磁性材料-研究生課程

磁性材料

主要內(nèi)容1.磁學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)2.軟磁材料3.永磁材料4.應(yīng)用1.磁學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)1.1基本磁學(xué)量①磁場強(qiáng)度：Hi/D對(duì)于一個(gè)直徑為D的單匝環(huán)形線圈，當(dāng)通一電流i時(shí)中心處磁場強(qiáng)度。②磁化強(qiáng)度：M=∑μ/ΔV單位體積的磁體中磁矩的矢量和。③磁感應(yīng)強(qiáng)度：B=ΔΦ/Α單位面積磁通量的變化。④磁化率：χ=M/H單位磁場強(qiáng)度在磁體中感生的磁化強(qiáng)度。⑤磁導(dǎo)率：μ=B/H單位磁場強(qiáng)度在磁體中感生的磁感應(yīng)強(qiáng)度。1.2磁性參量①初始磁導(dǎo)率：②最大磁導(dǎo)率：③飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs：其大小取決于材料的成分，它所對(duì)應(yīng)的物理狀態(tài)是材料內(nèi)部的磁化矢量整齊排列。④剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br：是磁滯回線上的特征參數(shù)，H回到0時(shí)的B值。⑤矯頑力Hc：是表示材料磁化難易程度的量，取決于材料的成分及缺陷（雜質(zhì)、應(yīng)力等）。⑦居里溫度Tc：鐵磁物質(zhì)的磁化強(qiáng)度隨溫度升高而下降，達(dá)到某一溫度時(shí)，自發(fā)磁化消失，轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判裕撆R界溫度為居里溫度。它確定了磁性器件工作的上限溫度。1.3磁性和磁性材料的分類

所有的物質(zhì)都具有磁性，但并不是所有的物質(zhì)都能作為磁性材料來應(yīng)用。有些物質(zhì)具有很強(qiáng)的磁性，而大部分物質(zhì)磁性很弱，因此實(shí)際上只有很少一部分物質(zhì)能夠作為磁性材料來應(yīng)用。物質(zhì)的磁性分類

