第六章 材料磁性能

第六章材料磁性能第1頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三第六章材料磁性能6.1磁學基本量及磁性分類6.2鐵磁性和亞鐵磁性材料的特性6.3磁性材料的自發(fā)磁化和技術磁化第2頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三6.1磁性基本量及磁性分類1.磁學基本量：

1）磁場強度H：一根通有I安培(A)直流電的無限長直導線，在距導線軸線r米(m)處產(chǎn)生的磁場強度：

2）磁偶極矩m：環(huán)形電流在其運動中心處產(chǎn)生一個磁矩（或稱磁偶極矩)：

3)磁感應強度B：材料在磁場強度為H的外加磁場作用下，會在材料內(nèi)部產(chǎn)生一定的的磁通量密度，稱其為磁感應強度B。單位：特斯拉（T），或韋伯/米2（Wb/m2)，或（VS/m2）式中：u為磁導率，是材料的本征參數(shù)，表示材料在單位磁場強度的外加磁場作用下，材料內(nèi)部的磁通量密度。在真空中

μ0為真空磁導率，μ0=4п×10-7

（H/m)

(A/m)(A?m2)第3頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三6.1磁性基本量及磁性分類1.磁學基本量：

4）相對磁導率μr：

5）磁化率X：

6)磁化強度M：當M，B與H相互平行時，X和μr為標量，否則，它們?yōu)槎嚯A張量。

磁感應強度還可寫成：材料的宏觀磁性是組成材料的原子中電子的磁矩引起的，產(chǎn)生磁矩的原因有兩個

(1)電子繞原子核的軌道運動，產(chǎn)生一個非常小的磁場，形成一個沿旋轉(zhuǎn)軸方向的軌道磁矩；

(2)電子繞自身的旋轉(zhuǎn)軸運動，產(chǎn)生自旋磁矩，它比軌道磁矩要大得多。因此可以把原子中每個電子都看作一個小磁體，具有永久軌道磁矩和自旋磁矩。

第4頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三1）H(A/m)---E(V/m):導致極化的外部驅(qū)動力的量度；

2）B(VS/m2）----P(C/m2)：材料對外部作用場的響應的量度；

3)X（）-----------Xe

無量綱，描述材料對外部作用場的響應；

4）μ0---------------ε0

建立材料的相應參數(shù)和尺度參比量2.磁性參數(shù)與介電參數(shù)的比較第5頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三6.1磁性基本量及磁性分類

例：將Al磁化到磁感應強度與地球的磁感應強度相同(6×10-5T)，Al的磁化率X=16.5×10-6），求施加的外部磁場強度。

第6頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三6.1磁性基本量及磁性分類3.物質(zhì)的磁性分類：

根據(jù)固體中電子與外部磁場之間交互作用的性質(zhì)與強度，將材料分為5類：與外部無響應（基本）：

抗磁性順磁性X≤1

反鐵磁性

與外部磁場有強烈的相互作用：鐵磁性X≥1

亞鐵磁性

第7頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三6.1磁性基本量及磁性分類4.抗磁性/順磁性

1）抗磁體：內(nèi)部磁場M與外部磁場H的方向相反（X<0,10-6),它們在磁場中受微弱的斥力?？煞譃椋骸敖?jīng)典”抗磁體：X與T無關Cu,Ag,Au,Hg,Zn“反?！笨勾朋w：X與T有關Bi,Ga,In,Zr-Cu(其X是前者的10~100倍）注：電子繞原子核的軌道旋轉(zhuǎn)對物質(zhì)的抗磁性有貢獻，電子的自旋可能對順磁性有貢獻。組成物質(zhì)的原子具有完全填滿的電子殼層，具有抗磁性。在填滿的殼層中，正負電子自旋的電子數(shù)相等，來自自旋運動總的磁矩為0，例：大多數(shù)的離子鍵晶體和共價鍵晶體，幾乎全部在機化合物，惰性氣體。

第8頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三6.1磁性基本量及磁性分類4.抗磁性/順磁性

2）順磁體：磁化率X為正值，約為10-3~10-6,它們在磁場中受微弱的引力?？煞譃椋赫ｍ槾朋w：X∝1/TPt,鈀，奧氏體不銹鋼，稀土金屬

X與溫度無關的順磁體：Li,Na,K,Rb

（1）源自未填滿的內(nèi)電子殼層中那些未成對的電子具有的磁矩，絕大多數(shù)的過渡金屬和稀土金屬具有順磁性。（2）具有奇數(shù)個電子的原子或點陣缺陷。

