第四章磁性材料

1、第四章 磁性材料 材料的磁性材料的磁性 物質磁性分類物質磁性分類 磁性材料的分類磁性材料的分類 幾種新型的磁性材料幾種新型的磁性材料 軟磁材料軟磁材料硬磁材料硬磁材料分子基磁性材料分子基磁性材料非晶態(tài)磁性材料非晶態(tài)磁性材料 納米磁性材料納米磁性材料磁性液體磁性液體 磁性材料的應用磁性材料的應用 磁性是物質的基本屬性地球磁場地球就是一塊巨大的磁鐵，它的N極在地理的南極附近，而S極在地理的北極附近. 地球磁場正在出現裂縫或破洞地球磁場正在出現裂縫或破洞2003-01-15 14:09:042003-01-15 14:09:04丹麥科學家發(fā)現，地球磁場正在出現裂縫或者說出現破洞，證明地球磁極將在近期

2、內不可避免地發(fā)生位移。這些裂縫處在南北極上空。英國利茲大學專家聲稱，地球磁極每50萬年發(fā)生一次位移變化，但最后一次位移發(fā)生在75萬年前，因此地球磁極已經到了該發(fā)生變化的時候了，它們的變化將在近期發(fā)生。原因是地核周圍巨大的液態(tài)鐵流體(熔融體)，有時鐵流體會形成巨大的旋渦，這樣的旋渦迫使鐵流體改變自己的流動方向，鐵流體流動方向的改變致使地球磁力線狀態(tài)發(fā)生變化，磁場出現裂縫。在地球南北極下面就有這樣的旋渦形成。 引起巨大變化。首先，磁場強度將在一段時間內減弱，太陽輻射強度將會大大升高，人和動物都會出現不適感；其次，磁力線方向發(fā)生變化，這可能使鳥類及其它動物的遷徙活動發(fā)生混亂；第三，地球磁場的變化將給

3、科學研究帶來很大問題，地球磁力線的變化將直接影響到科學儀器的工作狀態(tài)，因為幾乎所有的科學儀器都與磁場有密切的關系。磁性材料是古老而年輕的功能材料司南（戰(zhàn)國時期）司南利用天然磁石琢磨而成,樣子像一把勺，重心位于底部正中，底盤光滑，四周刻有二十四向，使用時把長勺放在底盤上，用手輕撥，停下后長柄就指向南方。IBM硬盤的發(fā)展1.材料磁性的起源材料磁性的起源物質的磁性來源于原子的磁矩 原子磁矩原子核磁矩電子磁矩原子核磁矩 電子磁矩電子磁矩軌道磁矩自旋磁矩 量子力學的分析： 在填滿電子的殼層中，總軌道磁矩和總自旋磁矩均為零物質磁矩一般不等同于孤立原子的磁矩和 （相互作用）原子磁矩實際上來源于未填滿殼層中的

4、電子 矢量和 磁極和磁偶極子磁極和磁偶極子磁極磁極：磁性強的區(qū)域磁性強的區(qū)域 N極：指北的一端，正磁極；正磁荷，+ m S極：指南的一端，負磁極；負磁荷，-m 磁荷可以看成點磁荷 磁偶極子：無限小的磁體磁偶極子：無限小的磁體產生的磁偶極矩為：產生的磁偶極矩為：（矢量）（矢量） mljm2.磁性的基本概念 在一塊硬紙板的下面放兩塊磁鐵，并且讓它們的S極相對。紙板上面撒一些細的鐵粉末。那么，鐵的粉末會自動排列起來，形成一串串曲線的樣子。N極和S極之間的曲線是連續(xù)的，而S極和S極之間的曲線互相排斥，不能融合和貫穿。 假想在磁極之間存在著一種曲線，它代表著磁極之間相互作用的強弱。這種假想的曲線稱為磁力

5、線，并規(guī)定磁力線從N極出發(fā)，最終進入S極。 在磁極周圍的空間中真正存在的不是磁力線，而是一種場，我們稱之為磁場。磁性物質的相互吸引等就是通過磁場進行的。 磁場的強弱可以用假想的磁力線數量來表示，磁力線密的地方磁場強，磁力線疏的地方磁場弱。 磁力線和磁場 磁場強度磁場強度：描述空間某一點描述空間某一點磁場磁場的的大小大小和和方向方向，用用H H表示。表示。 設試探磁極的點磁荷為m，它在磁場中某處受力為F，則該處的磁場強度矢量H為： 磁化強度磁化強度：指磁體內部單位體積的磁矩矢量和， 用M表示，它反映出磁體的磁性強弱程度。mFH/rrmmkF321HM 磁感應強度磁感應強度：磁感應強度磁感應強度B

