磁性材料 第6章 技術(shù)磁化理論--磁性材料ppt課件

第二章技術(shù)磁化理論,第1節(jié)技術(shù)磁化過(guò)程,2節(jié)反磁化過(guò)程,第2節(jié)靜態(tài)磁參數(shù)分析,Weiss分子場(chǎng)假說(shuō)自旋交換作用導(dǎo)致磁性體內(nèi)部存在分子場(chǎng)，從而產(chǎn)生自發(fā)磁化（MST關(guān)系，以及居里點(diǎn)的存在）在未受外磁場(chǎng)作用時(shí)為什么絕大多數(shù)鐵磁體不顯示宏觀磁性呢？磁疇假說(shuō)磁疇的概述：寬度約為10-3cm，包含1014個(gè)磁性原子（從微觀和宏觀兩種角度認(rèn)識(shí)磁疇）,Introduce,磁疇結(jié)構(gòu)：磁疇的大小、形狀以及它們?cè)阼F磁體內(nèi)的排布方式。研究磁疇結(jié)構(gòu)的形式及其在外磁場(chǎng)中的變化是磁學(xué)的重要內(nèi)容之一,（1）了解鐵磁體內(nèi)部自發(fā)磁化的分布；（2）為研究磁化過(guò)程提供理論依據(jù),鐵磁體為什么形成磁疇？磁疇的尺寸和結(jié)構(gòu)與哪些因素有關(guān)？,所有這一切都是由鐵磁體系統(tǒng)內(nèi)的總自由能等于極小值所決定的。具體而言，鐵磁體磁疇結(jié)構(gòu)的形成以及磁化過(guò)程中磁化曲線、磁滯回線上的每一點(diǎn)都代表鐵磁體的平衡狀態(tài)，而從熱力學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，在平衡狀態(tài)下，系統(tǒng)的總自由能等于極小值,第1節(jié)技術(shù)磁化TechnicalMagnetization,鐵磁性物質(zhì)的基本特征：（1）、鐵磁性物質(zhì)內(nèi)存在按磁疇分布的自發(fā)磁化（2）、鐵磁性物質(zhì)的磁化率很大（3）、鐵磁性物質(zhì)的磁化強(qiáng)度與磁化磁場(chǎng)強(qiáng)度之間不是單值函數(shù)關(guān)系，顯示磁滯現(xiàn)象，具有剩余磁化強(qiáng)度，其磁化率都是磁場(chǎng)強(qiáng)度的函數(shù)（4）、鐵磁性物質(zhì)有一個(gè)磁性轉(zhuǎn)變溫度-居里溫度TC（5）、鐵磁性物質(zhì)在磁化過(guò)程中，表現(xiàn)為磁晶各向異性和磁致伸縮現(xiàn)象,一、磁化過(guò)程概述(Generalofmagnetizingprocess),1、一些基本概念：,磁化過(guò)程：指處于磁中性狀態(tài)的強(qiáng)磁性體在外磁場(chǎng)的作用下，其磁化狀態(tài)隨外磁場(chǎng)發(fā)生變化的過(guò)程，分為靜態(tài)磁化過(guò)程和動(dòng)態(tài)磁化過(guò)程當(dāng)磁場(chǎng)作準(zhǔn)靜態(tài)變化時(shí)，稱為靜態(tài)磁化過(guò)程（又分為技術(shù)磁化和內(nèi)稟磁化）；當(dāng)磁場(chǎng)作動(dòng)態(tài)變化時(shí)，稱為動(dòng)態(tài)磁化過(guò)程技術(shù)磁化：指施加準(zhǔn)靜態(tài)變化磁場(chǎng)于強(qiáng)磁體，使其自發(fā)磁化的方向通過(guò)磁化矢量M的轉(zhuǎn)動(dòng)或磁疇移動(dòng)而指向磁場(chǎng)方向的過(guò)程,2、磁化曲線的基本特征：,鐵磁性、亞鐵磁性磁化曲線為復(fù)雜函數(shù)關(guān)系,強(qiáng)磁體的磁化曲線可分為五個(gè)特征區(qū)域：,（1）、起始磁化區(qū)（可逆磁化區(qū)域）MiHB0iH（i1+i）,（2）、Rayleigh區(qū)：仍屬弱場(chǎng)范圍，其磁化曲線規(guī)律經(jīng)驗(yàn)公式：,（3）、陡峭區(qū)中等場(chǎng)H范圍，M變化很快。