第二類磁性的影響因素(精華版)

1、第二類磁性的影響因素第二類磁性 定義 第二類磁性第二類磁性是在磁場作用下，與鐵磁體磁性相關(guān)的性能參數(shù)。包括起始磁化率，起始磁導(dǎo)率，矯頑力，剩磁等。 第二類磁性參數(shù)第二類磁性參數(shù)又稱為結(jié)構(gòu)敏感性參數(shù)，因?yàn)樗鼈冹`敏地依賴于磁性材料的結(jié)構(gòu)及微觀結(jié)構(gòu)，如晶粒大小、晶粒排列取向、內(nèi)應(yīng)力、成分起伏以及機(jī)械加工及熱處理?xiàng)l件等。背景知識 磁疇結(jié)構(gòu)在外磁場的作用下，從磁中性狀態(tài)到飽和狀態(tài)的過程，稱為磁化過程磁化過程。 磁疇結(jié)構(gòu)在外磁場的作用下，從飽和狀態(tài)返回到退磁狀態(tài)的過程，稱為反磁化過程反磁化過程。 磁化過程 大致分為如下四個階段：第一階段是疇壁的可逆位移可逆位移第二階段是不可逆的磁化不可逆的磁化第三階段是磁

2、疇磁矩的轉(zhuǎn)動磁疇磁矩的轉(zhuǎn)動第四階段是趨近飽和趨近飽和的階段磁化和反磁化過程的各個階段磁化曲線 磁化曲線和磁滯回線表征了鐵磁物質(zhì)在磁場中行為的基本特征。 磁化率、磁導(dǎo)率、矯頑力、剩余磁感強(qiáng)度等都是對結(jié)構(gòu)敏感的性質(zhì) 磁化曲線磁化曲線磁化曲線圖中的圖中的1區(qū)區(qū)起始或者起始或者可逆可逆區(qū)域區(qū)域（弱磁場下）（弱磁場下）MxH圖中的圖中的2區(qū)區(qū)瑞利瑞利（Rayleigh）區(qū)）區(qū)域（弱磁場下）域（弱磁場下）上述兩個階段是疇壁隨磁場的可逆位移，若移去磁場則整個樣品將恢復(fù)至退磁狀態(tài)。 圖中的圖中的3區(qū)區(qū) 最大磁導(dǎo)率的區(qū)域最大磁導(dǎo)率的區(qū)域（中等磁場下（中等磁場下)這個這個階段是不可逆的磁階段是不可逆的磁化過程。磁

3、疇的結(jié)化過程。磁疇的結(jié)構(gòu)發(fā)生突變。構(gòu)發(fā)生突變。圖中的圖中的4區(qū)區(qū)趨近飽和區(qū)域（強(qiáng)磁場下）趨近飽和區(qū)域（強(qiáng)磁場下）這個階段是磁疇磁矩的這個階段是磁疇磁矩的轉(zhuǎn)動。隨著外磁場的進(jìn)轉(zhuǎn)動。隨著外磁場的進(jìn)一步增加，樣品內(nèi)的畸一步增加，樣品內(nèi)的畸壁位移已基本上進(jìn)行完壁位移已基本上進(jìn)行完畢，只有靠磁疇內(nèi)磁矩畢，只有靠磁疇內(nèi)磁矩的轉(zhuǎn)動才能使磁化強(qiáng)度的轉(zhuǎn)動才能使磁化強(qiáng)度增加。增加。 磁化曲線圖中的圖中的5區(qū)區(qū)技術(shù)飽和以上的技術(shù)飽和以上的順磁順磁區(qū)域（更強(qiáng)磁場下，區(qū)域（更強(qiáng)磁場下，真磁化真磁化過程）過程） 磁化曲線 在在弱磁場弱磁場范圍內(nèi)（上圖范圍內(nèi)（上圖的的1、2、3區(qū)），區(qū)），位移位移過程過程起著主要作用；在起