6、 B的定義是：的定義是：B=B=m m0 0(H+M)(H+M)，其中其中m m0 0是一個系數，叫做真空磁導率。是一個系數，叫做真空磁導率。 磁導率磁導率：導磁率實際上代表了磁性材料被磁化的導磁率實際上代表了磁性材料被磁化的容易程度，或者說是材料對外部磁場的容易程度，或者說是材料對外部磁場的靈敏靈敏程度。程度。磁導率的定義是磁導率的定義是mB/mmB/m0 0H H，是磁化曲線上任意一點，是磁化曲線上任意一點上上B B和和H H的比值。的比值。)1 (mHHHB00)1 ()(mmHB0mm 強磁性材料被磁化后表現出一個重要特征，即有磁滯回線。磁滯回線是磁化磁場變化(H)一周時，磁性材料的磁

7、感應強度(B)或磁化強度(M)隨之而變化的曲線。由于磁滯，B或M的值，不是沿著原來的磁化路徑改變，而是沿著當H作循環(huán)變化時另外的路徑變化，以至于當磁化磁場正反磁化一周所得的磁化曲線，形成一閉合回線。 磁滯回線磁滯回線變壓器鋼和碳鋼的磁滯回線 居里溫度居里溫度 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，稱為居里溫度。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，產生自發(fā)磁化，物體變成磁性材料。 利用磁性材料存在居里溫度的特點，可以開發(fā)出很多控制元件。 日常使用的電飯鍋就利用了磁性材料的居里

8、點的特性。在電飯鍋的底部中央裝了一塊磁鐵和一塊居里點為105的磁性材料。當鍋里的水分干了以后，食品的溫度將從100度上升。當溫度到達大約105度時，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，這時磁鐵和磁性材料之間的彈簧就會把它們分開，同時帶動電源開關被斷開，停止加熱。3.3.物質磁性分類物質磁性分類 物質磁性物質磁性抗磁性抗磁性順磁性順磁性鐵磁性鐵磁性反鐵磁性反鐵磁性亞鐵磁性亞鐵磁性 某些物質當它們受到外磁場H作用后，感生出與（H）方向相反的磁化強度（M），磁化率0，這種磁性稱為抗磁性。 表現出磁化率小于零的物質稱為抗磁性物質。 抗磁性物質有；惰性氣體、大部分有機化合物、若干金

9、屬(如Bi、Zn、Ag和Mg等)、非金屬(如Si、P和S等)。 電子殼層都是填滿的，所以，原子磁矩等于零或雖原子的磁矩不為零，但由原子組成的分子的總磁矩為零。 抗磁抗磁性性HM 許多物質在受到外磁場作用后，感生出與磁化磁場同方向的磁化強度，磁化率0，但數值很小，僅顯示微弱磁性。這種磁性稱為順磁性。 順磁性物質：稀土金屬和鐵族元素的鹽類、除Be以外的堿金屬和堿土金屬以及在居里溫度以上的鐵磁元素Fe、Ni、Co。 具有未填滿的電子殼層，所以順磁性物質有一個固有原子磁矩，但各原子磁矩的方向混亂，對外不顯示宏觀磁性，在磁化磁場作用下，原子磁矩轉向磁場方向，感生出與外磁場方向一致的磁化強度M。在外磁場中

10、，順磁性物質顯示微弱的磁性。 順磁性順磁性HM 鐵磁性物質只要在很小的磁場作用下就能被磁化到飽和，不但磁化率0，而且數值大到10106數量級，其磁化強度M與磁場強度H之間的關系是非線性的復雜函數關系。這種類型的磁性稱為鐵磁性。 磁性很強，通常所說的磁性材料主要是指這類物質。 磁滯現象 鐵磁性物質只有在居里溫度以下才具有鐵磁性；在居里溫度以上，由于受到晶體熱運動的干擾，原子磁矩的定向排列被破壞，使得鐵磁性消失，這時物質轉變?yōu)轫槾判浴?鐵磁性鐵磁性HMv 自發(fā)磁化自發(fā)磁化 鐵磁性物質內的原子磁矩，通過相鄰晶格結點原子的電子殼層的作用，克服熱運動的無序效應，原子磁矩是按區(qū)域自發(fā)平行排列、有序取向，按

