第3章材料的磁學

第三章材料的磁學3.1原子磁性及材料磁性3.2磁學量及材料磁性分類3.3鐵磁性和亞鐵磁性3.4自發(fā)磁化和技術(shù)磁化3.5磁性材料及其應(yīng)用磁性與磁學

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“磁性”。材料的磁學：研究和闡明固體材料磁性起源、磁性結(jié)構(gòu)及其聯(lián)系的學科，促進對材料磁性的利用和開發(fā)。磁性材料

基于材料磁學原理，開發(fā)的一類基礎(chǔ)性功能材料。磁性材料已經(jīng)形成了一個龐大的家族，按材料的磁特性來劃分，有軟磁、永磁、旋磁、記憶磁、壓磁等；按材料構(gòu)成來劃分，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1.原子的磁性JJ耦合:各電子的L、S相互作用強，先耦合為該電子的總磁矩，再疊加為原子總磁矩

；（Z>88)JJ+LS(Z=33~88)LS耦合:各電子的L、S相互作用弱，先各自耦合為總L、總S，再疊加為原子總磁矩

；（Z<33)LS耦合:2.材料（固體）的磁性原子磁矩磁化強度鐵磁性順磁性宏觀材料磁疇多晶組織微觀宏觀(2)磁矩（m）環(huán)形電流周圍的磁場定價于磁偶極子周圍的磁場3.2磁學量及材料磁性分類NSNS1.磁學量

電場強度E電偶極距磁偶極矩(1)磁場強度H磁力矩:磁矩m在外磁場H中受到的磁場力距：靜磁能：磁矩在外磁場作用下具有的勢能：(3)磁化強度M磁化：在外磁場作用下，材料內(nèi)部隨機取向的磁矩在磁力作用下旋轉(zhuǎn)，沿外磁場一致排列，物質(zhì)被誘導(dǎo)出宏觀磁矩M，從而顯示宏觀磁性。

磁化強度：HSSNN磁化率/系數(shù)M外加磁場H在介質(zhì)中感應(yīng)的磁場大?。ù帕€密度）B，是磁化的綜合結(jié)果。

對于真空：對于磁介質(zhì)：（4）

磁感應(yīng)強度B真空磁導(dǎo)率相對磁導(dǎo)率磁學及電學各基本參量的類比磁學參量電學參量磁化：磁介質(zhì)在磁場中的變化磁場強度：（真空）磁化強度：

磁感應(yīng)強度：磁通密度

磁化率：相對磁導(dǎo)率：絕對磁導(dǎo)率：

極化：電介質(zhì)在電場中的變化電場強度：（真空）極化強度：電感應(yīng)強度：電通密度極化率：相對介電常數(shù)：絕對介電常數(shù)：2.物質(zhì)的磁性分類根據(jù)物質(zhì)的磁化率，可以把物質(zhì)的磁性大致分為五類。根據(jù)的關(guān)系，作出磁化曲線。（1）抗磁體在磁場中受微弱斥力。金屬中一般簡單金屬為抗磁體。經(jīng)典抗磁體：不隨溫度變化，如銅、銀、金、汞、鋅等。反?？勾朋w：隨溫度變化，如鉍、鎵、銻等。（～10-6）（2）順磁體（10-6～10-3

