第7章磁性材料

1、第7章 磁性材料 磁性的來源及其基本分類磁性的來源及其基本分類 強磁性物質及其應用強磁性物質及其應用 7.1 物質磁性的來源物質磁性的來源 地球磁場地球就是一塊巨大的磁鐵，它的N極在地理的南極附近，而S極在地理的北極附近. 磁性是物質的基本屬性磁性材料是古老而年輕的功能材料司南（戰(zhàn)國時期）司南利用天然磁石琢磨而成,樣子像一把勺，重心位于底部正中，底盤光滑，四周刻有二十四向，使用時把長勺放在底盤上，用手輕撥，停下后長柄就指向南方。1.材料磁性的起源物質的磁性來源于原子的磁矩 原子磁矩原子核磁矩電子磁矩原子核磁矩 電子磁矩電子磁矩軌道磁矩自旋磁矩 量子力學的分析： 在填滿電子的殼層中，總軌道磁矩和

2、總自旋磁矩均為零物質磁矩一般不等同于孤立原子的磁矩和 （相互作用）原子磁矩實際上來源于未填滿殼層中的電子 矢量和磁極磁極：磁性強的區(qū)域磁性強的區(qū)域 N極：指北的一端，正磁極；正磁荷，+ m S極：指南的一端，負磁極；負磁荷，-m 磁荷可以看成點磁荷 磁偶極子：無限小的磁體磁偶極子：無限小的磁體產生的磁偶極矩為：產生的磁偶極矩為：（矢量）（矢量） mlmj2. 磁偶極子磁偶極子 假想在磁極之間存在著一種曲線，它代表著磁極之間相互作用的強弱。這種假想的曲線稱為磁力線，并規(guī)定磁力線從N極出發(fā)，最終進入S極。 在磁極周圍的空間中真正存在的不是磁力線，而是一種場，我們稱之為磁場。磁性物質的相互吸引等就是

3、通過磁場進行的。 磁場的強弱可以用假想的磁力線數量來表示，磁力線密的地方磁場強，磁力線疏的地方磁場弱。 3. 3. 磁力線和磁場 4. 4. 磁場強度磁場強度： 描述空間某一點描述空間某一點磁場磁場的的大小大小和和方向方向，用，用H H表示。表示。 設試探磁極的點磁荷為m，它在磁場中某處受力為F，則該處的磁場強度矢量H為： 5.磁化強度：指材料內部單位體積的磁矩矢量和, 用M表示，它反映出磁體的磁性強弱程度。 mFH/rrmmkF321HM 磁感應強度磁感應強度： 磁感應強度磁感應強度B B的定義是：的定義是：B=B=m m0 0(H+M)(H+M)，其中，其中m m0 0是一個是一個系數，叫

4、做真空導磁率。系數，叫做真空導磁率。 導磁率導磁率： 導磁率實際上代表了磁性材料被磁化的容易程度，導磁率實際上代表了磁性材料被磁化的容易程度，或者說是材料對外部磁場的或者說是材料對外部磁場的靈敏靈敏程度。導磁率的定程度。導磁率的定義是義是mB/mmB/m0 0H H，是磁化曲線上任意一點上，是磁化曲線上任意一點上B B和和H H的比的比值。值。)1 (m 6.6.磁感應強度和導磁率磁感應強度和導磁率 7.7.自發(fā)磁化自發(fā)磁化 鐵磁性物質內的原子磁矩，通過自身的某鐵磁性物質內的原子磁矩，通過自身的某種作用，克服熱運動的無序效應，能種作用，克服熱運動的無序效應，能有序取向有序取向，按不同的按不同的

5、小區(qū)域分布小區(qū)域分布。即物質內部的原子磁矩。即物質內部的原子磁矩是按區(qū)域自發(fā)平行取向的。這種現象稱為自發(fā)是按區(qū)域自發(fā)平行取向的。這種現象稱為自發(fā)磁化。磁化。 8.8.磁疇磁疇 自發(fā)磁化的小區(qū)域，稱為磁疇。各個磁疇自發(fā)磁化的小區(qū)域，稱為磁疇。各個磁疇之間的交界面稱為磁疇壁。之間的交界面稱為磁疇壁。磁性材料中常見的磁疇形狀：條形疇，樹枝狀疇和迷宮疇Fe 3%Si 單晶（111）晶面的磁疇結構 強磁性材料被磁化后表現出一個重要特征，即有磁滯回線。磁滯回線是磁化磁場變化(H)一周時，磁性材料的磁感應強度(B)或磁化強度(M)隨之而變化的曲線。由于磁滯，B或M的值，不是沿著原來的磁化路徑改變，而是沿著當

