磁性材料的研究進(jìn)展匯總

1、磁性材料的研究進(jìn)展學(xué)院：物理與材料科學(xué)學(xué)院班級(jí)：13級(jí)材料物理姓名：王郁學(xué)號(hào)：B51314019指導(dǎo)老師：李秋菊完成日期：2016年5月11日摘要：目前，磁性材料蓬勃發(fā)展，磁性材料的應(yīng)用已滲透到國防、工業(yè)、信息等各個(gè)領(lǐng)域，對(duì)我們的生活產(chǎn)生了巨大的影響。同時(shí)，各種新磁性材料的誕生，也不斷推動(dòng)著現(xiàn)代材料科學(xué)的進(jìn)展。本文對(duì)磁性材料進(jìn)行了概述，并簡介了其最新研究進(jìn)展，尤其是對(duì)稀土磁性材料、巨磁電阻材料、納米微晶磁性材料的研究進(jìn)展進(jìn)行了詳細(xì)論述。關(guān)鍵詞：磁性材料鐵氧體稀土磁性材料巨磁電阻材料前言磁性材料廣義上分為兩大類：軟磁材料和硬磁材料。軟磁材料能夠用相對(duì)低的磁場(chǎng)強(qiáng)度磁化，當(dāng)外磁場(chǎng)移走后保持相對(duì)低的剩

2、磁。軟磁材料的矯頑力為4000116A?m-1,主要應(yīng)用于任何包括磁感應(yīng)變化的場(chǎng)合。硬磁材料是在經(jīng)受外磁場(chǎng)后能保持大量剩磁的磁性材料，這類磁性材料的典型矯頑力值,Hc為101000kA?m-1，具有高Hc值的硬磁材料稱為永磁材料，主要用于提供磁場(chǎng)。磁性材料的磁導(dǎo)率、矯頑力、磁致?lián)p失、剩磁和磁穩(wěn)定性是結(jié)構(gòu)敏感性的，這些性能可以通過加工（包括機(jī)械加工和熱處理）來控制。目前,磁性材料的研究方向主要有軟磁材料、硬磁材料、磁力學(xué)材料、磁電子材料。磁性材料的進(jìn)展大致上分幾個(gè)歷史階段：當(dāng)人類進(jìn)入鐵器時(shí)代時(shí)，標(biāo)志著金屬磁性材料的開端。直到18世紀(jì),金屬鍥、鉆相繼被提煉成功，這一漫長的歷史時(shí)期是3d過渡族金屬磁

3、性材料生產(chǎn)與原始應(yīng)用的階段；20世紀(jì)初期，F(xiàn)eSi、FeNi、FeCoNi磁性合金人工制備成功，并廣泛地應(yīng)用于電力工業(yè)、電機(jī)工業(yè)等行業(yè)，成為3d過渡族金屬磁性材料的鼎盛時(shí)期；從20世紀(jì)50年代開始，3d過渡族的磁性氧化物（鐵氧體）逐步進(jìn)入生產(chǎn)旺期，由于鐵氧體具有高電阻率，高頻損耗低等優(yōu)點(diǎn)，從而為當(dāng)時(shí)興起的無線電、雷達(dá)等工業(yè)的發(fā)展提供了所必需的磁性材料，標(biāo)志著磁性材料進(jìn)入到鐵氧體的歷史階段；1967年，SmCo合金問世，這是磁性材料進(jìn)入稀土-3d化合物領(lǐng)域的歷史性開端。巨磁致收縮材料與稀土磁光材料的問世更豐富了稀土-3d化合物磁性材料的內(nèi)涵。1972年的非晶磁性材料與1988年的納米微晶材料的呈

4、現(xiàn)，更添磁性材料新風(fēng)采。1988年，磁電阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)揭開了自旋電子學(xué)的序幕.因此從20世紀(jì)后期延續(xù)至今，磁性材料進(jìn)入了前所未有的興旺發(fā)達(dá)時(shí)期，并融入到信息行業(yè)，成為信息時(shí)代重要的基礎(chǔ)性材料之一。1、磁性材料的分類磁性材料從材質(zhì)和結(jié)構(gòu)上講，可分為金屬及合金磁性材料和“鐵氧體磁性材料兩大類，鐵氧體磁性材料又分為多晶結(jié)構(gòu)和單晶結(jié)構(gòu)材料1。從應(yīng)用功能上講，磁性材料分為：軟磁材料、永磁材料、磁記錄-矩磁材料、旋磁材料等種類。軟磁材料、永磁材料、磁記錄-矩磁材料中既有金屬材料又有鐵氧體材料；而旋磁材料和圖頻軟磁材料就只能是鐵氧體材料了，因?yàn)榻饘僭诰诸l和微波頻率下將廣生巨大的渦流效應(yīng)，導(dǎo)致金屬磁性材料無法使

