磁性材料(概述與應(yīng)用)ppt課件

1、第七講 磁性材料,您對磁究竟了解多少,靜磁學(xué)現(xiàn)象？ 磁性來源？ 磁性材料？非磁性材料？ 磁的分類？ 磁的應(yīng)用,磁= ,吸鐵石,磁性是物質(zhì)一種比較少見的只在少數(shù)地方得到應(yīng)用的現(xiàn)象呢？還是一種存在非常普遍應(yīng)用非常廣泛的現(xiàn)象呢,生活中的常識問題-1,所有物質(zhì)都有磁性嗎？ 鐵-吸鐵石，哪個(gè)有磁性？ 水 銅 鋁 家裝市場材質(zhì)的簡單實(shí)用驗(yàn)證-銅、不銹鋼？ 電飯鍋 鐵氧體有磁性，但為何高溫會失去,答案是： 磁性是物質(zhì)的基本屬性，就像物質(zhì)具有質(zhì)量和電性一樣。 換句更簡單的話說就是： 一切物質(zhì)都具有磁性,生活中的常識問題-2,臥室床的擺放方向-風(fēng)水？偽科學(xué),磁學(xué)發(fā)展史,磁鐵礦(Fe3O4) 或磁赤鐵礦(-Fe2

2、O3,在西方，據(jù)傳說，磁性首先是被一個(gè)牧羊人發(fā)現(xiàn)的。他注意到他的木棍的鐵端，被一塊石頭所吸引。這種石塊在小亞細(xì)亞(Asia Minor)、馬其頓的Magnesia地區(qū)以及愛奧尼亞的Magnesia城都被發(fā)現(xiàn)過。人們相信“Magnetism”一字就是來源于這些地名,十七世紀(jì)：英國，威廉.吉伯 ，磁體,十八世紀(jì)：法國，庫侖， 庫侖定律,2300年前：天然磁石，“司南”，指南儀,十九世紀(jì) 1820年：丹麥，奧斯特，電流產(chǎn)生磁場 1831年：英國，法拉第，電磁感應(yīng)現(xiàn)象 1873年：英國，麥克斯韋，統(tǒng)一電磁理論 1899年：法國，居里，居里溫度，磁性轉(zhuǎn)變,法拉第電磁感應(yīng),居里（P Curie,二十世紀(jì)

3、1905：法國，郎之萬基于統(tǒng)計(jì)力學(xué)理論解釋了順磁性隨溫度的變化。 1907：法國，外斯提出分子場理論，擴(kuò)展了郎之萬的理論。 1921：奧地利，泡利提出玻爾磁子作為原子磁矩的基本單位。美國，康普頓提出電子也具有自旋相應(yīng)的磁矩,1928：英國，狄拉克用相對論量子力學(xué)完美地解釋了電子的內(nèi)稟自旋和磁矩，并與德國物理學(xué)家海森伯一起證明了靜電起源的交換力的存在，奠定了現(xiàn)代磁學(xué)的基礎(chǔ)。 1936：蘇聯(lián)，郎道完成了巨著“理論物理學(xué)教程”，其中包含全面而精彩地論述現(xiàn)代電磁學(xué)和鐵磁學(xué)的篇章。 1936-1948：法國，奈耳提出反鐵磁性和亞鐵磁性的概念和理論,1967：奧地利，斯奈特在量子磁學(xué)的指導(dǎo)下發(fā)現(xiàn)了磁能積空