第9頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三6.2鐵磁性和亞鐵磁性材料的特性1.鐵磁性

X>>1,在較低的溫度下，鐵磁物質(zhì)中相鄰原子磁偶極矩之間的交換作用，其強度可以克服熱起伏的影響，結(jié)果沒有外部磁場的作用下，相鄰的偶極子也彼此整齊的排列。例：純鐵---B0=10-6T時，其磁化強度M=104A/mFeSO4(順磁性），B0=10-6T時，其磁化強度M=0.001A/m

具有鐵磁性的物質(zhì)滿足以下條件：

1）內(nèi)層電子未填滿，

2）未填滿的電子層有較小的軌道半徑

3）未填滿的電子層的電子能帶很窄上述條件在Fe,Co,Ni的3d能帶及稀土金屬的4f得到滿足：

第10頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三6.2鐵磁性和亞鐵磁性材料的特性1.鐵磁性居里溫度

對于所有的磁性材料來說，并不是在任何溫度下都具有磁性。一般地，磁性材料具有一個臨界溫度Tc，在這個溫度以上，由于高溫下原子的劇烈熱運動，原子磁矩的排列是混亂無序的。在此溫度以下，原子磁矩排列整齊，產(chǎn)生自發(fā)磁化，物體變成鐵磁性的。

居里溫度是指材料可以在鐵磁體和順磁體之間改變的溫度。低于居里溫度時該物質(zhì)成為鐵磁體，此時和材料有關的磁場很難改變。當溫度高于居里溫度時,該物質(zhì)成為順磁體，磁體的磁場很容易隨周圍磁場的改變而改變。這時的磁敏感度約為10的負6次方。

第11頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三6.2鐵磁性和亞鐵磁性材料的特性2.磁化曲線特征：非線性的，

Ms:飽和磁化強度；

Bs:飽和磁感應強度

(1)起始磁導率（ui):磁化曲線起始部分的斜率.(2)最大磁導率（um):磁化曲線拐點k處的斜率

第12頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三6.2鐵磁性和亞鐵磁性材料的特性3.磁滯回線當H下降時，B---C---D---EMr:剩余磁化強度

Br:剩余磁感應強度

Hc:矯頑力得封閉曲線：E—F—G--B(1)退磁過程中M的變化落后于H的變化-磁滯現(xiàn)象；

(2)試樣的磁化曲線形成一個封閉曲線---磁滯回線。磁滯回線所包圍的面積表征磁化一周時所消耗的功，稱為磁滯損耗Q

第13頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三6.2鐵磁性和亞鐵磁性材料的特性4.磁晶各向異性和各向異性能

1）磁性的各向異性：在單晶體的不同晶向上，磁性能是不同的。磁化功：使鐵磁體磁化消耗的能量。磁晶各向異性能：磁化強度矢量沿不同晶軸方向的能量差。

2）對于Fe,Ni,Co

第14頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三6.2鐵磁性和亞鐵磁性材料的特性4.磁晶各向異性和各向異性能

3）對于立方晶系：設α，β，γ分別為磁化強度M與三個晶軸方向的余弦，即

有：

Ek:磁晶各向異性能

K0：主晶軸方向磁化能量，與變化的磁化方向無關。

K1，K2：磁晶各向異性常數(shù)，由原子結(jié)構(gòu)決定。一般情況下，K2可以忽略。

第15頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三6.2鐵磁性和亞鐵磁性材料的特性5.鐵磁體的形狀各向異性及退磁能

1）形狀各向異性：對一定形狀的材料，沿不同方向測得的磁化曲線是不同的。

2）靜磁能：鐵磁體在磁場中的能量。包括鐵磁體與外磁場的作用和鐵磁體在自身退磁場中的能量。

3）退磁場：形狀各向異性是由退磁場引起的。退磁場強度：

退磁場強度與磁化強度成正比，負號表示退磁場的方向與磁化強度的方向相反。

D為退磁場因子，與形狀有關。

第16頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三6.2鐵磁性和亞鐵磁性材料的特性5.磁致收縮與磁彈性能

