第二讲磁性材料.pptx

第二章第二章 磁功能与复合材料磁功能与复合材料具有强磁性的材料称为磁性材料。具有强磁性的材料称为磁性材料。磁性材料具有能量转换，存储或改变能量状态的功能。磁性材料具有能量转换，存储或改变能量状态的功能。磁磁性性材材料料广广泛泛地地应应用用于于计计算算机机、通通讯讯、自自动动化化、音音像像、电电视视、仪器和仪表、航空航天、农业、生物与医疗等技术领域。仪器和仪表、航空航天、农业、生物与医疗等技术领域。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，宏观磁体对外显示的磁性最强。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。当原子磁矩紊乱排列时，宏观磁体对外不显示磁性。当原子磁矩紊乱排列时，宏观磁体对外不显示磁性。第一节第一节 磁性材料磁性材料磁性的产生磁性的产生一、基本概念一、基本概念一、基本概念一、基本概念宏观磁体单位体积在某一方向的磁矩称为磁化强度宏观磁体单位体积在某一方向的磁矩称为磁化强度M：M=原子原子/V磁化强度磁化强度M磁化率磁化率磁化率磁化率 及磁导率及磁导率及磁导率及磁导率 任何物质在外磁场作用下，除了任何物质在外磁场作用下，除了外磁场外磁场H外，由于物质内部外，由于物质内部原子磁矩的有序排列，还要产生一个原子磁矩的有序排列，还要产生一个附加的磁场附加的磁场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强度磁感应强度B 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 二、磁性的起源二、磁性的起源二、磁性的起源二、磁性的起源1.1.抗磁性（反磁性）抗磁性（反磁性）外场加速或减速轨道电子：最外外场加速或减速轨道电子：最外层电子贡献最大层电子贡献最大电子轨道的偏转电子轨道的偏转自由电子自由电子超导材料：超导材料：2.顺磁性顺磁性 电子自旋（自旋顺磁性）电子自旋（自旋顺磁性）外场使自旋磁矩的方向趋向于外场使自旋磁矩的方向趋向于沿着外场的方向沿着外场的方向 受温度影响较小受温度影响较小 自由原子和稀土元素以及自由原子和稀土元素以及他们的盐类和氧化物：他们的盐类和氧化物：受温度影响较大受温度影响较大Curie Law:Curie-Weiss Law:轨道电子顺磁性轨道电子顺磁性只观察到自旋顺磁性：只观察到自旋顺磁性：电子轨道和晶格的耦合阻止轨道磁矩变到外场方向电子轨道和晶格的耦合阻止轨道磁矩变到外场方向稀土元素：稀土元素：深层的深层的4f电子；晶格场被外层电子屏蔽电子；晶格场被外层电子屏蔽 g因子：因子：轨道运动轨道运动/自旋贡献自旋贡献顺磁性与抗磁性顺磁性与抗磁性顺磁性：顺磁性：轨道和自旋顺磁性的材料（具有未饱和轨道和自旋顺磁性的材料（具有未饱和4f4f电子的稀土金属）电子的稀土金属）抗磁性：抗磁性：大多数材料没有轨道顺磁性，大多数材料没有轨道顺磁性，自旋磁矩是否相互抵消自旋磁矩是否相互抵消具有全填充电子能带没有净自旋磁矩，本征半导体、绝缘体、具有全填充电子能带没有净自旋磁矩，本征半导体、绝缘体、离子晶体离子晶体具有部分填充能带的材料具有部分填充能带的材料(顺磁性顺磁性)：Hunds ruleBohrBohr磁矩：磁矩：如如Fe，Co，Ni，Gd等金属及其合金称为铁等金属及其合金称为铁磁性物质。磁性物质。3.3.铁磁性铁磁性磁滞回线磁滞回线B B 剩磁剩磁剩磁剩磁HcHc矫顽力矫顽力矫顽力矫顽力图15.7饱和磁化强度与温度相关饱和磁化强度与温度相关压磁性（压磁性（Piezomagnetism）磁弹性（磁弹性（magnetostriction）:铁磁性（亚铁磁性、反铁磁性）铁磁性（亚铁磁性、反铁磁性）物质放入磁场中尺度的变化物质放入磁场中尺度的变化Tb-Dy-Fe合金比合金比Fe和和Fe-Ni合金高合金高3个数量级个数量级Ni Fe交换能和静态磁能的竞争交换能和静态磁能的竞争为什么分成磁畴？为什么分成磁畴？一个自旋方向到另一个自旋方向的过渡？一个自旋方向到另一个自旋方向的过渡？畴壁（畴壁（Block wall）Barkhausen effect:外场下畴壁的变化是跳动的。（晶体的缺陷）外场下畴壁的变化是跳动的。