按照磁體磁化時(shí)磁化率的大小和符號(hào)，可以將物質(zhì)的磁性分為五個(gè)種類：抗磁性、順磁性、反鐵磁性、鐵磁性和亞鐵磁性。磁性材料分類

從實(shí)用的觀點(diǎn)出發(fā)，磁性材料可以分為以下幾類：軟磁材料、永磁材料、磁記錄材料等.1.4磁性材料中的基本現(xiàn)象磁晶各向異性定義：對(duì)于單晶材料，其磁化曲線隨晶軸方向的不同而有所差別，即磁性隨晶軸方向顯示各向異性。*磁晶各向異性存在于所有鐵磁性晶體中。Ni單晶的磁化曲線*易磁化方向（易軸）<111>；難磁化方向（難軸）<100>磁晶各向異性起源*晶體場電子軌道角動(dòng)量淬滅電子的軌道運(yùn)動(dòng)失去了自由狀態(tài)下的各向同性，變成了與晶格相關(guān)的各向異性電子云分布各向異性。*電子的自旋運(yùn)動(dòng)與軌道運(yùn)動(dòng)之間存在耦合作用電子軌道運(yùn)動(dòng)隨自旋取向發(fā)生變化。磁晶各向異性來源模型（a）磁體水平磁化時(shí)，電子云交疊少，交換作用弱（b）磁體垂直磁化時(shí)，由于L-S耦合作用，電子云隨自旋取向而轉(zhuǎn)動(dòng)，電子云交疊程度大，交換作用強(qiáng)定義：磁性材料由于磁化狀態(tài)的改變，其長度和體積都要發(fā)生微小的變化。磁致伸縮效應(yīng)線磁致伸縮：縱向磁致伸縮、橫向磁致伸縮體積磁致伸縮很小，可忽略磁致伸縮系數(shù)：的大小與H的大小有關(guān)S：飽和磁致伸縮系數(shù)S>0正磁致伸縮；S<0負(fù)磁致伸縮*通過對(duì)材料施加拉應(yīng)力或壓應(yīng)力，能引起材料的磁性能變化，即所謂的壓磁效應(yīng)，這是磁致伸縮的逆效應(yīng)。*研究磁致伸縮的意義：（1）了解磁體內(nèi)部各種相互作用的本質(zhì)以及磁化過程與物體形變的關(guān)系；（2）根據(jù)材料的壓磁效應(yīng)原理制成許多有用的器件。磁致伸縮機(jī)理*同磁晶各向異性的來源一樣，由于原子或離子的自旋與軌道的耦合作用而產(chǎn)生。1.5動(dòng)態(tài)磁化動(dòng)態(tài)磁化過程*靜態(tài)磁化過程：磁場恒定，樣品從一個(gè)穩(wěn)定磁化狀態(tài)轉(zhuǎn)變到新的平衡狀態(tài)。不考慮建立新的平衡過程的時(shí)間問題，因此稱之為靜態(tài)磁化過程。不可逆磁化導(dǎo)致磁滯現(xiàn)象，每個(gè)磁化狀態(tài)都處于亞穩(wěn)態(tài)，且磁化狀態(tài)不隨時(shí)間改變。*動(dòng)態(tài)磁滯回線：鐵磁體在周期性變化的交變磁場中時(shí)，其磁化強(qiáng)度也周期性地反復(fù)變化，構(gòu)成動(dòng)態(tài)磁滯回線。在相同的磁場強(qiáng)度范圍內(nèi)，動(dòng)態(tài)磁滯回線的面積比靜態(tài)磁滯回線的面積要大些。原因：回線面積等于磁化一周所損耗的能量。靜態(tài)僅有磁滯損耗；動(dòng)態(tài)磁滯損耗、渦流損耗、剩余損耗。*動(dòng)態(tài)磁化曲線：頻率不變，改變磁場強(qiáng)度的大小，可得一系列動(dòng)態(tài)磁滯回線，它們的頂點(diǎn)(Bm,Hm)連線稱為動(dòng)態(tài)磁化曲線。振幅磁導(dǎo)率：如下圖，回線為動(dòng)態(tài)飽和磁滯回線，BS和HS則為飽和狀態(tài)下飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度和相應(yīng)的磁場強(qiáng)度，Br和HC為剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度和矯頑力。根據(jù)矯頑力大小分為：硬磁材料：Br要高；Hc要高；最大磁能積(BH)m要高；從實(shí)用角度考慮，穩(wěn)定性要高。軟磁材料：μi和μmax要高；Hc要??；Bs要高；功率損耗要低；穩(wěn)定性高。磁化曲線磁滯回線剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度矯頑力初始磁導(dǎo)率最大磁導(dǎo)率飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度*磁化的時(shí)間效應(yīng)表現(xiàn)為以下幾種不同的現(xiàn)象：1)磁滯現(xiàn)象：交變磁場中的磁化是動(dòng)態(tài)過程，有時(shí)間效應(yīng)。2)渦流效應(yīng)：動(dòng)態(tài)磁化中，鐵磁材料內(nèi)部會(huì)形成渦流。渦流的產(chǎn)生將抵抗B的變化，從而使磁化產(chǎn)生時(shí)間滯后效應(yīng)。3)磁導(dǎo)率的頻散和吸收現(xiàn)象：交變磁場中，疇壁位移或磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)受到各種不同性質(zhì)的阻尼作用，導(dǎo)致復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率隨磁場頻率變化。