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《磁性材料》基本要求
一、熟练掌握基本概念：
(1) 磁矩：磁偶极子等效的平面回路的电流和回路面积的乘积，μm=iS，方向由右手定则确定，单位Am2。
(2) 磁化强度（M）：定义单位体积磁性材料内磁矩的矢量和称为磁化强度，用M表示，SI单位为A/m。CGS单位：emu/cm3。换算关系：1 ×103 A/m = emu/cm3。
(3) 磁场强度（H）：单位强度的磁场对应于1Wb强度的磁极受到1牛顿的力。SI单位是A·m-1。CGS单位是奥斯特(Oe)。换算关系：1 A/m =4π/ 103 Oe。
(4) 磁化曲线：磁体从退磁状态开始到磁化饱和的过程中，磁感应强度B、磁化强度M与磁场强度H之间的非线性关系曲线。
(5) 退磁曲线：磁滞回线在第二象限的部分称为退磁曲线。
(6) 退磁场：当一个有限大小的样品被外磁场磁化时，在它两端出现的自由磁极将产生一个与磁化强度方向相反的磁场。该磁场被称为退磁场。退磁场的强度与磁体的形状及磁极的强度有关存在：Hd=-NM。
(7) 饱和磁感应强度Bs(饱和磁通密度) ：磁性体被磁化到饱和状态时的磁感应强度。SI单位是特斯拉[T]或[Wb·m-2]；CGS单位是高斯(Gauss)。换算关系：1 T = 104 G。
(8) 磁导率：定义为磁感应强度与磁场强度之比μ＝Ｂ／Ｈ，表示磁性材料传导和通过磁力线的能力．单位为亨利／米（Ｈ·m-1）．
(9) 起始磁导率：磁性体在磁中性状态下磁导率的极限值。
(10) 磁化率定义为磁化强度与磁场强度之比：χ= M/H
(11) 居里温度：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，在此温度上，自发磁化强度为零。
(12) 磁各向异性：磁性材料在不同方向上具有不同磁性能的特性。包括：磁晶各向异性，形状各向异性，感生各向异性和应力各向异性等。
(13) 磁致伸缩效应： 磁性材料由于磁化状态的改变，其长度和体积都要发生微小的变化，这种现象称为磁致伸缩或磁致伸缩效应。
(14) 磁畴：在未加外磁场时铁磁体内部已经自发磁化到饱和状态（每一个磁矩取向一致）的小区域。
(15) 磁畴壁：相邻两磁畴之间磁矩按一定规律逐步改变方向的过渡层。
(16) 技术磁化：在外磁场作用下，铁磁体从完全退磁状态磁化至饱和的内部变化过程。
(17) 内禀矫顽力(MHc)：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H，使磁化强度M减小到0的磁场强度。通常有：|MHc|>|BHc|。
(18) 最大磁能积（BH）max：退磁曲线上磁能积最大的一点，工程应用中通常将(BH)max称为磁能积。磁能积是表征永磁材料中能量大小的物理量。SI单位：kJ/m3，CGS单位：MGOe。换算关系：1MGOe=(102 / 4 p) kJ/m3.