11、不同的小區(qū)域分布，這種現象稱為自發(fā)磁化。 未配對的3d電子殼層 Fe、Ni、Co、Mnv 磁疇磁疇 自發(fā)磁化的小區(qū)域，稱為磁疇。各個磁疇之間的交界面稱為磁疇壁。磁性材料中常見的磁疇形狀：條形疇，樹枝狀疇和迷宮疇Fe 3%Si 單晶（111）晶面的磁疇結構 當TTN時，順磁性 當TTN時，磁化率降低，并逐漸趨于定值。 這類物質的磁化率在溫度等于TN的地方存在極大值。TN奈耳溫度。 內部磁矩反平行排列，相臨近的兩種相反方向的磁矩相互抵消，使得總磁矩為零。 反鐵磁性物質有過渡族元素的鹽類及化合物，如MnO、Cr2O3、 CoO等。 反鐵磁性反鐵磁性HM 亞鐵磁性是未抵消的反鐵磁性結鉤的鐵磁性。 宏觀

12、上：磁性與鐵磁性相同，僅僅是磁化率的數量級稍低一些，大約為100一103數量級。 內部磁結構上：與反鐵磁性的相似，具有相反排列的磁矩，但相反排列的磁矩不等量。 典型的亞鐵磁性材料有尖晶石型鐵氧體、石榴石型鐵氧體，稀土鈷金屬化合物和一些過渡族金屬、非金屬化合物等。 亞鐵磁性亞鐵磁性HMv 磁致伸縮磁致伸縮 在鐵磁體和亞鐵磁體材料中，原子磁矩的定向排列，不僅導致磁性質的各向異性，還導致鍵合力的各向異性和晶格常數的擇優(yōu)取向。這種作用在宏觀上的表現為磁化方向上的長度變化，即磁致伸縮。利用磁致伸縮效應可以激勵磁棒產生機械振動，在電聲技術有應用價值。 4.4.磁性材料的分類磁性材料的分類軟磁材料軟磁材料硬

13、磁材料硬磁材料半硬磁材料半硬磁材料旋磁材料旋磁材料矩磁材料矩磁材料壓磁材料壓磁材料按磁性種類按磁性種類按化學成份按化學成份金屬磁性材料金屬磁性材料非金屬磁性材料非金屬磁性材料按使用形態(tài)按使用形態(tài)塊體磁性材料塊體磁性材料粉末磁性材料粉末磁性材料薄膜磁性材料薄膜磁性材料 磁性材料磁性材料 軟磁材軟磁材料料概念：概念： 軟磁材料主要是指那些軟磁材料主要是指那些容易反復磁化容易反復磁化，且在外磁，且在外磁場去掉后，場去掉后，容易退磁容易退磁的磁性材料。的磁性材料。特點：特點： 高磁導率高磁導率：在較弱的外磁場下就能獲得高磁感應：在較弱的外磁場下就能獲得高磁感應強度，并隨外磁場的增強很快達到飽和。強度，

14、并隨外磁場的增強很快達到飽和。 低矯頑力低矯頑力：當外磁場去除時，其磁性立即基本消：當外磁場去除時，其磁性立即基本消失。失。常見的軟磁材料： 鐵和MFe2O4、MFeO3、M3Fe2O5、MFe12O19（M為金屬離子）等 鐵氧體都是軟磁材料。用途： 軟磁材料在電子工業(yè)中主要是用來導磁?？捎米髯儔浩?、線圈、繼電器等電子元件的導磁體。 變壓器變壓器變壓器的鐵芯處于不斷變化的電磁場中，鐵芯材料的磁化強度和磁感應強度也是不斷改變的。這就自然要求鐵芯材料對這種變化的阻力小，變化足夠靈敏。所以，幾乎對所有的變壓器鐵芯，都要求導磁率高。 軟磁材料的應用軟磁材料的應用磁性傳感器磁性傳感器 普通的水雷或者地雷

15、只能在接觸目標時爆炸，因此作用有限。而如果在水雷或地雷上安裝磁性傳感器，由于坦克或者軍艦都是鋼鐵制造的，在它們接近（無須接觸目標）時，傳感器就可以探測到磁場的變化使水雷或地雷爆炸，提高了殺傷力。概念：概念： 硬磁材料是指那些硬磁材料是指那些難以磁化難以磁化，且除去外場以后，且除去外場以后，仍能保留高的剩余磁化強度的材料，又稱仍能保留高的剩余磁化強度的材料，又稱永磁材永磁材料。（磁鐵）料。（磁鐵）特點：特點： 具有高矯頑力。具有高矯頑力。 硬磁材硬磁材料料種類： 鋁鎳鈷系硬磁合金、硬磁鐵氧體材料、稀土硬磁材料等幾個系列用途： 硬磁材料主要用來儲藏和供給磁能，作為磁場源。硬磁材料在電子工業(yè)中廣泛用