4、著主要作用；在強(qiáng)磁場強(qiáng)磁場區(qū)域（圖中區(qū)域區(qū)域（圖中區(qū)域4），），轉(zhuǎn)動過程轉(zhuǎn)動過程起著主起著主要作用要作用需要的能量需要的能量較高的緣故較高的緣故 磁滯回線磁滯現(xiàn)象： 若磁性材料在強(qiáng)度為Hl的磁場磁化至a點(diǎn)時(圖見下頁)，再減小磁場,磁感應(yīng)強(qiáng)度B不是沿著oa曲線下降，而是沿另一曲線ab下降，如下圖所示。顯然B的變化滯后于H，這個現(xiàn)象稱為磁滯磁滯。 磁滯回線磁滯回線磁滯回線磁滯回線 ： 若Hl由O H1 O H1緩慢地變化一周時，由于磁滯的原因，B隨及的變化為一閉合曲線abcdefa，稱為磁滯回線磁滯回線。 磁滯回線極限磁滯回線極限磁滯回線 ： 在磁化曲線oa上任意點(diǎn)所對應(yīng)的磁場強(qiáng)度變化一周，都可

5、以得到相應(yīng)的磁滯回線。隨著磁場強(qiáng)度增加，磁滯回線的面積也隨著增大。當(dāng)磁化到飽和時，再增大磁場，磁滯回線的面積基本上不變，這時的磁滯回線稱為極限極限磁滯回線磁滯回線 磁滯回線如下圖中的abcdefa回線：磁滯回線剩磁： 由極限磁滯回線可以看出，當(dāng)Hs降為零時，磁感應(yīng)強(qiáng)度并不回到零，而下降到b點(diǎn)，Br稱為稱為剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度，簡稱剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度，簡稱剩磁剩磁。磁滯回線矯頑力（矯頑力（Hc） ： 當(dāng)H0，Br0Mr。若要將Br降為零，必須加一反向磁場，這個反向磁場強(qiáng)度的絕對值稱為磁感應(yīng)矯頑力，BHc，通常簡稱矯頑力矯頑力Hc。 同樣，要將剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br點(diǎn)所對應(yīng)的0Mr降為零，所需要磁場強(qiáng)度的絕對值

6、稱為內(nèi)稟矯頑力內(nèi)稟矯頑力HMC。 磁滯回線剩磁比：剩磁比： 剩磁Br與飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs之比稱為剩磁比剩磁比(或稱開關(guān)矩形比)，即BrBs。它是表征矩磁材料磁滯回線接近矩形的程度。磁滯回線 磁滯回線的磁滯回線的形狀和面積形狀和面積直接表征磁性材料的主要磁特性。 軟磁材料的磁滯回線窄，故其矯頑力低，損耗也低。用軟磁材料制成的器件，工作穩(wěn)定，效率高。 若磁滯回線面積窄而接近矩形這種軟磁材料不僅矯頑力Hc低而且BrBs值也高，適宜作記億元件和開關(guān)元件，這種材料也稱為矩磁材料。 永磁材料的磁滯回線的面積寬，Br和H值也高，因此磁滯回線的面積大。所以永磁材料經(jīng)飽和磁化后，儲存磁能量大。 磁化過程的四個階

7、段又可歸納為兩個基本的方式：（1）疇壁的移動（2）磁疇磁矩的轉(zhuǎn)動 磁化過程各個階段的磁疇結(jié)構(gòu)示意 任何磁性材料的磁化和反磁化，都是通過疇壁的移動和磁疇磁矩的轉(zhuǎn)動來實(shí)現(xiàn)的。 (1)疇壁的位移 (2)磁疇結(jié)構(gòu)的突變 (3)磁疇磁矩的轉(zhuǎn)動 起始磁化率 定義 起始磁化率起始磁化率外磁場趨近于零時的磁化率0000()(/)iHHHHdMdMdHdHdxdx起始磁化率的決定因素一、 可逆壁移過程決定得起始磁化率 1、 參雜阻礙疇壁運(yùn)動得壁移磁化（參雜理論） 2、 應(yīng)力阻礙疇壁運(yùn)動的壁移磁化（應(yīng)力理論） 二、可逆疇轉(zhuǎn)過程決定的起始磁化率 摻雜理論 （1）MS 要大； （2）疇壁能要??； （3）雜質(zhì)要少并聚集