(19) 在磁性材料的技术磁参量中，Ms, Tc，λs, K等内禀磁参量对组织结构不敏感，它们主要取决于材料的化学成分。外禀磁参量: Hc、Mr或Br、磁导率、损耗、磁能积等对材料结构（如晶粒尺寸、晶体缺陷、晶粒取向等）敏感，可以通过适当的工艺改变。
(20) 磁滞损耗： 磁滞回线所包围的面积相当于磁化一周所产生的能量损耗。
(21) 动态磁滞回线：铁磁体在周期性变化的交变磁场中时，其磁化强度也周期性地反复变化，构成动态磁滞回线。它与静态磁滞回线有相似之处，也有差别：在相同的磁场强度范围内，动态磁滞回线比静态磁滞回线的面积大一些。因在静态磁场下，只有磁滞损耗；而在交变磁场下，除了磁滞损耗外还有涡流损耗和剩余损耗。
(22) 磁谱：磁谱是指铁磁体在交变磁场中的复数磁导率的实部μ′和虚部μ″随频率变化的关系曲线。
(23) 截止频率fr：在材料的磁谱曲线上，复数磁导率的实部μ′下降到初始值的一半或虚部μ″达到极大值时所对应的频率称为该材料的截止频率。材料的截止频率fr与起始磁导率μi有密切的关系。——般而言，材料的起始磁导率μi越低，其截止频率fr越高。
(24) 品质因数Q: Q表示软磁材料在交变磁化时，能量的贮存和能量的损耗之比。Q值是复数磁导率的实部和虚部之比。因此有：Q=μ′/μ″.
(25) 损耗因子tanδ: 损耗角的正切tanδ称为材料的损耗因子。损耗因子可以定义为复数磁导率的虚部与实部购比值，其物理意义为铁磁材料在交变磁化过程中能量的损耗与贮存之比。tanδ=1/Q
(26) 低自旋态：在强晶场下，当电子轨道分裂能隙大于电子成对能 (Δ>Ep)时，洪德法则不再成立。电子由最低能级开始填充，如果电子填充到与上一个能级之间的能隙大于电子成对能时，电子将以相反的自旋填充到最低能级轨道并成对，因而最低能级的电子轨道同时有两个自旋相反的电子占据，而能量高的电子轨道没有电子占据。这种电子组态称为低自旋态。
(27) 高自旋态：在弱晶场下，当电子轨道分裂能小于电子成对能 (Δ子以相反的自旋填充到最低能级。这种电子组态称为高自旋态。
(28) 轨道角动量冻结：在晶场的作用下3d过渡金属的磁性离子的原子磁矩仅等于电子的自旋磁矩，而电子的轨道磁矩没有贡献。此现象称为轨道角动量冻结。

常见的铁氧体，按晶格类型分为三种：（1）尖晶石型铁氧体；（2）石榴石型铁氧体；（3）磁铅石型铁氧体

第三章. 材料的磁学性能

一， 基本参量

分子电流理论 磁荷（等效）理论 相互关系
磁矩： 磁偶极矩：
磁化强度： 磁极化强度
磁场强度：H 磁感应强度：B
磁化率：χ=M/H 磁导率：μ=B/H
二，基本关系
； ； ；
三，单位换算
SI： CGS：
B: T; H : A/m ; M : A/m B :G(Gauss); H :Oe; M : emu/cm3 ;
（特斯拉）
或Wb/m2
B: 1T=104 G;
H: 1×103 A/m=4π Oe;
M: 1×103 A/m= emu/cm3 ;
按矫顽力分类：
软磁材料：Hc<100A/m(1.25 Oe)；硬（永）磁材料：Hc>1000A/m(12.5Oe)
半硬磁材料：Hc :100～1000A/m(1.25～12.5Oe)。
例1．牌号为1J46的冷轧铁镍软磁薄带的饱和磁化强度为Ms = 11.9×105 A·m-1，则饱和磁极化强度Js 为______________ T （特斯拉），沿薄膜法向的退磁场Hd为__________________ A·m-1，最大矫顽力Hc = 20 A/m，相当于Hc = __ Oe （奥斯特）。（注：μ0 = 4π×10-7 H·m-1）。

Magnetic Term
Symbol
SI unit
CGS unit
conversion factor
magnetic induction
B
Tesla (T)
Gauss (G)
1 T = 104 G
magnetic field
H
A/m
Oersted (Oe)
1 A/m =4p/103 Oe
magnetization
M
A/m
emu/cm3
1 A/m = 10-3 emu/cm3
mass magnetization
s
Am2/kg
emu/g
1 Am2/kg = 1 emu/g
magnetic moment
m
Am2
emu
1 Am2 = 103emu
volume susceptibility
k
dimensionless
dimensionless
4p (SI) = 1 (cgs)
mass susceptibility
c
m3/kg
emu/Oe·g
1 m3/kg = 103/4pemu /Oe·g
permeability of
free space
m0
H/m
dimensionless
4px10-7 H/m = 1 (cgs)
A= Ampere
cm= centimeter
emu= electromagnetic unit
g= gram
kg= kilogram
m= meter
H= Henry

