建筑工程類磁性材料第一節(jié)(課堂講義)

1、第二章第二章 磁性功能材料磁性功能材料本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容 磁學(xué)理論簡介 物質(zhì)的磁性、磁性的基本物理量 磁性材料 軟磁材料、永磁材料 磁性材料的基本性能與應(yīng)用 著名大學(xué)，研究所，公司磁性材料具有較強磁性的材料。工業(yè)上最早應(yīng)用的磁性材料:軟鐵、硅鋼片、鐵氧體等。二十世紀(jì)六十年代: 非晶態(tài)、納米晶軟磁材料、稀土永磁材材料計算機及聲像記錄用大容量存儲裝置如磁盤、磁帶；電工產(chǎn)品：變壓器、電機，以及通訊、無線電、電器、各種電子裝置第一節(jié)第一節(jié) 鐵磁學(xué)基礎(chǔ)鐵磁學(xué)基礎(chǔ)l1.1 物質(zhì)的磁性 （一） 磁矩 磁性的來源 （二） 基本磁參量 （三） 物質(zhì)磁性分類 （四） 磁化曲線 磁滯回線 （五） 磁晶各向異性

2、 （六） 磁致伸縮l1.2 磁化過程與技術(shù)磁參量l1.3 磁性材料分類( (一一) ) 磁矩磁矩一個圓電流的磁矩定義為：i：電流強度 S：圓電流回線包圍的面積。其方向可以用右手定則來確定1.1 1.1 物質(zhì)的磁性物質(zhì)的磁性iSM 物 質(zhì)分 子原 子原子核核外電子原子磁矩主要來源于電子磁矩物質(zhì)磁性具有普遍性電子的軌道磁矩電子的自旋磁矩原子磁矩物質(zhì)磁性原子磁矩物質(zhì)表現(xiàn)何種磁性原子磁矩間相互作用外加磁場的作用第一節(jié)第一節(jié) 鐵磁學(xué)基礎(chǔ)鐵磁學(xué)基礎(chǔ)l1.1 物質(zhì)的磁性 （一） 磁矩 磁性的來源 （二） 基本磁參量 （三） 物質(zhì)磁性分類 （四） 磁化曲線 磁滯回線 （五） 磁晶各向異性 （六） 磁致伸縮l1

3、.2 磁化過程與技術(shù)磁參量l1.3 磁性材料分類NiH 20/rrkmHl（二）基本磁性參量（二）基本磁性參量磁場強度(H)：磁化強度(M，):磁感應(yīng)強度(B):電流強度為i的電流在一個每米有N匝線圈的無限長螺旋管軸線中央產(chǎn)生的磁場強度 H 為：距離永磁體r處的磁場強度 H 為：m1為磁極的磁極強度，；r0是r的矢量單位； 單位體積磁性材料內(nèi)原子磁矩的矢量和物質(zhì)在外磁場H 作用下，其內(nèi)部原子磁矩的有序排列還將產(chǎn)生一個附加磁場。在磁性材料內(nèi)部外磁場與附加磁場的和。在真空中：在磁性材料中： HB0)(0MHBHB磁化強度與外磁場的關(guān)系： HMHB/0HB/HM /00/ rr：相對磁導(dǎo)率絕對磁導(dǎo)率

4、：真空磁導(dǎo)率；第一節(jié)第一節(jié) 鐵磁學(xué)基礎(chǔ)鐵磁學(xué)基礎(chǔ)l1.1 物質(zhì)的磁性 （一） 磁矩 磁性的來源 （二） 基本磁參量 （三） 物質(zhì)磁性分類 （四） 磁化曲線 磁滯回線 （五） 磁晶各向異性 （六） 磁致伸縮l1.2 磁化過程與技術(shù)磁參量l1.3 磁性材料分類( (三）物質(zhì)磁性的分類三）物質(zhì)磁性的分類物質(zhì)磁性分類順磁性順磁性鐵磁性鐵磁性抗磁性抗磁性與外加磁場的關(guān)系反鐵磁性反鐵磁性亞鐵磁性亞鐵磁性抗磁性物質(zhì)的磁結(jié)構(gòu)及磁化率隨溫度的變化 抗磁性抗磁性： （10-5 10-6 ）抗磁性：抗磁性： 抗磁性物質(zhì)：He，Ne，Ar，H2，N2，C，Si，Ge等順磁性物質(zhì)的磁結(jié)構(gòu)及磁化率隨溫度的變化 （2 2）