特點(diǎn)是不可逆磁化過(guò)程，發(fā)生巴克豪森跳躍的急劇變化，其與均很大且達(dá)到最大值又稱最大磁導(dǎo)率區(qū),（4）、趨近飽和磁化區(qū)較強(qiáng)H，M變化緩慢，逐漸趨于技術(shù)磁化飽和。符合趨于飽和定律：,其中a、b與材料形狀有關(guān),（5）、順磁磁化區(qū)需極高的H，難以達(dá)到。在技術(shù)磁化中不予考慮,3、磁化過(guò)程的磁化機(jī)制：,若磁體被磁化，則沿外磁場(chǎng)強(qiáng)度H上的磁化強(qiáng)度MH可以表示為：,當(dāng)外磁場(chǎng)強(qiáng)度H發(fā)生微小的變化H，則相應(yīng)的磁化強(qiáng)度的改變MH可表示為：,疇壁位移磁化過(guò)程,磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)磁化過(guò)程,順磁磁化過(guò)程,即技術(shù)磁化過(guò)程為疇壁位移和磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)兩種基本磁化機(jī)制,強(qiáng)磁性材料被磁化，實(shí)質(zhì)上是材料受外磁場(chǎng)H的作用，其內(nèi)部的磁疇結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，也即是磁體內(nèi)部總能量的平衡分布重新調(diào)整過(guò)程,技術(shù)磁化過(guò)程大致可以分為三個(gè)階段：（i）、可逆疇壁位移磁化階段（弱場(chǎng)范圍內(nèi)）：若H退回到零，其M也趨于零。（多見(jiàn)于金屬軟磁材料和磁導(dǎo)率較高的鐵氧體中）（ii）、不可逆疇壁位移磁化階段（中等磁場(chǎng)范圍內(nèi)）即有Barkhausenjumps發(fā)生（iii）、磁疇磁矩的轉(zhuǎn)動(dòng)磁化階段（較強(qiáng)磁場(chǎng)范圍內(nèi)）此時(shí)樣品內(nèi)疇壁位移已基本完畢，要使M增加，只有靠磁疇磁矩的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。一般情況下，可逆與不可逆磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)發(fā)生于這個(gè)階段,第2節(jié)反磁化過(guò)程ReversalofMagnetizingProcess,一、概述,反磁化過(guò)程：鐵磁體從一個(gè)方向飽和磁化狀態(tài)變?yōu)橄喾捶较虻募夹g(shù)飽和磁化狀態(tài)的過(guò)程；主要特征磁滯現(xiàn)象（磁化強(qiáng)度M隨H變化中出現(xiàn)滯后的現(xiàn)象）來(lái)自于不可逆磁化過(guò)程實(shí)驗(yàn)證明，一般的磁性材料除在極低的磁場(chǎng)或極高磁場(chǎng)以外，在不同大小的磁場(chǎng)作用下反復(fù)磁化均可得到相應(yīng)的磁致回線，而其中最大的回線就是飽和磁滯回線（Hc、Mr）,與磁化過(guò)程一樣，反磁化中也存在可逆與不可逆磁化過(guò)