SI制：B = μ0（H+M）；B的单位是[T]或[Wb/m2]；M和H的单位是A/m 。
在高斯（Gauss）单位制中：B = H + 4πM；B的单位是高斯[G]；H的单位是奥斯特（Oe）；M的单位是emu/cm3，即emu/cc。

基本换算：
B: 1 T = 104 G；H: 1 kAm-1 = 4p Oe；1Oe = 79.5775 A/m；
M: 1 kAm-1 = emu cm-3；1 Am2/kg = 1 emu/g；(BH)max: 1 kJm-3 = 4 p 10-2 MGOe；

基本物理量：普朗克常数h = 6.626×10-34 J·s；玻尔兹曼常数k = 1.38×10-23 J/K；μ0 = 4π×10-7 H·m-1；c = 3×108 m/s；电子电荷量e＝1.6×10-19库仑；电子质量 me = 9.10938188 × 10-31 公斤；波尔磁子μB = eh/（4πme）=9.273×10-24 A·m2。

三、原子磁矩
基态原子的电子结构--占据壳层的规律 ：

洪特法则：
(1). 在泡利原理许可的条件下，总自旋量子数S取最大值S=∑Sz；
(2). 在满足以上条件下，总轨道角动量量子数L取最大值L=∑mz；
(3). 总角动量量子数J有两种取法：电子填充未半满时，J=∣L-S∣，电子数等于或超过一半时，J=L+S。

例1：Pr3+离子（未满壳层4f 2）：
（1）总自旋量子数S：电子填充未达半满时，基态下两个电子相互平行, 总自旋量子数S=∑Sz =2×（1/2）=1；
（2）总轨道角动量量子数L：这两个电子优先占据mz = 3，2两个轨道，总轨道角动量量子数L =5 ；
（3）总角动量量子数 J：由于壳层未半满，总角动量量子数 J=L-S=4 ；

（4）离子磁矩（有效磁矩）μJ：根据=3.58μB，其中兰德因子： = 4/5。
4f2电子的自旋和轨道角动量排列示意图：
m： 3 2 1 0 -1 -2 -3 L=5
S： ↑ ↑ S=1
J = L-S

例2：Dy3+的离子（未满壳层为4f 9）
（1）总自旋量子数S：电子填充超过半满时，
基态下自旋角动量S是由未成对的另外五个自旋向上电子决定，总自旋量子数S=∑Sz = 5×（1/2）=5/2；
（2）总轨道角动量量子数L：电子填充超过半满时，总轨道角动量L是由自旋向下的二个轨道决定，总轨道角动量量子数L = ∑mz = 3 + 2 = 5；
（3）总角动量量子数 J：由于壳层超过半满，总角动量量子数： J=L+S=15/2。 ；

（4）离子磁矩（有效磁矩）μJ：根据=10.63μB，其中兰德因子：
= 4/3。
Dy3+ 离子4f 9电子的自旋和轨道角动量排列示意图：
m： 3 2 1 0 -1 -2 -3
S： ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ S = 5/2
↓ ↓ L =∑mz = 3 + 2 = 5

J = L + S

例3：试计算Fe3+ （或Fe2+） 的基态磁矩为5 μB (4μB)。（有几个未成对电子，就有几个μB）。（提示：过渡元素的原子或离子组成物质时，轨道角动量冻结，因而不考虑L（L=0））。

解： Fe3+ 电子组态：3d5，
m： 2 1 0 -1 -2 L = 0
S： ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ S = 5/2； J = L+ S = S = 5/2；基态的光谱项6S5/2；gJ = 2

