課程64磁性能

1、第六章第六章 材料的性能材料的性能第四節(jié)材料的磁學(xué)性能第四節(jié)材料的磁學(xué)性能 6.4.1 物質(zhì)的磁性物質(zhì)的磁性 6.4.2 磁疇與磁滯回線磁疇與磁滯回線 6.4.3 金屬的磁學(xué)性能金屬的磁學(xué)性能 6.4.4 非金屬的磁學(xué)性能非金屬的磁學(xué)性能 6.4.5 高分子材料的磁學(xué)性能高分子材料的磁學(xué)性能6.4.1 物質(zhì)的磁性物質(zhì)的磁性 6.4.1.1 磁學(xué)基本量磁學(xué)基本量: 磁矩是表示磁體本質(zhì)的磁矩是表示磁體本質(zhì)的一個物理量。任何一個封閉的電流都具有一個物理量。任何一個封閉的電流都具有磁磁矩矩m，其方向與環(huán)形電流法線的方向一致，其方向與環(huán)形電流法線的方向一致，其大小為電流與封閉環(huán)形的面積的乘積其大小為電流

2、與封閉環(huán)形的面積的乘積I S。在均勻磁場中，磁矩受到磁場作用的力矩在均勻磁場中，磁矩受到磁場作用的力矩J J=m*B, (J為矢量積，為矢量積，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度為磁感應(yīng)強(qiáng)度，其單，其單位為位為T)，或：，或： B=J/m=N.m/A.m2=V.s/m2=Wb/m2 Wb是是磁通量的單位。磁通量的單位。 為了求得磁矩在磁場中所受的力，對一維情況可寫為了求得磁矩在磁場中所受的力，對一維情況可寫成：成： Fx=m*dB/dx, 所以，磁矩是表征磁性物體磁性大小的物理量。磁所以，磁矩是表征磁性物體磁性大小的物理量。磁矩越大，磁性越強(qiáng)，即物體在磁場中所受的力也大。矩越大，磁性越強(qiáng)，即物體在磁場中所受的力也

3、大。磁矩只與物體本身有關(guān)，與外磁場無關(guān)。電子繞原磁矩只與物體本身有關(guān)，與外磁場無關(guān)。電子繞原子核運(yùn)動，產(chǎn)生電子軌道磁矩，電子本身自旋，產(chǎn)子核運(yùn)動，產(chǎn)生電子軌道磁矩，電子本身自旋，產(chǎn)生電子自旋磁矩，這兩種微觀磁矩是物質(zhì)具有磁性生電子自旋磁矩，這兩種微觀磁矩是物質(zhì)具有磁性的根源。的根源。 磁性磁性鐵磁性和鐵電性有相似的規(guī)律，但應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是它們鐵磁性和鐵電性有相似的規(guī)律，但應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是它們的本質(zhì)差別；鐵電性是由離子位移引起的，而鐵磁性的本質(zhì)差別；鐵電性是由離子位移引起的，而鐵磁性則是由原子取向引起的；鐵電性在非對稱的晶體中發(fā)則是由原子取向引起的；鐵電性在非對稱的晶體中發(fā)生，而鐵磁性發(fā)生在次價電子的非

4、平衡自旋中；鐵電生，而鐵磁性發(fā)生在次價電子的非平衡自旋中；鐵電體的居里點(diǎn)是由于熵的增加（晶體相變），而鐵磁體體的居里點(diǎn)是由于熵的增加（晶體相變），而鐵磁體的的居里點(diǎn)居里點(diǎn)是原子的無規(guī)則振動破壞了原子間的是原子的無規(guī)則振動破壞了原子間的“交換交換”作用作用，從而使自發(fā)磁化消失引起的。，從而使自發(fā)磁化消失引起的。交換作用：鐵磁性除與電子結(jié)構(gòu)有關(guān)外，還決定于晶交換作用：鐵磁性除與電子結(jié)構(gòu)有關(guān)外，還決定于晶體結(jié)構(gòu)。實(shí)踐證明，處于不同原子間的、未被填滿殼體結(jié)構(gòu)。實(shí)踐證明，處于不同原子間的、未被填滿殼層上的電子發(fā)生特殊的相互作用。這種相互作用稱為層上的電子發(fā)生特殊的相互作用。這種相互作用稱為“交換交換”作