4、前高的稀土磁體(SmCo5)，從而揭開了永磁材料發(fā)展的新篇章。 1974：第二代稀土永磁Sm2Co17問世。 1982：第三代稀土永磁Nd2Fe14B問世。 1990：原子間隙磁體Sm-Fe-N問世。 1991：德國，克內(nèi)勒提出了雙相復(fù)合磁體交換作用的理論基礎(chǔ)，指出了納米晶磁體的發(fā)展前景,物質(zhì)磁性的起源,原子有哪幾中運(yùn)動方式,現(xiàn)代科學(xué)認(rèn)為物質(zhì)的磁性來源于組成物質(zhì)中原子的磁性 原子中電子的軌道磁矩 電子的自旋磁矩 原子核的核磁矩,載流閉合回路小線圈存在磁矩,磁矩： 單位：A m2 磁矩反應(yīng)了載流線圈產(chǎn)生磁場的大小，可以把它引用到物質(zhì)的微觀系統(tǒng)中去,電子的軌道運(yùn)動相當(dāng)于一個(gè)恒定的電流回路，必有一個(gè)

5、磁矩（軌道磁矩），自旋也會產(chǎn)生磁矩（自旋磁矩,磁矩,軌道磁矩,自旋磁矩,原子的總磁矩應(yīng)是按照原子結(jié)構(gòu)和量子力學(xué)規(guī)律將原子中各個(gè)電子的軌道磁矩和自旋磁矩相加起來的合磁矩. 注:原子核自旋磁矩僅是電子磁矩的1/1836.5, 忽略不計(jì),原子總磁矩,電子的填充方式對磁矩的影響,因此，大多數(shù)元素的原子都存在固有磁矩。這些原子也成為磁性原子,當(dāng)原子中某一電子層完全被電子填滿時(shí)，該電子層的電子云在空間的分布呈球形對稱，這時(shí)其電子循軌磁矩和自旋磁矩都互相抵消，即該層電子磁矩對原子磁矩沒有貢獻(xiàn)。因此惰性元素沒有固有磁矩,為什么通常情況下無磁性表現(xiàn),大多數(shù)元素的原子存在原子的固有磁距. 物體的磁性,取決于原子磁

6、矩的取向.在無外磁場作用時(shí),各原子磁矩的取向是紊亂的,物質(zhì)不呈現(xiàn)宏觀性;而當(dāng)其受外磁場作用時(shí),則原子呈取向性分布,物質(zhì)呈現(xiàn)宏觀的磁性,物質(zhì)內(nèi)部原子、分子中的每個(gè)電子參與兩種運(yùn)動，一是軌道運(yùn)動，即電子繞原子核的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，其運(yùn)動會形成一個(gè)電流，進(jìn)而會產(chǎn)生一個(gè)磁矩，稱為軌道磁矩；二是電子的自旋運(yùn)動，相應(yīng)地也會產(chǎn)生一個(gè)磁矩，稱為自旋磁矩。一個(gè)分子中所有電子的各種磁矩之總和構(gòu)成這個(gè)分子的固有磁矩Pm，稱為分子磁矩，這個(gè)分子固有磁矩可以看成是由一個(gè)等效的圓形分子電流i產(chǎn)生的,總之,一類是分子中各電子的磁矩不完全抵消而整個(gè)分子具有一定的固有磁矩， 一類是分子中各電子的磁矩，完全相互抵消而整個(gè)分子不具有固有磁

7、矩,磁性材料的分類,根據(jù)材質(zhì) 合金磁體 橡膠磁體 氧化物磁體,根據(jù)磁化后介質(zhì)內(nèi)部的磁場與附加磁場和外磁場的關(guān)系,可分為五種,1、抗磁質(zhì)：附加磁化強(qiáng)度與外磁場相反,對于電子殼層被填滿的物質(zhì)，原子磁矩為零。在外磁場作用下，電子運(yùn)動將產(chǎn)生一個(gè)附加的運(yùn)動（由電磁感應(yīng)定律而定），感生出與H反向的磁矩,實(shí)例：惰性氣體、許多有機(jī)化合物、某些金屬（Bi、Zn、Ag、Mg）、非金屬（如：Si、P、S,抗磁質(zhì)的幾點(diǎn)說明,任何物質(zhì)都具有抗磁的本性。 物質(zhì)具有抗磁的本性并不是一定會呈現(xiàn)出抗磁性，而只有當(dāng)物質(zhì)的這種抗磁因素超過其順磁因素時(shí)，物質(zhì)才呈現(xiàn)抗磁性，才稱為抗磁質(zhì)。 隨外磁場的增加，附加的抗磁磁矩增強(qiáng)，抗磁磁化強(qiáng)