8、成團(tuán)。 這些結(jié)論在軟磁材料的制備中起著指導(dǎo)作用。 sM （1）材料的MS要大； （2）應(yīng)力和磁致伸縮要??； （3）疇寬與疇壁厚度的比要大。 這些定性結(jié)論在實(shí)驗(yàn)上都已經(jīng)得到證實(shí)。應(yīng)力理論 可逆疇壁位移決定的起始磁化率與下述因素有關(guān)：（1）材料的磁晶各向異性常數(shù)K、磁致伸縮常數(shù)和應(yīng)力愈小，則起始磁化率愈高；（2）材料的飽和磁化強(qiáng)度愈大，愈高；（3）雜質(zhì)愈少或雜質(zhì)聚集成團(tuán)也使愈高；（4）晶粒粗大使疇寬與壁厚的比例增大，亦能提高。 （二）可逆疇轉(zhuǎn)過程決定的起始磁化率目前認(rèn)為有三類材料，開始階段沒有磁壁的：（1）根本沒有疇壁的單疇顆粒的集合體（或脫溶硬化的單疇尺寸的合金）；（2）靜磁能對各類磁疇都是一樣

9、的材料，即在外磁場的作用下，各類磁疇與外場的作用能都一樣，無所謂誰占優(yōu)勢，無所謂誰的體積擴(kuò)大，誰的體積縮小，因此磁化只能通過磁矩的轉(zhuǎn)向；（3）磁疇磁矩轉(zhuǎn)向比疇壁移動容易的材料。 坡莫合金的恒導(dǎo)磁材料屬于第二類，高頻鐵氧體屬于第三類。影響因素（1）材料的飽和磁化強(qiáng)度要高；（2）材料的磁晶各向異性常數(shù)K1和磁致伸縮常數(shù)要低；（3）材料結(jié)構(gòu)要均勻，以免發(fā)生大的應(yīng)力。 這些原則性結(jié)論對如何采取措施來提高磁導(dǎo)率具有重要的意義。 起始磁導(dǎo)率起始磁導(dǎo)率 定義 起始磁導(dǎo)率I在換向磁化曲線上，磁場接近于零時的斜率。影響因素 影響起始磁導(dǎo)率的因素，主要可以歸結(jié)為提高材料飽和磁化強(qiáng)度，降低材料的各向異性和增大晶粒、

10、減小氣孔等幾個方面.改善方法1.提高材料的飽和磁化強(qiáng)度2.降低材料的磁晶各項(xiàng)異性常數(shù)K13.降低材料的磁致伸縮常數(shù)4.降低材料的各項(xiàng)異性 因此，除了化學(xué)成分以外，還必須從工藝上才去措施來降低材料底形狀各項(xiàng)異性。 如：選用純度高，活性好，顆粒細(xì)的原料; 摻進(jìn)微量雜質(zhì)； 成型致密均勻； 燒結(jié)溫度、氣氛、時間和升降溫度速度控制適當(dāng)?shù)瘸C頑力 定義 矯頑力Hc 飽和磁滯回線上B0時相應(yīng)的磁場。 內(nèi)秉矯頑力HCM飽和磁滯回線上M0相應(yīng)的磁場。 影響因素 就一般而論，磁滯來源于壁移和疇轉(zhuǎn)的不可逆變化，磁滯使能量的轉(zhuǎn)換發(fā)生耗損，磁滯與磁能的儲存成正比。 磁滯的大小決定于磁滯回線面積的大小，而回線的面積又主要取