）在磁場中受微弱吸引力。正常順磁體：其隨溫度變化符合反比關(guān)系，如金屬鉑、鈀、奧氏體不銹鋼、稀土金屬等。

與溫度無關(guān)的順磁體，如鋰、鈉、鉀、銣等金屬。（3）鐵磁體（值很大，且與外磁場呈非線性關(guān)系變化）如鐵、鈷、鎳等。鐵磁體在溫度高于某臨界溫度后變成順磁體。此臨界溫度稱為居里溫度或居里點，用Tc表示。所以，居里溫度是鐵磁體或亞鐵磁體的相變轉(zhuǎn)變點。（4）亞鐵磁體（值沒有鐵磁體那樣大）磁鐵礦、鐵氧體都屬于亞鐵磁體。亞鐵磁性材料：不同原子的磁矩反向平行排列，抵消后的剩余磁矩。（5）反鐵磁體（是小的正數(shù)。）溫度低于某溫度時，它的磁化率同磁場的取向有關(guān)；高于這個溫度，其行為像順磁體。如、鉻、氧化鎳、氧化錳等。BaO·6Fe2O31磁化及磁滯回線不同物質(zhì)磁學特性不同，主要特點表現(xiàn)在磁化曲線及磁滯回線上。1.磁化曲線的三種表達形式2.磁滯回線：即為M－H或B－H變化規(guī)律曲線.磁滯現(xiàn)象：顧名思義即物質(zhì)在磁場中的磁化存在某種阻滯，故M－H或B－H變化不是線性的（非線性）由圖可看出：鐵磁體磁化時，磁化強度M(B)與磁場強度H間不是簡單的線性比例關(guān)系。2.3鐵磁性和亞鐵磁性H-M磁滯回線P-E電滯回線退極化曲線1）坐標2）曲線3）結(jié)構(gòu)4）磁導(dǎo)率4）指紋磁滯回線：在正磁化－退磁－反磁化－退磁－正磁化完成一次循環(huán)，M-H曲線或B-H曲線構(gòu)成一個封閉回路。磁滯現(xiàn)象：退磁過程中M的變化落后于H的變化，無法同時歸零。本質(zhì)是磁疇壁在運動中受到阻力，不可逆，很難恢復(fù)到原來的形狀。

磁滯損耗/磁化功：磁滯回線所包圍的面積表征磁化一周時所消耗的功，內(nèi)因：克服交換能、磁彈性能。

最大磁能積

(BH)max

第二象限內(nèi)磁感應(yīng)強度和磁場強度乘積的最大值。

硬磁、軟磁材料：

硬磁：高Br、高Hc，

軟磁：低HC、高磁導(dǎo)率Fe,Co,Ni,NbFeB，硅鋼，純鐵概括：7.2.2

與磁化相關(guān)的能量磁化與磁疇活動有關(guān)，磁疇大小、形狀、取向與鐵磁體的磁晶各向異性能、退磁場能、磁彈性能、交換能等有關(guān)。這些能量對鐵磁體的磁化結(jié)構(gòu)和磁參量具有最重要的影響：組織結(jié)構(gòu)：磁疇、晶體磁性性能：M、B、μini、Br、Hc等（1）磁晶各向異性能E

k

在單晶體的不同晶向上，磁性能（自發(fā)磁化）是不同的，稱為磁晶各向異性，因此消耗的磁化功不同。[100][110][111]α、β、γ

為M與三個晶軸的方向余弦，K0、

K1、K2代表晶體各向異性常數(shù)。磁晶各向異性起源，可按自旋－軌道相互作用模型解釋：一、電子軌道磁距產(chǎn)生的磁場對電子自旋運動作用，使軌道和自旋間存在耦合作用；二、受晶體場影響，原子磁距傾向于在晶體的某些方向上能量最低，而在另一些方向上能量高。原子磁距最低的方向為易磁化方向，而能量高的方向為難磁化方向。在無磁場作用的平衡狀態(tài)下，原子磁距傾向于排列在易磁化方向上。（2）退磁能E

d

材料磁化后，內(nèi)部的總磁場要小于外加磁場，因為磁化后端面形成磁極，與外加磁場反向，相互抵消所致。SSNNHd退磁場的存在抵消了磁化強度，故對磁化起阻礙作用HN退磁因子，越大越難磁化M球形樣品：a=b=c,Nx=Ny=Nz=1/3棒狀樣品：a?b=c,Nx=0,Ny=Nz=1/2薄圓盤樣品：a?b,c,Nx=1,Ny=Nz=0退磁因子與材料形狀有密切關(guān)系：xx（3）磁彈性能Eσ材料在磁化時要伸長（或收縮），這一過程如受限制，則在物體內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力、應(yīng)變。這樣，物體內(nèi)部將產(chǎn)生彈性能，稱為磁彈性能。材料的內(nèi)部缺陷、雜質(zhì)等都可能增加其磁彈性能。對多晶體，磁化時由于應(yīng)力的存在而引起的磁彈性能可由下式計算：是磁化方向和應(yīng)力方向的夾角，是材料所受應(yīng)力為飽和磁致伸縮系數(shù)（4）交換作用能Eex

原子磁矩+交換作用自發(fā)磁化鐵磁物質(zhì)原子磁距趨向于平行排列，即自發(fā)磁化至飽和，稱為自發(fā)磁化。對于過渡金屬原子，其3d、4s軌道能量相差不大，3d具有空軌道，當它們形成晶體時，電子云重疊使s、d軌道電子再分配、交換，這種交換產(chǎn)生一種交換能Eex。