6、H作循環(huán)變化時另外的路徑變化，以至于當磁化磁場正反磁化一周所得的磁化曲線，形成一閉合回線。 9. 9.磁滯回線磁滯回線變壓器鋼和碳鋼的磁滯回線 10. 10.居里溫度居里溫度 對于所有的磁性材料來說，并不是在任何溫度下都具有磁性。一般地，磁性材料具有一個臨界溫度Tc，稱為居里溫度。在這個溫度以上，由于高溫下原子的劇烈熱運動，原子磁矩的排列是混亂無序的。在此溫度以下，原子磁矩排列整齊，產生自發(fā)磁化，物體變成磁性材料。 利用磁性材料存在居里溫度的特點，可以開發(fā)出很多控制元件。在電飯鍋的底部中央裝了一塊磁鐵和一塊居里點為105的磁性材料。當鍋里的水分干了以后，食品的溫度將從100度上升。當溫度到達大

7、約105度時，由于被磁鐵吸住的磁性材料的磁性消失，磁鐵就對它失去了吸力，這時磁鐵和磁性材料之間的彈簧就會把它們分開，同時帶動電源開關被斷開，停止加熱。 11.11.磁致伸縮磁致伸縮 在鐵磁體和亞鐵磁體材料中，在鐵磁體和亞鐵磁體材料中，原子磁矩原子磁矩的定的定向排列，不僅導致向排列，不僅導致磁性質磁性質的各向異性，還導致的各向異性，還導致鍵合鍵合力力的各向異性和的各向異性和晶格常數晶格常數的擇優(yōu)取向。這種作用在的擇優(yōu)取向。這種作用在宏觀上宏觀上的表現為磁化方向上的的表現為磁化方向上的長度長度變化，即磁致伸變化，即磁致伸縮。利用磁致伸縮效應可以激勵磁棒產生機械振動，縮。利用磁致伸縮效應可以激勵磁棒

8、產生機械振動，在電聲技術有應用價值。在電聲技術有應用價值。 4.2 物質磁性分類物質磁性分類 物質磁性物質磁性抗磁性抗磁性順磁性順磁性鐵磁性鐵磁性反鐵磁性反鐵磁性亞鐵磁性亞鐵磁性 某些物質當它們受到外磁場某些物質當它們受到外磁場H作用后，感生作用后，感生出與（出與（H）方向相反的磁化強度方向相反的磁化強度（M），磁化率磁化率0，這種磁性稱為抗磁性。，這種磁性稱為抗磁性。 表現出磁化率小于零的物質稱為抗磁性物質。表現出磁化率小于零的物質稱為抗磁性物質。 抗磁性物質有；惰性氣體、大部分有機化合抗磁性物質有；惰性氣體、大部分有機化合物、若干金屬物、若干金屬(如如Bi、Zn、Ag和和Mg等等)、非金屬

9、、非金屬(如如Si、P和和S等等)。 抗磁性抗磁性 許多物質在受到外磁場作用后，感生出與磁化許多物質在受到外磁場作用后，感生出與磁化磁場同方向的磁化強度，磁場同方向的磁化強度，磁化率磁化率0 0，但數值很，但數值很小小，僅顯示微弱磁性。這種磁性稱為順磁性。，僅顯示微弱磁性。這種磁性稱為順磁性。 具有順磁性的物質很多，典型的有稀土金屬具有順磁性的物質很多，典型的有稀土金屬和鐵族元素的鹽類、除和鐵族元素的鹽類、除BeBe以外的堿金屬和堿土以外的堿金屬和堿土金屬以及在居里溫度以上的鐵磁元素金屬以及在居里溫度以上的鐵磁元素FeFe、NiNi、CoCo。順磁性順磁性 鐵磁性物質只要在很小的磁場作用下就能

