鐵磁性測量與應(yīng)用

1、第三章 材料的磁學(xué)性能本章內(nèi)容 基本磁學(xué)性能 鐵磁性 技術(shù)磁化 鐵磁性的測量與應(yīng)用 磁性材料的研究熱點(diǎn)第四節(jié) 鐵磁性的應(yīng)用 鐵磁性的評價 鐵(亞)磁材料的分類 鐵磁性的應(yīng)用1. 鐵磁性的評價磁化曲線磁滯回線各種磁參數(shù)Ms、Br、Hc、最大磁能積(BH)max材料在直流磁場下的什么是材料的靜態(tài)磁性能？磁參數(shù)的分類 組織結(jié)構(gòu)不敏感量（內(nèi)稟參量、本征參量） 組織結(jié)構(gòu)敏感量（非本征參量） 物質(zhì)結(jié)構(gòu)與相關(guān)現(xiàn)象 交變磁場條件下的磁參數(shù)測量MS、TC、K1、S等Mr、Br、HC、 等磁疇結(jié)構(gòu)、磁矩取向、各種磁效應(yīng)（磁熱、磁光、磁電、磁致伸縮、磁共振等）磁 性 測 量磁性測量原理宏觀物理效應(yīng)微觀物理效應(yīng)磁 共

2、 振 效 應(yīng)電磁感應(yīng)原理磁矩測量磁場測量磁通測量間接測量直接測量 磁測量包括對空間磁參量的測量和對磁性材料性質(zhì)的測量即磁性測量。 在工業(yè)和科研中，磁測量所依據(jù)的在工業(yè)和科研中，磁測量所依據(jù)的原理原理主要有：主要有： 磁極間的機(jī)械力效應(yīng)（如磁強(qiáng)計）； 電磁感應(yīng)定律 物質(zhì)的磁效應(yīng)，如霍爾效應(yīng)、磁電阻效應(yīng)、核磁共振、 磁光效應(yīng)（法拉第效應(yīng)）、半導(dǎo)體對磁場的敏感效應(yīng)等。磁測量概述 . .磁場測量磁場測量 測量某個空間或某個位置的磁場強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度。例如建造一個磁隔離室，就需要測量室內(nèi)磁場是否完全被屏蔽。又例如對磁鐵進(jìn)行充磁或退磁，就需要測量充磁或退磁的磁場強(qiáng)度是否足夠。 . .磁性材料的磁性能測量磁

3、性材料的磁性能測量 磁性材料的磁性能表現(xiàn)在它的磁化曲線和磁滯回線上，所以測量磁性材料的磁性能，實際上就是測定磁化曲線和磁滯回線。由于材料在直流狀態(tài)下和在交流狀態(tài)下的表現(xiàn)各異，所以要根據(jù)需要，按實際工作條件，測量其直流磁特性或交流磁特性。返回本章首頁磁測量包括兩個方面： 測量方法一：磁秤（天平）用于測量材料的磁性，如抗磁性、順磁性、反鐵磁性等。磁秤示意圖磁秤示意圖磁秤法是通過測量試樣在非均勻磁場中所受的力來確定其飽和磁化強(qiáng)度xdHdHFVMVHdxdx 若試樣為一小長條形，并平行于x 軸放置。2121xxxVH2212HdHdHFdFHdVHSdxdxdx1SHdHS(HH )2 V試樣的體積S