5、用，而鐵氧體的電阻率非常高，將有效的克服這一問題、得到廣泛應(yīng)用。磁性材料從形態(tài)上講。包括粉體材料、液體材料、塊體材料、薄膜材料等。磁性是物質(zhì)的一種基本屬性。物質(zhì)按照其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其在外磁場(chǎng)中的性狀可分為抗磁性、順磁性、鐵磁性、反鐵磁性和亞鐵磁性物質(zhì)。鐵磁性和亞鐵磁性物質(zhì)為強(qiáng)磁性物質(zhì)，抗磁性和順磁性物質(zhì)為弱磁性物質(zhì)。磁性材料按性質(zhì)分為金屬和非金屬兩類，前者主要有電工鋼、鍥基合金和稀土合金等，后者主要是鐵氧體材料2。按使用又分為軟磁材料、永磁材料和功能磁性材料。功能磁性材料主要有磁致伸縮材料、磁記錄材料、磁電阻材料、磁泡材料、磁光材料，旋磁材料以及磁性薄膜材料等，反應(yīng)磁性材料基本磁性能的有磁化曲線、

6、磁滯回線和磁損耗等。永磁材料即一經(jīng)外磁場(chǎng)磁化以后，即使在相當(dāng)大的反向磁場(chǎng)作用下，仍能保持一部或大部原磁化方向的磁性。對(duì)這類材料的要求是剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br高，矯頑力BHC（即抗退磁能力）強(qiáng)，磁能積（BH）（即給空間提供的磁場(chǎng)能量）大。相對(duì)于軟磁材料而言，它亦稱為硬磁材料。永磁材料有合金、鐵氧體和金屬間化合物三類：合金類、鐵氧體類、金屬間化合物類。永磁材料有多種用途：基于電磁力作用原理的應(yīng)用主要有：揚(yáng)聲器、話筒、電表、按鍵、電機(jī)、繼電器、傳感器、開關(guān)等?；诖烹娮饔迷淼膽?yīng)用主要有：磁控管和行波管等微波電子管、顯像管、鈦泵、微波鐵氧體器件、磁阻器件、霍爾器件等?；诖帕ψ饔迷淼膽?yīng)用主要有：磁軸承

7、、選礦機(jī)、磁力分離器、磁性吸盤、磁密封、磁黑板、玩具、標(biāo)牌、密碼鎖、復(fù)印機(jī)、控溫計(jì)等。其他方面的應(yīng)用還有：磁療、磁化水、磁麻醉等。根據(jù)使用的需要，永磁材料可有不同的結(jié)構(gòu)和形態(tài)。有些材料還有各向同性和各向異性之別。軟磁材料的功能主要是導(dǎo)磁、電磁能量的轉(zhuǎn)換與傳輸。因此，對(duì)這類材料要求有較高的磁導(dǎo)率和磁感應(yīng)強(qiáng)度，同時(shí)磁滯回線的面積或磁損耗要小。與永磁材料相反，其Br和BHC越小越好，但飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs則越大越好。軟磁材料大體上可分為四類。合金薄帶或薄片、非晶態(tài)合金薄帶、磁介質(zhì)、鐵氧體3。軟磁材料的應(yīng)用甚廣，主要用于磁性天線、電感器、變壓器、磁頭、耳機(jī)、繼電器、振動(dòng)子、電視偏轉(zhuǎn)腕、電纜、延遲線、傳感

8、器、微波吸收材料、電磁鐵、加速器高頻加速腔、磁場(chǎng)探頭、磁性基片、磁場(chǎng)屏蔽、高頻淬火聚能、電磁吸盤、磁敏元件（如磁熱材料作開關(guān)）等。矩磁材料和磁記錄材料主要用作信息記錄、無接點(diǎn)開關(guān)、邏輯操作和信息放大。這種材料的特點(diǎn)是磁滯回線呈矩形。旋磁材料具有獨(dú)特的微波磁性，如導(dǎo)磁率的張量特性、法拉第旋轉(zhuǎn)、共振吸收、場(chǎng)移、相移、雙折射和自旋波等效應(yīng)。據(jù)此設(shè)計(jì)的器件主要用作微波能量的傳輸和轉(zhuǎn)換，常用的有隔離器、環(huán)行器、濾波器（固定式或電調(diào)式）、衰減器、相移器、調(diào)制器、開關(guān)、限幅器及延遲線等，還有尚在發(fā)展中的磁表面波和靜磁波器件（見微波鐵氧體器件）。常用的材料已形成系列，有Ni系、Mg系、Li系、YlG系和BiC