1）磁致收縮：鐵磁體在磁場中磁化，形狀與尺寸都會發(fā)生變化。

特性：（1）與磁場強度有關（2）與磁化方向成角度時，有：（3）各向異性

2）磁彈性能：磁化時材料變化尺寸受限制，產(chǎn)生應力，從而產(chǎn)生彈性能，物體內(nèi)部的缺陷，雜質(zhì)都可能增加其磁彈性能。

第17頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三6.3磁性材料的自發(fā)磁發(fā)和技術磁發(fā)1.自發(fā)磁發(fā)理論

1）鐵磁性產(chǎn)生的原因：

(a)自發(fā)磁化的根源是原子磁矩，而且起主導作用的是電子的自旋磁矩。在電子殼層存在沒有被電子填滿的狀態(tài)是產(chǎn)生鐵磁性的必要條件。

(b)原子之間的相互鍵合作用是否對形成鐵磁有利。原子形成分子---電子云相互重疊，電子相互交換位置---交換能（Eex）---使相鄰原子內(nèi)d層未抵消的自旋磁矩同向排列。

A:交換積分常數(shù)，φ為相鄰的兩個電子自旋磁矩的夾角

第18頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三6.3磁性材料的自發(fā)磁發(fā)和技術磁發(fā)1.自發(fā)磁發(fā)理論交換積分A：A>0時，相鄰原子磁矩同向排列，從而實現(xiàn)自發(fā)磁發(fā)，產(chǎn)生鐵磁性本質(zhì)：靜電力迫使電子自旋磁矩平行排列與電子運動狀態(tài)的波函數(shù)有關，還與原子核之間的距離有關Rab

只有當Rab/r>3時，A才為正。

r為參加交換作用的電子距核的距離（電子殼層的半徑）鐵磁性產(chǎn)生的條件：（1）原子內(nèi)部要有未填滿的電子殼層（本征磁矩不為0）（2）Rab/r>3，使交換積分A為正。（一定的晶體結(jié)構(gòu)）

第19頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三6.3磁性材料的自發(fā)磁發(fā)和技術磁發(fā)2）反鐵磁性和亞鐵磁性：所有偶極子指向相同的方向-----鐵磁性但有其它特殊的情況：方向交替變化的偶極子具有相同的大?。悍磋F磁性如果相反方向交替排列的兩種偶極子大小不同：亞鐵磁性

相鄰磁偶極子之間的3種相對取向有關系a)反鐵磁性的物質(zhì)：

純金屬：a-Mn,Cr

MXn的化合物，M：過渡金屬原子；X：電負性原子（O，S，F(xiàn)e,F)，n=1或2.

例：MnO,CuO,NiO

只有一種類型的金屬原子----偶極子大小相同第20頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三6.3磁性材料的自發(fā)磁發(fā)和技術磁發(fā)2）反鐵磁性和亞鐵磁性：

b)亞鐵磁性的物質(zhì)：晶體結(jié)構(gòu)中不只有一種類型的金屬原子，材料可能會出現(xiàn)亞鐵磁性。典型的材料為氧化物陶瓷材料：立方鐵氧體（MFe2O4

M:

二價過渡金屬Ni,Co,Fe,Mn,Zn)

稀土鐵氧體（M3Fe5O12M:三價稀土金屬Y，Cd)

六方鐵氧體（MFe12O19M：第ⅡA族2價金屬Ba,Ca,Sr)

用途：變壓器的鐵心，電感器，及存儲器例：判斷下屬材料是反鐵磁還是亞鐵磁的；如果是亞鐵磁材料，請預測它是一種立方鐵氧體，稀土鐵氧體還是六方鐵氧體。

CrF2,MnFe2O4,CaFe12O19,CuO,Cd3Fe5O12第21頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三6.3磁性材料的自發(fā)磁發(fā)和技術磁發(fā)3）磁疇：（1）概念：磁體由不同磁偶極矩取向的小區(qū)域組成的每一區(qū)域為磁疇磁偶極子：定向排列主疇：長而大，且自發(fā)磁化方向是晶體的易磁方向副疇：小而短的磁疇，副疇無上述固定關系（2）磁疇壁：相鄰磁疇的界限，有180度和90度，實質(zhì)上是具有一定厚度的過渡區(qū)，在其中過渡區(qū)中原子磁矩是逐步改變的。特例：在整個過渡區(qū)中原子磁矩都平行于疇壁平面，這種壁叫做Bloch壁。鐵中這種壁厚大約為300個點陣常數(shù)。第22頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三6.3磁性材料的自發(fā)磁發(fā)和技術磁發(fā)3）磁疇：（3）磁疇壁的能量：交換能Eex

