第5章-磁性材料

1、 第五章 磁 性 材 料河海大學(xué)河海大學(xué)-力學(xué)與材料學(xué)院力學(xué)與材料學(xué)院-材料系材料系 盧治擁盧治擁Apr 20th, 20162磁性材料是最早被人類認(rèn)識(shí)和利用的功能材料，伴隨了人類文明的發(fā)展。人類對(duì)于磁性材料的最初認(rèn)識(shí)源于天然磁石。公元前三世紀(jì)管子：“上有慈石者，下有銅金?！眳问洗呵锞啪砭ㄆ骸按日需F，或引之也?！贝判允亲匀豢茖W(xué)史上最古老的現(xiàn)象之一磁性是自然科學(xué)史上最古老的現(xiàn)象之一磁鐵礦磁鐵礦(Fe3O4)或磁赤鐵礦或磁赤鐵礦(-Fe2O3) 指南針的鼻祖司南 地磁場(chǎng)是指南的前提戰(zhàn)國(guó)末年（先秦）韓非子：“先王立司南以端朝夕?！睎|漢時(shí)的王充在他的著作論衡中對(duì)司南的形狀和用法做了明確的記錄。指南

2、針指南針中國(guó)古代四大發(fā)明之一中國(guó)古代四大發(fā)明之一指南針 司馬遷史記描述黃帝作戰(zhàn)用1086年 宋朝沈括夢(mèng)溪筆談指南針的制造方法等1119年 宋朝朱或萍洲可談 羅盤，用于航海的記載 W. Gilbert De Magnete磁石，最早的著作18世紀(jì) 奧斯特 電流產(chǎn)生磁場(chǎng) 法拉弟效應(yīng) 在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體產(chǎn)生電流 安培定律 構(gòu)成電磁學(xué)的基礎(chǔ), 開創(chuàng)現(xiàn)代電氣工業(yè)1907年 P. Weiss的磁疇和分子場(chǎng)假說1928年 海森堡模型，用量子力學(xué)解釋分子場(chǎng)起源1931年 Bitter在顯微鏡下直接觀察到磁疇1933年 加藤與武井發(fā)現(xiàn)含Co的永磁鐵氧體1935年 荷蘭Snoek發(fā)明軟磁鐵氧體1935年 Landa

3、u和Lifshitz考慮退磁場(chǎng), 理論上預(yù)言了磁疇結(jié)構(gòu)( (一一) )、磁性材料發(fā)展簡(jiǎn)史、磁性材料發(fā)展簡(jiǎn)史古老而年輕的功能材料古老而年輕的功能材料1946年 Bioembergen發(fā)現(xiàn)NMR效應(yīng)1948年 Neel建立亞鐵磁理論1954-1957年 RKKY相互作用的建立1958年 Mssbauer效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)1960年 非晶態(tài)物質(zhì)的理論預(yù)言1965年 Mader和Nowick制備了CoP鐵磁非晶態(tài)合金1970年 SmCo5稀土永磁材料的發(fā)現(xiàn)1982年 掃描隧道顯微鏡, Brining和Rohrer,( 1986年,AFM )1984年 NdFeB稀土永磁材料的發(fā)現(xiàn) Sagawa(佐川)1986

4、年 高溫超導(dǎo)體，Bednortz-muller1988年 巨磁電阻GMR的發(fā)現(xiàn)(M.N. Baibich)，法國(guó)Paris-Sud大學(xué)的Albert Fert以及德國(guó)尤里希研究中心的Peter Grnberg獲2007年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)1994年 CMR龐磁電阻的發(fā)現(xiàn)，Jin等LaCaMnO31995年 隧道磁電阻TMR的發(fā)現(xiàn),T.Miyazaki( (二二) )、關(guān)于磁性材料的認(rèn)識(shí)、關(guān)于磁性材料的認(rèn)識(shí)磁力線與磁極磁力線與磁極粉紋法演示磁力線分布磁極之間同性相斥、異性相吸磁鐵不論大小，都有唯一的N極和S極。磁學(xué)初步認(rèn)識(shí)：磁學(xué)初步認(rèn)識(shí)：奧斯特實(shí)驗(yàn)： 電流與磁場(chǎng)的相互作用；螺線管與磁體的等效安培分子