8、度增大,2、順磁質(zhì) 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：原子中具有未填滿電子的電子層，形成原子的固有磁矩。在磁場作用下，原子磁矩轉(zhuǎn)向H方向，感生出與H一致的M。 如：稀土金屬和鐵族元素的鹽,順磁質(zhì)磁化強(qiáng)度隨外磁場的增大而增大，但很難達(dá)到磁飽和，只有當(dāng)溫度趨近熱力學(xué)零度時(shí)，才能使順磁物質(zhì)的原子磁矩沿外磁場呈完全規(guī)則取向,順磁質(zhì)的幾點(diǎn)說明,金屬的順磁性與抗磁性,價(jià)電子固有磁矩.順磁性 正離子 抗磁性？ 順磁性,3、鐵磁性,在較弱的磁場作用下就能產(chǎn)生很強(qiáng)的磁化強(qiáng)度。在外磁場除去后 仍保持相當(dāng)大的永久磁性，具有磁滯現(xiàn)象。鐵磁體在溫度高于居 里溫度后變成順磁體,原子是否具有未成對電子，即自旋磁矩貢獻(xiàn)的凈磁矩(本征磁矩) 原子在晶

9、格中的排列方式,具有鐵磁性的金屬有鐵、鈷、鎳等，鐵磁質(zhì)的應(yīng)用最廣泛， 特別是在信息的記錄和存儲方面（磁帶、計(jì)算機(jī)存儲器,材料是否具有鐵磁性取決于兩個(gè)因素,鐵、鈷、鎳等過渡元素都具有未成對的3d電子。 分別具有4、3和2的凈磁矩。 鐵、鈷、鎳金屬在室溫下具有自發(fā)磁化的傾向（交換作用）。 形成相鄰原子的磁矩都向一個(gè)方向排列的小區(qū)域，稱為磁疇,原子核外電子排布示意圖,鐵磁性材料,加入小的磁場，可以獲得大的磁場強(qiáng)度,4、反鐵磁性,在MnO晶體結(jié)構(gòu)中，相鄰Mn2+離子的磁矩都成反向平行排列， 結(jié)果磁矩相互對消，整個(gè)固體材料的總磁矩為零,在有些材料中，相鄰原子或離子的磁矩呈反方向平行排列，結(jié)果 總磁矩為零

10、，叫反鐵磁性。反鐵磁性物質(zhì)有某些金屬如Mn，Cr等， 某些陶瓷如MnO，NiO等以及某些鐵氧體如ZnFe2O4等,以氧化錳(MnO)為例，它是離子型陶瓷材料，由Mn2+和O2-離子 組成， O2-離子沒有凈磁矩，因?yàn)槠潆娮拥淖孕啪睾蛙壍来啪?全部都對消了；Mn2離子有未成對3d電子貢獻(xiàn)的凈磁矩,MnO晶體結(jié)構(gòu),5、亞鐵磁性,亞鐵磁性在宏觀性能上與鐵磁性類似，區(qū)別在于亞鐵磁性材料的飽和磁化強(qiáng)度比鐵磁性的低。成因是由于材料結(jié)構(gòu)中原子磁矩不象鐵磁體中那樣向一個(gè)方向排列，而是呈反方向排列，相互抵消了一部分,根據(jù)鐵磁質(zhì)的矯頑力的大小，將磁性材料分成 軟磁、硬磁和矩磁材料,1) 軟磁材料 具有較高的磁導(dǎo)