4、試樣的截面積H1、H2試樣兩端的磁場強(qiáng)度12測定Fx可以用天平來解決：xFmgm：砝碼的質(zhì)量天平平衡時：221222121S(HH )mg22mgS(HH ) 材料方法二：熱磁儀原理：將磁學(xué)量轉(zhuǎn)換成力學(xué)量進(jìn)行測量。1VMHsin 熱磁儀原理示意圖熱磁儀原理示意圖通磁后，試樣磁化，其磁化強(qiáng)度為M，則試樣將受到力矩1的作用，使試樣轉(zhuǎn)動。試樣轉(zhuǎn)動角，則：1VMHsin() 彈性系統(tǒng)產(chǎn)生的反力矩：2C 平衡時：12 則：CCMVHsin()VHsin主要用于測定主要用于測定M的動態(tài)變化。的動態(tài)變化。阿庫洛夫儀，磁轉(zhuǎn)矩儀。測量方法三：磁強(qiáng)計優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：精度高，對試樣的形狀、狀態(tài)、磁性的強(qiáng)弱無要求。適用于

5、較弱磁性的塊材樣品、薄膜樣品、粉末樣品、納米材料、超導(dǎo)材料等。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：為了消除外界環(huán)境的影響，通常需要超低溫環(huán)境，例如，經(jīng)常用液氦冷卻，成本較高。如超導(dǎo)量子干涉儀磁強(qiáng)計等材料方法四：磁通計磁通計又稱高斯計、特斯拉計等。它具有磁電系測量機(jī)構(gòu)，但不設(shè)置反抗力矩，因此在不工作時，指針可停留在刻度盤上任意角位置。常用的類型：常用的類型：u 光電放大磁通計u 電子積分運(yùn)算放大器u 數(shù)字磁通計優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高。磁通計的結(jié)構(gòu) 磁通計使用高阻尼、無反作用游絲的磁電系儀表，偏轉(zhuǎn)后可動線圈會停留在最終位置，不會因為斷電而退回零點(diǎn)。因此可以用來測量偏轉(zhuǎn)角的最大值，開始測量時可用復(fù)位按鈕將指針調(diào)回到零點(diǎn)位置。然后將

6、測量線圈移進(jìn)或移出磁場，測定偏轉(zhuǎn)角的最大值。磁通計的測量原理 將測量線圈移進(jìn)被測磁場，或從被測磁場移出，測量線圈所感應(yīng)的電動勢可按下式求出。CCCLCBcBLNSBNeetSBNtBlrNetNe , dd dd dd 可得并忽略符號可認(rèn)為忽略回路電阻的電動勢為永久磁鐵作用下所感應(yīng)可動線圈轉(zhuǎn)動時在表內(nèi)也就是磁通計的最大偏轉(zhuǎn)角與被測磁通變化量成正比。測量線圈移進(jìn)或移出之后，磁通計的最大偏轉(zhuǎn)角能保持不變，以便于讀數(shù)。第四節(jié) 鐵磁性的應(yīng)用 鐵磁性的評價 鐵(亞)磁性材料的分類 鐵磁性的應(yīng)用2. 鐵(亞)磁性材料的分類v 金屬磁性材料v 鐵氧體磁性材料v 有機(jī)高分子磁性材料 軟磁材料軟磁材料 硬磁材料

7、硬磁材料 矩磁材料 壓磁材料（磁致伸縮材料） 旋磁材料按材料性質(zhì)分類按功能分類硬磁材料與軟磁材料矩磁材料軟磁材料矯頑力很低的磁性材料，亦即當(dāng)材料在磁場中易磁化，移出磁場后，獲得的磁性便會全部或大部喪失。(HC 10000， 電感元件；抗電磁干擾（電感元件；抗電磁干擾（EMI) )；濾波器；寬帶脈沖變壓器；濾波器；寬帶脈沖變壓器2 2. .低功耗材料：高飽和磁通密度，寬頻、寬溫、低損耗低功耗材料：高飽和磁通密度，寬頻、寬溫、低損耗 開關(guān)電源變壓器開關(guān)電源變壓器; ; 變壓器變壓器 3.電力工業(yè)用的軟磁材料 發(fā)展趨勢：高頻，低損耗，寬溫功率鐵氧體功率鐵氧體主要評價指標(biāo) 起始磁導(dǎo)率 磁損耗（渦流損耗