程反磁化過(guò)程中，磁滯形成的根本原因主要由于鐵磁體內(nèi)存在應(yīng)力起伏、雜質(zhì)以及廣義磁各向異性引起不可逆磁化過(guò)程；所以磁滯與反磁化過(guò)程中的阻力分布有密切的關(guān)系；磁滯的機(jī)制肯定包括下面兩種：（1）在疇壁不可逆位移過(guò)程中，由應(yīng)力和雜質(zhì)所引起的磁滯；（2）在磁疇不可逆轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，由磁各向異性能所引起的磁滯。,與技術(shù)磁化過(guò)程不同，反磁化過(guò)程是從技術(shù)飽和磁化狀態(tài)開(kāi)始的（似乎不存在磁疇結(jié)構(gòu)）；反磁化過(guò)程產(chǎn)生磁滯的第三種機(jī)理：反磁化核的成長(zhǎng)過(guò)程（晶格的點(diǎn)缺陷、面缺陷對(duì)疇壁的釘扎也是引起磁滯的另一種重要機(jī)制）一般來(lái)說(shuō)，軟磁材料中主要是由不可逆疇壁位移導(dǎo)致磁滯，而某些單疇顆粒材料中，磁滯主要是由不可逆疇轉(zhuǎn)磁化過(guò)程來(lái)決定；同時(shí)在有些材料中，反磁化是通過(guò)反磁化核的生長(zhǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此其磁滯主要決定于反磁化核生長(zhǎng)的阻力,注意：矯頑力Hc和剩余磁化強(qiáng)度Mr是磁滯回線上的物理量，而矯頑力HC是表征磁滯的主要磁學(xué)量，在一級(jí)近似下，Hc可看作不可逆磁化過(guò)程的臨界磁場(chǎng)H0的平均值來(lái)進(jìn)行計(jì)算，即：,其物理意義就是相應(yīng)于鐵磁體中大量地進(jìn)行反磁化的平均磁場(chǎng)；即當(dāng)外磁場(chǎng)達(dá)到H0時(shí)，鐵磁體內(nèi)的不可逆磁化過(guò)程已大部分進(jìn)行完了研究反磁化問(wèn)題的核心就是計(jì)算矯頑力,第3節(jié)靜態(tài)磁參數(shù)分析AnalysisofStaticMagneticParameters,一、起始磁化率i,起始磁化率i是軟磁材料工作在弱磁場(chǎng)中的一個(gè)重要磁性參數(shù)，也是電訊工程技術(shù)上應(yīng)用磁性材料性能的重要指標(biāo)；技術(shù)磁化理論中的起始磁化率的共同特點(diǎn)：與材料的飽和磁化強(qiáng)度MS的平方成正比，而與材料內(nèi)部存在的S、K1和雜質(zhì)濃度成反比；即與很多因素有關(guān)，如雜質(zhì)、氣孔以及晶粒大小、取向和排列等有密切關(guān)系；目前的磁化理論還不能精確計(jì)算起始磁化率i，但如果要想獲得高的起始磁化率必須從材料的四個(gè)方面來(lái)考慮：（1）材料的磁化強(qiáng)度MS；（2）材料的K1和S；（3）材料晶體結(jié)構(gòu)的完整性；（4）材料組成成分的均勻性,（一）、材料的飽和磁化強(qiáng)度MS：,磁化理論決定的起始磁化率i均與Ms2成正比，所以提高M(jìn)S的大小有利于獲得高的i；在軟磁材料中可以選擇適當(dāng)?shù)呐浞匠煞忠院螅_實(shí)可以提高材料的MS值；MS值一般不可能變動(dòng)很大，且提高M(jìn)S后不一定能夠同時(shí)保證低的K1和S等所以改變MS的大小并不是提高起始磁化率i的最有效的方法,（二）、磁晶各向異性常數(shù)K1和磁致伸縮系數(shù)S：,控制S和K1是改善起始磁化率i的一個(gè)重要途徑（無(wú)論是在疇壁位移還是在疇轉(zhuǎn)磁化過(guò)程中）例如Fe-Ni合金的K1和S隨其成分及結(jié)構(gòu)不同而變化，而且可以在很大范圍內(nèi)變化其大小和符號(hào),可能使K1和S很小，甚至可以使K10和S0。