10、被磁化到飽和，不但磁化率0，而且數值大到10106數量級，其磁化強度M與磁場強度H之間的關系是非線性的復雜函數關系。這種類型的磁性稱為鐵磁性。 鐵磁性物質的磁性很強，我們通常所說的磁性材料主要是指這類物質。 反復磁化時出現磁滯現象. 鐵磁性物質只有在居里溫度以下才具有鐵磁性；在居里溫度以上，由于受到晶體熱運動的干擾，原子磁矩的定向排列被破壞，使得鐵磁性消失，這時物質轉變?yōu)轫槾判浴?鐵磁性鐵磁性 當TTN時，順磁性 當TTN時，磁化率降低，并逐漸趨于定值。 這類物質的磁化率在溫度等于TN的地方存在極大值。TN奈耳溫度。 反鐵磁性材料內部磁矩反平行排列，相臨近的兩種相反方向的磁矩相互抵消，使得總磁

11、矩為零。 反鐵磁性物質有過渡族元素的鹽類及化合物，如MnO、Cr2O3、 CoO等。反鐵磁性反鐵磁性 亞鐵磁性是未抵消的反鐵磁性結鉤的鐵磁性。 宏觀上：磁性與鐵磁性相同，僅僅是磁化率的數量級稍低一些，大約為100一103數量級。 內部磁結構上：與反鐵磁性的相似，具有相反排列的磁矩，但相反排列的磁矩不等量。 典型的亞鐵磁性材料有尖晶石型鐵氧體、石榴石型鐵氧體，稀土鈷金屬化合物和一些過渡族金屬、非金屬化合物等。亞鐵磁性亞鐵磁性7.2 強磁性物質及其應用按矯頑力大小分： 軟磁材料 永磁材料（硬磁材料）按用途分： 磁記錄材料 其他磁性材料 強磁性物質：鐵磁和亞鐵磁1.1.軟磁材料軟磁材料概念：概念：

12、軟磁材料主要是指那些軟磁材料主要是指那些容易反復磁化容易反復磁化，且在外磁，且在外磁場去掉后，場去掉后，容易退磁容易退磁的磁性材料。的磁性材料。特點：特點： 高導磁率高導磁率：在較弱的外磁場下就能獲得高磁感應：在較弱的外磁場下就能獲得高磁感應強度，并隨外磁場的增強很快達到飽和。強度，并隨外磁場的增強很快達到飽和。 低矯頑力低矯頑力：當外磁場去除時，其磁性立即基本消：當外磁場去除時，其磁性立即基本消失。失。常見的軟磁材料： 鐵和MFe2O4、MFeO3、M3Fe2O5、MFe12O19（M為金屬離子）等 鐵氧體都是軟磁材料。用途： 軟磁材料在電子工業(yè)中主要是用來導磁?？捎米髯儔浩?、線圈、繼電器等

13、電子元件的導磁體。 變壓器變壓器變壓器的鐵芯處于不斷變化的電磁場中，鐵芯材料的磁化強度和磁感應強度也是不斷改變的。這就自然要求鐵芯材料對這種變化的阻力小，變化足夠靈敏。所以，幾乎對所有的變壓器鐵芯，都要求導磁率高。 軟磁材料的應用軟磁材料的應用磁性傳感器磁性傳感器 普通的水雷或者地雷只能在接觸目標時爆炸，因此作用有限。而如果在水雷或地雷上安裝磁性傳感器，由于坦克或者軍艦都是鋼鐵制造的，在它們接近（無須接觸目標）時，傳感器就可以探測到磁場的變化使水雷或地雷爆炸，提高了殺傷力。概念：概念： 硬磁材料是指那些硬磁材料是指那些難以磁化難以磁化，且除去外場以后，且除去外場以后，仍能保留高的剩余磁化強度的

14、材料，又稱仍能保留高的剩余磁化強度的材料，又稱永磁材永磁材料。（磁鐵）料。（磁鐵）特點：特點： 具有高矯頑力。具有高矯頑力。2. 2. 永磁材料永磁材料種類： 鋁鎳鈷系硬磁合金、硬磁鐵氧體材料、稀土硬磁材料等幾個系列用途： 硬磁材料主要用來儲藏和供給磁能，作為磁場源。硬磁材料在電子工業(yè)中廣泛用于各種電聲器件、在微波技術的磁控管中亦有應用。硬磁材料的應用硬磁材料的應用揚聲器揚聲器硬（永）磁直流步進電機硬（永）磁直流步進電機 用于變速控制系統(tǒng)用于變速控制系統(tǒng)3、磁記錄材料 磁記錄磁記錄是指將聲音、文字、圖像等信息通過電磁轉換記錄和存儲在磁記錄介質上，且該信息可重新再現。磁記錄技術依賴于用于讀、寫操