8、、磁滯損耗、剩余損耗） 溫度穩(wěn)定性 減落（可逆） 磁老化（不可逆） 截止頻率溫度穩(wěn)定性 軟磁材料的溫度穩(wěn)定性用溫度系數(shù) 表示，定義為由于 溫度的改變而引起的被測量的相對變化與溫度變化之比。 最常用的是磁導(dǎo)率的溫度系數(shù)：00TTT0(TT ) 在實際應(yīng)用中，也常用比溫度系數(shù)/i來表征軟磁材料的溫度特性，該值越小越好。磁導(dǎo)率的減落 減落是一種可逆變化，是材料的不穩(wěn)定性之一； 軟磁材料尤其是鐵氧體軟磁材料在受到電、磁、熱和機(jī)械等沖擊后，疇壁易于移動，表現(xiàn)出較高的磁導(dǎo)率，當(dāng)沖擊停止后一段時間內(nèi)，離子或空位在自發(fā)磁化的影響下，將逐漸向低能態(tài)的穩(wěn)定狀態(tài)遷移，從而導(dǎo)致磁導(dǎo)率下降。稱為磁導(dǎo)率的減落。 減落D

9、減落系數(shù)d 減落因子DF121D 21Ddtlgt1dDF 磁老化12a1I 軟磁材料的磁性能隨時間增長而不斷下降，其原因除減落之外，還可能由于材料結(jié)構(gòu)變化而引起的不可逆變化，稱為磁老化。用老化系數(shù)Ia表示。老化系數(shù)的大小跟材料的值和制造工藝有關(guān)，一般而言，高材料的老化系數(shù)較大。截止頻率i 軟磁材料疇壁共振及自然共振的影響，使軟磁材料的 值下降為起始值的一半，且 達(dá)到峰值時的頻率，稱為截止頻率fr，它與材料的組成和顯微結(jié)構(gòu)有關(guān)。各類軟磁材料的截止頻率fr不同，其應(yīng)用頻率上限顯然與fr有關(guān)，fr越高，則應(yīng)用頻率的上限越高。幾種主要的軟磁材料工業(yè)純鐵最早被使用的金屬軟磁材料；具有優(yōu)良的軟磁特性，加

10、工（機(jī)加、鍛造）性能好，并且價格便宜；但其電阻率較低，不能用于交變磁場，只能用于直流磁場；可用于制造直流電磁鐵芯、磁極頭、繼電器鐵芯、銜鐵等。硅鋼片 硅在鐵中的固溶體合金，具有較大的電阻率和較高的磁性能； 主要缺點(diǎn)：比純鐵硬而脆，飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度比純鐵低； 各向同性硅鋼片（熱軋硅鋼片、冷軋硅鋼片），主要用于制造電機(jī)轉(zhuǎn)子、定子，稱為電機(jī)硅鋼片； 方向性硅鋼片（單取向、雙取向硅鋼片），主要用于制造變壓器鐵芯，稱為變壓器硅鋼片。Fe Si合金坡莫合金坡莫合金(Permalloy)為鐵鎳合金，是有名的優(yōu)良軟磁材料。在弱磁場中具有很高的磁導(dǎo)率，很小的矯頑力。主要缺點(diǎn)：材料磁性對應(yīng)力極為敏感；飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度

11、稍低；生產(chǎn)過程中常以Mo、Cr等元素作為添加劑，價格昂貴；(1) 制成器件后必須在氫氣或真空中退火，增加了工藝復(fù)雜性。Fe Ni合金硬磁材料（永磁材料）材料被外磁場磁化后，去掉外磁場仍然保持著較強(qiáng)的剩磁的磁性材料。有氣隙磁鐵示意圖永磁材料用作磁場源，主要是利用在空氣隙中產(chǎn)生的磁場。(HC 0.8 kA/m)永磁材料發(fā)展歷史 稀土永磁材料是稀土金屬和過渡族金屬形成的金屬間化合物，是目前具有最高永磁特性的永磁材料。六十年代第一代稀土永磁材料（1:5型R-Co永磁，如SmCo5）七十年代第二代稀土永磁材料（2:17型R-Co永磁，如Sm2Co17 ）八十年代第三代稀土永磁材料（R-Fe-B永磁，如N