16、于各種電聲器件、在微波技術的磁控管中亦有應用。1多種永磁式強力吸力器（已獲實用新型專利證書）例：靜吊2050kg/平方厘米，通過磁短路開關可方便吸吊、卸吊鐵器物2永磁式自動磁選機（已獲實用新型專利證書），可將磁性能不均勻的磁性粉末自動分成等級，或將磁性與非磁性混合粉末分離，粉末顆粒度為級，一次分選兩級，通過調整磁輥間隙改變磁場大小，可對粉末進行多次分選，分選產量50kg/h硬磁材料的應用硬磁材料的應用揚聲器揚聲器硬（永）磁直流步進電機硬（永）磁直流步進電機 用于變速控制系統(tǒng)用于變速控制系統(tǒng)可變形永磁合金可變形永磁合金鐵鈷鉬永磁合金鐵鈷鉬永磁合金鐵鈷釩永磁合金鐵鈷釩永磁合金 鐵鉻鈷永磁合金鐵鉻鈷

17、永磁合金 5.5.幾種新型的磁性材料幾種新型的磁性材料 非晶態(tài)磁性材料非晶態(tài)磁性材料 與晶態(tài)相比，具有高強度、高耐腐蝕性與高電阻率、與晶態(tài)相比，具有高強度、高耐腐蝕性與高電阻率、高磁導率、低損耗的特性。高磁導率、低損耗的特性。 三大類：三大類： （1 1）過渡金屬類金屬非晶合金，主要包括鐵基非晶）過渡金屬類金屬非晶合金，主要包括鐵基非晶合金、鐵鎳基非晶合金和鈷基非晶合金；合金、鐵鎳基非晶合金和鈷基非晶合金； （2 2）稀土過渡族非晶合金，如）稀土過渡族非晶合金，如TbFeCoTbFeCo、GaTbFeGaTbFe等；等； （3 3）過渡金屬過渡金屬非晶態(tài)合金，如）過渡金屬過渡金屬非晶態(tài)合金，如

18、FeZrFeZr、CoZrCoZr等。等。磁頭材料磁頭材料 磁頭的基本功能是與磁記錄介質構成磁性回路,對信號進行加工,包括記錄、重放和消磁（抹除信息）三種功能。磁頭工作原理有二種：磁阻式和磁感應式，磁阻式磁頭只能讀出。 磁感應磁頭記錄信號時，在磁頭線圈中通入信號電流，就會在縫隙產生磁場溢出，則剩磁沿著介質長度方向上的演變規(guī)律完全反映信號變化規(guī)律，這就是記錄信號的基本過程。要求高磁導率、高磁感應強度。 隨著磁記錄介質的矯頑力的提高，原有的磁頭材料如坡莫合金(4%Mo,17%Fe-Ni)難以滿足要求,非晶態(tài)磁性材料就是新開發(fā)出的磁頭材料。： 納米磁性材料納米磁性材料特性特性：超順磁性，如無磁滯，高

19、磁導率，低損耗、高：超順磁性，如無磁滯，高磁導率，低損耗、高飽和磁化強度等飽和磁化強度等原因原因：與磁相關的：與磁相關的特征物理長度特征物理長度恰好處于恰好處于納米量級納米量級； 例如：磁單疇尺寸，超順磁性臨界尺寸，交換作用長度，以及電子平均自由路程等大致處于1-100 nm量級。 當磁性體的尺寸與這些特征物理長度相當時，就當磁性體的尺寸與這些特征物理長度相當時，就會呈現反常的磁學性質。會呈現反常的磁學性質。 將非晶材料在晶化溫度之上進行退火處理，可以轉變?yōu)榫B(tài)，如在FeSiB非晶合金組成中再添加Cu，Nb等元素，以細化晶粒并限制退火過程中晶粒的生長，就可以獲得納米晶磁性材料。坡莫磁性合金（坡

