagawa(佐川),1986年 高温超导体，Bednortz-muller,1988年 巨磁电阻GMR的发现,M.N.Baibich,1994年 CMR庞磁电阻的发现，Jin等LaCaMnO3,1995年 隧道磁电阻TMR的发现,T.Miyazaki,磁及磁现象的根源,磁及磁现象的根源是电流，或者说，磁及磁现象的根源是电荷的运动。,所有物质都是由原子构成的，而原子由原子核及核外电子构成。带有负电荷的电子在原子核周围作轨道运动和自旋运动。无论轨道运动还是自旋运动都会产生磁矩。,原子核，由于带电，其运动也会产生磁矩，只是其磁矩很小，例如，氢核质子产生的磁矩仅为电子产生最小磁矩的1658左右。,与物质磁矩相关联的各种现象称为磁现象。,物质磁性及磁现象的主要根源是电子的运动。,尽管不存在与单位电荷量相当的“磁荷”，但存在最基本的单位磁矩。,磁学基本概念,磁极强度,磁场及磁场强,磁化、磁矩与磁化强度、磁化率、磁导率,磁通密度（磁感应强度）与磁通量,磁势,V,m,、磁动势,，,磁阻,R,m,，磁导,磁极强度,两个磁极间的磁作用力,磁极强度单位Wb（韦伯）：两个磁极强度相等的磁极，若相距1m时其间的作用力为 6.3510,4,N，则对应的磁极强度为1 wb,磁场及磁场强度,磁场：对磁极产生磁作用力的空间为磁场,磁场强度：磁场强度在数值上等于每1Wb磁极所受磁场力的大小。,磁场强度的方向和大小：用磁力线表征，磁力线上某点的切线方向表征该点磁场强度的万向，用磁力线的疏密表征磁场强度的相对大小,磁化、磁矩与磁化强度、磁化率、磁导率,磁化：将磁体，如铁片等，接近永磁体的磁极时，与永磁体靠近的铁片的一端会出现与永磁体相反的磁极，从而产生吸引作用,磁矩,的定义为：,M,i,q,m,L,（wb*m）,磁化、磁矩与磁化强度、磁化率、磁导率,具有磁矩的磁极对称为,磁偶,(magnetic dipole),磁化强度：单位体积中磁偶矩的总和,磁化率：磁性体的磁化强度相对于磁场强度H，可近似表示为,磁导率,：磁性体的磁通密度可表示为,Wb/m,2,相对磁化率和相对磁导率,相对磁化率(relative susceptibility),相对磁导率(relativive permeability),磁通密度（磁感应强度）与磁通量,磁通密度,B,的定义：单位特斯拉,B,=,0,(,H+M,)T,左手法则,特斯拉的定义：当流经1A的电流时，单位长度上的作用力为1N时，所对应的磁通密度为1T。,磁通或磁通量,(wb)：,=BS,，或,罗仑兹力、左手法则、磁通,磁势,V,m,、磁动势,，,磁阻,R,m,，磁导,磁势,V,m,：,磁动势：是磁路中任意两点间磁势的差值，类似于电路中的电压。,磁阻,R,m,：,磁动势与磁通的比值称为磁阻,磁导：磁通与磁动势,Vm,的比值，类似于电路中的电导。是反映材料导磁能力的一个物理量,磁学及电学个基本量的比较,物质的磁性,物质磁性分类,铁磁性,亚铁磁性,顺磁性,反铁磁性（或抗磁性）,完全反磁性,磁性的分类及产生机制,铁磁性、亚铁磁性,铁磁性：在外磁场作用下才表现出很强的磁化作用，像Fe，Co，Ni等，属于本征铁磁性材料，在某一宏观尺寸大小的范围内，原子磁矩的方向趋向一致。,亚铁磁性：大小不同的原子磁矩(图中分别用A，B表示)反平行排列，二者不能完全抵消(从而形成原子磁矩之差)，相对于外磁场显示出一定程度的磁化作用，称此种铁磁性为亚铁磁性。各种铁氧体,顺磁性,许多物质的相对导磁率,r,，按式,r,=,/,0,，与1相比为非常小的正数，这类物质所具有的磁性为顺磁性。如氧气的,r,为410,-7,，白金为310,-3,，顺磁性物质的相对导磁率一般在,r,=10,-5,10,-2,范围内。在顺磁性物质中，磁性原子或离子分开的很远，以致它们之间没有明显的相互作用，因而在没有外磁场时，由于热运动的作用，原子磁矩是无规混乱取向。当有外磁场作用时，原子磁矩有沿磁场方向取向的趋势，从而呈现出正的磁化率。