5、電流學(xué)說：組成磁鐵的每個(gè)分子都具有一個(gè)小的分子電流，經(jīng)過磁化的磁鐵其小分子電流都定向規(guī)則排列?，F(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：1. 原子中外層電子的軌道磁矩2. 電子的自旋磁矩3. 原子核的核磁矩（原子核的磁矩比電子磁矩小三個(gè)數(shù)量級(jí)，一般情況下可忽略不計(jì)。）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。（洪德法則）（洪德法則）磁性是物質(zhì)的基本屬性！材料是否具有鐵磁性取決于兩個(gè)因素: 1. 原子是否具有未成對(duì)電子,即自旋磁矩貢獻(xiàn)的凈磁矩(本征磁矩) 2. 原子在晶格中的排列方式 鐵/鈷/鎳等過渡元素都具有未成對(duì)的3d電子,分別具

6、有4,3,2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想一個(gè)方向排列的小區(qū)域,稱為磁疇. 現(xiàn)代物理科學(xué)告訴我們：物質(zhì)磁性主要源自電子，磁性是物質(zhì)的基本屬性！磁有序結(jié)構(gòu)，即自發(fā)磁化，表現(xiàn)為存在磁疇，是物質(zhì)強(qiáng)磁性的主要來源。軟磁條形疇薄膜迷宮疇樹枝狀疇 11常溫下表現(xiàn)為強(qiáng)磁性的亞鐵磁性和鐵磁性材料稱為磁性材料。磁性材料具有能量轉(zhuǎn)換，存儲(chǔ)或改變能量狀態(tài)的功能，是重要的功能材料。磁性材料廣泛地應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、通訊、自動(dòng)化、音像、電視、儀器和儀表、航空航天、農(nóng)業(yè)、生物與醫(yī)療等技術(shù)領(lǐng)域。( (三三) )、磁性材料介紹、磁性材料介紹12 按化學(xué)組成分類按化學(xué)組成分類金屬磁

7、性材料、非金屬金屬磁性材料、非金屬( (鐵氧體鐵氧體) )磁性材料磁性材料 按磁化率大小分類按磁化率大小分類抗磁性、順磁性、反鐵磁性、亞鐵磁性、鐵磁性抗磁性、順磁性、反鐵磁性、亞鐵磁性、鐵磁性 按功能分類按功能分類軟磁材料、硬磁材料、半硬磁材料、矩磁材料、旋磁材料、軟磁材料、硬磁材料、半硬磁材料、矩磁材料、旋磁材料、壓磁材料、壓磁材料、 泡磁材料、磁光材料、磁記錄材料泡磁材料、磁光材料、磁記錄材料 1 1、磁性材料的分類、磁性材料的分類13宏觀磁體由許多具有固有磁矩的原子組成。當(dāng)原子磁矩同向平行排列時(shí)，宏觀磁體對(duì)外顯示的磁性最強(qiáng)。當(dāng)原子磁矩紊亂排列時(shí)，宏觀磁體對(duì)外不顯示磁性。2 2、磁化強(qiáng)度、

8、磁化強(qiáng)度MM宏觀磁體單位體積在某一方向的磁矩稱為磁化強(qiáng)度宏觀磁體單位體積在某一方向的磁矩稱為磁化強(qiáng)度M：M = 原子原子/V14任何物質(zhì)在外磁場(chǎng)作用下，除了任何物質(zhì)在外磁場(chǎng)作用下，除了外磁場(chǎng)外磁場(chǎng)H外，由于物質(zhì)內(nèi)部原子外，由于物質(zhì)內(nèi)部原子磁矩的有序排列，還要產(chǎn)生一個(gè)磁矩的有序排列，還要產(chǎn)生一個(gè)附加的磁場(chǎng)附加的磁場(chǎng)M。3 3、磁化率、磁化率及磁導(dǎo)率及磁導(dǎo)率在物質(zhì)內(nèi)部外磁場(chǎng)和附加磁場(chǎng)的總和稱為在物質(zhì)內(nèi)部外磁場(chǎng)和附加磁場(chǎng)的總和稱為磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度B。 B = o(H+M) o - 真空磁導(dǎo)率真空磁導(dǎo)率 = M / H - 磁化率磁化率 = B / H - 磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率 根據(jù)物質(zhì)的磁化率，可以把物