，磁晶各向異性Ek，二者是相互矛盾的。另：由于原子磁矩的逐漸轉(zhuǎn)向，各個方向上伸縮的難易程度不同產(chǎn)生磁彈性能；第23頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三6.3磁性材料的自發(fā)磁發(fā)和技術磁發(fā)3）磁疇：（4）磁疇的形成

a)單晶：

交換能力----晶體自發(fā)磁發(fā)飽和，磁化方向沿晶體易磁化方向（Eex和Ek為最小值）---產(chǎn)生磁極---退磁場---破壞已形成的自發(fā)極化---分疇分疇：減小退磁能是分疇的基本動力

第24頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三6.3磁性材料的自發(fā)磁發(fā)和技術磁發(fā)3）磁疇：（4）磁疇的形成

b)多晶：晶界：磁疇壁一般不穿過晶界作用夾雜物，空洞：（1）出現(xiàn)楔形疇附加疇（2）吸收疇壁的作用不均勻應力：磁化不均勻，出現(xiàn)散磁場

第25頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三6.3磁性材料的自發(fā)磁發(fā)和技術磁發(fā)2.技術磁發(fā)理論

1）技術磁化的本質(zhì)

(a)基本概念：外加磁場對磁疇的作用過程，外加磁場把各個磁疇的磁矩方向轉(zhuǎn)到外磁場方向的過程。形式：磁疇壁的遷移和磁疇的旋轉(zhuǎn)。

(b)技術磁化的過程

Ⅰ區(qū)：磁疇壁可逆遷移區(qū)

Ⅱ區(qū)：不可逆遷移區(qū)

Ⅲ區(qū)：磁疇旋轉(zhuǎn)區(qū)磁化曲線的斜率由小變大，達到最值，再變小的過程。

第26頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三6.3磁性材料的自發(fā)磁發(fā)和技術磁發(fā)具體機制：

（1）未加磁場時，形成兩個磁疇，磁疇壁通過夾雜相（2）H增加，磁疇壁移動，形成幾段圓?。▋?nèi)部原子磁矩轉(zhuǎn)向過程），取消磁場，可以回到原位（第一階段，可遷移階段）（3）H繼續(xù)增加，磁疇壁脫離夾雜物，到達中線，再達到另一夾雜物，不會由于H取消回到原位，為不可逆遷移，磁導率較高）（4）H再增加，整個磁疇的磁矩方向轉(zhuǎn)向外磁場，為疇的旋轉(zhuǎn)過程。宏觀磁性達到最大值。

第27頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三6.3磁性材料的自發(fā)磁發(fā)和技術磁發(fā)影響磁疇壁遷移的因素：

（1）材料中的夾雜物，第二相，空隙數(shù)量及分布；（2）內(nèi)應力的大?。?）磁晶各向異性（4）磁致伸縮及磁彈性能

第28頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三3.影響合金鐵磁性和亞鐵磁性的因素鐵磁性與亞鐵磁性：

與自發(fā)磁化有關：與組織不敏感（Ms,入s,TC)，只與成分，原子結(jié)構(gòu)，成分有關）

與技術磁化有關：組織敏感（Hc,X,Br)，晶粒的形狀，彌散度，取向點陣的畸變，內(nèi)應力

6.3磁性材料的自發(fā)磁發(fā)和技術磁發(fā)第29頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三3.影響合金鐵磁性和亞鐵磁性的因素

1）溫度：對于鐵磁性材料：物質(zhì)的鐵磁性與具有交互作用的原子磁矩克服熱起伏的影響的能力有關，溫度升高會降低磁矩的取向排列的能力。所以飽和磁化強度是溫度的減函數(shù)。

居里溫度：在某一溫度，Ms降為0，這個溫度為居里溫度，即由鐵磁性轉(zhuǎn)為順磁性。

6.3磁性材料的自發(fā)磁發(fā)和技術磁發(fā)第30頁，共34頁，2023年，2月20日，星期三居里溫度

對于所有的磁性材料來說，并不