（晶体的缺陷）冷加工增加矫顽力和磁滞回线的面积：冷加工增加矫顽力和磁滞回线的面积：冷加工降低磁导率，引起磁滞回线的顺时针旋转。冷加工降低磁导率，引起磁滞回线的顺时针旋转。力学硬度和磁的硬度多数情况下是相互平行的（硅铁是例外）力学硬度和磁的硬度多数情况下是相互平行的（硅铁是例外）4.4.反铁磁性反铁磁性MnO MnF2FeO，FeF3，NiF3，NiO，MnO，各各种种锰锰盐盐以以及及部部分分铁铁氧氧体体ZnFe2O4等等，它们相邻原子的磁矩反向平行，而且彼此的强度相等，没有磁性。它们相邻原子的磁矩反向平行，而且彼此的强度相等，没有磁性。Neel temperature基本没有实际应用基本没有实际应用5.亚铁磁性亚铁磁性(Ferrimagnetism)行为和铁磁性类似（磁畴和磁滞回线）行为和铁磁性类似（磁畴和磁滞回线）陶瓷材料（氧化物）：电导性差，高频应用（抑制陶瓷材料（氧化物）：电导性差，高频应用（抑制eddy电流）电流）不完美的反铁磁性不完美的反铁磁性Fe:3d64s2；Ni:3d84s2磁矩和实验值的差别：轨道效应和磁矩和实验值的差别：轨道效应和金属离子在金属离子在A和和B位的分布偏离位的分布偏离NiNi铁氧体：铁氧体：NiONiOFeFe2 2O O3 3反尖晶石结构（反尖晶石结构（inverse spinel structure）ZnOFe2O3 normal spinel饱和磁化强度和磁化率随温度的变化饱和磁化强度和磁化率随温度的变化三、应用三、应用 电工钢电工钢(electrical steel)：电动机用每年达百万吨，上亿美元：电动机用每年达百万吨，上亿美元 永磁体：扩声器，磁记录材料永磁体：扩声器，磁记录材料1.1.电工钢（软磁材料）电工钢（软磁材料）高的磁导率高的磁导率易于磁化和退磁易于磁化和退磁磁滞回线中的区域应该小磁滞回线中的区域应该小在电动机和变压器中的能量损失，每年全美国有在电动机和变压器中的能量损失，每年全美国有31010kWh，相当于，相当于3百万人的能量消耗，浪费百万人的能量消耗，浪费20亿美元。通过改善磁芯，能量损失减少亿美元。通过改善磁芯，能量损失减少5%，就可以每年节省，就可以每年节省1亿美元。亿美元。软磁材料磁滞回线软磁材料磁滞回线软磁材料磁滞回线软磁材料磁滞回线电磁线圈的芯，变压器、电动机、发电机、电磁铁电磁线圈的芯，变压器、电动机、发电机、电磁铁（1 1）铁芯损耗）铁芯损耗(core losses)(core losses)Eddy current绝缘体（贵）（高频应用）包覆绝缘层的绝缘体（贵）（高频应用）包覆绝缘层的铁粉压成（铁粉压成（50-100微米）（电导降低的同微米）（电导降低的同时磁导率降低）时磁导率降低）薄片组成（薄片组成（A降低）降低）磁滞损失（磁滞损失（hysteresis losses）(材料选择材料选择;轧制和退火轧制和退火)措施：措施：相关量：相关量：（2 2）晶粒取向）晶粒取向通过采用合适的晶粒取向可以增加磁导率和降低磁滞损耗通过采用合适的晶粒取向可以增加磁导率和降低磁滞损耗磁各向异性（磁各向异性（magnetic anisotropy）（铁单晶）（铁单晶）轧制和退火使某个晶向平行于轧制方向轧制和退火使某个晶向平行于轧制方向晶粒取向的电工钢（晶粒取向的电工钢（Grain-oriented electrical steel）热轧，冷轧，退火，冷轧热轧，冷轧，退火，冷轧（3 3）芯材料的组分）芯材料的组分低碳钢低碳钢（0.05%C）（便宜）（便宜）纯化：增加磁导率的同时增加电导率和成本纯化：增加磁导率的同时增加电导率和成本Fe-Si 合金合金(1.4-3.5%Si)高的磁导率和低的电导率高的磁导率和低的电导率 在高温下应用再降温不相变在高温下应用再降温不相变 增加增加Si的含量芯损失降低，但是变脆不容易轧制的含量芯损失降低，但是变脆不容易轧制 增加增加Al和和Mn:影响晶粒结构和降低磁滞损耗影响晶粒结构和降低磁滞损耗最高的磁导率是最高的磁导率是NiNi基合金：用于电子设备屏蔽磁场基合金：用于电子设备屏蔽磁场改善方法改善方法（4）非晶磁体）非晶磁体Amorphous metals(metallic glasses)在晶化温度以下退火（应力松弛）具有相当高的磁导率和低的矫顽力在晶化温度以下退火（应力松弛）具有相当高的磁导率和低的矫顽力具有低的电导，小的具有低的电导，小的eddyeddy电流损失电流损失低的饱和磁化强度，升高温度迅速降低低的饱和磁化强度，升高温度迅速降低低电流器件的应用：通讯设备的变压器，磁感应器低电流器件的应用：通讯设备的变压器，磁感应器2.2.2.2.