5、順磁性）順磁性：10-4-10-5原子磁矩的方向是紊亂的；在外加磁場作用下趨于沿外場方向排列，使磁質(zhì)沿外場方向產(chǎn)生一定強度的附加磁場。磁化率雖小，但大于零。磁化強度隨溫度的升高而下降。順磁金屬主要有Mo，Al，Pt，Sn等。順磁性：順磁性：（3）反鐵磁性）反鐵磁性：10-2-10-4反鐵磁性物質(zhì)的磁結(jié)構(gòu)及磁化率隨溫度的變化Cr、Mn以及含有Cr、Mn的一些合金是反鐵磁性的。磁化率和溫度的關(guān)系在涅耳點(TN)有一轉(zhuǎn)折。在TN點以下為反鐵磁性,隨溫度升高而升高。在TN以上，隨溫度升高而下降，表現(xiàn)如順磁性行為。反鐵磁性物質(zhì)中有A、B兩個次晶格，其原子磁矩反平行排列，且大小相等，自發(fā)磁化強度相互抵消，

6、總磁矩為零。 反鐵磁性：反鐵磁性：鐵磁性物質(zhì)的磁結(jié)構(gòu)及磁化率隨溫度的變化(4) 鐵磁性：102-106 在不大的磁化場下，該物質(zhì)有較高的磁化強度，并達到飽和狀態(tài)； 磁化率隨磁場非線性變化； 飽和磁化強度隨溫度升高而下降，并在一定溫度Tc（居里溫度）下，鐵磁性消失，變成順磁性。鐵磁性：鐵磁性物質(zhì)：Fe、Co、Ni等純金屬。某些稀土元素如Gd（釓g）等含F(xiàn)e、Co、Ni的合金及化合物；某些過渡元素組成的合金。亞鐵磁性物質(zhì)的磁結(jié)構(gòu)及磁化率隨溫度的變化（5）亞鐵磁性）亞鐵磁性 ： 102 106 也有兩個次晶格，其自發(fā)磁化的磁矩方向相反，但大小不等，總的磁矩為兩反平行排列磁矩的和，不為零。 大量使用的

7、鐵氧體亞鐵磁性：亞鐵磁性：物質(zhì)磁性分類順磁性被磁化后，磁化場方向與外場方向相同，：102 106 鐵磁性被磁化后，磁化場方向與外場方向相同，：10-4-10-5被磁化后，磁化場方向與外場方向相反，： （10-5 10-6 ）抗磁性與外加磁場的關(guān)系反鐵磁性被磁化后，磁化場方向與外場方向相同，：10-2-10-4亞鐵磁性被磁化后，磁化場方向與外場方向相同，：102-106弱 磁 性強 磁 性磁性材料具有較強磁性的材料。第一節(jié)第一節(jié) 鐵磁學(xué)基礎(chǔ)鐵磁學(xué)基礎(chǔ)l1.1 物質(zhì)的磁性 （一） 物質(zhì)的磁性 磁矩 （二） 基本磁參量 （三） 物質(zhì)磁性分類 （四） 磁化曲線 磁滯回線 （五） 磁晶各向異性 （六）

8、磁致伸縮l1.2 磁化過程與技術(shù)磁參量l1.3 磁性材料分類l磁化曲線：磁感應(yīng)強度B或磁化強度M與磁場強度H之間的非線性關(guān)系的曲線。 （四） 磁化曲線和磁滯回線H, A/mM, kA/mMs1000200048鐵磁性材料的磁化曲線磁滯現(xiàn)象：當(dāng)強磁性材料達到磁飽和狀態(tài)后，如果減小磁化場H，介質(zhì)的磁化強度M（或磁感應(yīng)強度B）并不沿著起始磁化曲線減小，M（或B）的變化滯后于H的變化。這種現(xiàn)象叫磁滯。（a）抗磁；（b）順磁反鐵磁 抗磁、順磁或反鐵磁材料無磁滯現(xiàn)象，M絕對值低，隨H增加，抗磁性物質(zhì)的M為負(fù)值。第一節(jié)第一節(jié) 鐵磁學(xué)基礎(chǔ)鐵磁學(xué)基礎(chǔ)l1.1 物質(zhì)的磁性 （一） 物質(zhì)的磁性 磁矩 （二） 基本磁

