第3章材料的磁學(xué).

1、第三章第三章 材料的磁學(xué)材料的磁學(xué)3.1 原子磁性及材料磁性原子磁性及材料磁性3.2 磁學(xué)量及材料磁性分類磁學(xué)量及材料磁性分類3.3 鐵磁性和亞鐵磁性鐵磁性和亞鐵磁性3.4 自發(fā)磁化和技術(shù)磁化自發(fā)磁化和技術(shù)磁化 3.5 磁性材料及其應(yīng)用磁性材料及其應(yīng)用 磁性是原子及物質(zhì)最基本的屬性之一。廣義上，一切原磁性是原子及物質(zhì)最基本的屬性之一。廣義上，一切原子及物質(zhì)均具有子及物質(zhì)均具有“磁性磁性”。 材料的磁學(xué)：材料的磁學(xué)：研究和闡明固體材料磁性起源、磁性結(jié)構(gòu)研究和闡明固體材料磁性起源、磁性結(jié)構(gòu)及其聯(lián)系的學(xué)科及其聯(lián)系的學(xué)科，促進(jìn)對(duì)材料磁性的利用和開發(fā)。，促進(jìn)對(duì)材料磁性的利用和開發(fā)。 基于材料磁學(xué)原理，開

2、發(fā)的一類基礎(chǔ)性功能材料。基于材料磁學(xué)原理，開發(fā)的一類基礎(chǔ)性功能材料。 磁性磁性材料已經(jīng)形成了一個(gè)龐大的家族，材料已經(jīng)形成了一個(gè)龐大的家族，按材料的磁特性來(lái)劃分，按材料的磁特性來(lái)劃分，有軟磁、永磁、旋磁、記憶磁、壓磁等；有軟磁、永磁、旋磁、記憶磁、壓磁等； 按材料構(gòu)成來(lái)劃按材料構(gòu)成來(lái)劃分，分， 有合金磁性材料，鐵氧體磁性材料有合金磁性材料，鐵氧體磁性材料。3.1 原子磁性及材料磁性原子磁性及材料磁性1. 原子的磁性原子的磁性JJ耦合耦合: 各電子的各電子的L、S相互作用強(qiáng)，相互作用強(qiáng)，先耦合為該電子的總磁矩，再疊加先耦合為該電子的總磁矩，再疊加為原子總磁矩為原子總磁矩 ；（Z88)JJ+LS (

3、Z=3388)LS耦合耦合:各電子的各電子的L、S相互作用弱，相互作用弱，先各自耦合為總先各自耦合為總L、總、總S，再疊加，再疊加為原子總磁矩為原子總磁矩 ；（Z0，交換能最小，要求相鄰自旋角動(dòng)量平行排列，即交換能最小，要求相鄰自旋角動(dòng)量平行排列，即磁距自發(fā)磁化（鐵磁性）；當(dāng)磁距自發(fā)磁化（鐵磁性）；當(dāng)J0，要求反向排列（反鐵磁性）要求反向排列（反鐵磁性） 其它條件：其它條件：3/rRab P304(1) 磁疇磁疇 自發(fā)磁化（固有磁距平行）源于交換耦合（能）。自發(fā)磁化（固有磁距平行）源于交換耦合（能）。 交換作用使整個(gè)晶體自發(fā)磁化到飽和，磁化強(qiáng)度方向交換作用使整個(gè)晶體自發(fā)磁化到飽和，磁化強(qiáng)度方向

4、沿著晶體內(nèi)的易磁化軸，使沿著晶體內(nèi)的易磁化軸，使磁晶體內(nèi)交換能磁晶體內(nèi)交換能和和磁晶各向磁晶各向異性能異性能都達(dá)到極小值。但必然在其端面處產(chǎn)生磁極，產(chǎn)都達(dá)到極小值。但必然在其端面處產(chǎn)生磁極，產(chǎn)生退磁場(chǎng)，從而增加了生退磁場(chǎng)，從而增加了退磁能退磁能。這個(gè)退磁能將要破壞已這個(gè)退磁能將要破壞已經(jīng)形成的自發(fā)磁化。經(jīng)形成的自發(fā)磁化。 兩個(gè)矛盾相互作用使大磁疇分割為小磁疇，以減少兩個(gè)矛盾相互作用使大磁疇分割為小磁疇，以減少退磁能，分疇減小了退磁能，分疇減小了退磁能退磁能，但增加了，但增加了疇壁能疇壁能，故過程，故過程將終止于將終止于二者的平衡二者的平衡。自發(fā)磁化自發(fā)磁化分分 疇疇不分疇不分疇 ( a )圖是

5、整個(gè)晶體均勻磁化，退圖是整個(gè)晶體均勻磁化，退磁場(chǎng)能最大磁場(chǎng)能最大。分為兩個(gè)或四個(gè)平行。分為兩個(gè)或四個(gè)平行反向的自發(fā)磁化的區(qū)域反向的自發(fā)磁化的區(qū)域( b ),( C )可可以大大減少退磁能。以大大減少退磁能。 如果分為如果分為n個(gè)磁疇，能量減少個(gè)磁疇，能量減少1/n，但是相鄰磁疇壁的存在，又增加了但是相鄰磁疇壁的存在，又增加了一部分疇壁能。因此自發(fā)磁化區(qū)域一部分疇壁能。因此自發(fā)磁化區(qū)域(磁疇磁疇)的形成不可能是無(wú)限的，而是的形成不可能是無(wú)限的，而是疇壁能與退磁場(chǎng)能的和為極小值為疇壁能與退磁場(chǎng)能的和為極小值為條件。條件。 形成如圖形成如圖d，e的封閉疇將進(jìn)一步的封閉疇將進(jìn)一步降低退磁能，但是封閉疇

6、中的磁化降低退磁能，但是封閉疇中的磁化強(qiáng)度方向垂直單軸各向異性方向，強(qiáng)度方向垂直單軸各向異性方向，因此將增加各向異性能。因此將增加各向異性能。 鈷單晶磁疇的形成過程鈷單晶磁疇的形成過程 相鄰的兩個(gè)磁疇內(nèi)的磁化強(qiáng)度方向常常是反平行或相互相鄰的兩個(gè)磁疇內(nèi)的磁化強(qiáng)度方向常常是反平行或相互垂直，稱為垂直，稱為1800疇壁疇壁和和900疇壁疇壁，在疇壁中磁化矢量是逐步，在疇壁中磁化矢量是逐步轉(zhuǎn)變的。舉轉(zhuǎn)變的。舉1800疇壁為例，疇壁為例，疇壁交換能疇壁交換能 ：交換能的面密度：交換能的面密度：a為晶格常數(shù)，為晶格常數(shù)，Na疇壁厚疇壁厚 磁晶各向異性能密度磁晶各向異性能密度 ：NaKk1疇壁總能密度：疇壁

7、總能密度：22012exkJsK NaNaijexJSEcos222202NaJSex（2）磁疇壁）磁疇壁 退退 磁磁 能密度能密度 ：02/2sydINE222NJSEex24JSEex突然反轉(zhuǎn)：突然反轉(zhuǎn)：逐漸轉(zhuǎn)向：逐漸轉(zhuǎn)向：求能量極小值求能量極小值最佳層數(shù)最佳層數(shù)2201220JsK aNa N 11222200311JssJNK aK aa對(duì)于鐵的對(duì)于鐵的1800疇壁疇壁, 0=1800= ，得到，得到111222022233530111030010 10ckJsNK aK a11222112ckKsJKaa對(duì)鐵對(duì)鐵1爾格爾格/厘米厘米2得到得到1210JKsa 單疇顆粒單疇顆粒： 當(dāng)磁

8、性材料小到某一尺寸，以至于形成單疇的退磁當(dāng)磁性材料小到某一尺寸，以至于形成單疇的退磁能小于形成多疇的疇壁能時(shí)，磁性材料就以單疇（整疇）存在能小于形成多疇的疇壁能時(shí)，磁性材料就以單疇（整疇）存在 一個(gè)球形的鐵磁顆粒的退磁能為一個(gè)球形的鐵磁顆粒的退磁能為23229821ssdIRVNIE如分為四個(gè)疇，疇壁能為如分為四個(gè)疇，疇壁能為22 RE 能量平衡條件：能量平衡條件：2232298cscRIR249scIR單疇臨界半徑：?jiǎn)萎犈R界半徑：嚴(yán)格解：嚴(yán)格解：2200100.9510csasamzs Jzs JRIa NIa NS 顆粒表面積，顆粒表面積，a0為晶格常數(shù)。為晶格常數(shù)。 Z 對(duì)于簡(jiǎn)單立方，體

9、心立方，面心對(duì)于簡(jiǎn)單立方，體心立方，面心立方，分別為立方，分別為1、2、4。 (a) 分疇 (b）不分疇分疇分疇不分疇不分疇cRRE7.3 磁性材料的動(dòng)態(tài)特征（磁性材料的動(dòng)態(tài)特征（ 交流磁性能交流磁性能） 必要性：必要性：磁性材料尤其是軟磁材料在交變磁場(chǎng)條件下工磁性材料尤其是軟磁材料在交變磁場(chǎng)條件下工作，磁化過程是動(dòng)態(tài)的，從一個(gè)磁化狀態(tài)過渡到另一磁化作，磁化過程是動(dòng)態(tài)的，從一個(gè)磁化狀態(tài)過渡到另一磁化狀態(tài)需要時(shí)間。該時(shí)間與磁場(chǎng)變化的周期或頻率有很重要狀態(tài)需要時(shí)間。該時(shí)間與磁場(chǎng)變化的周期或頻率有很重要的關(guān)系。因此，需要研究磁化動(dòng)態(tài)特征。的關(guān)系。因此，需要研究磁化動(dòng)態(tài)特征。 工程應(yīng)用：工程應(yīng)用：電機(jī)

10、、變壓器鐵芯，中高頻電子器件，如微電機(jī)、變壓器鐵芯，中高頻電子器件，如微波器件等等。波器件等等。 目目 的：的：獲得動(dòng)態(tài)磁化的一般規(guī)律，如損耗機(jī)理、磁滯獲得動(dòng)態(tài)磁化的一般規(guī)律，如損耗機(jī)理、磁滯效應(yīng)及頻率依賴性，設(shè)計(jì)和正確使用磁性材料尤其是軟磁效應(yīng)及頻率依賴性，設(shè)計(jì)和正確使用磁性材料尤其是軟磁材料。材料。 DC 1kHz 10kHz B/TH / Am-1不同頻率下不同頻率下79Ni4MoFe材料的磁滯回線比較材料的磁滯回線比較 Bm-Hm 1 1、形狀大體相似；、形狀大體相似； 2 2、與頻率有關(guān)、與頻率有關(guān) 頻率升高，渦流損耗上升，磁損增大，交流幅值磁場(chǎng)減頻率升高，渦流損耗上升，磁損增大，交

11、流幅值磁場(chǎng)減小；回線區(qū)增大（橢圓形），磁化所需的磁場(chǎng)強(qiáng)度增大。小；回線區(qū)增大（橢圓形），磁化所需的磁場(chǎng)強(qiáng)度增大。0.06mm7.3.1 高頻磁導(dǎo)率高頻磁導(dǎo)率 磁性材料在交變磁場(chǎng)下磁化，因?yàn)閾p耗的出現(xiàn)，磁感應(yīng)磁性材料在交變磁場(chǎng)下磁化，因?yàn)閾p耗的出現(xiàn)，磁感應(yīng)強(qiáng)度強(qiáng)度B B或磁化強(qiáng)度或磁化強(qiáng)度M M一般滯后一個(gè)相角一般滯后一個(gè)相角 ，表示為：，表示為：tieHH0tieBB0000000cossinitii tB eBBeiiHH eH令令cos0sin0 tancossin00 tantan 叫做損耗因子，叫做損耗因子， Q Q1 1/ /tantan ，稱為軟磁材料的品質(zhì)因子。稱為軟磁材料的品質(zhì)

12、因子。彈性磁導(dǎo)率彈性磁導(dǎo)率粘滯磁導(dǎo)率粘滯磁導(dǎo)率一個(gè)周期內(nèi)，單位鐵磁體的平均能量損耗一個(gè)周期內(nèi)，單位鐵磁體的平均能量損耗或磁損規(guī)律密度或磁損規(guī)律密度P耗耗：sin2110mmTBHHdBTP耗2 mHfP耗一個(gè)周期內(nèi)，單位鐵磁體儲(chǔ)存的平均磁能密度：一個(gè)周期內(nèi)，單位鐵磁體儲(chǔ)存的平均磁能密度：221mHW 磁滯損耗磁滯損耗 Pn：磁化功，在低頻區(qū)域最重要的損耗是磁滯損耗(磁滯回線所包圍的面積)。磁化強(qiáng)度的幅值很小，對(duì)應(yīng)于瑞利區(qū)，磁滯損耗依賴于磁場(chǎng)的幅值。在高頻區(qū)，作為磁滯損耗的主要來(lái)源于，不可逆的疇壁位移（M的轉(zhuǎn)動(dòng)）被阻尼。 渦流損耗渦流損耗 Pe：電磁感應(yīng)加熱引起，功率損耗與頻率的平方成正比。減小

13、渦流損耗的一種方法是在與磁化強(qiáng)度垂直的一個(gè)或兩個(gè)方向上減小材料的尺寸，盡量使用薄片或絲，例如硅鋼片。 提高材料電阻率是減小渦流損耗最有效的方法，例如鐵氧體。7.3.2 交變磁場(chǎng)作用下的能量損耗交變磁場(chǎng)作用下的能量損耗cenmPPPP 剩余損耗剩余損耗Pc：在低頻和弱磁場(chǎng)條件下，剩余損耗主要是磁后效引起的。在突然施加磁場(chǎng)H后，磁化強(qiáng)度M的變化被延遲的現(xiàn)象叫磁后效magnetic after-effect。 為弛豫時(shí)間，表示 B=0Bm所需的特征時(shí)間，可用B=00.63Bm時(shí)間代表。mHmBHBtt0t0tmBmB63. 0BBdtdBm/1tmeBB)(0MHB 7.4 磁性材料及其應(yīng)用磁性材料

14、及其應(yīng)用(1) (1) 軟磁材料軟磁材料 高磁導(dǎo)率，高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，高磁導(dǎo)率，高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，磁化容易；磁化容易； 矯頑力小（疇壁易運(yùn)動(dòng)），磁矯頑力小（疇壁易運(yùn)動(dòng)），磁滯回線很窄，有剩磁，退磁容易；滯回線很窄，有剩磁，退磁容易； 磁滯損耗低，損耗源于沉淀相磁滯損耗低，損耗源于沉淀相和雜質(zhì)對(duì)疇壁的釘扎作用和雜質(zhì)對(duì)疇壁的釘扎作用BHo7.4.1 7.4.1 鐵磁材料分類鐵磁材料分類 措施：措施：1 1）增加純度，減小不均勻性）增加純度，減小不均勻性2 2）減小各向異性）減小各向異性3 3）減小電阻率。）減小電阻率。 按矯頑力分類，按矯頑力分類，Hc40 KA/m為永磁材料。為永磁材料。 軟磁材

15、料主要應(yīng)用軟磁材料主要應(yīng)用w磁路磁路：變壓器、繼電器的磁芯(鐵芯)、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子和定子、磁路中的連接元件、感應(yīng)圈鐵芯。 （利用高導(dǎo)磁率、低損耗）w磁極磁極：電磁極頭、電子計(jì)算機(jī)開關(guān)元件和存儲(chǔ)元件等。 （利用飽和磁化強(qiáng)度高）w電磁屏蔽電磁屏蔽：磁屏蔽、吸波材料 （利用導(dǎo)磁率高、導(dǎo)電性） 剩磁剩磁電阻電阻磁極磁極導(dǎo)磁導(dǎo)磁磁極磁極導(dǎo)磁導(dǎo)磁中頻中頻高頻高頻低頻低頻 P324327 (2) (2) 硬磁材料硬磁材料 硬磁材料又稱永磁材料，硬磁材料又稱永磁材料，難于磁化又難于退磁。難于磁化又難于退磁。主要主要特特 矯頑力大矯頑力大，典型值，典型值HcHc104104106A/m106A/m； 剩磁大剩磁大，

16、適合做永磁極，適合做永磁極 ； 磁滯回線較粗，具有較高磁滯回線較粗，具有較高的的最大磁能積最大磁能積 (BH)(BH)maxmax； 硬磁性材料如碳鋼、鋁鎳硬磁性材料如碳鋼、鋁鎳鈷合金、稀土永磁體等。鈷合金、稀土永磁體等。BHo 主要用途主要用途應(yīng)用應(yīng)用用于制造各種永磁體，以便提供磁場(chǎng)空間；可用于各類電表和電話、錄音機(jī)、電視機(jī)中以及利用磁性牽引力的舉重器、分料器和選礦器中。主要分為主要分為Fe-Cr-Co合金， Tc高Al-Ni-Co合金， Tc高硬磁鐵氧體材料， Tc中稀土永磁材料，Tc低一類是鈷基稀土永磁材料，主要代表是SmCo5燒結(jié)永磁體和Sm2Co17多相沉淀硬化永磁材料。它們的缺點(diǎn)是