永磁体（硬磁材料）永磁体（硬磁材料）永磁体（硬磁材料）永磁体（硬磁材料）大的剩磁，相对大的矫顽力和磁滞回线包围面积大的剩磁，相对大的矫顽力和磁滞回线包围面积退磁曲线退磁曲线退磁场退磁场HdHd和磁体的形状相关和磁体的形状相关边缘通量和磁体边上的漏磁边缘通量和磁体边上的漏磁磁能积磁能积Alnico合金合金(少量的少量的Cu和和Ti)1250 1250 加热使材料均一化；急冷；在加热使材料均一化；急冷；在600 600 回火回火 在磁场中冷却合金在磁场中冷却合金 晶粒取向：融化后冷却坩埚的底部，形成长柱形晶粒具有沿着晶粒取向：融化后冷却坩埚的底部，形成长柱形晶粒具有沿着热流的热流的方向方向冷却和回火中形成柱状铁和富冷却和回火中形成柱状铁和富Co的沉淀物，平行于的沉淀物，平行于方向，这方向，这些磁性沉淀物是单畴颗粒，埋置在弱磁的些磁性沉淀物是单畴颗粒，埋置在弱磁的Ni和和Al基体中，从而具有基体中，从而具有易磁化方向的立方晶体结构。易磁化方向的立方晶体结构。硬脆只能通过铸造或者压制和烧结金属粉末成型。硬脆只能通过铸造或者压制和烧结金属粉末成型。Nd-B-Fe合金合金是最新的硬磁材料具有优秀的矫顽力和大的磁能是最新的硬磁材料具有优秀的矫顽力和大的磁能积；缺点是具有相对较低的居里温度（积；缺点是具有相对较低的居里温度（300 ）陶瓷铁氧体磁体陶瓷铁氧体磁体(脆，相对不贵脆，相对不贵)Ba或或Sr铁氧体（铁氧体（BaO6Fe2O3和和SrO6Fe2O3）片状的，垂直方向是易磁化方向，在烧结时互相平行形成好的片状的，垂直方向是易磁化方向，在烧结时互相平行形成好的径向。径向。铁氧体粉末和塑料材料制成弹性磁体。铁氧体粉末和塑料材料制成弹性磁体。(冰箱门的垫圈冰箱门的垫圈)高碳钢磁体高碳钢磁体（包含或不包含（包含或不包含CoCo、W W、CrCr）比其他磁体性能差比其他磁体性能差磁性源于马氏体诱导的内部应力，阻止磁畴壁的移动磁性源于马氏体诱导的内部应力，阻止磁畴壁的移动C、N等非金属元素添加入铁等非金属元素添加入铁/稀土磁体如稀土磁体如Fe-Nd-C或或Fe17Sm2Nx N处理烧结的处理烧结的Fe14Nd2B可以增加居里温度可以增加居里温度100 Fe17Sm2的氮化导致室温下矫顽力的氮化导致室温下矫顽力2.4106 A/m(30kOe)，剩磁，剩磁1.5T，居里温度，居里温度470 Fe-Nd-B的腐蚀的腐蚀（形成（形成Nd(OH)3）可以通过利用合金化合物改善，如：可以通过利用合金化合物改善，如：Fe-Nd-Al，Fe-Nd-Ga或者或者应用阻止潮气的涂层应用阻止潮气的涂层研究方向：研究方向：耐腐蚀、成本、剩磁、矫顽力、磁有序温度和加工工艺。耐腐蚀、成本、剩磁、矫顽力、磁有序温度和加工工艺。3.3.磁记录和磁存储磁记录和磁存储磁带、磁盘、银行卡的磁条等包含磁带、磁盘、银行卡的磁条等包含0.10.5m的针状氧化物颗的针状氧化物颗粒粒(单个磁畴单个磁畴)，埋置在没有磁性的粘合剂中，埋置在没有磁性的粘合剂中亚铁磁性的亚铁磁性的-Fe2O3:Hc=20-28kA/m铁磁性的铁磁性的CrO2:40-80kA/m；0.050.4m；低的居里温度；低的居里温度128高的矫顽力和高的剩磁阻止自退磁和偶然的擦除，强的信号和更薄的涂层高的矫顽力和高的剩磁阻止自退磁和偶然的擦除，强的信号和更薄的涂层Co掺杂的掺杂的-Fe2O3:48kA/m铁颗粒：铁颗粒：120kA/m；表面需要涂；表面需要涂Sn磁头磁头(recording head)(recording head)软磁材料；间距软磁材料；间距0.3 m表面加具有高矫顽力的金属涂层表面加具有高矫顽力的金属涂层磁阻元素（磁阻元素（Ni-Fe导磁合金；导磁合金；MnFe；MnNi；MnLa）随机存储随机存储(Mn-Mg)Fe2O4系系，(Mn-Cu)Fe2O4系系，(Mn-Ni)Fe2O4系等。系等。磁光盘磁光盘硬盘存储硬盘存储：薄磁薄膜（：薄磁薄膜（Co-Ni-Pt,Co-Cr-TaCo-Ni-Pt,Co-Cr-Ta等）等）MnBi,EuO,MnBi,EuO,非晶非晶Gd-CoGd-Co等等