5、用。作用。這是因?yàn)樵诰w內(nèi)，參與這種相互作用的電子已不再這是因?yàn)樵诰w內(nèi)，參與這種相互作用的電子已不再局限于原來的原子，而是局限于原來的原子，而是“公有化公有化”了。原子間好像了。原子間好像在交換電子，故稱為在交換電子，故稱為“交換交換”作用。作用。而由這種而由這種“交換交換”作用所產(chǎn)生的作用所產(chǎn)生的“交換能交換能”J與晶格的與晶格的原子間距有密切關(guān)系。當(dāng)距離很大時，原子間距有密切關(guān)系。當(dāng)距離很大時，J接近于零。隨接近于零。隨著距離的減小，相互作用有所增加，著距離的減小，相互作用有所增加，J為正值，就呈現(xiàn)為正值，就呈現(xiàn)出鐵磁性。當(dāng)原子間距出鐵磁性。當(dāng)原子間距a與未被填滿的電子殼層直徑與未被填滿

6、的電子殼層直徑D之比大于之比大于3時，交換能為正值，當(dāng)時，交換能為負(fù)值，時，交換能為正值，當(dāng)時，交換能為負(fù)值，為反鐵磁性。為反鐵磁性。交換能與鐵磁性的關(guān)系交換能與鐵磁性的關(guān)系居里點(diǎn)：鐵磁體的鐵磁性只在某一溫度以下才表現(xiàn)出來，超居里點(diǎn)：鐵磁體的鐵磁性只在某一溫度以下才表現(xiàn)出來，超過這一溫度，由于物質(zhì)內(nèi)部熱騷動破壞電子自旋磁矩的平行過這一溫度，由于物質(zhì)內(nèi)部熱騷動破壞電子自旋磁矩的平行取向，因而自發(fā)磁化強(qiáng)度變?yōu)槿∠颍蚨园l(fā)磁化強(qiáng)度變?yōu)?，鐵磁性消失。這一溫度稱為，鐵磁性消失。這一溫度稱為居里點(diǎn)居里點(diǎn)TC。在居里點(diǎn)以上，材料表現(xiàn)為強(qiáng)順磁性，其磁化率。在居里點(diǎn)以上，材料表現(xiàn)為強(qiáng)順磁性，其磁化率與溫度的

7、關(guān)系服從居里外斯定律，與溫度的關(guān)系服從居里外斯定律， =C/(T-Tc) 式中式中C為居里常數(shù)為居里常數(shù)依據(jù)原子的磁矩（有軌道磁矩和原子磁矩，統(tǒng)稱為原依據(jù)原子的磁矩（有軌道磁矩和原子磁矩，統(tǒng)稱為原子磁矩）結(jié)構(gòu)，鐵磁性分為兩類：子磁矩）結(jié)構(gòu)，鐵磁性分為兩類：本征鐵磁性材料：在某一宏觀尺寸大小的范圍內(nèi)，原本征鐵磁性材料：在某一宏觀尺寸大小的范圍內(nèi)，原子磁矩的方向趨于一致，此范圍稱為磁疇（一般為子磁矩的方向趨于一致，此范圍稱為磁疇（一般為1-2微米，每個磁疇可以看作是具有一定自發(fā)磁化強(qiáng)度微米，每個磁疇可以看作是具有一定自發(fā)磁化強(qiáng)度的小永磁體），這種鐵磁性稱為完全鐵磁性（的小永磁體），這種鐵磁性稱為完

8、全鐵磁性（Fe、Co、Ni）。）。大小不同的原子磁矩反平行排列，二者不能完全抵消，大小不同的原子磁矩反平行排列，二者不能完全抵消，相對于外磁場表現(xiàn)出一定的磁化作用，稱此種鐵磁性相對于外磁場表現(xiàn)出一定的磁化作用，稱此種鐵磁性為亞鐵磁性（鐵氧體）。為亞鐵磁性（鐵氧體）?？勾判裕嚎勾判裕寒?dāng)磁化強(qiáng)度為負(fù)時，固體表現(xiàn)為抗磁性。磁化率當(dāng)磁化強(qiáng)度為負(fù)時，固體表現(xiàn)為抗磁性。磁化率 一般約一般約為為-10-5，周期表中前，周期表中前18個元素、個元素、Bi、Cu、Ag、Au等，無永久等，無永久磁矩。磁矩。P366順磁性和鐵磁性順磁性和鐵磁性：兩者都具有永久磁矩，有外電場時，前者表現(xiàn)：兩者都具有永久磁矩，有外電場

