《磁性材料》基本要求.doc

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，m=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Am-1。CGS单位是奥斯特(Oe)。换算关系：1 A/m =4/ 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Wbm-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，表示磁性材料传导和通过磁力线的能力单位为亨利米（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：= 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，s, 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和虚部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，复数磁导率的实部下降到初始值的一半或虚部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i有密切的关系。般而言，材料的起始磁导率i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=/.(25) 损耗因子tan: 损耗角的正切tan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。tan=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 (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 (Ep)时，洪德法则成立。电子由最低能级开始填充，一直到最高能级，过半满后，电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：=M/H 磁导率：=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/m2B: 1T=104 G; H: 1103 A/m=4 Oe; M: 1103 A/m= emu/cm3;按矫顽力分类：软磁材料：Hc1000A/m(12.5Oe)半硬磁材料：Hc :1001000A/m(1.2512.5Oe)。例1牌号为1J46的冷轧铁镍软磁薄带的饱和磁化强度为Ms = 11.9105 Am-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_ Am-1，最大矫顽力Hc = 20 A/m，相当于Hc = _ Oe （奥斯特）。（注：0 = 410-7 Hm-1）。Magnetic TermSymbolSI unitCGS unitconversion factormagnetic inductionBTesla (T)Gauss (G)1 T = 104 Gmagnetic field HA/mOersted (Oe)1 A/m =4p/103 OemagnetizationMA/memu/cm31 A/m = 10-3 emu/cm3mass magnetizationsAm2/kgemu/g1 Am2/kg = 1 emu/gmagnetic momentmAm2emu1 Am2 = 103emuvolume susceptibilitykdimensionlessdimensionless4p (SI) = 1 (cgs)mass susceptibilitycm3/kgemu/Oeg1 m3/kg = 103/4pemu /Oegpermeability offree spacem0H/mdimensionless4px10-7 H/m = 1 (cgs)A= Amperecm= centimeteremu= electromagnetic unitg= gramkg= kilogramm= meterH= Henry SI制：B = 0（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 + 4M；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 = 6.62610-34 Js；玻尔兹曼常数k = 1.3810-23 J/K；0 = 410-7 Hm-1；c = 3108 m/s；电子电荷量e1.610-19库仑；电子质量 me = 9.10938188 10-31 公斤；波尔磁子B = eh/（4me）=9.27310-24 Am2。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）J：根据=3.58B，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=5S： S=1J = 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）J：根据=10.63B，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 = 5J = L + S 例3：试计算Fe3+ （或Fe2+） 的基态磁矩为5 B (4B)。（有几个未成对电子，就有几个B）。（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 = 0S： S = 5/2； J = L+ S = S = 5/2；基态的光谱项6S5/2；gJ = 2 Fe+2 3d6 S2m： 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时，则因跃迁进入d 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i和最大磁导率max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i 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s：从配方和工艺上选用K1和s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，i 升高。磁畴织构是使磁畴沿磁场方向取向，从而提高i 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s 成正比，选择低s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：MnZn系、NiZn系、MgZn系等。MnZn铁氧休是具有尖晶石结构的mMnFe2O4nZnFe2O4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s成反比，与材料中的内应力，和杂质浓度成反比。其中，Ms、K1 和s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。而和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（BaO6Fe2O3）和锶铁氧体（SrO6 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=15-19103 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：-50150度。Sm2Co17永磁体：具有高Tc=926度，Sm2(Co0.3Fe0.7)17合金的0Ms1.63 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：0Ms1.57 T，Tc=585 K，室温各向异性常数K1 = 4.2 MJ/m3，各向异性场0Ha = 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s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。27