15、作的磁頭材料以及磁存儲介質材料。 磁頭材料 磁頭的基本結構 基本功能：寫入、讀出 磁頭材料得到基本性能要求：高的磁導率、高的飽和磁感應強度、高的電阻率和耐磨性 常用的磁頭鐵芯材料：合金、鐵氧體、非晶態(tài)合金、 薄膜磁頭材料目前流行的磁盤結構圖示 磁盤讀寫機構結構圖 磁記錄介質材料：涂覆在磁帶、磁盤和磁鼓上面用于記錄和存儲信息的磁性材料稱為磁記錄介質。 對材料的要求：大的飽和磁感應強度BS、大的矩形比Br/BS、大的矯頑力、低的溫度系數、小的老化效應。常用的磁記錄介質包括氧化物和金屬。 類型： 顆粒（磁粉）涂布型：將磁粉與非磁性粘合劑等含少量添加劑形成的磁漿涂布于聚脂薄膜(滌綸)基體上制成。 連續(xù)

16、薄膜型：連續(xù)磁性薄膜無須采用粘合劑等非磁性物質，制備方法有兩種 濕法，如電鍍和化學鍍 干法，如濺射法、真空蒸鍍法及離子噴鍍法 矩磁材料：矩磁材料：在易磁化方向具有接近矩形的磁滯回線，矩磁比Br/Bs通常在85%以上，主要用于制造磁放大器、磁調制器、中小功率脈沖變壓器和磁心存儲器等。 4 幾種新型的磁性材料幾種新型的磁性材料 旋磁材料旋磁材料（微波磁性材料）（微波磁性材料） 微波一般是指波長約為微波一般是指波長約為1 m 1 mm（頻率約為（頻率約為0.3 GHz 300 GHz）的電磁波，廣義微波可擴）的電磁波，廣義微波可擴展波長到約展波長到約10 m 0.1 mm（頻率約為（頻率約為30 M

17、Hz 3 THz）的電磁波。微波在雷達、導航、衛(wèi)）的電磁波。微波在雷達、導航、衛(wèi)星通信和射電天文等高新技術中有著重要的作星通信和射電天文等高新技術中有著重要的作用。在微波波段應用的磁性材料主要是利用其用。在微波波段應用的磁性材料主要是利用其旋磁特性的旋磁材料和吸收特性的吸波材料，旋磁特性的旋磁材料和吸收特性的吸波材料，其中吸波材料又被稱為隱形材料。其中吸波材料又被稱為隱形材料。 磁致伸縮磁致伸縮：是指磁性材料由于磁化狀態(tài)的改變，其尺寸在各方向發(fā)生變化的現象。 磁光效應磁光效應：是指在磁場作用下物質的電磁特性(磁疇結構、磁導率、磁化強度等)會發(fā)生變化，使得光波在材料中的傳輸特性(傳輸方向、光強、

18、相位、偏振等)隨之發(fā)生變化的現象。 磁致冷磁致冷：利用磁性材料的磁矩在無序態(tài)（非磁化態(tài)）和有序態(tài)（磁化態(tài)）之間來回轉換的過程中，磁性材料放出或吸收熱量的冷卻方法。 磁性液體磁性液體 1963年，美國國家航空與航天局的年，美國國家航空與航天局的S SPapellPapell采采用油酸為用油酸為表面活性劑表面活性劑，把它包覆在超細的，把它包覆在超細的四氧化三四氧化三鐵鐵微顆粒上微顆粒上( (直徑約為直徑約為10nm10nm) )，并高度彌散于煤油，并高度彌散于煤油( (基基液液) )中，從而形成一種穩(wěn)定的中，從而形成一種穩(wěn)定的膠體膠體體系。在磁場作用體系。在磁場作用下，磁性顆粒帶動著被表面活性劑所包裹著的液體下，磁性顆粒帶動著被表面活性劑所包裹著的液體一起運動，好象整個液體具有磁性，因此，取名為一起運動，好象整個