Fe+2 3d6 S＝2
m： 2 1 0 -1 -2 L = 2
S： ↑ ↑ ↑ ↑ ↑
↓ S=2； L=2；S=2；J=4；基态的光谱项2S+1LJ：5D4；。

四、晶场作用
（1）晶场中轨道角动量的冻结：在晶场的作用下3d过渡金属的磁性离子的原子磁矩仅等于电子自旋磁矩，而电子的轨道磁矩没有贡献。此现象称为轨道角动量冻结。
（2）分裂后d轨道中电子的排布—高自旋态和低自旋态

在八面体中，d1-3型离子，按洪特规则，其d 电子只能分占三个简并的d 低能轨道，即只一种方式。而d4-7型离子，有两种可能: 当Ep＞Δ时，因电子成对需要能量高，故d 电子将尽量分占轨道而具有最多自旋平行的成单电子的状态，即高自旋态；反之当Ep＜Δ时，则因跃迁进入dγ 轨道需要能量较高，d 电子将尽量占据低能级轨道并成对，而具有较少的成单电子，即低自旋态。
高自旋态即是Δ较小的弱场排列，不够稳定，成单电子多而磁矩高，具顺磁性。低自旋态即是Δ较大的强场排列，较稳定，成单电子少而磁矩低。

（3）姜-泰勒（Jahn-Teller）效应

铜尖晶石铁氧体在高温下是立方晶体，而在室温下不再是立方晶体而畸变为正方晶体，这种晶体畸变现象 ， 称为Jahn-Teller效应。一般发生在尖晶石型的化合 物和钙钛矿型化合物(AB2O4和RTO3类型的化合物)。
畸变程度：
在高能的eg轨道上出现简并态（eg轨道电子排布不平均），产生大畸变。
在低能的t2g轨道上出现简并态（t2g轨道电子排布不平均），产生小畸变。
在所有轨道电子排布都平均则无畸变。

姜-泰勒稳定化能：
在姜-泰勒效应中，几何构型的畸变导致基态的能级能量降低，从而使体系获得额外的稳定化能(能量降低值)，称为姜-泰勒稳定化能。

五、软磁材料
（一）、对软磁材料基本性能的要求：
a. 初始磁导率µi和最大磁导率µmax要高； b. 矫顽力Hc要小；
c. 饱和磁感应强度Ms要高; d. 功率损耗P要低； e. 高的稳定性。
（二）、提高软磁材料起始磁导率的途径有:
(a). 提高饱和磁化强度。因材料的起始磁导率µi 与Ms的平方成正比，提高Ms的大小有利于提高起始磁导率；
(b). 降低磁晶各向异性常数K1和磁致伸缩系数λs：从配方和工艺上选用K1和λs很小的铁氧体作为基本成分。
(c). 改善材料的显微结构：选择原料纯度高、活性好、适当的热处理条件，可以使烧成的材科结构均匀、杂质和气孔较少。晶粒增大，晶界对畴壁位移的阻滞作用减小，µi 升高。磁畴织构是使磁畴沿磁场方向取向，从而提高µi 值。

(d). 降低内应力：由磁化过程的磁致伸缩引起的内应力，它与λs 成正比，选择低λs材料。烧结后冷却速度太快，会造成晶格畸变，产生内应力。可以采用低温退火消除。气孔、杂质、晶格缺陷等因素在材料内部产生应力。通过原材料的优选以及工艺过程的严格拉制来消除。
（三）、非晶态软糍材料的优势：
非晶态软磁材料的特点：（1）由于不存在阻碍畴壁移动的位错和晶界，因而具有高磁导率和低矫顽力, 软磁综合性能远优于铁氧体软磁；（2）因电阻率比同种晶态材料高，涡流损耗小，适用与高频场合；（3）机械强度和硬度较高，抗化学腐蚀能力强。（4）体系自由能较高，加热时有晶化倾向。（5）在性价比和市场占有率上还不及对铁氧体。在高技术领域的应用中它将大显身手。
非晶态磁性材料的制备方法：（1）气相沉积法；（2）液相急冷法（快速冷凝技术）；（3）高能离子注入法（喷丸法）。