4)磁后效：當(dāng)H發(fā)生突變時(shí)，B的變化需經(jīng)過一定的時(shí)間才能穩(wěn)定下來。這種現(xiàn)象是由于磁化過程本身或熱起伏的影響，引起材料內(nèi)部磁結(jié)構(gòu)或晶體結(jié)構(gòu)的變化。*在交變磁場中，以上四種現(xiàn)象都將引起鐵磁材料的能量損耗。動(dòng)態(tài)磁性參數(shù)①復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率*好處：可同時(shí)反映B和H間的振幅和相位關(guān)系。代表單位體積鐵磁材料中的磁能存儲(chǔ)代表單位體積鐵磁材料在交變磁場中每磁化一周的磁能損耗損耗角②磁譜與截止頻率fr磁譜：鐵磁體在交變磁場中的復(fù)數(shù)磁導(dǎo)率的實(shí)部和虛部隨頻率變化的關(guān)系曲線。截止頻率：在材料的磁譜曲線上，下降到初始值的一半或達(dá)到極大值時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率。物理意義：它給出了磁性材料能夠正常工作的頻率范圍*當(dāng)f=fr時(shí)，達(dá)到最大值，損耗最大，此時(shí)材料無法使用，所以一般軟磁材料的工作頻率應(yīng)選擇低于它的截止頻率。*i越低，其fr越高，因此要提高材料的高頻應(yīng)用范圍，降低材料的起始磁導(dǎo)率是一個(gè)有效的手段。③品質(zhì)因數(shù)Q*Q值反映軟磁材料在交變磁化時(shí)能量的貯存和損耗的性能。④損耗因子tan物理意義：鐵磁材料在交變磁化過程中能量的損耗與貯存之比。⑤Q積*對(duì)軟磁材料，總是希望其Q值越高越好，值越大越好，常用Q積來表征軟磁材料的技術(shù)指標(biāo)。*或用tan/表示，稱為軟磁材料的比損耗系數(shù)，反映材料的相對(duì)損耗大小。*和可通過交流電橋法進(jìn)行測量；Q值可以用交流電橋或Q表測量得到；tan可以通過交流電橋、Q表、測量位相差或測量磁損耗的方法得到。磁損耗定義：磁性材料在交變磁場中產(chǎn)生能量損耗。磁滯損耗＋渦流損耗＋剩余損耗（殘留損耗）*在低頻、弱場（B<0.01T）條件下，磁損耗為：e：渦流損耗系數(shù)；a：磁滯損耗系數(shù)；c是不依賴于f的常數(shù)，來自由磁后效或頻散引起的損耗。*總損耗W既決定于材料，也決定于交變磁場的f和Bm,因此討論W指標(biāo)時(shí)，應(yīng)注明f和Bm。①渦流損耗*渦流是在迅速變化的磁場中的導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生的感生電流，因其流線呈閉合漩渦狀而得名。f越高，渦流越大。*渦流不能象導(dǎo)線中的電流那樣輸送出去，僅使磁芯發(fā)熱造成能量損耗。*一個(gè)周期內(nèi)材料的渦流損耗*如何降低渦流損耗？（1）降低材料厚度d（2）提高材料的電阻率*金屬材料：都較低，通常采用添加合金元素的方法；例子：Fe中加入少量Si，可增加磁導(dǎo)率，降低矯頑力，提高*鐵氧體材料：很高，適合在高頻技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用。②磁滯損耗*若在磁化過程中只存在磁滯損耗，則回線的面積在數(shù)值上就等于每磁化一周的磁滯損耗的數(shù)值。*降低Wa的方法：減小材料的矯頑力回線變窄面積減?、凼Ｓ鄵p耗*低頻弱場中，主要是磁后效損耗。*高頻情況下，主要是尺寸共振損耗、疇壁共振損耗、自然共振損耗。2.軟磁材料定義：能夠迅速響應(yīng)外磁場的變化，且能低損耗地獲得高磁感應(yīng)強(qiáng)度的材料(Hc≤100A／m)。特點(diǎn)：既容易受外加磁場磁化，又容易退磁。*對(duì)軟磁材料的基本要求有：（1）初始磁導(dǎo)率i和最大磁導(dǎo)率max要高；（2）矯頑力Hc要?。唬?）飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度MS要高；（4）功率損耗P要低;（5）高的穩(wěn)定性。*主要的軟磁材料：（1）金屬軟磁材料－－如工業(yè)純鐵、硅鋼（Fe-Si）、坡莫合金（Fe-Ni）、鐵硅鋁合金（Fe-Si-Al）；（2）軟磁鐵氧體－－Mn-Zn系、Ni-Zn系等；（3）非晶態(tài)、納米晶、薄膜等。*發(fā)展史：（1）鐵氧體問世之前，金屬軟磁材料壟斷了電力、電子、通信各領(lǐng)域。優(yōu)點(diǎn)：其MS遠(yuǎn)高于鐵氧體，因此電力工業(yè)中的變壓器、電機(jī)等至今仍是Fe-Si合金材料。缺點(diǎn)：渦流損耗限制了其在高頻段的應(yīng)用。（2）20世紀(jì)40年代開始，軟磁鐵氧體由實(shí)驗(yàn)室走向工業(yè)生產(chǎn)。50年代至90年代，鐵氧體在軟磁行業(yè)中獨(dú)占鰲頭。（3）1970年，F(xiàn)e-Ni-B非晶態(tài)合金研制成功；1988年，F(xiàn)e-Ni-B-Nb-Cu納米微晶軟磁材料問世；90年代后，非晶與納米微晶金屬軟磁材料逐步成為軟磁鐵氧體的新的競爭對(duì)手。