9、aV系等鐵氧體材料；并可按器件的需要制成單晶、多品、非晶或薄膜等不同的結(jié)構(gòu)和形態(tài)4。2、磁性材料的研究進(jìn)展2.1鐵氧體磁性材料：鐵氧體是從20世紀(jì)40年代迅速發(fā)展起來的一種新型的非金屬磁性材料。與金屬磁性材料相比，鐵氧體具有電阻率大、介電性能高、在高頻時(shí)具有較高的磁導(dǎo)率等優(yōu)點(diǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，鐵氧體不僅在通訊廣播、自動(dòng)控制、計(jì)算技術(shù)和儀器儀表等電子工業(yè)部門應(yīng)用日益廣泛，已經(jīng)成為不可缺少的組成部分，而且在宇宙航行、衛(wèi)星通訊、信息顯示和污染處理等方面，也開辟了廣闊的應(yīng)用空問。在生產(chǎn)工藝上，鐵氧體類似于一般的陶瓷工藝，操作方便易于控制，不像金屬磁性材料那樣要軋成薄片或制成細(xì)粉介質(zhì)才能應(yīng)用。由于鐵

10、氧體性能好、成本低、工藝簡單、又能節(jié)約大量貴金屬，已成為高頻弱電領(lǐng)域中很有發(fā)展前途的一種非金屬磁性材料。鐵氧體磁性材料主要分為鐵氧體軟磁性材料和鐵氧體硬磁性材料5。軟磁材料是指在較弱的磁場(chǎng)下，易磁化也易退磁的一種鐵氧體材料。典型代表是鉆鋅鐵氧體和鍥鋅鐵氧體。軟磁鐵氧體是目前各種鐵氧體中用途較廣、數(shù)量較大、品種較多、產(chǎn)值較高的一種鐵氧體。由于這類材料具有高的本征電阻率，所以在交流條件下具有許多金屬軟磁材料所無法比擬的優(yōu)越性且價(jià)格低廉，并可制成各種形狀的磁芯，因此，在高頻區(qū)一般都使用軟磁鐵氧體材料。用這類材料制成的磁芯被廣泛應(yīng)用于通信、廣播、電視、自動(dòng)控制、航天技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子設(shè)備及其它產(chǎn)業(yè)

11、中來制作各種類型的電感器、變壓器、扼流圈、抑制器和濾波器等器件。一般軟磁鐵氧體的晶體結(jié)構(gòu)都是立方晶系尖晶石型，應(yīng)用于音頻到甚高頻段(1KHz-300MHz)6。但是具有六角晶系磁鉛石型晶體結(jié)構(gòu)的軟磁材料卻比尖晶石型的應(yīng)用頻率上限提高了好幾倍。硬磁材料是相對(duì)于軟磁材料而言的。它是指磁化后不易退磁，能長時(shí)間保留磁性的一種鐵氧體材料。因此，有時(shí)也稱為永磁材料或恒磁材料。硬磁材料的晶體結(jié)構(gòu)大都是六角晶系磁鉛石型，典型的代表為鋼鐵氧體，它是一種性能較好、成本較低而又適合工業(yè)生產(chǎn)的鐵氧體硬磁材料。這種材料不僅可以用作電訊器件中的錄音器、微音器、拾音器、電話機(jī)以及各種儀表的磁鐵，而且在污染處理、醫(yī)學(xué)生物和印

12、刷顯示等方面也得到了應(yīng)用。硬磁鐵氧體材料是繼鋁鍥鉆系硬磁金屬材料后的第二種主要硬磁材料。它的出現(xiàn)不僅節(jié)約了鍥、鉆等大量戰(zhàn)略物資，而且為硬磁材料在高頻段(如電視機(jī)的部件、微波器件以及其他國防器件)的應(yīng)用開辟了新的途徑。鐵氧體磁性材料是一種結(jié)構(gòu)敏感性材料，只有控制微觀結(jié)構(gòu)和晶界才能獲得高性能的鐵氧體材料。在眾多的影響鐵氧體的生產(chǎn)因素中，關(guān)鍵是原材料的純度、合適的添加劑和最優(yōu)化的燒結(jié)工藝。近來共噴霧燒結(jié)法已用于日本鐵氧體工業(yè)化生產(chǎn)，采用這種先進(jìn)工藝可利用成本低的不太純的原料便可生產(chǎn)出高純的鐵氧體。相信通過新的材料加工工藝和工藝?yán)碚摽刂莆⒂^結(jié)構(gòu)可得到性能更高、更可靠的鐵氧體新材料。材料的組成與結(jié)構(gòu)的可