12、d2Fe14B ）。第一，二代稀土永磁 (19671975)第三代稀土永磁 (1983)第一代SmCo5 (60年代）；第二代Sm2Co17 (70年代）；第三代 Nd2Fe14B(80年代）；第四代稀土永磁？第四代稀土永磁？稀土永磁材料 永磁材料基本磁性1. 飽和磁化強(qiáng)度 Ms，Tc : 組成，磁結(jié)構(gòu)2. 剩磁 Br ：取向，密度 Br = o p Ms f . p- 孔隙率； f取向度 f=1/2 各向同性 f1 各向異性，理想取向。3. 矯頑力 Hc ：晶體結(jié)構(gòu)，K， 顯微結(jié)構(gòu) 單疇： 磁晶各向異性：Hc K/ o Ms 形狀各向異性： Hc NMs4. 磁能積 （BH)m （BH)m（

13、理論） oMs2/4 對永磁材料特性的要求 高Br； 高HC； 高(BH)max 1； rec 1； 穩(wěn)定性好（包括溫度、磁場、時間）“三高”退磁曲線上每一點(diǎn)的B和H的乘積（BH）;表征材料內(nèi)部儲存的能量大小;最大磁能積(BH)max是衡量材料性能的重要參數(shù)。maxrBC(BH)BH 凸出系數(shù)（極限隆起度）：凸出系數(shù)（極限隆起度）：磁能積磁鐵的最大磁能積磁鐵的最大磁能積D點(diǎn)是指永磁材料去掉磁場后，由于退磁場的作用，剩磁B所處的位置（稱為磁體工作點(diǎn)）；Bd：表觀剩磁。maxS1(BH)M4理論20()最大磁能積最大磁能積：recBtgH回復(fù)磁導(dǎo)率：回復(fù)磁導(dǎo)率：*(-)(BH)m理論值。 SmFe

14、N; SmFeC； 1:12; 3:29; 納米復(fù)合稀土永磁納米復(fù)合稀土永磁（BH)m(理論理論） 800（kJ/m3)，1988年？工藝：速凝；氫爆；雙合金工藝：速凝；氫爆；雙合金永磁材料應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)應(yīng)用用領(lǐng)領(lǐng)域域中中國國/ /% %發(fā)發(fā)達(dá)達(dá)國國家家/ /% %音音 響響2 27 75 5油油田田除除臘臘器器2 22 2/ /電電 機(jī)機(jī)2 25 51 17 7計計算算機(jī)機(jī)（V VC CM M）1 15 57 7核核磁磁共共振振儀儀/ /1 11 1電電子子束束聚聚焦焦/ /1 1磁磁 吸吸 盤盤1 15 5/ /磁磁 分分 離離8 8/ /儀儀 表表2 2/ /合合 計計1 10 00 01

15、10 00 0Nd2Fe14B永磁材料國內(nèi)外應(yīng)用比較表 我國生產(chǎn)的大部分為中低檔產(chǎn)品，適合于音響和電機(jī)使用；而高檔產(chǎn)品如計算機(jī)VCM要求性能高： (BH)max320 KJ/m3，加工精度高，產(chǎn)品一致性好 主要是美國、日本等發(fā)達(dá)國家等永磁生產(chǎn)廠家生產(chǎn)。 核磁共振儀和電子束聚焦則尚在研制階段，而美、日等發(fā)達(dá)國家已有生產(chǎn)和應(yīng)用。磁信息材料利用磁學(xué)原理存儲和記錄信息的磁載體材料。磁記錄磁光記錄磁泡存儲矩磁存儲磁記錄磁存儲磁記錄材料 利用磁頭氣隙中隨信息變化的磁場將經(jīng)過氣隙的磁記錄介質(zhì)磁化，就把隨時間變化的信息磁場轉(zhuǎn)化為磁記錄介質(zhì)中按空間變化的強(qiáng)度分布，經(jīng)過相反的過程可將記錄的信息經(jīng)磁頭重放出來。 磁