9、質(zhì)的磁性分為五類：1、抗磁性，為甚小的負(fù)數(shù)（大約在-10-6量級(jí)），在磁場(chǎng)中受微弱的斥力，如金、銀 。2、順磁性，為正數(shù)（大約在10-310-6量級(jí)）在磁場(chǎng)中受微弱的引力，如鉑、鈀、奧氏體不銹鋼。3、鐵磁性，為很大的正數(shù)，在較弱磁場(chǎng)作用下可以產(chǎn)生很大的磁化強(qiáng)度，如鐵、鈷、鎳。4、亞鐵磁性，處于鐵磁體與順磁體之間，即通常所說的磁鐵礦、鐵氧體等。5、反鐵磁性， 為小正數(shù)，高于某一溫度時(shí)其行為與順磁體相似，低于某一溫度磁化率與磁場(chǎng)的取向有關(guān)。4 4 、物質(zhì)磁性的分類、物質(zhì)磁性的分類16 鐵磁性物質(zhì)鐵磁性物質(zhì) 具有極高的磁化率，磁化易達(dá)到飽和的物質(zhì)。存在磁性轉(zhuǎn)變的特征溫度居里溫度，溫度低于居里溫度時(shí)呈

10、鐵磁性，高于居里溫度時(shí)表現(xiàn)為順磁性。磁矩的排列與磁性的關(guān)系磁矩的排列與磁性的關(guān)系 鐵磁性鐵磁性 m= 1 105磁場(chǎng)磁場(chǎng) FerromagnetismFerromagnetism表現(xiàn)為鐵磁性的元素物質(zhì)只有以下幾種：一些過渡族元素和稀土元素金屬： 但以上面元素為主構(gòu)成的鐵磁性合金和化合物是很多的，它們構(gòu)成了磁性材料的主體，在技術(shù)上有著重要作用，例如： Fe-Ni, Fe-Si, Fe-Co, AlNiCo, GdCl3, Nd-Fe-B室溫以上，只有室溫以上，只有4 4種元素是鐵磁性的。種元素是鐵磁性的。18 亞鐵磁性物質(zhì)亞鐵磁性物質(zhì)磁矩的排列與磁性的關(guān)系磁矩的排列與磁性的關(guān)系 亞鐵磁性亞鐵磁性

11、 m= 1 104磁場(chǎng)磁場(chǎng) 如鐵氧體如鐵氧體(M2+Fe23+O4)等，等，是一些復(fù)雜的金屬化合物是一些復(fù)雜的金屬化合物，比鐵磁體更常見。，比鐵磁體更常見。它們相鄰原子的磁矩反向它們相鄰原子的磁矩反向平行，但彼此的強(qiáng)度不相平行，但彼此的強(qiáng)度不相等，具有高磁化率和居里等，具有高磁化率和居里溫度。溫度。 在磁結(jié)構(gòu)的本質(zhì)上它和反鐵磁物質(zhì)相似，但宏觀表現(xiàn)上卻更接近于鐵磁物質(zhì)。 對(duì)這類材料的研究和利用克服了金屬鐵磁材料電阻率低的缺點(diǎn)，極大地推動(dòng)了磁性材料在高頻和微波領(lǐng)域中的應(yīng)用，成為今日磁性材料用于信息技術(shù)的主體。 亞鐵磁物質(zhì)主要是一些人工合成的含過渡族元素和稀土元素的某些特定結(jié)構(gòu)的氧化物，例如：尖晶石

12、結(jié)構(gòu)：Fe3O4, MnFe2O4, CoFe2O4石榴石結(jié)構(gòu)：A3Fe5O12, (A=Y, Sm, Gd, Dy, Ho, Er, Yb )磁鉛石結(jié)構(gòu)：BaFe12O19, PbFe12O19, SrFe12O19,鈣鈦礦結(jié)構(gòu)：LaFeO3,20 順磁性物質(zhì)順磁性物質(zhì) 順磁性順磁性 m=10-6 10-3磁場(chǎng)磁場(chǎng) 最基本特征是磁化率為正值且數(shù)值很小。 順磁性物質(zhì)的磁化率是溫度的函數(shù)，一部分服從居里定律，更多的服從居里-外斯（Curie-Weiss)定律。 服從居里-外斯定律的物質(zhì)都是在某一個(gè)溫度之上才顯示順磁性，這個(gè)溫度之下，表現(xiàn)為其它性質(zhì)。p 過渡族元素、稀土元素和錒系元素金屬： Mn,