J交換積分常數(shù)，S自旋角動量當J>0，交換能最小，要求相鄰自旋角動量平行排列，即磁距自發(fā)磁化（鐵磁性）；當J<0，要求反向排列（反鐵磁性）其它條件：

P3047.2.3磁疇與自發(fā)磁化(1)磁疇自發(fā)磁化（固有磁距平行）源于交換耦合（能）。交換作用使整個晶體自發(fā)磁化到飽和，磁化強度方向沿著晶體內(nèi)的易磁化軸，使磁晶體內(nèi)交換能和磁晶各向異性能都達到極小值。但必然在其端面處產(chǎn)生磁極，產(chǎn)生退磁場，從而增加了退磁能。這個退磁能將要破壞已經(jīng)形成的自發(fā)磁化。兩個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，但增加了疇壁能，故過程將終止于二者的平衡。自發(fā)磁化分疇不分疇(a)圖是整個晶體均勻磁化，退磁場能最大。分為兩個或四個平行反向的自發(fā)磁化的區(qū)域(b),(C)可以大大減少退磁能。如果分為n個磁疇，能量減少1/n，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(磁疇)的形成不可能是無限的，而是疇壁能與退磁場能的和為極小值為條件。形成如圖d，e的封閉疇將進一步降低退磁能，但是封閉疇中的磁化強度方向垂直單軸各向異性方向，因此將增加各向異性能。

鈷單晶磁疇的形成過程相鄰的兩個磁疇內(nèi)的磁化強度方向常常是反平行或相互垂直，稱為1800疇壁和900疇壁，在疇壁中磁化矢量是逐步轉(zhuǎn)變的。舉1800疇壁為例，疇壁交換能↓

：交換能的面密度：a為晶格常數(shù)，Na疇壁厚

磁晶各向異性能密度↑

：疇壁總能密度：（2）磁疇壁

退磁能密度↑

：突然反轉(zhuǎn)：逐漸轉(zhuǎn)向：求能量極小值－最佳層數(shù)對于鐵的1800疇壁,0=1800=，得到對鐵爾格/厘米2得到

單疇顆粒：當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，磁性材料就以單疇（整疇）存在一個球形的鐵磁顆粒的退磁能為如分為四個疇，疇壁能為能量平衡條件：單疇臨界半徑：嚴格解：S顆粒表面積，a0為晶格常數(shù)。Z對于簡單立方，體心立方，面心立方，分別為1、2、4。(a)分疇(b）不分疇分疇不分疇7.3磁性材料的動態(tài)特征（交流磁性能）

必要性：磁性材料尤其是軟磁材料在交變磁場條件下工作，磁化過程是動態(tài)的，從一個磁化狀態(tài)過渡到另一磁化狀態(tài)需要時間。該時間與磁場變化的周期或頻率有很重要的關(guān)系。因此，需要研究磁化動態(tài)特征。

工程應(yīng)用：電機、變壓器鐵芯，中高頻電子器件，如微波器件等等。

目的：獲得動態(tài)磁化的一般規(guī)律，如損耗機理、磁滯效應(yīng)及頻率依賴性，設(shè)計和正確使用磁性材料尤其是軟磁材料。DC

1kHz

10kHz

B/TH/Am-1不同頻率下79Ni4MoFe材料的磁滯回線比較

Bm-Hm

1、形狀大體相似；2、與頻率有關(guān)頻率升高，渦流損耗上升，磁損增大，交流幅值磁場減??；回線區(qū)增大（橢圓形），磁化所需的磁場強度增大。0.06mm7.3.1高頻磁導(dǎo)率

磁性材料在交變磁場下磁化，因為損耗的出現(xiàn)，磁感應(yīng)強度B或磁化強度M一般滯后一個相角，表示為：令tan叫做損耗因子，Q＝1/tan，稱為軟磁材料的品質(zhì)因子。彈性磁導(dǎo)率粘滯磁導(dǎo)率一個周期內(nèi)，單位鐵磁體的平均能量損耗或磁損規(guī)律密度P耗：一個周期內(nèi)，單位鐵磁體儲存的平均磁能密度：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)。磁化強度的幅值很小，對應(yīng)于瑞利區(qū)，磁滯損耗依賴于磁場的幅值。在高頻區(qū)，作為磁滯損耗的主要來源于，不可逆的疇壁位移（M的轉(zhuǎn)動）被阻尼。