優(yōu)點(diǎn)：性能上遠(yuǎn)優(yōu)于鐵氧體；缺點(diǎn)：性價(jià)比上尚處于劣勢。2.1金屬軟磁材料2.1.1電工純鐵*純度在99.8%以上的鐵，不含任何故意添加的合金化元素。*制備方法：平爐冶煉時(shí)，首先用氧化渣除去碳、硅、錳等元素，再用還原渣除去磷和硫，并在出鋼時(shí)在鋼包中添加脫氧劑獲得。經(jīng)過退火熱處理i（300~500）,max（6000~12000）,HC（39.8~95.5）*含碳量是影響磁性能的主要因素。除碳方法：高溫用H2處理除碳，以消除鐵中碳對(duì)疇壁移動(dòng)的阻礙作用。*電工純鐵存在時(shí)效現(xiàn)象原因：高溫時(shí)鐵固溶體內(nèi)溶解有較多的碳或氮，產(chǎn)品快速冷卻到室溫時(shí)，溶解度減小，F(xiàn)e3C或Fe4N由固溶體中以細(xì)微彌散形式析出，從而HC增加，i降低。消除方法：保溫后，采用緩慢冷卻到100-300℃的退火措施，這樣在650-300℃之間Fe3C有足夠的時(shí)間析出、長大為對(duì)磁性能影響不大的大顆粒夾雜物。*應(yīng)用：電磁鐵的鐵芯和磁極，繼電器的磁路和各種零件，感應(yīng)式和電磁式測量儀表的各種零件，揚(yáng)聲器的各種磁路，電話中的振動(dòng)膜、磁屏蔽，電機(jī)中用以導(dǎo)引直流磁通的磁極，冶金原料等。2.1.2硅鋼（硅鋼片或電工鋼片）*在純鐵中加入少量硅，形成固溶體，這樣提高了合金電阻率，減少了材料的渦流損耗。*缺點(diǎn)：電工純鐵只能在直流磁場下工作，在交變磁場下工作時(shí)渦流損耗大。*碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.02％以下，硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5％-4.5％。常溫下，Si在Fe中的固溶度大約為15％，但Fe-Si系合金隨Si含量的增加加工性能變差（變脆），因此硅質(zhì)量百分含量5％為一般硅鋼制品的上限。*隨硅含量的增加，不足之處在于：BS和TC降低；好處：K1和S降低i增加，HC降低，增加降低鐵損2.1.3坡莫合金*1913年被開發(fā)出來，鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30％-90％的鎳鐵合金。*優(yōu)點(diǎn)：很高的磁導(dǎo)率，成分范圍寬，而且磁性能可通過改變成分和熱處理工藝等進(jìn)行調(diào)節(jié)，延展性好，低的損耗。*缺點(diǎn)：BS低，Ni是高價(jià)金屬。*Ni：75％~83%范圍時(shí)，具有最佳的綜合磁性能，但這一范圍時(shí)BS較低。*應(yīng)用：可用作在弱磁場下具有很高的鐵芯材料和磁屏蔽材料；也可用作要求低剩磁和恒磁導(dǎo)率的脈沖變壓器材料；還可用作各種磁致伸縮合金、熱磁合金、矩磁合金等。2.1.4其它軟磁合金*應(yīng)用：由于價(jià)格優(yōu)勢，常用作Fe-Ni合金的替代品。①鐵鋁合金*優(yōu)點(diǎn)：價(jià)格低；通過調(diào)解鋁的含量，可以獲得滿足不同要求的軟磁材料；合金具有較高的電阻率；具有較高的硬度、強(qiáng)度和耐磨性；合金密度低，可減輕元件重量；對(duì)應(yīng)力不敏感，適于在沖擊、振動(dòng)等環(huán)境下工作；較好的溫度穩(wěn)定性；抗核輻射性能好。②鐵硅鋁合金*1932年在日本仙臺(tái)被開發(fā)出來，因此又稱為仙臺(tái)斯特合金，成分為Fe－9.6Si－5.4Al。該成分時(shí)，K1和S幾乎同時(shí)趨于零，且具有高和低HC。不需要高價(jià)的Co和Ni，且電阻率高、耐磨性好，所以作為磁頭磁芯材料比較理想。*應(yīng)用：直流電磁鐵鐵芯、極頭材料、航空發(fā)電機(jī)定子材料、電話受話器的振動(dòng)膜片，磁致伸縮材料。③鐵鈷合金*優(yōu)點(diǎn)：高的MS；Co~50％，同時(shí)有高的MS，i，max*缺點(diǎn)：加工性能較差；電阻率低，不適合在高頻場合用；Co價(jià)格貴2.2鐵氧體軟磁材料*最早由荷蘭菲利普實(shí)驗(yàn)室Snock于1935年研制成功。其磁性來源于亞鐵磁性，故MS較金屬低，但比金屬的要高很多，因此具有良好的高頻特性。*軟磁鐵氧體材料的特性要求（四高）：高i，高品質(zhì)因數(shù)Q，高（時(shí)間、溫度）穩(wěn)定性，高截止頻率fr。*除基本要求外，對(duì)應(yīng)不同的應(yīng)用場合還有不同的特殊要求。比如電波吸收材料希望在工作頻率范圍內(nèi)損耗越大越好。*按晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類：*MnZn鐵氧休是具有尖晶石結(jié)構(gòu)的mMnFe2O4?nZnFe2O4與少量Fe3O4組成的單相固溶體。*低頻段應(yīng)用極廣（～500kHz以下），優(yōu)點(diǎn)：磁滯損耗低，相同磁導(dǎo)率情況下居里溫度較NiZn高，i高(可達(dá)4×104～1×105)，價(jià)格低廉。*NiZn鐵氧體：高頻軟磁材料，1－100MHz。1MHz以下時(shí)，其性能不如MnZn鐵氧體，而在1MHz以上時(shí)，優(yōu)于MnZn鐵氧體，因它具有多孔性及高電阻率。*特點(diǎn)：頻帶寬，體積小，重量輕；起步晚，與國外差距大；Ni價(jià)格高，小于30MHz時(shí)，可用MgZn鐵氧體替代（性能稍差）。2.3納米晶軟磁材料*特征：（1）短程有序，長程無序；（2）不存在位錯(cuò)和晶界，具有高磁導(dǎo)率和低矯頑力；（3）電阻率比同種晶態(tài)材料高，適用高頻(渦流損耗小)；（4）體系自由能高，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，加熱時(shí)有結(jié)晶化傾向；（5）機(jī)械強(qiáng)度較高且硬度較高；（6）抗化學(xué)腐蝕能力強(qiáng)，抗射線及中子等輻射能力強(qiáng)。

2.3.1非晶態(tài)軟磁材料(具有優(yōu)良的綜合磁性能)2.3.1.1非晶態(tài)軟磁材料的結(jié)構(gòu)和性能*目前已達(dá)到實(shí)用化的非晶軟磁材料的分類：1)3d過渡金屬(T)－非金屬系。其中T為Fe，Co，Ni等；非金屬為B，C，Si、P等。鐵基：BS較高；鐵鎳基：磁導(dǎo)率較高；鈷基：適宜作為高頻開關(guān)電源變壓器。2)3d過渡金屬(T)－金屬系。金屬為Ti，Zr，Nb，Ta等。3)過渡金屬(T)－稀土類金屬(RE)系。其中T為Fe，Co；RE為Gd，Tb，Dy，Nd等。2.3.1.2制備與應(yīng)用非晶態(tài)：結(jié)晶化前的中間狀態(tài)，亞穩(wěn)態(tài)。冷卻速度足夠快且冷至足夠低的溫度，以致原子來不及形核結(jié)晶便凝固下來。制備方法：①氣相沉積法晶態(tài)材料原子（離解）氣相（無規(guī)沉積）到低溫冷卻基體上形成非晶態(tài)此類技術(shù)主要有：真空蒸發(fā)、濺射、輝光放電、化學(xué)沉積等②液相急冷法（大多采用此法）熔融合金（用加壓惰性氣體）液態(tài)合金從石英噴嘴中噴出形成均勻的熔融金屬細(xì)流連續(xù)噴射到高速旋轉(zhuǎn)的冷卻輥表面液態(tài)合金以106～108K/S高速冷卻形成非晶態(tài)③高能粒子注入采用大功率高能粒子輸入加熱晶態(tài)材料表面，引起局部熔化并迅速固化成非晶態(tài)。高能注入粒子有一定的射程，只能得到一薄層非晶材料，常用于改善表面特性。*鐵基非晶帶的損耗僅為傳統(tǒng)Fe-Si合金的1/3，但由于成本較高，目前尚難以大量取代傳統(tǒng)的材料，但在高功率脈沖變壓器、航空變壓器、開關(guān)電源等方面已獲得應(yīng)用。鈷基和鐵鎳基非晶：防盜標(biāo)簽（圖書館、超市）2.3.2納米晶軟磁材料1988年，日本日立金屬公司的Yashizawa等人在非晶合金基礎(chǔ)上通過晶化處理開發(fā)出納米晶軟磁合金（Finemet）。特點(diǎn)：高BS，高i，低損耗，鐵基原材料成本低廉；晶粒尺寸減小，矯頑力降低*目前已經(jīng)開發(fā)或正在開發(fā)研究的系統(tǒng)：Fe-Cu-M-Si-B（M為Nb，Ta，Mo，W，Zr，Hf等）Fe-M-C和Fe-M-V（M為Ta等耐熱金屬）最著名的為Finemet納米微晶軟磁材料，其組成為Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9，晶粒尺寸約為10nm。*制備方法：非晶晶化法非晶條帶，在略高于非晶晶化溫度下退火一定時(shí)間，使之納米晶化。3.永磁材料定義：被外加磁場磁化以后，除去外磁場，仍能保留較強(qiáng)磁性的一類材料。*基本要求：（1）Br要高；（2）Hc要高；（3）(BH)max要高；（4）材料穩(wěn)定性要高。*種類：（1）金屬永磁材料：Al-Ni-Co系和Fe-Cr-Co系永磁合金；（2）鐵氧體永磁材料：以Fe2O3為主要組元的復(fù)合氧化物強(qiáng)磁材料；特點(diǎn)：電阻率高，適合高頻和微波領(lǐng)域應(yīng)用；（3）稀土永磁材料：以稀土族元素和鐵族元素為主要成分的合金間化合物，包括SmCo5系、Sm2Co17系以及Nd-Fe-B系。特點(diǎn)：磁能積高，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。*發(fā)展史：1880年左右：碳鋼，緊接著又發(fā)現(xiàn)鎢鋼、鈷鋼等金屬永磁材料；1931年以來：Al-Ni-Fe系磁鋼(MK鋼)和Al-Ni-Co系磁鋼，后者占據(jù)主導(dǎo)地位一直到60年代；20世紀(jì)30年代：鐵氧體永磁材料，材料便宜，工藝簡單，磁性能居中；同時(shí)Fe-Cr-Co永磁合金問世，改善了Al-Ni-Co機(jī)械性能差的缺點(diǎn)；20世紀(jì)60年代：Sm-Co系稀土永磁材料；20世紀(jì)80年代：Nd-Fe-B系稀土永磁材料；(BH)max～460KJ/m3，稱為“磁王”；近年來：納米雙相永磁材料，RE(稀土元素)-Fe-N系永磁體。衡量永磁材料的重要指標(biāo)①剩磁Br*如果撤去外加磁場，在磁鐵兩個(gè)磁極之間的空隙中便產(chǎn)生恒定磁場（氣隙磁場），對(duì)外界提供有用的磁能。*撤去外加磁場后，在退磁場作用下，永磁體將工作在磁滯回線的第二象限。所以永磁材料性能的好壞，應(yīng)該用退磁曲線上的有關(guān)物理量來表征。剩磁Br，矯頑力HC，最大磁能積(BH)max等。*永磁體由于磁路中存在空隙，因此處于開路應(yīng)用狀態(tài)。此時(shí)工作點(diǎn)在退磁場作用下由Br點(diǎn)移到D點(diǎn)，所以剩磁應(yīng)該等于Bd（表觀剩磁）。*工作點(diǎn)D和坐標(biāo)原點(diǎn)O的連線OP稱為開路磁導(dǎo)線，OP的斜率稱為磁導(dǎo)系數(shù)。②矯頑力HC*兩種定義：*第二象限中，H<0，所以B-H退磁曲線將位于0M-H退磁曲線下方*當(dāng)B=0時(shí)，*的最高值不可能超過材料的剩磁值。③最大磁能積(BH)max*若永磁體的尺寸比取(BH)max的形狀，則能保證永磁體單位體積的磁場能為最大。注：不同形狀對(duì)應(yīng)退磁場不同，磁能積不同。*可根據(jù)(BH)max確定各種永磁體的最佳形狀。(BH)max越高的永磁體，產(chǎn)生同樣的磁場所需的體積越??；在相同體積下，(BH)max越高的永磁體獲得的磁場越強(qiáng)。注：(BH)max是評(píng)價(jià)永磁體強(qiáng)度的最主要指標(biāo)。稀土永磁體－(BH)max～450KJ/m3；普通磁鋼－(BH)max～8KJ/m3*在矩形磁滯回線中，理論值：*上式成立的條件：（1）剩余磁化強(qiáng)度Mr=MS（2）內(nèi)稟矯頑力④穩(wěn)定性*受到溫度、外磁場、沖擊、振動(dòng)等外界因素影響時(shí)，有關(guān)磁性能在長時(shí)間使用過程中保持不變的能力。*變化率：3.1金屬永磁材料特點(diǎn)：HC高根據(jù)形成高HC的機(jī)理，可將金屬永磁材料分為：3.1.1淬火硬化型磁鋼碳鋼、鎢鋼、鉻鋼、鈷鋼和鋁鋼等。*通過高溫淬火手段，把已經(jīng)加工過的零件中的原始奧氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織來獲得高HC。缺點(diǎn)：矯頑力和磁能積比較低，這類永磁體己很少使用。3.1.2析出硬化型磁鋼三類：Fe-Cu系合金；Fe-Co系合金；AlNiCo系合金*后者為金屬永磁材料中最主要，應(yīng)用最廣泛的一類*AlNiCo磁鋼：主要成分為Fe、Ni、Al，再加入Co、Cu或Mo、Ti等適當(dāng)熱處理各向同性的永磁合金，經(jīng)磁場熱處理或定向結(jié)晶處理各向異性永磁合金*高HC的機(jī)理：鐵磁性析出粒子的形狀各向異性，*spinodal分解相變過程*后者為非磁性相，前者為鐵磁性相，以單疇微粒子的形式析出，產(chǎn)生形狀各向異性高HC*AlNiCo合金硬度高，很難加工，通常采用鑄造方式加工，熔化采用高頻感應(yīng)爐。3.1.3時(shí)效硬化型永磁合金*通過淬火、塑性變形和時(shí)效硬化的工藝獲得高HC。*優(yōu)點(diǎn)：機(jī)械性能較好*分類：（1）－鐵基合金包括CoMo、FeWCo、FeMoCo合金缺點(diǎn)：磁能積較低；用途：電話接收機(jī)（2）FeMnTi和FeCoV合金