（四）、软磁材料的分类、及各自的磁性能和应用场合：
软磁材料可以分为以下几大类：
（1）合金。如硅钢(Fe-Si)、坡莫合金(Fe-Ni)、仙台斯特合金(Fe-Si-Al)等。金属软磁材料的饱和磁化强度高于铁氧体，因此广泛应用于发电机、变压器、马达等电力、电子、通信等领域。但它低电阻率的特性导致趋肪效应，涡流损耗限制了其在高频段的应用。
（2）软磁铁氧体。这方面主要有：Mn—Zn系、Ni—Zn系、Mg—Zn系等。MnZn铁氧休是具有尖晶石结构的mMnFe2O4·nZnFe2O4与少量Fe3O4组成的单相固溶体。软磁铁氧体的性能常因应用而异，但通常希望高磁导率、低损耗。多用于变压器、线圈、天线、磁头、开关等。
（3）非晶态、纳米晶软磁材料。由于不存在阻碍畴壁移动的位错和晶界，因而具有高磁导率和低矫顽力, 软磁综合性能远优于铁氧体软磁。另外，因电阻率较高，涡流损耗小，机械强度和硬度较高，抗化学腐蚀能力强。但在性价比和市场占有率上还不及对铁氧体。在高技术领域的应用中它将大显身手。

起始磁导率是软磁材料的重要参数。它与材料的饱和磁化强度Ms的平方成正比，与材料的K1和λs成反比，与材料中的内应力σ，和杂质浓度β成反比。其中，Ms、K1 和λs是材料的基本磁特性参数，是决定磁导率的主要因素，基本上不随加工条件和应用情况变化。而σ和β的大小及其对磁导率的影响会随加工条件和实际情况而变化。

重点掌握：
金属软磁材料：电工纯铁、硅钢、坡莫合金的主要化学成分、磁性能、及热处理工艺。
铁氧体软磁：MnZn铁氧体、NiZn 铁氧体、MgZn铁氧体的软磁特性。
非晶态软磁材料：Fe基、Co基非晶；FinementFT-1KM纳米晶的结构、制备工艺与磁性。

六、永磁材料
（一）、对永磁材料的基本性能要求：
(1). 矫顽力Hc要高；
(2)剩余磁感应强度Br要高；
(3)最大磁能积(HB)max要高；
(4)从实际应用用角度考虑，材料稳定性要高。
（二）、提高永磁材料的矫顽力Hc的途径有:
(1). 可将材料做成单畴集合体；
(2). 选择高磁晶各向异性(高K1值)的材料；
(3). 适当增大非磁性掺杂含量并控制其形状(最好是片状掺杂)和弥散度(使掺杂尺寸和畴壁宽度相近)；
(4). 选择高磁致伸缩材料，增加材料中内应力的起伏。

（三）、提高永磁材料的剩磁Mr的途径有:
1. 定向结晶：采用热流控制的定向凝固技术，在柱状晶晶粒长大方向诱导易磁化轴。
2. 塑性变形：多晶体金届材料经拔丝、轧扳、挤压、压缩等塑性加工变形，由于晶粒转动，使晶粒产生加工组织或加工织构，从而诱导磁各向异性。
3. 磁场成型：在永磁体加工成型过程中，通过施加外部磁场．使磁性颗粒的易磁化轴沿磁场方向取向，以较高永磁体的剩磁Br。
4. 磁场热处理：将材料放在外部磁场中进行热处理，可以控制热处理过程中铁磁性相颗粒的析出形态，并使磁矩沿磁场方向择优取向。