9、時，前者表現(xiàn)出極弱的磁性，后者磁化強(qiáng)度大，當(dāng)移去外磁場，則前者不表現(xiàn)出極弱的磁性，后者磁化強(qiáng)度大，當(dāng)移去外磁場，則前者不表現(xiàn)出磁性，而后者則保留極強(qiáng)的磁性。前者出磁性，而后者則保留極強(qiáng)的磁性。前者磁化率磁化率 一般約為一般約為10-5，后者后者磁化率磁化率 一般約為一般約為103。亞鐵磁性體亞鐵磁性體：相鄰原子磁體反平行，磁矩大小不同，產(chǎn)生與鐵磁：相鄰原子磁體反平行，磁矩大小不同，產(chǎn)生與鐵磁性相類似的磁性。一般稱為鐵氧體的大部分鐵系氧化物即為此，性相類似的磁性。一般稱為鐵氧體的大部分鐵系氧化物即為此，磁化率磁化率 一般約為一般約為1-103 。反鐵磁性：反鐵磁性：由于交換作用，相鄰晶胞中的單電

10、子自旋反向排列，由于交換作用，相鄰晶胞中的單電子自旋反向排列，引起相鄰磁矩反向排列，引起相鄰磁矩反向排列，磁化率磁化率 一般非常小，接近于零一般非常小，接近于零 。在鐵。在鐵電性材料中有反鐵電性。電性材料中有反鐵電性。磁性材料：鐵磁性與亞鐵磁性的統(tǒng)稱磁性材料：鐵磁性與亞鐵磁性的統(tǒng)稱。HMFe,Co,Ni,Gd,Tb,Dy,等元素及等元素及其合金、金屬間化合物。其合金、金屬間化合物。FeSi,NiFe,CoFe,SmCo,NdFeB,CoCr等等 P366各種鐵氧體系材料（各種鐵氧體系材料（Te,Go,Ni氧化物）氧化物）Fe,Co等與重稀土類等與重稀土類金屬形成金屬間化合物金屬形成金屬間化合物

11、（TbFe等等)O2,Pt,Rh,Pd等，第一主族等，第一主族（Li,Na,K等），第二主族等），第二主族(Be,Mg,Ca),NaCl,KCl的的F中心中心Cr,Mn,Nd,Sm,Eu等等3d過渡元過渡元素或稀土元素，還有素或稀土元素，還有MnO、MnF2等合金、化合物等。等合金、化合物等?？勾判裕捍啪貫榱悖诳勾判裕捍啪貫榱?，在外磁場作用下感生磁矩，外磁場作用下感生磁矩，磁化強(qiáng)度為負(fù)值。引起磁化強(qiáng)度為負(fù)值。引起的原因主要是原子中電的原因主要是原子中電子軌道狀態(tài)的變化。周子軌道狀態(tài)的變化。周期表中前期表中前8個主要元素表個主要元素表現(xiàn)為抗磁性。這些元素現(xiàn)為抗磁性。這些元素構(gòu)成了陶瓷材料中幾乎

12、構(gòu)成了陶瓷材料中幾乎所有的陰離子。（所有的陰離子。（O2-,F-,Cl-N3-OH-等）等）HMCu,Ag,AuC,Si,GeN,P,As,Sb,BiS,Te,SeF,Ci,Br,IHe,Ne,Ar,Kr,Xe,RnSN永磁體永磁體F強(qiáng)烈吸引的物質(zhì)：鐵磁性（包括亞鐵磁性）強(qiáng)烈吸引的物質(zhì)：鐵磁性（包括亞鐵磁性）輕微吸引的物質(zhì)：順磁性，反鐵磁性（弱輕微吸引的物質(zhì)：順磁性，反鐵磁性（弱磁性）磁性）輕微排斥的物質(zhì)：反磁性輕微排斥的物質(zhì)：反磁性強(qiáng)烈排斥的物質(zhì)：完全反磁性（超導(dǎo)體）強(qiáng)烈排斥的物質(zhì)：完全反磁性（超導(dǎo)體）按物質(zhì)對磁場的反應(yīng)對其進(jìn)行分類按物質(zhì)對磁場的反應(yīng)對其進(jìn)行分類NSN SNSNS完全反磁性完