特點(diǎn)：磁性能相當(dāng)于低Co鋼，但不需要戰(zhàn)略資源Co應(yīng)用：指南針、儀表零件

特點(diǎn)：時(shí)效硬化永磁合金中性能較高的一種應(yīng)用：微型電機(jī)、錄音機(jī)磁性零件（3）銅基合金

種類：CuNiFe、CuNiCo兩種應(yīng)用：測速儀和轉(zhuǎn)速計(jì)（4）Fe-Cr-Co系永磁合金

特點(diǎn)：主要應(yīng)用的另一類金屬硬磁合金。磁性能相當(dāng)于中等性能的A1NiCo永磁合金，但可進(jìn)行變形加工，機(jī)械加工，制成管材、片材或線材等。應(yīng)用：揚(yáng)聲器、電度表、轉(zhuǎn)速表、陀螺儀、空氣濾波器、磁顯示器3.1.4有序硬化型永磁合金*種類：AgMnAl、CoPt、FePt、MnAl、MnAlC合金*特點(diǎn)：高溫下處于無序狀態(tài)，經(jīng)適當(dāng)?shù)拇慊鸷突鼗鸷螅蔁o序相中析出彌散分布的有序相，提高HC。*應(yīng)用：磁性彈簧、小型儀表元件、小型磁力馬達(dá)*FePt合金：耐腐蝕性3.2鐵氧體磁材料*主要為六角晶系的磁鉛石型鐵氧體*化學(xué)式：MOxFe2O3M=Ba，Sr，Ca，Pb等實(shí)用化的有BaO6Fe2O3，SrO6Fe2O3等*缺點(diǎn)：綜合磁性能較低*優(yōu)點(diǎn)：性價(jià)比高；工藝簡便成熟；抗退磁性能優(yōu)良；不存在氧化問題。*目前約占永磁材料總產(chǎn)值的40％。*分類：各向同性永磁；各向異性永磁（成型時(shí)施加外磁場，使顆粒的易磁化軸定向排列，材料的剩磁和磁能積得到大大提高）。*應(yīng)用領(lǐng)域：電機(jī)(50%)，電聲(20％)，測量與控制器件(20%)，其余(10％)。3.3稀土永磁材料*由稀土元素RE與過渡金屬TM（Fe，Co等）形成RE：15個(gè)，La，Ce，Pr，Nd，Pm，Sm，Eu，Gd，Tb，Dy，Ho，Er，Tm，Yb，Lu常把第III副族元素鈧(Sc)和釔(Y)也列入稀土元素之中。概述*稀土合金的優(yōu)勢：原子磁矩大；K1、s大；結(jié)構(gòu)為六角晶系和四方晶系，具強(qiáng)烈的單軸各向異性。*分類：第一代稀土永磁材料60年代開發(fā)，SmCo5第二代稀土永磁材料70年代開發(fā)，Sm2Co17

優(yōu)點(diǎn)：永磁性能好，(BH)max大缺點(diǎn)：原材料供應(yīng)和價(jià)格問題（Co，Sm儲(chǔ)量少）第三代稀土永磁材料1983年開發(fā)，Nd2Fe14B(四方)特點(diǎn)：1、磁性能高，2、價(jià)格屬中下水平，3、力學(xué)性能好，4、TC低，溫度穩(wěn)定性差，化學(xué)穩(wěn)定性欠佳3.3.1Co基稀土永磁材料*系列：Sm-Co系，Pr-Co系，Ce-Co系Sm-Co系是永磁材料發(fā)展史上的里程碑。1、第一代SmCo5*六角結(jié)構(gòu)*優(yōu)點(diǎn)：綜合磁性能好；缺點(diǎn)：原材料價(jià)格昂貴，儲(chǔ)量少*特點(diǎn)：a、成分對(duì)永磁性能影響大，若按化學(xué)計(jì)量比配不可能獲得優(yōu)異的磁性能，Sm含量為過計(jì)量時(shí)，才可能獲得優(yōu)異的磁性能。b、只有Sm含量為過計(jì)量時(shí)，才可能獲得致密的SmCo5合金。c、室溫HC隨回火溫度變化。2、第二代Sm2Co17*高溫：六角；低溫：菱方*優(yōu)點(diǎn)：MS高，TC高缺點(diǎn)：HC偏低，很難成為實(shí)用的永磁材料*改進(jìn)方法：（1）三元Sm2(Co1-xFex)17合金系中添加其他元素如：Sm2(Co0.8Fe0.05Mn0.15)17，Sm2(Co0.8Fe0.09Cr0.11)17

優(yōu)點(diǎn)：HC得到了提高缺點(diǎn)：溫度穩(wěn)定性差；制造工藝不易掌握，重復(fù)性差。（2）三元系Sm-Co-Cu為基礎(chǔ)的合金

Sm-Co-Cu系，Sm-Co-Cu-Fe系，Sm-Co-Cu-Fe-M系M=Zr,Ti,Hf,Ni等

*目前工業(yè)上廣泛應(yīng)用的是第三個(gè)系列。其優(yōu)點(diǎn)：磁性能穩(wěn)定（抗氧化能力強(qiáng)，磁性隨溫度變化較小）3.3.2Nd-Fe-B永磁材料磁體的制備兩類：粘結(jié)永磁體；燒結(jié)永磁體1、粘結(jié)Nd-Fe-B磁體的制備(1)、磁粉的制備a、熔體快淬法真空感應(yīng)爐熔煉母合金