（四）、永磁材料的分类、及各自的磁性能和应用场合：
永磁材料可以分为以下几大类：
（1）金属永磁材料：主要包括铝镍钴(A1-Ni-Co)系和铁铬钴(Fe-Cr-Co)系两类永磁合金；最大磁能积（BH）max可达40 kJ/m3。60年代前，铝镍钴磁钢在永磁材料中占主导地位。
（2）铁氧体永磁材料：这是一类以Fe2O3为主要组元的复合氧化物强磁材料，最常见的有：钡铁氧体（BaO·6Fe2O3）和锶铁氧体（SrO·6 Fe2O3）
。
磁性能居中，最大磁能积（BH）max可达32 kJ/m3，抗退磁性能优良，不存在氧化问题。性价比高，目前产值约占永磁材料总产值的40％。电阻率高，特别适合在高频和微波领域应用。
（3）稀土系永磁材料，这是—类以稀土族元素和铁族元素为主要成分的金属间化合物，包括钴基的SmCo5系和Sm2Co17系列，以及铁基的Nd-Fe-B系永磁材料。
SmCo5永磁体：具有很高的磁晶各向异性常数，K1=15-19×103 kJ/m3，Ms=890 kA/m。 其理论磁能积达244.9 kJ/m3。做成磁体以后，SmCo5永磁体的磁能积达147.3 kJ/m3，剩磁Br=0.8-0.95 T。居里温度为740度，工作温度范围：-50～150度。
Sm2Co17永磁体：具有高Tc=926度，Sm2(Co0.3Fe0.7)17合金的µ0Ms＝1.63 T, 其理论最大磁能积高达525.4 kJ/m3，实际值238.8 kJ/m3。但矫顽力偏低。
Nd-Fe-B永磁体：µ0Ms＝1.57 T，Tc=585 K，室温各向异性常数K1 = 4.2 MJ/m3，各向异性场µ0Ha = 6.7 T，磁能积可高达460 kJ/m3。其理论磁能积达509.3 kJ/m3。

（五）、稀土元素的原子结构、稀土永磁的发展历程

: (1). 稀土原子的电子结构：稀土元素未满电子壳层为4f，由于受到5s，5p，6s电子层的屏蔽，受晶体电场的影响小，其轨道磁矩末被“冻结”，因而原子磁矩大。由于轨道磁矩的存在，自旋磁矩与轨道磁矩间的耦合作用很强，表现在稀土永磁合金的磁晶各向异性能和磁弹性能很大，即K和λs很大。同时，稀土永磁合金的晶体结构为六角晶系和四方晶系，因此具有强烈的单轴各向异性，这是稀土永磁获得高矫顽力的基础。
（2）.稀土永磁的发展历程: 60年代开发的以SmCo5为代表的第—代稀土永磁材料和70年代开发的以Sm2Co17为代表的第二代稀土木磁材料都具有良好的永磁性能，其最大磁能积(BH)max分别达到147.3 kJ/m3 和238.8 kJ/m3，但是这些磁体都含有金属钴和储量较少的稀土元素衫，存在原材料的供应和价格问题，使其发展受到影响。1983年佐川真人等对R-Fe-x三元合金进行了广泛的实验研究，发现了具有单轴各向异性的金属间化合物Nd2Fel4B(四方晶结构)，并制成了(BH)max达446.4 kJ/m3的高磁能积Nd-Fe-B磁体。这种高磁能积的Nd-Fe-B磁体被称为第三代稀土永磁材料。与前两代稀土永磁不同，Nd-Fe-B磁体为铁基稀土永磁，不用昂贵和稀缺的金属钴，而是钕在稀土中含量也比衫丰富5-10倍，因而原料丰富，价格相对低廉，更重要的是，它以创记录的磁能积为一系列技术创新开辟了道路。

重点掌握：
1. 铝镍钴磁钢：成分、加工工艺过程、Spinodal分解相变过程；简述柱状晶Alnico8合金的磁性能指标。硬化原理。
2. 稀土永磁的结构、永磁性能指标、制备工艺流程。
3. 了解其它磁性功能材料（磁记录材料、磁电阻材料、磁制冷材料、磁致伸缩材料生物材料等）、及自旋电子学的进展。

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