11、率和較高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度； 較小的矯頑力（矯頑力很小，即磁場的方向和大小發(fā)生變化時(shí)磁疇壁很容易運(yùn)動）和較低磁滯損耗，磁滯回線很窄； 在磁場作用下非常容易磁化； 取消磁場后很容易退磁化,象軟鐵、坡莫合金、硅鋼片、鐵鋁合金、鐵鎳合金等。 由于軟磁材料磁滯損耗小，適合用在交變磁場中，如變壓器鐵芯、繼電器、電動機(jī)轉(zhuǎn)子、定子都是用軟件磁性材料制成,軟磁材料應(yīng)用圖書防盜磁條,將磁條貼在圖書中或超市貨品上，通過門禁處交變磁場檢測磁條的磁性變化來區(qū)分被保護(hù)對象是否帶有磁條，來達(dá)到防盜的目的。 磁條由軟磁材料制作，通常為鈷基非晶合金、鐵基納米晶合金或坡莫合金（鐵鎳合金）。 防盜磁條技術(shù)的運(yùn)用大大降低了開架售貨領(lǐng)

12、域如圖書館、超市、藥店等的運(yùn)營成本,電力變壓器核心在于鐵芯和線圈。鐵芯處于交變電磁場中，要求在工作頻率下對外磁場變化足夠靈敏,軟磁材料的應(yīng)用電力變壓器,軟磁材料的應(yīng)用電子電路元器件,常見開關(guān)電源電路中多處應(yīng)用了軟磁器件,軟磁材料的應(yīng)用電子電路元器件,變壓器 貼片變壓器 電感,濾波器 環(huán)形電感濾波器 諧波電流抑制器,軟磁材料的應(yīng)用電機(jī)鐵芯,電機(jī)鐵芯通常由疊層軟磁硅鋼片或者鐵鎳合金沖壓而成,硬磁材料： 硬磁材料是指那些難以磁化，且除去外場以后，仍能保留高的剩余磁化強(qiáng)度的材料，又稱永磁材料。（磁鐵,種類：鋁鎳鈷系硬磁合金、硬磁鐵氧體材料、稀土硬磁材料等幾個(gè)系列。 用途：1、硬磁材料主要用來儲藏和供給

13、磁能，作為磁場源。2、硬磁材料在電子工業(yè)中廣泛用于各種電聲器件、在微波技術(shù)的磁控管中亦有應(yīng)用,目前產(chǎn)業(yè)化的主要永磁材料AlNiCo系永磁合金,AlNiCo系永磁合金：包括鋁鎳型、鋁鎳鈷型和鋁鎳鈷鈦型三種。其中又有各向同性合金、磁場取向合金和定向結(jié)晶合金。生產(chǎn)工藝包括：鑄造磁鋼與燒結(jié)磁鋼。鑄造鋁鎳鈷合金具有生產(chǎn)工藝簡單和產(chǎn)品性能高等特點(diǎn)。絕大部分鋁鎳鈷合金都采用鑄造法生產(chǎn),左上：鑄造鋁鎳鈷合金； 左下：各類異形件 右下：燒結(jié)鋁鎳鈷合金,鑄造鋁鎳鈷系合金的磁性,目前產(chǎn)業(yè)化的主要永磁材料永磁鐵氧體,鋇鐵氧體(BaO6Fe2O3)和鍶鐵氧體(SrO6Fe2O3)。晶體結(jié)構(gòu)均屬六角晶系。具有高的磁晶各向

14、異性常數(shù)、高矯頑力和低剩磁，最大磁能積偏低；其剩磁溫度系數(shù)是鋁鎳鈷磁體的10倍，不適于制作要求高穩(wěn)定性的精密儀器；在產(chǎn)量極大的家用電器、音響設(shè)備、揚(yáng)聲器、電機(jī)、電話機(jī)、笛簧接點(diǎn)元件和轉(zhuǎn)動機(jī)械等方面得到普遍應(yīng)用,鋇鐵氧體的微波應(yīng)用：1、器件；2、隱身涂層,以鐵、鉻（23.527.5%）、鈷（11.521.0%）為主；加入適量硅、鉬、鈦。此類合金可以通過成分調(diào)節(jié)將其低的單軸各向異性常數(shù)提高到鋁鎳鈷合金的水平；定向凝固+磁場處理(結(jié)晶與磁雙重織構(gòu))，以及塑性變形與適當(dāng)熱處理的方法(形變時(shí)效)顯著提高合金性能,目前產(chǎn)業(yè)化的主要永磁材料鐵鉻鈷系合金,鐵鉻鈷合金各種加工形式，包括絲材,SmCo系合金（Sm