13、控性研究是保證材料具有高性能和高可靠性的基礎(chǔ)，鐵氧體磁性材料的合成與制備中目前存在的問題影響了材料的高性能和高可靠性。近年來軟化學(xué)方法作為一種先進(jìn)的材料制備方法，已經(jīng)在先進(jìn)功能材料的制備方面開辟了一條新的工藝路線。隨著熱壓成形技術(shù)、熱壓燒結(jié)技術(shù)、氣氛燒結(jié)技術(shù)、高溫自蔓延技術(shù)、放電等離子體燒結(jié)技術(shù)、微波燒結(jié)技術(shù)等新技術(shù)在制備鐵氧體磁性材料中的應(yīng)用與發(fā)展，可望獲得晶粒細(xì)小、顯微結(jié)構(gòu)均勻致密、較好地保持原始材料組成與結(jié)構(gòu)的鐵氧體磁性材料，從而最終實(shí)現(xiàn)鐵氧體磁性材料組成、結(jié)構(gòu)與性能的可調(diào)控性702.2稀土磁性材料稀土元素由于其獨(dú)特的4f電子結(jié)構(gòu)，大的原子磁矩，很強(qiáng)的白旋軌道耦合磁矩等特性決定了它具有廣

14、泛的用途，特別是當(dāng)稀土元素與其它元素形成配合物時(shí)，具有豐富的磁學(xué)、電學(xué)及光學(xué)特性網(wǎng)。目前.稀土磁性材料的研究重點(diǎn)主要在以下幾個(gè)方面：一是加強(qiáng)稀土磁性材料的理論研究，完善現(xiàn)有的工藝?yán)碚擉w系；二是發(fā)掘新的稀土磁性材料，開發(fā)其新功能；三是縮短實(shí)驗(yàn)室研究與工業(yè)化時(shí)間，加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)開發(fā)。而稀土永磁材料是指稀土金屬和過渡族金屬形成的合金經(jīng)一定的工藝制成的永磁材料。稀土永磁材料已在機(jī)械、電子、儀表和醫(yī)療等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。現(xiàn)分為第一代(RECo5)、第二代(RE2TM17)和第三代稀土永磁材料(NdFeB)。新的稀土過渡金屬系和稀土鐵氮系永磁合金材料正在開發(fā)研制中，有可能成為新一代稀土永磁合金9。稀土永磁材料

15、廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、汽車、儀器、儀表、家用電器、石油化工、醫(yī)療保健、航空航天等行業(yè)中的各種微特電機(jī)，核磁振共振設(shè)備、電器件、磁分離設(shè)備、磁力機(jī)械、磁療器械等需產(chǎn)生強(qiáng)間隙磁場(chǎng)的元器件。2.3巨磁電阻材料：巨磁電阻(GMR)效應(yīng)是指磁性材料的電阻率在有外磁場(chǎng)作用時(shí)較之無外磁場(chǎng)作用時(shí)存在顯著變化的現(xiàn)象10。超巨磁電阻材料從發(fā)現(xiàn)就倍受科研人員青睞，十年后仍是科學(xué)前沿的研究熱點(diǎn)，這和其潛在的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值是密切相關(guān)的。由于計(jì)算機(jī)、信息技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)界和科學(xué)界將面臨新的挑戰(zhàn)就是如何進(jìn)一步提高存儲(chǔ)密度，巨磁電阻材料則為此提供了可能。人們?cè)贑MR材料中發(fā)現(xiàn)一系列新效應(yīng)，導(dǎo)致了新的應(yīng)用。CMR效應(yīng)在隨機(jī)存儲(chǔ)器

16、中具有廣泛的應(yīng)用目前廣泛采用的RAM是半導(dǎo)體動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器和靜態(tài)存儲(chǔ)器11。半導(dǎo)體動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器的容量已有每個(gè)芯片40億位(4Gbit/chip),速度可達(dá)120ns；而靜態(tài)存儲(chǔ)器容量已達(dá)每個(gè)芯片400萬位(4Mbit/chip)。速度比半導(dǎo)體動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器快一個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)2n$12。但無論半導(dǎo)體動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器和靜態(tài)存儲(chǔ)均為易失性的，機(jī)器斷電時(shí)，所存數(shù)據(jù)會(huì)全部丟失，且抗輻射性能差，給使用帶來極大的不便。而利用CMR效應(yīng)制作的隨機(jī)存儲(chǔ)器和現(xiàn)有的半導(dǎo)體RAM相比，最大的優(yōu)點(diǎn)是非易失、抗輻射、長壽命、結(jié)構(gòu)簡單和低成本，基本上可以不限次數(shù)的重寫。由于使用了CMR材料，每位尺寸的減少并不影響讀取信號(hào)的靈敏度，可實(shí)現(xiàn)最大