11、決于矯頑力。 從磁疇結(jié)構(gòu)運(yùn)動變化的角度來看，反磁化過程中的壁移和疇轉(zhuǎn)，也有可逆與不可逆之分，但矯頑力是只與不可逆過程聯(lián)系的，因此這里只討論不可逆過程。矯頑力 應(yīng)力和參雜阻礙疇壁不可逆移動決定的矯頑力 磁矩不可逆轉(zhuǎn)動決定的矯頑力 由反磁化核形成和長大決定的矯頑力應(yīng)力和參雜阻礙疇壁不可逆決定的矯頑力1、應(yīng)力阻礙疇壁不可逆移動決定的矯頑力： 矯頑力HCM與S 成正比，與MS成反比2、參雜阻礙疇壁不可逆移動決定的矯頑力： 矯頑力HCM與參雜濃度、磁晶各向性常數(shù)成正比，與飽和磁化強(qiáng)度成反比。 許多實(shí)驗(yàn)事實(shí)表明，純鐵、純鎳和坡莫合金等軟磁材料的矯頑力都與理論的預(yù)期大體一致。但在理論與實(shí)驗(yàn)作定量進(jìn)行比較時，

12、還需適當(dāng)選擇模型中的系數(shù)。 磁矩不可逆轉(zhuǎn)動決定的矯頑力 在通常情況下，磁矩不可逆轉(zhuǎn)動決定的矯頑力要比不可逆壁移決定的矯頑力大。因此，要獲得高矯頑力的材料，需要制造由單疇顆?；驕?zhǔn)單疇顆粒組成的樣品。（減小磁性顆粒尺寸）理論應(yīng)用 本世紀(jì)五、六十年代出現(xiàn)的超細(xì)鐵粉或鐵鈷微粉（ESD磁體），就是這種類型的磁體。 目前，鋇、鍶鐵氧體永磁，錳鉍合金微粉磁體，鋁鎳鈷型永磁的生產(chǎn)或性能的提高，亦可用單疇顆粒的磁矩轉(zhuǎn)動理論來說明。阻礙因素 單疇顆粒內(nèi)，阻礙磁矩轉(zhuǎn)動的是各種各向異性： 1、 磁晶各向異性 2、 形狀各向異性 3、 感生各向異性由反磁化核的形成和長大決定的矯頑力 所謂反磁化形核是指其中的磁矩方向與周

13、圍環(huán)境的磁矩方向相反的一個小區(qū)域。 反磁化過程決定的矯頑力的數(shù)值，往往在壁移矯頑力和疇轉(zhuǎn)矯頑力之間。 磁滯回線為矩形的一類磁性材料（矩磁材料）的反磁化過程，通?？捎梅创呕说男纬珊烷L大來說明。剩磁 鐵磁物質(zhì)磁化至飽和后，再將外磁場減退到零便達(dá)到剩余磁化狀態(tài) 。下圖表示出鐵磁體磁化飽和后隨磁場下降到零的剩余磁化過程。剩磁狀態(tài)的物理概念 剩磁狀態(tài)剩磁狀態(tài)是Ho，而M0的磁化狀態(tài)。 剩磁狀態(tài)一般可以理解為材料磁化至飽和后，在反磁化過程中保留了大量不可逆的磁化部分，而退掉了在Ho區(qū)域中的可逆磁化部分。圖圖2表示出單抽各向異性晶粒組成的多晶體剩余磁化的磁疇結(jié)構(gòu)變化示意圖。剩磁 剩余磁化強(qiáng)度的大小，決定于

14、材料從飽和磁化降到H0的反磁化過程中磁疇結(jié)構(gòu)的變化。剩磁是反磁化過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重要物理量。引起剩磁的物理機(jī)理 單軸各向異性體只有兩個正反方向是易磁化軸方向。 在多晶體中，假設(shè)晶粒的單易磁化軸是均勻分布的。當(dāng)多晶體在某個方向磁化飽和后，再將外磁場退降到零，這時由于不可逆磁化的存在，各個晶粒內(nèi)的磁矩不是從飽和磁化方向回到自己原來的易磁化軸方向，而是只回到各自最靠近外磁場方向上的那些易磁化鈾方向。 所以磁矩均勻分布在半球內(nèi)，在原來外磁場方向上，仍保留有剩余磁矩。影響剩磁的因素 （一）應(yīng)力作用對剩磁的影響（二）雜質(zhì)和氣孔分布對剩磁的影響（三）材料織構(gòu)化對剩磁的影