15、Co5,Sm2Co17)：耐高溫稀土永磁。SmCo5：第一代稀土永磁，上世紀(jì)60年代；Sm2Co17：第二代稀土永磁，上世紀(jì)70年代。 Sm2Co17的工作溫度可達(dá)350oC,目前產(chǎn)業(yè)化的主要永磁材料釤鈷系合金,其缺點(diǎn)是含有較多的金屬鈷(w(Co)66%)和蘊(yùn)藏量稀少的稀土金屬元素Sm。原材料昂貴，受到資源與價(jià)格的限制。 主要應(yīng)用于高端領(lǐng)域,第三代稀土永磁體；其價(jià)格只相當(dāng)于釤鈷合金的50%左右；分燒結(jié)釹鐵硼和粘接釹鐵硼；優(yōu)點(diǎn)：最大磁能積和最大矯頑力；缺點(diǎn)：剩磁溫度系數(shù)較高,目前產(chǎn)業(yè)化的主要永磁材料釹鐵硼,永磁材料的應(yīng)用永磁電機(jī),永磁步進(jìn)電機(jī),在各種應(yīng)用中，永磁材料主要用來提供恒定磁場,永磁電機(jī)

16、/發(fā)電機(jī)永磁材料大發(fā)展,變頻家用電器,硬盤驅(qū)動器音圈電機(jī)（VCM,兆瓦級永磁直驅(qū)（半直驅(qū)）風(fēng)力發(fā)電機(jī),混合動力汽車,現(xiàn)代汽車需要使用幾十個(gè)小型永磁電動機(jī)和其它磁控機(jī)械元件。EPS將成為高性能永磁體的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一,The number of magnets in the family car has increased from one in the 1950s to over thirty today,永磁材料應(yīng)用舉例,永磁磁選設(shè)備,揚(yáng)聲器：電聲換能,永磁式核磁共振譜儀 （MRI,3) 矩磁材料-鐵氧體 鐵氧體是含鐵酸鹽的陶瓷氧化物磁性材料，一般呈現(xiàn)出亞鐵磁性。 磁滯回線呈矩形，又稱矩磁材

17、料， 剩磁接近于磁飽合磁感應(yīng)強(qiáng)度 具有高磁導(dǎo)率、高電阻率 由Fe2O3和其他二價(jià)的金屬氧化物(如NiO，ZnO等)粉末混合燒結(jié)而成。 在兩個(gè)方向上的剩磁可用于表示計(jì) 算機(jī)二進(jìn)制中的“0”和“1”，可作磁性記憶元件，如高速存儲器,磁性材料的應(yīng)用,指南針的鼻祖司南 地磁場是指南的前提 戰(zhàn)國末年（先秦）韓非子：“先王立司南以端朝夕?！?東漢時(shí)的王充在他的著作論衡中對司南的形狀和用法做了明確的記錄,指南針磁性材料的最早應(yīng)用,指南針中國古代四大發(fā)明之一,指南針磁性材料的最早應(yīng)用,北宋，曾公亮武經(jīng)總要：“用薄鐵葉剪裁，長二寸，闊五分，首尾銳如魚型，置炭火中燒之，侯通赤，以鐵鈐鈐魚首出火，以尾正對子位，蘸水