13、 Cr, W, La, Nd, Pt, Pap 含有以上元素的化合物： MnSO4, FeCl3, FeSO4, Gd2O3,p 堿金屬和堿土金屬： Li, Na, K, Ru, Cs, Mg, Ca, Sr, Bap 包含有奇數(shù)個(gè)電子的原子或分子： HCl, NO, 有機(jī)化合物中的自由基p 少數(shù)含有偶數(shù)個(gè)電子的化合物： O2, 有機(jī)物中的雙自由基等順磁性物質(zhì)22 抗磁性物質(zhì)抗磁性物質(zhì) 磁矩的排列與磁性的關(guān)系磁矩的排列與磁性的關(guān)系 反磁性反磁性 m= -10-5 -10-8磁場(chǎng)磁場(chǎng) u最基本特征最基本特征: : 磁化率為負(fù)值且磁化率為負(fù)值且絕對(duì)值很小絕對(duì)值很小顯示抗磁性的物質(zhì)在外磁場(chǎng)中產(chǎn)生的磁

14、化強(qiáng)度和磁場(chǎng)反向，在不均勻的磁場(chǎng)中被推向磁場(chǎng)減小的方向逆逆磁性磁性。典型抗磁性物質(zhì)的磁化率磁化率是常數(shù)，不隨溫度、磁場(chǎng)而是常數(shù)，不隨溫度、磁場(chǎng)而變化。變化。p 周期表中三分之一的元素、絕大多數(shù)的有機(jī)材料和生物材料都是抗磁性物質(zhì)。稀有氣體：He, Ne, Ar, Kr, Xe多數(shù)非金屬和少數(shù)金屬：Si, Ge, S, P, Cu, Ag, Au不含過渡族元素的離子晶體：NaCl, KBr不含過渡族元素的共價(jià)鍵化合物：H2, CO2, CH4等幾乎所有的有機(jī)化合物和生物組織反常抗磁性物質(zhì)：Bi, Ga, Zn, Pb, 磁化率與磁場(chǎng)、溫度有關(guān)。抗磁性物質(zhì)“羽落術(shù)”一塊釹磁鐵和一只粗銅管。釹磁鐵產(chǎn)生

15、磁場(chǎng)，而銅是優(yōu)良的抗磁性物質(zhì)。運(yùn)動(dòng)的磁場(chǎng)與銅管相互作用，銅內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，通過電磁作用產(chǎn)生向上的斥力阻礙了釹磁鐵下落。水分子也具有抗磁性，只不過非常小，如果是一般的磁場(chǎng)，產(chǎn)生的斥力與水滴受到的重力相比，完全可以忽略不計(jì)。但當(dāng)磁場(chǎng)足夠強(qiáng)時(shí)，足以使水滴克服地球重力懸浮起來。當(dāng)青蛙被放到磁場(chǎng)中，青蛙的每個(gè)原子都像一個(gè)小磁針，外界磁場(chǎng)對(duì)這些小磁針作用的結(jié)果產(chǎn)生了向上的力，如果磁場(chǎng)的強(qiáng)度適當(dāng)，這力與青蛙受的重力達(dá)到平衡，它們就能懸在空中。“超導(dǎo)磁懸浮”26 反鐵磁性物質(zhì)反鐵磁性物質(zhì) 反鐵磁性反鐵磁性 m= 10-5 10-3磁場(chǎng)磁場(chǎng) 磁矩的排列與磁性的關(guān)系磁矩的排列與磁性的關(guān)系 基本特征是存在一個(gè)磁性轉(zhuǎn)

16、變溫度，在此點(diǎn)磁化率溫度關(guān)系出現(xiàn)峰值。 低溫下表現(xiàn)為反鐵磁性的物質(zhì)，超過磁性轉(zhuǎn)變溫度（一般稱作奈爾溫度）后變?yōu)轫槾判缘?，其磁化率溫度關(guān)系服從居里-外斯定律：注意與鐵磁性的區(qū)別！ 反鐵磁物質(zhì)主要是一些過渡族元素的氧化物、鹵化物、硫化物， 如： FeO, MnO, NiO, CoO, Cr2O3 FeCl2, FeF2, MnF2, FeS, MnS右圖是1938 年測(cè)到的MnO磁化率溫度曲線，它是被發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)反鐵磁物質(zhì)，轉(zhuǎn)變溫度 122K。29鐵磁體磁化到飽和以后，使它的磁化強(qiáng)度降低到零所需要的反向磁場(chǎng)稱為矯頑力。 5 5、磁性材料及其應(yīng)用、磁性材料及其應(yīng)用居里溫度居里溫度：對(duì)于所有的磁性材料