13、全反磁性鐵磁性鐵磁性S N 順磁性B= 0H+M=( 0+ ) H= HMnO點(diǎn)陣中Mn2+的自旋排列例如：反鐵磁性例如：反鐵磁性MnO尖晶石的元晶胞(a)及子晶胞(b)、(c)例如：尖晶石型鐵氧體例如：尖晶石型鐵氧體M 2+OFe2 3+ O3MFe,Ni,Mg或復(fù)合鐵氧體或復(fù)合鐵氧體Mg 1-xMnxFe2O4氧四面體為氧四面體為A位，位，八面體為八面體為B位，兩位，兩價離子都處于價離子都處于A位，位，則為正尖晶石結(jié)構(gòu)；則為正尖晶石結(jié)構(gòu)；二價離子占有二價離子占有B位，位，三價離子占有三價離子占有A位位及余下的及余下的B位，則位，則為反尖晶石。為反尖晶石。所有所有亞鐵磁性尖晶石幾乎都是反型亞

14、鐵磁性尖晶石幾乎都是反型 Fe 3+(Fe3+M2+)O4這可設(shè)想由于這可設(shè)想由于較大的兩價離子趨于占據(jù)較大的八面位較大的兩價離子趨于占據(jù)較大的八面位置置。A位離子與反平行態(tài)的位離子與反平行態(tài)的B位離子之間，借助于電子位離子之間，借助于電子自旋耦合而形成二價離子的凈磁矩，即自旋耦合而形成二價離子的凈磁矩，即 Fea+3Feb+3Mb+2陽離子出現(xiàn)于反型程度，取決于熱處理條件。一般來陽離子出現(xiàn)于反型程度，取決于熱處理條件。一般來說，提高正尖晶石的溫度會使離子激發(fā)至反型位置。說，提高正尖晶石的溫度會使離子激發(fā)至反型位置。所以在制備類似于所以在制備類似于CuFe2O4的鐵氧體時，必須將反型結(jié)的鐵氧體

15、時，必須將反型結(jié)構(gòu)高溫淬火才能得到存在于低溫的反型結(jié)構(gòu)。構(gòu)高溫淬火才能得到存在于低溫的反型結(jié)構(gòu)。錳鐵氧體錳鐵氧體約為約為80正型尖晶石，這種離子分布隨熱處正型尖晶石，這種離子分布隨熱處理變化不大。理變化不大。在利用物質(zhì)的鐵磁性時，首先應(yīng)了解鐵磁性物質(zhì)的各在利用物質(zhì)的鐵磁性時，首先應(yīng)了解鐵磁性物質(zhì)的各種磁性能；在工藝上要充分保證并提高磁性能；在應(yīng)種磁性能；在工藝上要充分保證并提高磁性能；在應(yīng)用上應(yīng)充分發(fā)揮鐵磁性材料的潛力。鐵磁性材料的幾用上應(yīng)充分發(fā)揮鐵磁性材料的潛力。鐵磁性材料的幾個重要的基本特性如下：個重要的基本特性如下：（1）完全由物質(zhì)本身（成分組成比）決定的特性）完全由物質(zhì)本身（成分組成比

16、）決定的特性飽和磁化強(qiáng)度、飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度飽和磁化強(qiáng)度、飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度（2）由物質(zhì)決定，但隨其晶體組織結(jié)構(gòu)變化的特征）由物質(zhì)決定，但隨其晶體組織結(jié)構(gòu)變化的特征磁導(dǎo)率（軟磁為高磁導(dǎo)率）、矯頑力（硬磁為高的矯磁導(dǎo)率（軟磁為高磁導(dǎo)率）、矯頑力（硬磁為高的矯頑力）、矩形比。頑力）、矩形比。3、磁性的分類磁性的分類根據(jù)材料磁化率材料磁化率的分類（1）抗磁性抗磁性(Ferrimagnetism) M0 Bi，Cu，Ag，Au 磁矩應(yīng)為磁矩應(yīng)為0； x0，r 1 外磁場中，感生一個磁矩，與外磁場方向相反 抗磁性來源抗磁性來源原子軌道中電子軌道的變化 （2）順磁性順磁性(Diamagnetism) 原子內(nèi)部存在