18、盆中，沒尾數(shù)分則止，以密器收之。用時(shí)，置水碗于無風(fēng)處平放，魚在水面，令浮，其首常向午也。”（利用地磁場人工磁化,指南魚,指南龜,北宋，沈括夢溪筆談：“方家以磁石摩針鋒，則能指南?！?人工磁化方法的發(fā)明，對指南針的應(yīng)用和發(fā)展起了巨大的作用,IBM硬盤的發(fā)展,關(guān)于磁性材料的認(rèn)識之一磁存儲技術(shù),在傳統(tǒng)工業(yè)中的應(yīng)用,磁性材料的應(yīng)用,生物界和醫(yī)學(xué)界的磁應(yīng)用,軍事領(lǐng)域的磁應(yīng)用,考古天文地址采礦界領(lǐng)域的磁應(yīng)用,傳統(tǒng) 工業(yè),汽車中用到磁性材料的組件,磁懸浮列車,上海磁懸浮列車 平均時(shí)速300公里/小時(shí)，最高時(shí)速430公里/小時(shí),磁懸浮列車是運(yùn)用磁鐵“同性相斥，異性相吸”的性質(zhì)，使磁鐵具有抗拒地心引力的能力，使

19、列車完全脫離軌道而懸浮行駛，成為“無輪”列車。 磁懸浮列車也有兩種相應(yīng)的形式：一種是電磁型，也稱吸力型、常導(dǎo)型。另一種是電動型，也稱斥力型、超導(dǎo)型,磁懸浮列車原理,兩種磁懸浮列車系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖：(a)電磁型；(b)電動型,磁制冷冰箱,磁制冷是一種以磁性材料為工質(zhì)的制冷技術(shù) ，基本原理是借助磁制冷材料的磁熱效應(yīng)即磁制冷材料等溫磁化時(shí)向外界放出熱量，而等溫退磁時(shí)從外界吸取熱量，以達(dá)到制冷目的,磁盤存儲,所謂磁存儲就是以記錄磁場方向的方式或磁場的有無來儲存資料,數(shù)據(jù)在磁片上以磁化的點(diǎn)來表示， 被磁化的點(diǎn)代表1，沒有被磁化的點(diǎn)代表0,電飯鍋,日常使用的電飯鍋利用了磁性材料的居里點(diǎn)的特性。在電飯鍋的底

20、部中央裝了一塊磁鐵和一塊居里點(diǎn)為105的磁性材料。當(dāng)鍋里的水分干了以后，食品的溫度將從100度上升。當(dāng)溫度到達(dá)大約105度時(shí)，由于被磁鐵吸住的磁性材料的磁性消失，磁鐵就對它失去了吸力，這時(shí)磁鐵和磁性材料之間的彈簧就會把它們分開，同時(shí)帶動電源開關(guān)被斷開，停止加熱,電磁爐,電磁爐的內(nèi)部有一個(gè)金屬線圈，當(dāng)電流通過線圈時(shí)，會產(chǎn)生磁場。這一隨時(shí)間變化的磁場導(dǎo)致在金屬煲內(nèi)產(chǎn)生一感應(yīng)電場。金屬煲內(nèi)的電子受電場影響進(jìn)行運(yùn)動。由于有電阻，電子運(yùn)動時(shí)會放出大量熱能，這些熱能便可用作煮食。 金屬煲的電阻必須足夠大，才能產(chǎn)生足夠的熱量，所以一般只能選用鐵和不銹鋼煲，銅煲就不大可能，更不能用玻璃、陶瓷、塑料等,特點(diǎn)： 直接發(fā)熱，熱效率高達(dá)90% 爐面無明火，無煙無廢氣 電磁火力強(qiáng)勁，安全可靠,在醫(yī)學(xué)上，利用核磁共振可以診斷人體異常組織，判斷疾病，這就是我們比較熟悉的核磁共振成像,利用磁性納米材料表面功能基團(tuán)與可識別病兆的功能分子進(jìn)行耦聯(lián)，是實(shí)現(xiàn)磁性納米晶體在疾病鑒別診斷中應(yīng)用的最可行的手段之一,生物 醫(yī)學(xué),電磁炮是把炮彈放在螺線管中，螺線管產(chǎn)生的磁場對炮彈將產(chǎn)生巨大的推動力將炮彈射出的一種新型武器“電