,顺磁性物质(T)的两种类型,=C/T,=C/(T-p),反铁磁性（或抗磁性）,反磁性是指在外加磁场作用下，物质中产生的原子磁矩方向与外加磁场方向相反。其相对磁化率为负值，,产生的机理：外磁场穿过电子轨道时，引起的电磁感应使轨道电子加速。根据楞次定律，由轨道电子的这种加速运动所引起的磁通，总是与外磁场变化相反，因而磁化率是负的,原子所具有的反磁性特点在任何物质中都是存在的，只不过是在铁磁性反铁磁性、顺磁性等物质中，反磁性被原子磁性所屏蔽而已,完全反磁性,完全反磁性：物质中完全不能进入磁通量的性质,具有这种完全反磁性的物质为第一类超导体，这种物质处于超导状态时，表现为完全反磁性,模型：当第一类超导体处于超导状态并施加外磁场时，由于电磁感应，在其表面数十纳米深度范围内会出现10,8,Acm,2,程度的大电流密度的电流。如图所示，根据右手定则，此电流会产生感应磁场，产生的磁场可完全抵消外加磁场，进而出现完全反磁性。实际上，外加磁场只能进人物质表层，其深度约数十纳米，例如Pb为37nm，Nd为39nm，从宏观角度看，这一深度完全可以忽略,磁畴与磁畴壁,磁畴的结构,：磁畴由平行或反平行原子磁矩在一定尺寸范围内集团化而形成；磁畴由磁畴壁隔开，对于Fe来说，厚度大约为100到几十个原子层，厚度大约为10,-8,10,-6,m,磁畴内原子磁矩一致整齐排列。在材料未被磁化时，磁畴之间原子磁矩方向各不相同。只有当磁性材料被磁化以后，它才能对外显示出磁性。,磁畴壁处原子磁矩排列,：在畴壁的一侧，原子磁矩指向某个方向，假设在畴壁的另一侧原子磁矩方向相反。在畴壁内部，原子磁矩必须成某种形式的过渡状态。从一侧开始，每一层原子的磁矩都相对于磁畴中的磁矩方向偏转了一个角度，并且每一层的原子磁矩偏转角度逐渐增大，到另一侧时，磁矩已经完全转到和这一侧磁畴的磁矩相同的方向。,磁畴的结构,磁畴壁处原子磁矩排列,磁滞回线,磁滞回线,：铁磁材料在经过充磁、退磁、反向充磁、再退磁周期性变化时，所获得的关于磁感应强度（横坐标）相对于磁场强度（纵坐标）变化的闭合曲线,磁化过程,退磁过程,磁化过程,初始磁化曲线与可逆磁化区,初始滋导率,i,：BH,i,Barkhausen效应,最大磁导率,max,饱和磁化强度M,s,与旋转磁化区,退磁过程,剩余磁化强度,矫顽力H,c,磁感矫顽力,B,H,c,内禀矫顽力,M,H,c,磁滞回线,磁学各向异性,磁学各向异性：磁学特性随材料的晶体学方向不同而不同,直角型磁滞回线与线型磁滞回线,磁滞过程中的概念,起始磁导率,：,磁性体在磁中性状态下磁导率的极限值。,饱和磁感应强度,：,(饱和磁通密度)磁性体被磁化到饱和状态时的磁感应强度。在实际应用中，饱和磁感应强度往往是指某一指定磁场（基本上达到磁饱和时的磁场）下的磁感应强度。,剩磁感应强度,：,从磁性体的饱和状态，把磁场（包括自退磁场）单调的减小到0的磁感应强度。,磁滞过程中的概念,磁通密度矫顽力,：是从磁性体的饱和磁化状态，沿饱和磁滞回线单调改变磁场强度，使磁感应强度B减小到0时的磁感应强度。,内禀矫顽力：,从磁性体的饱和磁化状态使磁化强度M减小到0的磁场强度。,磁能积：,在永磁体的退磁曲线上的任意点的磁感应强度和磁场强度的乘积。,磁化强度随温度的变化关系,温度系数,：,在两个给定温度之间，被测的变化量除以温度变化量。,磁导率的比温度系数：磁导率的温度系数与磁导率的比值。,居里温度,：,在此温度上，自发磁化强度为零，即铁磁性材料（或亚磁性材料）由铁磁状态（或亚铁磁状态）转变为顺磁状态的临界温度。,磁化曲线及磁畴模型,Barkhausen效应,概述,材料的磁性：物质放入磁场中会表现出不同的磁学特性,磁性起源：核外电子系统的“轨道磁矩”和“自旋磁矩”,磁性分类,铁磁性,亚铁磁性,反铁磁性,顺磁性,抗磁性,材料的磁性,铁磁性(铁磁性与亚铁磁性),平行磁矩、反平行磁矩以及磁畴的构成,弱磁性(反铁磁性及顺磁性),反磁性,完全反磁性,磁性分类及其产生生机制,Thanks！,此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢,