磁性材料第一部分

會計學(xué)1磁性材料第一部分第1頁/共37頁第2頁/共37頁我國磁性材料的生產(chǎn)在國際上占有重要的地位.其中,永磁鐵氧體的產(chǎn)量達1.1×105ｔ,居世界首位;軟磁鐵氧體產(chǎn)量4×104ｔ,居世界前列;稀土永磁產(chǎn)量4300ｔ,居世界第二.根據(jù)中國工程院的專項調(diào)查和預(yù)測,我國2005年磁性材料的需求量:永磁鐵氧體15×104ｔ,軟磁鐵氧體6×104ｔ,稀土永磁8000—10000ｔ.但是,目前我國生產(chǎn)的磁性材料基本上是低性能水平的材料,與世界先進水平存在較大的差距.第3頁/共37頁(1)加強磁性材料的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究.(2)改造和完善現(xiàn)有的磁性材料,提高其磁性能,優(yōu)化制備工藝,降低生產(chǎn)成本.(3)發(fā)展新型的磁性材料,特別是納米磁性材料納米磁性材料是納米材料中最早進入工業(yè)化生產(chǎn)的功能材料,應(yīng)用廣泛,性能優(yōu)異,特別是在信息存儲、處理與傳輸中占據(jù)重要地位,其基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開發(fā)正方興未艾.(4)加強研究、生產(chǎn)、應(yīng)用三方面的結(jié)合,不斷開拓磁性材料新的應(yīng)用領(lǐng)域并促使其發(fā)展.磁性材料的研究和發(fā)展將主要集中在以下幾個方面:第4頁/共37頁教學(xué)內(nèi)容和要求熟悉金屬磁性材料理論基礎(chǔ)包括金屬結(jié)構(gòu)與磁特性的關(guān)系，結(jié)晶織構(gòu)與磁織構(gòu)對磁性能的關(guān)系，相變熱力學(xué)，相變動力學(xué)，過飽和固溶體分解原理在磁性材料研究中的應(yīng)用。(6)掌握金屬軟磁材料的結(jié)構(gòu)與特性要求如工程純鐵，鐵鎳系等。(2)掌握金屬及稀土永磁材料的結(jié)構(gòu)與特性要求包括AlNiCo，SmCo，NdFeB，SmFeN。(2)非晶態(tài)磁性材料的制備工藝及磁特性。(2)第5頁/共37頁5．熟悉尖晶石鐵氧體的晶體結(jié)構(gòu)與基本特性;掌握軟磁鐵氧體的特性要求與參數(shù)、軟磁鐵氧體的磁譜特性、軟磁鐵氧體損耗特性、軟磁鐵氧體的穩(wěn)定性。(14)6．熟悉石榴石鐵氧體的晶體結(jié)構(gòu)、石榴石鐵氧體的飽和磁化強度、石榴石鐵氧體的磁晶各向異性、石榴石鐵氧體的光特性、鈣鈦石型鐵氧體。掌握旋磁鐵氧體材料的特性要求與參數(shù)、旋磁鐵氧體材料的損耗、高功率條件下旋磁鐵氧體材料的損耗、常用旋磁鐵氧體材料、特殊性能旋磁鐵氧體材料。(6)教學(xué)內(nèi)容和要求第6頁/共37頁7．熟悉磁鉛石鐵氧體的晶體結(jié)構(gòu)、磁鉛石鐵氧體的飽和磁化強度、磁鉛石鐵氧體的磁晶各向異性。掌握永磁鐵氧體材料的特性要求與參數(shù)、常用永磁鐵氧體材料、永磁鐵氧體材料的穩(wěn)定性與發(fā)展。(4)8．本課程開出相關(guān)實驗12學(xué)時continue

教學(xué)內(nèi)容和要求第7頁/共37頁

磁性材料分類不同類型的磁性材料是如何分類的?

按塊體磁化率來劃分:抗磁性材料順磁性材料強磁性材料(鐵磁性、亞鐵磁性)

(鐵氧體材料、金屬磁性材料)按功能分:軟磁材料永磁材料矩磁材料壓磁材料旋磁材料第8頁/共37頁§1-1軟磁鐵氧體材料的特性要求一.概述:1.要求：四高----μi、Q、fr、穩(wěn)定性(M、DF);2.特點：容易獲得磁性也容易失去,主要用于高f弱場二.分類第一章軟磁鐵氧體材料第9頁/共37頁二.分類

1.按晶體結(jié)構(gòu):尖晶石型;平面六角晶系;2.按材料應(yīng)用性能分：

1>.高磁導(dǎo)率材料(μi=2000--4104)：低頻、寬頻帶變壓器及小型脈沖變壓器

2>.低損耗材料：電源磁芯,高功率場合;3>.低損耗高溫定性材料:通信濾波器磁芯;4>.高頻大磁場材料：空腔諧振器、高功率變壓器等

5>.功率鐵氧體（高Bs）材料：開關(guān)電源及低頻功率變壓器

6>高密度記錄材料：用做錄音,錄象磁頭;7>電波吸收體材料：吸收電磁波能量，廣泛應(yīng)用于抗干擾電子技術(shù)第10頁/共37頁§1-1-1、磁特性參數(shù)1.起始磁導(dǎo)率μI

L：電感量（mH）；R：電阻；h、Di、Do：樣品高，內(nèi)徑，外徑2.磁損耗:品質(zhì)因素：Q=ωL/R;損耗角正切：tgδ=1/Q;比損耗系數(shù):tg

/μi=1/μi?Q

一般材料μi?

Q=常數(shù).3.溫度穩(wěn)定性:溫度系數(shù)比溫度系數(shù)：u/μi第11頁/共37頁4.減落:反映材料隨時間的穩(wěn)定性5.磁老化6.截止頻率fr:

由于疇壁或自然共振,迅速下降致所對應(yīng)的頻率點,衡量材料應(yīng)用頻率的上限.f第12頁/共37頁§1-2軟磁鐵氧體的磁導(dǎo)率一、起始磁導(dǎo)率的理論概述:

微觀機理:可逆疇轉(zhuǎn)，可逆疇壁位移

μi=μi

轉(zhuǎn)+μi位對于一般燒結(jié)鐵氧體：

1.如內(nèi)部氣孔較多,密度低,壁移難,μi轉(zhuǎn)為主;2.如晶粒大,氣孔少,密度高,以壁移為主.

磁化的難易程度決定于磁化動力(MsH)與阻滯之比,比值高則易磁化;反之難磁化.第13頁/共37頁

理論上提高磁導(dǎo)率的條件:1.必要條件：

1>.Ms要高(Ms2);2>.k1,s0;2.充分條件:1>.原料雜質(zhì)少,;2>.密度要提高(P),即材料晶粒尺寸要大(D);3>.結(jié)構(gòu)要均勻(晶界阻滯);4>.消除內(nèi)應(yīng)力s?σ;5>.氣孔,另相(退磁場)第14頁/共37頁二、提高μi的方法（一）.提高材料的Ms

尖晶石鐵氧體Ms=|MB

-MA|1.選高Ms的單元鐵氧體如:MnFe2O4(4.6--5μB);NiFe2O4(2.3μB)2.加入Zn,使MAs降低另外:CoFe2O4(3.7μB)磁晶各向異性

Fe3O4(4μB)電阻率低,K也較大

Li0.5Fe2.5O4(2.5μB)燒結(jié)性差,10000C,Li揮發(fā)第15頁/共37頁(二).降低

k1和s1.選L=0的單元鐵氧體;MnFe2O4,Li0.5Fe2.5O4,MgFe2O42.選擇L被淬滅;NiFe2O4,CuFe2O43.離子取代降低k1,s1>.加入Zn2+,沖淡磁性離子的磁各向異性2>.加入Co2+:一般鐵氧體k1<0,Co2+的k1>0,正負(fù)k補償；3>.引入Fe2+,Fe2+在MnZn表現(xiàn)為正k,可正負(fù)補償調(diào)整k;4>.加入Ti4+,2Fe3+

Fe2++Ti4+;5>高磁導(dǎo)率的成分范圍第16頁/共37頁(三).顯微結(jié)構(gòu)：

1.結(jié)晶狀態(tài):晶粒大小、完整性、均勻性；

2.晶界狀態(tài):厚薄、氣孔、另相；

3.晶粒內(nèi)氣孔,另相:大小、多少和分布；高μ材料:大晶粒,晶粒均勻完整,晶界薄,無氣孔和另相(四).內(nèi)應(yīng)力對μ的影響：

1>.有磁化過程中的磁致伸縮引起，它與s成正比；

2>.燒結(jié)后冷卻速度太快，晶格應(yīng)變和離子、空位分布不均勻而產(chǎn)生畸變；

3>.由氣孔、雜質(zhì)、另相、晶格缺陷、結(jié)晶不均勻等引起的應(yīng)力，與原材料純度和工藝有關(guān)。第17頁/共37頁

綜上所述

1.原材料：純度高、活性好、雜質(zhì)少,對MnZn材料而言粒度最好在0.15～0.25μm范圍內(nèi)。特別注意半徑較的大雜質(zhì)混入；2.配方除滿足高Ms，更重要是滿足k10,s0；一般當(dāng)要求μi在5000以下時,可以加入必要的添加劑如CaO,TiO2,LaO,CuO,Bi2O3,B2O3,BaO,V2O5,ZrO2等，以改善損耗特性及其它性能的作用3.保證獲得高密度及優(yōu)良顯微結(jié)構(gòu)，造成磁化過程

以壁移為主。用二次還原燒結(jié)法和平衡氣氛燒結(jié)

法是獲得穩(wěn)定優(yōu)良性能必不可少的條件；4.采用適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に囘M一步改善顯微結(jié)構(gòu)性能，促使均勻化，消除內(nèi)應(yīng)力，調(diào)節(jié)離子、空位的穩(wěn)

定分布狀態(tài)。第18頁/共37頁§1-3軟磁鐵氧體的磁譜一、軟磁鐵氧體磁譜及形狀

磁譜：軟磁材料在弱交變磁場中，復(fù)磁導(dǎo)率μr=μr'-μr"隨頻率變化的曲線fμr'μr"μ1234一般軟磁鐵氧體材料的磁譜第19頁/共37頁鐵氧體磁譜分區(qū)：1.低頻(f<104Hz):復(fù)磁導(dǎo)率μr大,μr

小,損耗小，磁導(dǎo)率隨頻率變化不大;2.中頻(f=104

106Hz):與低頻相似，可能出現(xiàn)尺寸共振和磁力共振;μr下降，μr出現(xiàn)峰值；

3.高頻(f=1061010Hz)：疇壁共振和自然共振;大晶粒發(fā)生疇壁共振,小晶粒發(fā)生自然共振;一般來說先發(fā)生疇壁共振,后發(fā)生自然共振；μr急劇下

降，μr迅速增加

4.極高頻(f>1010Hz)----交換區(qū)L=n×λ/2舉例：f=106Hz，μ=103，ε=30，λ=173cm第20頁/共37頁二、影響磁譜的因素與提高截止頻率方法影響磁譜的因素1.疇壁共振：

m有效質(zhì)量；：勁度系數(shù)（P56）

：為疇壁在其能谷中離開最低能量的平衡位置時所受到的回復(fù)力大小的量度，是一個結(jié)構(gòu)靈敏常數(shù)2.自然共振:

外加交變場，磁晶各向異性場和退磁場聯(lián)合作用；1>.單疇:r=r?Hk2>.多疇:γ?Hk<r<γ?(Hk+Ms);(i-1)?fr=(1/3π)γ?Ms--snock公式;--Nado公式第21頁/共37頁提高fr的方法1.降低ZnO含量→i

，fr

2.選k1較高的材料為高頻材料；f1MHz,以MnZn為主;f>1MHz,以NiZn為主;f>100MHz,以平面六角結(jié)構(gòu)材料為主;3.加入磁晶各向異性很強的離子Co2+

1>.凍結(jié)疇壁的移動,提高疇壁共振頻率2>.形成Co2Y相,增大材料的磁晶各向異性;第22頁/共37頁4.加入低熔點物質(zhì)PbO,CuO

摻入低熔點物質(zhì)，可使T燒降低150～200C;提高密度,

細(xì)化晶粒,磁化過程主要以疇轉(zhuǎn)為主,在MnZn,NiZn

中都可以運用;5.降低燒結(jié)溫度,細(xì)化晶粒;

形成多孔細(xì)晶粒結(jié)構(gòu):利用形狀各向異性,退磁場作用

(氣孔),在NiZn中普遍采用；6.應(yīng)用時:①對k1<0(s<0)材料加張力;k1>0(s>0)壓力;②開氣隙,使μi;③加直流偏磁場(固定疇壁);第23頁/共37頁§1-4軟磁鐵氧體的損耗一、.概述 產(chǎn)生原因:軟磁材料在弱交變場,一方面會受磁化而儲能,另一方面由于各種原因造成B落后于H而產(chǎn)生損耗,即材料從交變場中吸收能量并以熱能形式耗散.Legg公式第24頁/共37頁二.磁損耗分類:

非共振區(qū)（損耗較?。?1>.渦流損耗;2>.磁滯損耗;3>.剩余損耗;

共振區(qū)（損耗較大）:4>.尺寸損耗;5>.疇壁損耗;6>.自然共振第25頁/共37頁（一）、渦流損耗渦流損耗：由于電磁感應(yīng)引起渦流而產(chǎn)生。一般鐵氧體很高時,可忽略渦流損耗;對高材料，由于Fe2+含量較高，（=10-2～10m），渦流損耗較大。

降低渦流損耗的有效方法是:提高(晶粒內(nèi)部的,晶界的)第26頁/共37頁1.晶粒內(nèi)部:

①防止Fe2+出現(xiàn),如配方中Fe2O3>50mol%則在還原氣氛下燒結(jié);主要在高頻NiZn要防止Fe2+

產(chǎn)生,則在氧氣氛下燒結(jié);②采用缺鐵配方,Fe2O3<50mol%,P型導(dǎo)電>n型導(dǎo)電;③加入適量的Mn2+,Co2+,抑制Fe2+;

原因:Mn2+,Co2+的電子擴散激活能高于Fe2+,使得

即使存在部分Fe2+也使.Mn2+,Co2+在高溫?zé)Y(jié)中具有比Ni對氧的親和力還要強,由二價三價,而低溫還原性強由三價二價；④降低T燒,因Fe2+隨T燒而(高溫時O2少);第27頁/共37頁2.提高晶界的(主要對MnZn)①對于高μ材料,只能選擇添加劑;二次球磨加入:CaOSiO2、V2O5SiO2、BaO

SiO2;如SiO2量偏高,不能再加,否則將引起異常晶

粒生長;

②加入Nb2O3、TaO、PbO、LaO、CuO可降低T燒,促進晶粒細(xì)化,晶界增多,提高電阻率;③加入TiO2,即使Fe2+限制在Ti4+附近,防止

Fe2+＝Fe3++e導(dǎo)電機構(gòu)形成;④燒結(jié)后熱處理使晶粒表面吸氧:Fe2+Fe3+

(3000C以上)第28頁/共37頁（二）、磁滯損耗磁滯損耗：是指軟磁材料在交變場中存在不可逆磁化而形成磁滯回線，所引起材料損耗，大小正比于回線面積.原因:不可逆的壁移,使B落后于H.降低損耗的方法:1>.低場下,防止不可逆磁化過程產(chǎn)生,降低損耗與提 高μi的方法一致;但同時應(yīng)注意防止不可逆壁 移的出現(xiàn)

2>.高場下,使不可逆磁化過程盡快完成,減少磁滯回 線面積.第29頁/共37頁磁滯損耗的表達式：其中;b=dμi/dH(b為瑞利系數(shù))1.如b不變,在相同的Bm條件下,μi,但當(dāng)μi,往往仍可使b。2.如μi不變,使b即減少不可逆壁移所占比例，。因此使晶粒尺寸,并使k10,使磁化以可逆壁移、疇轉(zhuǎn)為主。（如叵明伐效應(yīng)凍結(jié)壁，不可逆壁移難于發(fā)生）第30頁/共37頁

從上面看出,降磁滯損耗方法：（一）在低場作用下：1.tgn與

μi一致,即要使可逆磁化為主:2.但隨μi不可逆磁化易產(chǎn)生,即b,故須采用μi與不一致的方法:晶粒較小,均勻,完整;晶界相對較厚,氣孔少。舉例：在MnZn中,如用Ti4+取代部分Fe3+，Ti4+取代使k10；可降低T燒,，晶粒生長較小，氣孔率低;

在NiZn中加入Co(少量)形成Ku(單軸各向異性);產(chǎn)生叵明法效應(yīng):等導(dǎo)型;蜂腰型(在弱場下）；第31頁/共37頁（二）在強場作用下:加速不可逆磁化的發(fā)生(在小H發(fā)生)要Hc小,μi,使磁滯回線面積:①配方原則:k1→0,s→

0原料要求純,活性好,與μi一致(高μ材料);②工藝原則:高密度,較大晶粒,均勻,完整,無異相摻雜,內(nèi)應(yīng)力;晶界薄而整齊,氣孔少;與高Bs材料基本一致；第32頁/共37頁叵明法效應(yīng):