17、脆，加工性稍差，造價(jià)高，因?yàn)镃o貴。一類是釹鐵硼(Nd-Fe-B)系合金，是目前工業(yè)用硬磁材料磁能積最高的品種。優(yōu)點(diǎn)Br、Hc大，缺點(diǎn)是溫度穩(wěn)定性，抗腐蝕性稍差。 Hc40 KA/m為永磁材料為永磁材料 一一Al-Ni-Al-Ni-CoCo合金合金 (1960)(1960) 它們是含有Al、Ni、Co加上3%Cu的鐵基系合金, 以磁性能高穩(wěn)定性好著稱。脆性，鑄造/粉末冶金。 第一章廣泛應(yīng)用的合金永磁體。用于儀表、電機(jī)器件上，例如，發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、繼電器和磁電機(jī)；電子行業(yè)中的應(yīng)用如揚(yáng)聲器、電話耳機(jī)和受話器。 Al-Ni-Co具有高 (BH)max=4070kJ/3，高剩磁Br = 0.71.35

18、，適中的矯頑力Hc40160kA/m。二二 Fe-Cr-Fe-Cr-CoCo合金合金 (1980(1980) ) 它是它是19711971年年KanekoKaneko等研制的永磁材料，等研制的永磁材料，它具有良好的延它具有良好的延展性和可成型性，作為沖壓件、薄帶材及線材展性和可成型性，作為沖壓件、薄帶材及線材，由于，由于Fe-Fe-Cr-CoCr-Co的冷加工變形性好，允許高速室溫成型成杯狀，這是的冷加工變形性好，允許高速室溫成型成杯狀，這是別的合金不能做到的。它別的合金不能做到的。它是在是在Fe-Cr合金基礎(chǔ)上發(fā)展的，合金基礎(chǔ)上發(fā)展的，F(xiàn)e-Cr合金在合金在475 oC發(fā)生發(fā)生Spinoda

19、lSpinodal分解分解。 + + ，產(chǎn)生富鐵的鐵磁相產(chǎn)生富鐵的鐵磁相和富鉻的和富鉻的、低磁低磁性相性相 ，具有永磁性能具有永磁性能 。 但鉻使但鉻使BrBr、TcTc降低，在降低，在Fe-CrFe-Cr合金基礎(chǔ)上加入合金基礎(chǔ)上加入Co,Co,形成形成Fe-Cr-CoFe-Cr-Co合金。合金。 CoCo使使BrBr、TcTc提高提高, , SpinodalSpinodal分解溫度分解溫度提高。提高。 成分，成分，W/% Bs, THc, kA. m-1(B H)max, kJ. m-325Co-30Cr-3Mo-1Ni1.086.436.015Co-23Cr-2Mo-0.5Ti1.456.

20、059.215Co-22Cr-1.5Ti1.5650.966.115Co-24Cr-3Mo-1.0Ti1.5466.975.34Co-30Cr-1.5Ti1.2545.439.823Co-33Cr-2Cu1.386.078.0 三、硬磁鐵氧體三、硬磁鐵氧體 硬磁鐵氧體是非導(dǎo)電化合物，其陽(yáng)離子為過渡族金屬。在鐵氧體中金屬離子處于四面體為A位、八面體為B位。從配位情況看，金屬離子最近鄰都是陰離子，金屬離子間電子殼層幾乎不能交疊，直接交換作用不適用了，磁性被認(rèn)為來(lái)源于間接交換作用（或叫超交換作用）。 磁鉛石型鐵氧體：一般式是MO.6Fe2O3, 這里M代表二價(jià)金屬Ba、Sr、Pb；常用的為鋇鐵氧體(BaO6Fe2O3) 、鍶鐵氧體(SrO6Fe2O3)和鉛鐵氧體(PbO6Fe2O3)。 燒結(jié)成型。 成分成分Bs, TBs, THcHc, ,kA. mkA. m-1-1( (BH)max,BH)max, kJ. m kJ. m-3-3Y30Y300.380.380.420.4216016021621626.326.329.529.5Y35Y350.400.400.440.4417617622422430.330.333.433.4Y15HY15H0.310.3123223224824817.517.5Y20HY20H0.340.3424824826426421.521.5