9、參量 （三） 物質(zhì)磁性分類 （四） 磁化曲線 磁滯回線 （五） 磁晶各向異性 （六） 磁致伸縮l1.2 磁化過程與技術(shù)磁參量l1.3 磁性材料分類磁性材料在不同方向上具有不同磁性能的特性。磁晶各向異性，單晶體的磁性各向異性稱為磁晶各向異性單晶體的易磁化和難磁化方向 （五）磁晶各向異性（五）磁晶各向異性 第一節(jié)第一節(jié) 鐵磁學(xué)基礎(chǔ)鐵磁學(xué)基礎(chǔ)l1.1 物質(zhì)的磁性 （一） 物質(zhì)的磁性 磁矩 （二） 基本磁參量 （三） 物質(zhì)磁性分類 （四） 磁化曲線 磁滯回線 （五） 磁晶各向異性 （六） 磁致伸縮l1.2 磁化過程與技術(shù)磁參量l1.3 磁性材料分類磁性材料磁化過程中發(fā)生沿磁化方向伸長(或縮短)，在垂直

10、磁化方向上縮短(或伸長)的現(xiàn)象它是一種可逆的彈性變形。材料磁致伸縮的相對大小用磁致伸縮系數(shù)表示，即 ： =l/l 式中，l和l分別表示磁場方向的絕對伸長與原長。當(dāng)磁場強度足夠高，磁致伸縮趨于穩(wěn)定時，磁致伸縮系數(shù)稱為飽和磁致伸縮系數(shù)，用s表示。 對于3d金屬及合金:s約為 10-510-6。 （五）磁致伸縮（五）磁致伸縮第一節(jié)第一節(jié) 鐵磁學(xué)基礎(chǔ)鐵磁學(xué)基礎(chǔ)l1.1 物質(zhì)的磁性 （一） 物質(zhì)的磁性 磁矩 （二） 基本磁參量 （三） 物質(zhì)磁性分類 （四） 磁化曲線 磁滯回線 （五） 磁晶各向異性 （六） 磁致伸縮l1.2 磁化過程與技術(shù)磁參量l1.3 磁性材料分類第一節(jié)第一節(jié) 鐵磁學(xué)基礎(chǔ)鐵磁學(xué)基礎(chǔ)l1

11、.1 物質(zhì)的磁性l1.2 磁化過程與技術(shù)磁參量 （一）磁疇結(jié)構(gòu) （二）磁疇移動與磁化過程，反磁化過程 （三）鐵磁體中的磁自由能 （四）磁性材料的技術(shù)磁參量 （五）磁性材料的穩(wěn)定性l1.3 磁性材料分類1.2 1.2 磁化過程與技術(shù)磁參量磁化過程與技術(shù)磁參量 抗磁性物質(zhì)的磁結(jié)構(gòu)及磁化率隨溫度的變化順磁性物質(zhì)的磁結(jié)構(gòu)及磁化率隨溫度的變化 反鐵磁性物質(zhì)的磁結(jié)構(gòu)及磁化率隨溫度的變化(一一) 磁疇結(jié)構(gòu)磁疇結(jié)構(gòu)理論和實驗均已證明，在居里溫度以下，在沒有外磁場的作用下，鐵磁性材料內(nèi)部分成若干個小區(qū)域，在每個小區(qū)域內(nèi)原子磁矩自發(fā)的磁化飽和，即原子磁矩平行排列。每一個磁矩取向一致的自發(fā)磁化區(qū)域就叫做一個每一個磁