16、頭材料 磁記錄介質(zhì) 磁光記錄介質(zhì)磁記錄原理磁頭中流過信號電流，介質(zhì)磁化將信息寫入介質(zhì)；用磁頭檢測介質(zhì)磁狀態(tài)，將信號讀出。基本過程磁頭材料磁頭鐵芯用的高密度軟磁材料。用磁頭材料做成記錄（寫入）或重放（讀出）信息的換能器件，要求具有較高的轉(zhuǎn)換效率。具體要求：q 最大磁導(dǎo)率m和飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度BS要高，以實現(xiàn)高效率記錄；q 矯頑力Hc和剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br要低，以減少磁頭的磁損耗和剩磁； 降低剩磁引起的噪聲與非線性；q 電阻率要高，以降低損耗，改善高頻記錄的頻率相應(yīng)特性；q 起始磁導(dǎo)率i要高，以提高重放磁頭的靈敏度；q 磁導(dǎo)率的截至頻率fr 要高，以利于高頻高速記錄，提高使用頻率上限；q 耐磨損、抗剝落

17、、機(jī)械加工性好。磁記錄介質(zhì)材料涂敷在磁帶、磁盤和磁鼓上面用于記錄和存儲信息的材料。 矯頑力HC要適當(dāng)(1680 kA/m)，以便有效地存儲信息， 抵抗環(huán)境干擾，減少剩磁狀態(tài)的退磁效應(yīng)，提高記錄密度； 磁滯回線矩形比高，以減少自退磁效應(yīng)，使介質(zhì)中保留較 高的剩磁，提高信息記錄的密度和分辨力，從而提高信息 的記錄效率； 飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs要高，以獲得高的輸出信號，提高單位 體積的磁能積，提高各向異性導(dǎo)致的矯頑力； 溫度穩(wěn)定好，老化效應(yīng)小，以保證寬溫長期條件下穩(wěn)定存儲； 用于垂直記錄的介質(zhì)，其垂直各向異性系數(shù)要高。磁記錄材料磁磁記記錄錄介介質(zhì)質(zhì)之之進(jìn)進(jìn)展展 量量子子磁磁盤盤 氧氧化化物物薄薄膜膜 金

18、金屬屬薄薄膜膜 BaM(50-100nm) (1986) FeNiCo(10-20nm) (1978) CrO2(0.4m) ( (1 19 96 67 7) ) C Co o- -Fe2O3 (0.3-0.6m) ( (1 19 96 61 1) ) -Fe2O3(1m) （1 19 95 54 4）針針狀狀 -Fe2O3,立立方方 ( (1 19 93 39 9) ) F Fe e3 3O O4 4立立方方 ( (1 19 93 30 0) ) 鋼鋼絲絲 P Po ol ls se em m （1 18 89 98 8） 縱向模式縱向模式 垂直模式垂直模式全息模式全息模式磁光記錄介質(zhì)材料基

19、本原理： 當(dāng)加熱到居里點(diǎn)以上時，薄膜被加熱后其磁化方向發(fā)生反轉(zhuǎn)(居里點(diǎn)寫入)； 用線偏振光照射膜面，因為磁化部分和反轉(zhuǎn)磁化部分反射光的偏轉(zhuǎn)面的旋轉(zhuǎn)角不同，故可用檢偏器來讀出相應(yīng)信息。磁電阻效應(yīng) 00H用途：磁傳感，磁盤讀出頭等。IBM硬盤的發(fā)展磁泡材料某些磁性材料薄膜的性能和尺寸滿足一定條件時，在適當(dāng)?shù)钠艌鯤b作用下，其反磁化疇變?yōu)橹睆轿?100 m的圓柱形磁疇，在偏光顯微鏡下觀察，這些圓柱疇在薄膜表面好像浮著一群圓泡，故稱為。新型磁性材料v 非晶態(tài)磁性材料v 磁性液體v 巨磁致伸縮材料超聲和聲納系統(tǒng)中的應(yīng)用精密快速致動和控制元件傳感器非晶態(tài)磁性材料原子排列無序但磁矩排列有序的磁性材料。以F