如含78.5Ni的Fe-Ni坡莫合金，經(jīng)過(guò)雙重?zé)崽幚砗罂墒蛊淦鹗即艑?dǎo)率增高到104,對(duì)于軟磁鐵氧體材料，控制材料中幾種成分的適當(dāng)比例，可以制成K1和S較低的復(fù)合鐵氧體材料，通常采用加入ZnO和過(guò)鐵配方以達(dá)到同時(shí)降低K1和S值的目的,一般尖晶石鐵氧體材料的K10的CoFe2O4或S0的Fe3O4均可達(dá)到降低K1和S的目的,（三）、內(nèi)應(yīng)力和摻雜及其分布：,方案：盡量減少材料中的雜質(zhì)含量和內(nèi)應(yīng)力的分布，主要通過(guò)選擇原料純度、控制燒結(jié)溫度以及熱處理?xiàng)l件來(lái)實(shí)現(xiàn)例如：鐵氧體材料，若選擇原料純度高、活性好、適當(dāng)?shù)臒Y(jié)溫度和時(shí)間、熱處理?xiàng)l件就可以使燒成的材料結(jié)構(gòu)均勻、晶粒大小適當(dāng)，雜質(zhì)和空隙較少；金屬軟磁材料，通過(guò)選擇成分、原料純度、控制熔煉過(guò)程的溫度和時(shí)間以及熱處理?xiàng)l件等，可以得到單相、無(wú)氣泡、雜質(zhì)少以及低的殘余應(yīng)力實(shí)踐證明，熱處理對(duì)于材料結(jié)構(gòu)和微結(jié)構(gòu)影響很大，因而可能影響到K1和S的性質(zhì)，如對(duì)于S大的材料要注意降低內(nèi)應(yīng)力，而K1大的材料則要盡量減少雜質(zhì)的含量,（四）控制晶粒尺寸的大?。?若材料晶粒大，晶界對(duì)疇壁位移的阻滯較?。粚?shí)驗(yàn)已證明，起始磁化率隨晶粒尺寸的增大而升高，且隨著晶粒尺寸大小的不同，對(duì)起始磁化率i的貢獻(xiàn)的磁化機(jī)制也不同；如MnZn鐵氧體材料，當(dāng)其晶粒在5m以下時(shí)，磁導(dǎo)率約為500左右，這時(shí)晶粒近似為單疇，其貢獻(xiàn)是以疇轉(zhuǎn)磁化為主，若晶粒尺寸在5m以上時(shí)，已不是單疇，將會(huì)發(fā)生疇壁位移，其磁導(dǎo)率增大為3000以上,晶粒的尺寸大小一般要受到燒結(jié)條件及熱處理的影響，提高鐵氧體燒結(jié)溫度，可以使晶粒長(zhǎng)大，有利于提高磁導(dǎo)率，但燒結(jié)溫度過(guò)高，會(huì)使材料內(nèi)部某些元素?fù)]發(fā)而產(chǎn)生大空隙和應(yīng)力，對(duì)提高磁導(dǎo)率產(chǎn)生不利的一面,（五）材料的織構(gòu)化,利用i的各向異性特點(diǎn)來(lái)改進(jìn)磁性材料的磁特性的一種特殊方法，分結(jié)晶織構(gòu)和磁疇織構(gòu)兩種方法；結(jié)晶織構(gòu)：將各晶粒易磁化軸排列在同一個(gè)方向上，若沿該方向磁化可獲得高的i；磁疇織構(gòu)：使磁疇沿磁場(chǎng)方向取向排列，從而提高i,二、剩余磁化強(qiáng)度MR,剩余磁化強(qiáng)度MR的大小，決定于材料從飽和磁化降到H0的反磁化過(guò)程中磁疇結(jié)構(gòu)的變化；它是反磁化過(guò)程中不可逆磁化的標(biāo)志，也是決定磁滯回線形狀大小的一個(gè)重要物理量,剩余磁化狀態(tài)：鐵磁體磁化至飽和后，再將外磁場(chǎng)減退至零的狀態(