17、的存儲(chǔ)密度。CMR效應(yīng)在計(jì)算機(jī)硬盤中也具有重要的應(yīng)用計(jì)算機(jī)硬盤由于其容量大、體積小、讀寫速度快、數(shù)據(jù)傳送率高，至今仍然是計(jì)算機(jī)外存儲(chǔ)器的首選裝置130為進(jìn)一步擴(kuò)大容量，滿足計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和多媒體計(jì)算機(jī)發(fā)展的需要，要求不斷增加計(jì)算機(jī)硬盤的記錄密度。研究表明，當(dāng)面密度超過每平方英寸6億位(600Mb/in2)以上時(shí)，薄膜感應(yīng)式磁頭將會(huì)被各向異性磁電阻(AMR:AnisotropyMR)磁頭取代，當(dāng)面密度超過每平方英寸30億位(3Gb/in2)以上時(shí)，AMR磁頭將會(huì)被CMR磁頭取代，即實(shí)現(xiàn)高密度磁記錄的關(guān)鍵技術(shù)及有效途徑是基于CMR效應(yīng)的讀出磁頭的研制成功。CMR磁頭以其巨大的磁電阻變化率，并克服了AM

18、R磁頭周有的Barkhausen噪音，大大的增加了磁頭的靈敏度和可靠性，使高密度磁盤技術(shù)取得突破14。目前利用CMR效應(yīng)制成的讀出磁頭主要是自旋閥結(jié)構(gòu)。1994年，舊M公司首次在計(jì)算機(jī)硬盤中使用了CMR效應(yīng)的自旋閥磁頭，硬盤面密度為1Gb/in2。預(yù)計(jì)2003年可實(shí)現(xiàn)100Gb/in2。目前由CMR效應(yīng)引發(fā)的在計(jì)算機(jī)硬盤容量方面的突破，仍在向更深層次發(fā)展。實(shí)現(xiàn)400Gb/in2乃至1000Gb/in2的基礎(chǔ)研究工作已經(jīng)開始15。3.行業(yè)現(xiàn)狀中國金屬和稀有元素礦藏非常豐富，有著豐富而天然的原材料資源優(yōu)勢(shì)，磁性材料產(chǎn)業(yè)所需的各種原材料幾乎國內(nèi)都能滿足。磁性材料行業(yè)，離不開稀土。因?yàn)橄⊥脸杀菊即挪脑?/p>

19、料成本的30%,而中國是稀土的故鄉(xiāng)，世界上80%的稀土儲(chǔ)量在中國，因此中國稀土的資源優(yōu)勢(shì)，決定了磁性材料行業(yè)的中國優(yōu)勢(shì)。中國磁性材料工業(yè)在產(chǎn)量方面已經(jīng)初具規(guī)模，發(fā)展速度很快，但與日本等磁性材料工業(yè)發(fā)達(dá)的國家相比，無論是管理水平、制造工藝、產(chǎn)品質(zhì)量及產(chǎn)品檔次都存在一定差距。中低檔產(chǎn)品占據(jù)了較大的國際市場(chǎng)，但在高檔產(chǎn)品上還缺乏競(jìng)爭(zhēng)力。隨著高清晰度電視等消費(fèi)類電子產(chǎn)品的日益普及，汽車、通信業(yè)的發(fā)展，對(duì)高檔磁性材料的需求越來越多。中國的磁性材料企業(yè)應(yīng)該抓住這個(gè)有利的時(shí)機(jī)，開發(fā)高檔磁性材料產(chǎn)品，占領(lǐng)國際市場(chǎng)。到2010年中國各類磁體的產(chǎn)量均穩(wěn)居世界之首，占全球的份額還將繼續(xù)增大。至U2020年，中國磁性材料的產(chǎn)量將占全球一半以上，成為世界磁性材料產(chǎn)業(yè)中心。總結(jié)磁性材料的研究和發(fā)展具有悠久的歷史，也必將在不久的未來取得更喜人的成績。磁性材料的發(fā)展總趨勢(shì)是有過渡族合金、化合物向多元合金、化合物方向發(fā)展，由三維向低維方向發(fā)展。我國的磁性材料的研究進(jìn)展迅速，但要進(jìn)一步縮小與發(fā)達(dá)國家的差