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。減小渦流損耗的一種方法是在與磁化強度垂直的一個或兩個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交變磁場作用下的能量損耗

剩余損耗Pc：在低頻和弱磁場條件下，剩余損耗主要是磁后效引起的。在突然施加磁場H后，磁化強度M的變化被延遲的現(xiàn)象叫磁后效magneticafter-effect。

為弛豫時間，表示B=0→Bm所需的特征時間，可用B=0→0.63Bm時間代表。

7.4磁性材料及其應(yīng)用(1)軟磁材料高磁導(dǎo)率，高飽和磁感應(yīng)強度，磁化容易；矯頑力?。ó牨谝走\動），磁滯回線很窄，有剩磁，退磁容易；磁滯損耗低，損耗源于沉淀相和雜質(zhì)對疇壁的釘扎作用7.4.1鐵磁材料分類措施：1）增加純度，減小不均勻性2）減小各向異性3）減小電阻率。按矯頑力分類，Hc<1KA/m為軟磁材料，Hc

>40KA/m為永磁材料。

軟磁材料主要應(yīng)用磁路：變壓器、繼電器的磁芯(鐵芯)、電動機轉(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）磁極：電磁極頭、電子計算機開關(guān)元件和存儲元件等。

（利用飽和磁化強度高）電磁屏蔽：磁屏蔽、吸波材料（利用導(dǎo)磁率高、導(dǎo)電性）

剩磁電阻磁極導(dǎo)磁磁極導(dǎo)磁中頻高頻低頻

P324－327

(2)硬磁材料硬磁材料又稱永磁材料，難于磁化又難于退磁。主要特

矯頑力大，典型值Hc＝104～106A/m；

剩磁大，適合做永磁極；磁滯回線較粗，具有較高的最大磁能積(BH)max；硬磁性材料如碳鋼、鋁鎳鈷合金、稀土永磁體等。

主要用途應(yīng)用用于制造各種永磁體，以便提供磁場空間；可用于各類電表和電話、錄音機、電視機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。它們的缺點是脆，加工性稍差，造價高，因為Co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Br、Hc大，缺點是溫度穩(wěn)定性，抗腐蝕性稍差。

Hc<1KA/m為軟磁材料，Hc

>40KA/m為永磁材料

一．Al-Ni-Co合金(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、電機器件上，例如，發(fā)電機、電動機、繼電器和磁電機；電子行業(yè)中的應(yīng)用如揚聲器、電話耳機和受話器。

Al-Ni-Co具有高(BH)max=40~70kJ/ｍ3，高剩磁Br=0.7~1.35Ｔ，適中的矯頑力Hc＝40~160kA/m。二．

Fe-Cr-Co合金(1980)

它是1971年Kaneko等研制的永磁材料，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，由于Fe-Cr-Co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。它是在Fe-Cr合金基礎(chǔ)上發(fā)展的，F(xiàn)e-Cr合金在475oC發(fā)生Spinodal分解。

α→α１+α２，產(chǎn)生富鐵的鐵磁相α１和富鉻的、低磁性相α２，具有永磁性能

。但鉻使Br、Tc降低，在Fe-Cr合金基礎(chǔ)上加入Co,形成Fe-Cr-Co合金。

Co使Br、Tc提高,Spinodal分解溫度提高。

成分，W/%

Bs,THc,kA.m-1(BH)max,kJ.m-325Co-30Cr-3Mo-1Ni1.086.436.015Co-23Cr-2Mo-0.5Ti1.456.059.215Co-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、硬磁鐵氧體硬磁鐵氧體是非導(dǎo)電化合物，其陽離子為過渡族金屬。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，磁性被認為來源于間接交換作用（或叫超交換作用）。

磁鉛石型鐵氧體：一般式是MO.6Fe2O3,這里M代表二價金屬Ba、Sr、Pb；常用的為鋇鐵氧體(BaO·6Fe2O3)、鍶鐵氧體(SrO·6Fe2O3)和鉛鐵氧體(PbO·6Fe2O3)。

燒結(jié)成型。

成分

Bs,THc,kA.m-1(BH)max,kJ.m-3Y300.38～0.42160－21626.3－29.5Y350.40～0.44176－22430.3－33.4Y15H≥0.31232－248≥17.5Y20H≥0.34248－264≥21.5Y25BH0.