17、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(gè)臨界溫度Tc，在這個(gè)溫度以上，由于高溫下原子的劇烈熱運(yùn)動(dòng)，原子磁矩的排列是混亂無(wú)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。應(yīng)用舉例：（電飯煲的控制）32在較弱的磁場(chǎng)下易于磁化，也易于退磁的材料稱為軟磁材料。磁導(dǎo)率大，矯頑力小(Hc100A/m)，滯損耗低，磁滯回線呈細(xì)長(zhǎng)條形。 高磁導(dǎo)率：在較弱的外磁場(chǎng)下就能獲得高磁感應(yīng)強(qiáng)度，并隨外磁場(chǎng)的增強(qiáng)很快達(dá)到飽和。低矯頑力：當(dāng)外磁場(chǎng)去除時(shí)，其磁性立即基本消失。33 軟磁材料適用于交變磁場(chǎng)，可用來制造各種發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子；變壓器，電感器，電抗器，繼電器和鎮(zhèn)流器

18、的鐵芯；計(jì)算機(jī)磁芯；磁記錄的磁頭；磁屏蔽；電磁鐵的鐵芯。 按用途分類具體包括：鐵芯材料：工業(yè)純鐵、電工硅鋼片、鐵鈷合金、坡莫合金、高導(dǎo)磁合金（主要是高鎳含量的鐵鎳合金）、恒導(dǎo)磁率合金（含Ni 5575%的鐵鎳合金）、中磁飽和中磁導(dǎo)率合金（低鎳和中鎳的鐵鎳合金）；磁記錄磁頭材料：高鎳含量的鐵鎳基耐磨高導(dǎo)磁合金、FeSiAl合金和高導(dǎo)磁鐵氧體(Mn-Zn和Ni-Zn鐵氧體)；超聲波發(fā)聲器用磁致伸縮材料：純鎳(w(Ni)99.9%)、Fe-w(Al)13%合金、Fe49Co49V2、Fe-w(Ni)50%；磁屏蔽材料：純鐵、坡莫合金或FeSiAl合金，非晶態(tài)合金；將磁條貼在圖書中或超市貨品上，通過門

19、禁處交變磁場(chǎng)檢測(cè)磁條的磁性變化來區(qū)分被保護(hù)對(duì)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)域如圖書館、超市、藥店等的運(yùn)營(yíng)成本。圖書防盜磁條電力變壓器電力變壓器核心在于鐵芯和線圈。鐵芯處于交變電磁場(chǎng)中，要求在工作頻率下對(duì)外磁場(chǎng)變化足夠靈敏。電子電路元件 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 電子電路元器件電子電路元器件電機(jī)鐵芯電機(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。38磁化后不易退磁，而能磁化后不易退磁，而能長(zhǎng)期保留磁性的鐵氧體材料稱長(zhǎng)期保留磁性的

20、鐵氧體材料稱為為硬磁材料硬磁材料，因而也稱，因而也稱永磁材永磁材料料或或恒磁材料恒磁材料。磁滯回線包圍。磁滯回線包圍面積大，面積大，(Hc400A/m) 矯頑力矯頑力大。大。 39 用途：1、硬磁材料主要用來儲(chǔ)藏和供給磁能，作為磁場(chǎng)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(chǎng)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(jiǎn)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

21、鋁鎳鈷合金；左下：各類異形件右下：燒結(jié)鋁鎳鈷合金目前產(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(dòng)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。永磁磁選設(shè)備永磁式核磁共振譜儀（MRI）揚(yáng)聲器：電聲換能麥克風(fēng)：聲電換能44矩磁材料磁滯回線矩磁材料磁滯回線磁滯回線近似矩形的磁性材料，結(jié)晶各向異性，應(yīng)力各向異性。 在常溫使用的矩磁材料有(Mn-Mg)Fe2O4系，(Mn-Cu)Fe2O4系， (Mn-Ni)Fe2O4系等。在-65 +125較寬范圍使用的矩磁鐵氧體有Li-Mn，Li-Ni，Mn-Ni，Li-Cu等。45 矩磁材料的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br接近于飽和值Bm，矯頑力不大。 若矩磁材料在不同方向磁場(chǎng)下磁化，當(dāng)電流為零時(shí)，總是處于+Bm和-Bm 兩種不同的剩磁狀態(tài)。由于計(jì)算機(jī)采用兩進(jìn)制，即只有“0”和“1”兩