惰性氣體保護(hù)

熔化的母合金在氬氣壓力下經(jīng)石英管噴出噴射到

高速旋轉(zhuǎn)的銅輥上快速冷卻凝固

將得到的薄帶粉末化后得磁粉*旋轉(zhuǎn)輥速度：調(diào)節(jié)產(chǎn)物晶體結(jié)構(gòu)，即從非晶到數(shù)微米晶粒尺寸變化；影響材料的磁性能。b、HDDR法*此法可獲得平均粒徑為0.3m的細(xì)小晶粒HCc、氣體噴霧法Nd-Fe-B溶液高速噴嘴

霧化成細(xì)小的金屬液滴射向粉碎盤獲得極細(xì)的非晶和微晶粉末d、機(jī)械合金化法Nd-Fe-B合金鑄錠破碎成粗粉

長時(shí)間高能球磨產(chǎn)物退火處理得到與快淬法相同的微觀組織優(yōu)點(diǎn)：成本低(2)、磁體的制備永磁體粉末與橡膠、塑料等粘結(jié)材料相混合，按用求直接成型為各種形狀的永磁部件。缺陷：由于粘結(jié)劑的加入，永磁體的磁學(xué)性能會(huì)有一定程度的下降。Nd-Fe-B磁體的磁性能*四角晶系，具單軸各向異性，C軸為易磁化軸1、Nd-Fe-B相結(jié)構(gòu)與內(nèi)稟磁性*相結(jié)構(gòu)決定內(nèi)稟磁特性（1）交換作用：Fe-Fe原子對(duì)間的相互作用是最主要的，它與原子間距有關(guān)，有些為正，有些為負(fù)TC較低；（2）單軸磁晶各向異性；（3）MS主要由Fe原子磁矩貢獻(xiàn)，Nd也有一定貢獻(xiàn)。2、Nd-Fe-B磁體的性能(受微觀結(jié)構(gòu)、成分配方、制備工藝影響)微觀結(jié)構(gòu)：主要為硬磁的Nd2Fe14B相，還包括富Nd相和富B相（室溫下為非磁性），還有一些Nd氧化物和-Fe、FeB、FeNd、Fe17Nd2等軟磁相。磁性主要由前者決定，后者具有隔離或減弱主相磁性耦合的作用，可提高HC，但降低了MS和Br。成分配方：只有永磁合金的Nd和B的含量分別比Nd2Fe14B化合物的Nd和B含量多時(shí)，才能獲得較好的永磁性能。在Nd-Fe-B永磁材料成分設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮如下原則：①為獲得高矯頑力，除B含量適當(dāng)外，可適當(dāng)提高Nd含量。②為獲得高磁能積，應(yīng)盡可能使B和Nd的含量向Nd2Fe14B

四方相的成分靠近，盡可能的提高合金的Fe含量。制備工藝：制備工藝會(huì)影響晶粒的大小、形狀及其取向影響到晶粒間的耦合程度從而影響宏觀磁性能3.3.3Sm-Fe-N系永磁材料*Nd-Fe-B永磁材料優(yōu)點(diǎn)：磁性能好，價(jià)格低廉，資源豐富缺點(diǎn)：磁性溫度穩(wěn)定性差；抗腐蝕性差*Sm2Fe17Nx：MS~1.54T，TC~470℃，各向異性場為14TNd-Fe-B：MS~1.6T，TC~312℃，各向異性場為8TSm2Fe17Nx合金的晶體結(jié)構(gòu)和磁性能*具有與其母合金Sm2Fe17相同的菱形Th2Zn17型結(jié)構(gòu)，只是點(diǎn)陣常數(shù)a、c和晶胞體積V發(fā)生了變化對(duì)磁性有很大影響*通常情況下，由于氮化過程進(jìn)行的不完全，一般用Sm2Fe17Nx(0<x3)來表示氮化后的產(chǎn)物。Sm2Fe17化合物的氮化過程*此氣-固反應(yīng)包括以下幾個(gè)過程：1)N2或NH3在氣相中擴(kuò)散并且在金屬表面產(chǎn)生物理吸附。2)N2或NH3分解出N原子和H原子，N原子和H原子在金屬表面產(chǎn)生化學(xué)吸附。3)N原子和H原子進(jìn)入金屬內(nèi)部。4)N原子和H原子在金屬內(nèi)部擴(kuò)散。5)形成氮化相。6)N原子從氮化相中向N原子含量低的相中擴(kuò)散。*Sm2Fe17Nx化合物是Sm2Fe17與含氮?dú)怏w發(fā)生氣相-固相反應(yīng)而生成的，含氮?dú)怏w可以是N2，N2＋H2，NH3，或NH3＋H2。*反應(yīng)溫度提高擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)大；氮化產(chǎn)物的分解綜合考慮兩種因素，氮化溫度一般選擇在500℃左右。