20、e、Co、Ni、Cr、Mn等第一類過渡金屬為基加入少量的B、C、Si、P所制成的非晶態(tài)合金，都是具有鐵磁性的非晶體合金。由稀土金屬Gd（釓）、Tb（鋱）等與第一類過渡金屬Fe、Co、Ni、Mo所制成的具有亞鐵磁性的非晶態(tài)合金。以貴金屬Au等或非磁性金屬Cu等為基加入少量過渡族金屬制成的非晶態(tài)合金，這種合金顯示超順磁性。按性能分為三類：電磁爐 電磁爐的內(nèi)部有一個金屬線圈，當(dāng)電流通過線圈時，會產(chǎn)生磁場。這一隨時間變化的磁場導(dǎo)致在金屬煲內(nèi)產(chǎn)生一感應(yīng)電場。金屬煲內(nèi)的電子受電場影響進(jìn)行運(yùn)動。由于有電阻，電子運(yùn)動時會放出大量熱能，這些熱能便可用作煮食。 金屬煲的電阻必須足夠大，才能產(chǎn)生足夠的熱量，所以一般

21、只能選用鐵和不不銹鋼煲，銅煲就不大可能，更不能用玻璃、陶瓷、塑料等。 特點(diǎn)： 直接發(fā)熱，熱效率高達(dá)90% 爐面無明火，無煙無廢氣 電磁火力強(qiáng)勁，安全可靠電飯鍋日常使用的電飯鍋利用了磁性材料的居里點(diǎn)的特性。在電飯鍋的底部中央裝了一塊磁鐵和一塊居里點(diǎn)為105的磁性材料。當(dāng)鍋里的水分干了以后，食品的溫度將從100度上升。當(dāng)溫度到達(dá)大約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(guān)被斷開，停止加熱。磁懸浮列車 上海上海磁磁懸浮列車懸浮列車 平均時速平均時速300300公里公里/ /小時，最高時速小時，最高時速43043

22、0公里公里/ /小時小時電磁炮電磁炮 艦載概念電磁炮及其原理圖艦載概念電磁炮及其原理圖 原理： 傳統(tǒng)的火炮都是利用彈藥爆炸時的瞬間膨脹產(chǎn)生的推力將炮彈迅速加速，推出炮膛。而電磁炮則是把炮彈放在螺線管中，給螺線管通電，那么螺線管產(chǎn)生的磁場對炮彈將產(chǎn)生巨大的推動力，將炮彈射出。第一個提出電磁炮這一概念并進(jìn)行實驗的是挪威伯克蘭伯克蘭教授，1901年就獲得了專利。 1978978年，澳大利亞科學(xué)家在年，澳大利亞科學(xué)家在5 5米長的軌米長的軌道炮上道炮上(5.9(5.9千米秒千米秒) )；現(xiàn)在彈丸初速；現(xiàn)在彈丸初速1.51.51.71.7千米秒。千米秒。 隱身飛機(jī)隱身飛機(jī) F117隱形戰(zhàn)斗機(jī)為了躲避敵方雷達(dá)的監(jiān)測，在飛機(jī)表面涂一層特殊的磁性材料吸波材料，它可吸收雷達(dá)發(fā)射的電磁波，使得雷達(dá)電磁波很少發(fā)生反射，敵方雷達(dá)無法探測到雷達(dá)回波，不能發(fā)現(xiàn)