tài)，即H0，而M0的磁化狀態(tài)；一般可以理解為鐵磁體磁化至飽和后，在反磁化過(guò)程中保留了大量不可逆的磁化部分，而退掉了在H0區(qū)域中的可逆磁化部分,以由單軸各向異性晶粒組成的多晶體為例說(shuō)明剩余磁化的磁疇結(jié)構(gòu)變化示意圖,在多晶體中，假設(shè)晶粒的單易磁化軸是均勻分布的，當(dāng)多晶體在某個(gè)方向磁化飽和后，再將外磁場(chǎng)降為零，由于不可逆磁化的存在，各個(gè)晶粒內(nèi)的磁矩不是從飽和磁化方向回到自己原來(lái)的易磁化軸方向，而是只回到各自最靠近外磁場(chǎng)方向上的那些易磁化軸方向，所以磁矩均勻分布在半球內(nèi),則在原來(lái)磁場(chǎng)方向上保留的剩磁大小可近似為MRMScos，其中為外磁場(chǎng)與每個(gè)晶粒的易磁化軸間的夾角,三、矯頑力HC,H,M,B,BHC,MHC,磁感矯頑力BHC：在BH磁滯回線上，使B0的磁場(chǎng)強(qiáng)度;內(nèi)稟矯頑力MHC：在MH磁滯回線上，使M0的磁場(chǎng)強(qiáng)度;通常情況下，,1、兩種矯頑力的定義：,2、各種因素決定的矯頑力Hc：,3、控制矯頑力HC大小的有效途徑：,軟磁HC要小，而硬磁HC要大，如何做到這一點(diǎn)呢？采用什么途徑呢？根本出發(fā)點(diǎn)：根據(jù)決定矯頑力HC的磁滯機(jī)理理論，在工藝制作中控制影響HC大小的各種因素,（1）、如何提高矯頑力HC：,a、增強(qiáng)對(duì)疇轉(zhuǎn)磁化的阻力通過(guò)疇轉(zhuǎn)獲得高矯頑力HC的必要條件為使材料形成單疇顆粒，其充分條件則是提高材料的磁各向異性,b、提高對(duì)疇壁位移的阻力基本方向：增大內(nèi)應(yīng)力的起伏分布和增加雜質(zhì)的體積濃度，同時(shí)若提高材料的S和K1將更有效,誤區(qū)：認(rèn)為高矯頑力HC的材料一定是單疇結(jié)構(gòu)，且由位移磁化過(guò)程所決定的往往不高,60年代以后，對(duì)鐵氧體永磁材料的磁疇結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)，其反磁化過(guò)程是以反磁化核生長(zhǎng)而通過(guò)疇壁位移進(jìn)行的，可以獲得HC高達(dá)約106/4(A/m),70年代以來(lái)，針對(duì)高K1的稀土合金研究，發(fā)展了疇壁位移阻力的理論，提出了疇壁釘扎的概念來(lái)解釋稀土永磁合金高HC的來(lái)源問(wèn)題如SmCo5材料HC高達(dá)約4106(A/m),總之，提高對(duì)反磁化核生長(zhǎng)的阻滯以及疇壁位移的阻滯是提高矯頑力的普適方法之一,（）、如何降低矯頑力HC：,軟磁材料要求矯頑力HC越小越好，一般其HC為0.1100A/m的數(shù)量級(jí)，顯然不是單疇顆粒材料所為;軟磁材料的反磁化過(guò)程是通過(guò)疇壁位移來(lái)進(jìn)行的；降低HC的總體原則：降低內(nèi)應(yīng)力起伏、雜質(zhì)濃度含量以及其它缺陷分布；若內(nèi)應(yīng)力不易消除，則應(yīng)注意降低S；若雜質(zhì)較多，則應(yīng)注意降低K1值（與提高起始磁化率的方法一致）,四、最大磁能積（BH）max,1、（BH）max的理論值：,基本特征：Mr=MS，MHCMSBr=BS=0MS，BHC=MS,理想退磁曲線方程仍可以表示為：,判別一種永磁材料是否有發(fā)展?jié)摿Φ睦碚撘罁?jù),2、（BH）max的確定：,B1,H1,3、HC、Br、（B