15、響應(yīng)力作用對剩磁的影響 在多晶體中，如果磁各向異性很小，而存在著強(qiáng)應(yīng)力，則材料中的Ms取向?qū)⑼耆軕?yīng)力力作用的控制。在應(yīng)力作用下，由應(yīng)力各向異性所決定的易磁化軸屆于單軸各向異性。如果應(yīng)力分布均勻，則可以得到很高的剩磁MrMs或很低的剩磁Mr0。 如應(yīng)力分布完全混亂，則會使剩磁降低到Mr0.5Ms，如同單軸各向異性的多晶體一樣。 材料中的應(yīng)力作用，往往通過s起作用，因此控制材料的磁致伸縮系數(shù)s的大小，對于剩磁Mr的影響也是很明顯的雜質(zhì)和氣孔的分布對剩磁的影響 雜質(zhì)和氣孔的影響包括兩個方面： 一方面是在雜質(zhì)和氣孔周圍產(chǎn)生一定的退磁場，使材料內(nèi)部磁化不均勻，導(dǎo)致剩磁的降低； 另一方面，由于雜質(zhì)、氣孔

16、等不均勻性，為反磁化過程提供了反磁化核生長的條件，使其反磁化過程在磁滯回線第一象限內(nèi)，就有反磁化核長大，因而降低了磁滯回線的矩形度，剩磁也減小。材料織構(gòu)化對剩磁的影響 多晶體無織構(gòu)，宏觀上為各向同性。如采用一定的工藝手段把晶粒定向，使它們的易磁化方向排列一致，并沿這個方向磁化至飽和，這時剩磁可以提高，甚至達(dá)到趨近于Ms，下表列出了在不同處理?xiàng)l件下，材料的剩磁狀態(tài)分布情況以及剩磁的大小 控制材料剩磁的途徑 材料剩磁Mr的大小，隨應(yīng)用不同而對其Mr的要求也不相同。 例如永磁材料要求高M(jìn)r，使其獲得高的（BH）max；對矩磁材料需要高M(jìn)r，使其矩形比Mr/Ms趨近于1；對磁記錄介質(zhì)材料也要求高M(jìn)r，

17、使其矩形比Mr/Ms高，以減小自退磁效應(yīng)，從而可以提高信息記錄效率； 對于磁頭材料則要求低Mr。磁記錄介質(zhì)和磁頭材料都是屬于磁記錄應(yīng)用中的磁性材料。就其功能而言，磁記錄介質(zhì)材料是作為記錄和存儲信息的材料，屬于永磁材料； 而磁頭材料是作為輸入和輸出信息的換能材料，屬于軟磁材料。從以上可見，在實(shí)際應(yīng)用材料中，如何控制材料磁性剩磁大小是一個很重要的問題。 控制材料剩磁的途徑 從材料的磁滯回線可知，要想提高永磁材科的剩磁，必須設(shè)法提高其飽和磁化強(qiáng)度Ms。然而，Ms主要是由合金的成分所決定的，要想通過改變成分來大幅度地提高材料的Ms是不可能的。因此，對于成分基本給定的永磁材料，如何提高M(jìn)r/Ms的比值是提高M(jìn)s的關(guān)鍵。 根據(jù)目前永磁材料生產(chǎn)的實(shí)踐來看，提高永磁合金Mr/Ms的基本途徑有以下幾條： 控制材料剩磁的途徑 （一）定向結(jié)晶（二）磁場處理或塑性變形（三）磁場處理定向結(jié)晶 在永磁合金經(jīng)熔煉進(jìn)行鑄造時，設(shè)法控制鑄件的冷卻條件，使大多數(shù)晶粒沿著同一方向結(jié)晶長大，最后形成柱狀晶結(jié)構(gòu)。它的磁性能往往介于單晶材料和普通等軸