20、莫磁性合金（NiFeNiFe）納米顆粒）納米顆粒 磁性液體磁性液體 1963年，美國國家航空與航天局的年，美國國家航空與航天局的S SPapellPapell采采用油酸為用油酸為表面活性劑表面活性劑，把它包覆在超細的，把它包覆在超細的四氧化三四氧化三鐵鐵微顆粒上微顆粒上( (直徑約為直徑約為1010nmnm) )，并高度彌散于煤油，并高度彌散于煤油( (基基液液) )中，從而形成一種穩(wěn)定的中，從而形成一種穩(wěn)定的膠體膠體體系。在磁場作用體系。在磁場作用下，磁性顆粒帶動著被表面活性劑所包裹著的液體下，磁性顆粒帶動著被表面活性劑所包裹著的液體一起運動，好象整個液體具有磁性，因此，取名為一起運動，好象

21、整個液體具有磁性，因此，取名為磁性液體。磁性液體。 生成磁性液體的生成磁性液體的必要條件必要條件是強磁性顆粒要足夠地小，以是強磁性顆粒要足夠地小，以致可以削弱顆粒間的靜磁作用，能在基液中作無規(guī)則的熱運致可以削弱顆粒間的靜磁作用，能在基液中作無規(guī)則的熱運動。例如對鐵氧體類型的微顆粒，大致尺寸為動。例如對鐵氧體類型的微顆粒，大致尺寸為10nm10nm；對金屬；對金屬微顆粒，通常小于微顆粒，通常小于6 6nmnm。 為了防止顆粒聚集成團，產生沉積，每個磁性微顆粒的為了防止顆粒聚集成團，產生沉積，每個磁性微顆粒的表面必須化學吸附一層長鏈的高分子表面必須化學吸附一層長鏈的高分子( (稱為稱為表面活性劑表

22、面活性劑) )，高，高分子的鏈要足夠地長，以致顆粒接近時排斥力應大于吸引力，分子的鏈要足夠地長，以致顆粒接近時排斥力應大于吸引力，此外，鏈的一端應和磁性顆粒產生化學吸附，另一端應和基此外，鏈的一端應和磁性顆粒產生化學吸附，另一端應和基液親和。液親和。 主要特點：主要特點： 1.1.在磁場作用下，可以被在磁場作用下，可以被磁化磁化； 2.2.具有液體的具有液體的流動性流動性，可以運動。，可以運動。 3.3.在靜磁場作用下，磁性顆粒將沿著外磁場方向形在靜磁場作用下，磁性顆粒將沿著外磁場方向形成一定有序排列的成一定有序排列的團鏈簇團鏈簇，從而使得液體變?yōu)?，從而使得液體變?yōu)楦飨蚋飨虍愋援愋缘慕橘|。的介

23、質。 當光波、聲波在其中傳播時會產生光的法拉第旋轉、雙折射效應、二向色性以及超聲波傳播速度與衰減的各向異性，此外介電性質也會呈現各向異性。這些都是有別于通常液體的奇異性質。 6.6.磁性材料的應用磁性材料的應用 磁磁懸浮列車懸浮列車 上海上海磁磁懸浮列車懸浮列車 平均時速平均時速300300公里公里/ /小時，最高時速小時，最高時速430430公里公里/ /小時小時傳統(tǒng)輪軌技術：傳統(tǒng)輪軌技術： 速度低、噪音大速度低、噪音大磁懸浮技術：磁懸浮技術： 采用磁力懸浮的方式，使列車懸浮在軌道上采用磁力懸浮的方式，使列車懸浮在軌道上方行駛，具有如下優(yōu)點：方行駛，具有如下優(yōu)點： 減少摩擦力，大幅度提高車輛

24、的行駛速度；減少摩擦力，大幅度提高車輛的行駛速度； 不會造成噪音或空氣污染，并可提高能源的使用不會造成噪音或空氣污染，并可提高能源的使用效率；效率； 磁懸浮列車是運用磁鐵“同性相斥，異性相吸”的性質，使磁鐵具有抗拒地心引力的能力，使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的形式：一種是電磁型，也稱吸力型、常導型。另一種是電動型，也稱斥力型、超導型。 磁懸浮列車原理磁懸浮列車原理 兩種磁懸浮列車系統(tǒng)的結構示意圖：(a)電磁型；(b)電動型 電磁爐電磁爐 電磁爐的內部有一個金屬線圈，當電流通過線圈時，會產生磁場。這一隨時間變化的磁場導致在金屬煲內產生一感應電場。金屬煲內的電子受電場影響進行運動。由于有電阻，電子運動時會放出大量熱能，這些熱能便可用作煮食。 金屬煲的