17、永久磁矩永久磁矩 無外磁場無外磁場，宏觀無磁性； 有外磁場有外磁場，顯示極弱磁性。 磁化率很小室溫下約為10-5 ： xC/T。C：居里常數(shù)。 x0，r 1 過渡元素、稀土元素、鋼系元素。（3）鐵磁性鐵磁性(Ferromagnetism) 強(qiáng)磁性物質(zhì)強(qiáng)磁性物質(zhì)，F(xiàn)e，Co，Ni 室溫下磁化率可達(dá)103。 較弱磁場 較高的磁化強(qiáng)度； 外磁場移去保留較強(qiáng)磁性； x0，r 1 強(qiáng)磁性來源強(qiáng)磁性來源很強(qiáng)的內(nèi)部交換場 基本特征基本特征-自發(fā)磁化 居里點(diǎn)溫度居里點(diǎn)溫度Tc，自發(fā)磁化強(qiáng)度變?yōu)?，鐵磁性消失 Tc以上，材料表現(xiàn)為強(qiáng)順磁性。 居里居里外斯定律外斯定律 TcTC(Curie temperature

18、)MH（4）亞鐵磁體亞鐵磁體(Paramagnetism) 類似鐵磁體類似鐵磁體，x值沒有鐵磁體大。 磁鐵礦（磁鐵礦（Fe3O4）。 晶體不同晶格內(nèi)磁矩的反平行取向不同晶格內(nèi)磁矩的反平行取向而導(dǎo)致的抵消作用不一抵消作用不一，保留了剩余磁矩，表現(xiàn)出一定的鐵磁性。 （5）反鐵磁性反鐵磁性(Antiferromagnetism) 由于“交換”作用力負(fù)值負(fù)值，電子自旋反向平行排列電子自旋反向平行排列，整個晶體M0。 a/D 3任何溫度下，都不能觀察到反鐵磁性物質(zhì)的任何自發(fā)磁化現(xiàn)象。4-4-2 磁疇與磁滯回線磁疇與磁滯回線(Domain and Hysteresis loop)1磁疇磁疇物質(zhì)內(nèi)部存在的自

19、發(fā)磁化自發(fā)磁化的小區(qū)域。 磁疇結(jié)構(gòu)形成的原因形成的原因?yàn)楸３肿园l(fā)磁化的穩(wěn)定性保持自發(fā)磁化的穩(wěn)定性，必須使強(qiáng)磁體的能量達(dá)最低值能量達(dá)最低值，因而分裂成無數(shù)微小的磁疇；10-9cm3。 各磁疇之間彼此取向不同，首尾相接，形成閉合磁路，對外不顯磁性。 磁疇壁磁疇壁)；相鄰磁疇間的過度層。 厚度，一般10-5cm (domain wall)2磁滯回線磁滯回線鐵磁材料的一個基本特征基本特征磁化曲線磁化曲線(Hysteresis curve)C 點(diǎn)點(diǎn) Bs Ms Hs saturation magnetizationBr 剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度 remanence, or remanent flux

20、 density,退磁退磁過程中的變化B落后于落后于H的變化H 為交變磁場交變磁場材料的磁滯損耗與材料的磁滯損耗與回線面積成正比回線面積成正比 硬磁硬磁 具有大磁滯回線和剩磁的 鐵磁性材料(Hard magnetic material)軟磁軟磁 具有小磁滯回線和小能量損耗的鐵磁性材料(Soft magnetic material)矯頑力矯頑力Hc 消除Br為零的反相磁場(coercivity)BrBsMs=(r-1)H鐵磁性材料：鐵磁性材料：軟磁（高磁導(dǎo)率材料、小磁滯回線、小能量損失）、軟磁（高磁導(dǎo)率材料、小磁滯回線、小能量損失）、硬磁硬磁（大磁滯回線、剩磁大，高矯頑力材料，（大磁滯回線、剩磁大，高矯頑力材料，永磁體永磁體材料）、材料）、矩磁（磁滯回線近乎于矩形）矩磁（磁滯回線近乎于矩形）高的磁導(dǎo)率材料（軟磁材料）：由較低的外部磁場強(qiáng)度就可獲高的磁導(dǎo)率材料（軟磁材料）：由較低的外部磁場強(qiáng)度就可獲得大的磁化強(qiáng)度及高密度磁通量的材料。得大的磁化強(qiáng)度及高密度磁通量的材料。（1）初始磁導(dǎo)率、最大磁導(dǎo)率要高，目的在于提高功能效率）初始磁導(dǎo)率、最大磁導(dǎo)率要高，目的在于提高功能效率（2）剩余磁化強(qiáng)度要低，飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度要高，目的在于省）剩余磁化強(qiáng)度要低，飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度要高，目的在于省資源，便于輕薄短小，可迅速響應(yīng)外磁場的反轉(zhuǎn)。資源，便于輕薄短小，可迅速響應(yīng)外磁場的反轉(zhuǎn)。（3）矯頑力要小，目的在