12、矩取向一致的自發(fā)磁化區(qū)域就叫做一個磁疇。磁疇。實際材料中的籌結(jié)構(gòu)，受到材料的尺寸，晶界，應(yīng)力，參雜和缺陷等的影響，因而情況比較復(fù)雜1. 通常情況下磁疇尺寸？ 寬度10-3cm，體積10-9cm3,1014原子2. 軟磁性物質(zhì)在通常情況下不顯示磁性？ 磁疇結(jié)構(gòu)磁疇磁疇疇壁（磁疇壁）疇壁（磁疇壁） 103原子原子布洛赫疇壁布洛赫布洛赫(Bloch)磁疇壁磁疇壁疇壁兩側(cè)的原子磁矩的旋轉(zhuǎn)平面與疇壁平面平行奈爾疇壁奈耳奈耳（Neel）磁疇壁磁疇壁疇壁內(nèi)原子磁矩的旋轉(zhuǎn)平面與兩磁疇的磁矩在同一平面平行于界面（3）混合磁疇壁）混合磁疇壁第一節(jié)第一節(jié) 鐵磁學(xué)基礎(chǔ)鐵磁學(xué)基礎(chǔ)l1.1 物質(zhì)的磁性l1.2 磁化過程與

13、技術(shù)磁參量 （一）磁疇結(jié)構(gòu) （二）磁疇移動與磁化過程，反磁化過程 （三）鐵磁體中的磁自由能 （四）磁性材料的技術(shù)磁參量 （五）磁性材料的穩(wěn)定性l1.3 磁性材料分類磁化過程：磁性材料在外磁場作用下由宏觀的無磁狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛写艩顟B(tài)的過程。磁化是通過磁疇的運動來實現(xiàn)的。（二）磁疇移動與（二）磁疇移動與磁化過程，反磁化過程磁化過程，反磁化過程各磁疇內(nèi)部的磁矩平行或反平行于外加磁場，不受這一磁場的力矩。而疇壁附近的磁矩方向發(fā)生改變，使疇壁產(chǎn)生橫向移動。受外磁場作用時，疇內(nèi)整齊排列在易磁化方向上原子磁矩一致地偏離易磁化方向而向外磁場方向轉(zhuǎn)動。外場愈強，材料的磁晶各向異性愈弱，則磁矩就愈偏向外場方向。疇內(nèi)磁

14、化方向轉(zhuǎn)動疇壁移動運動方式運動方式在增大磁化場時,疇壁移動和磁疇轉(zhuǎn)動示意圖圖(a)表示一塊鐵磁體在磁化場H=0時的疇結(jié)構(gòu)，它表示各個自發(fā)磁化區(qū)的磁化矢量(用矢號表示)相互抵消，總體上磁化強度為零；圖(b)、（c）和（d）表示在外磁場H逐漸增大時的疇結(jié)構(gòu)，在圖的下邊用斜向上方的矢號表示H的方向和大小；圖(b) 示明在較弱外磁場H=H1時疇壁位移的情況：和外場方向接近的疇長大，和外場方向相反或方向相差較多的疇縮小。圖(c)表示在H=H2時疇壁位移完了時的情況，此時在整個試樣中不存在疇璧，合并成一個磁疇，但其磁化方向和外場H不一致。圖(d)表示在更高的外場H3作用下，磁疇的磁化矢量轉(zhuǎn)到與外場的方向一

15、致，此時達到飽和磁化。 （三）磁化曲線（三）磁化曲線 磁化過程四階段：（1） OA階段，M 隨H 呈線性地緩慢增長，可逆疇壁移動過程。（2） AB階段，M 隨H 急劇增長，不可逆疇壁移動過程（3）BC階段，M 的增長趨于緩慢。磁疇的磁化矢量已轉(zhuǎn)到最接近于H 方向的晶體易磁化方向，M 的增長主要靠可逆轉(zhuǎn)動過程來實現(xiàn)。（4）CD階段，趨近飽和過程或稱平行過程。磁化曲線極平緩地趨近于水平線而達到飽和狀態(tài)。 反磁化過程反磁化過程退磁曲線和磁滯回線 在磁滯回線上，由C點的磁化狀態(tài)到C點的磁化狀態(tài)，稱為反磁化過程。與反磁化過程相對應(yīng)的BH曲線稱為反磁化曲線。 反磁化過程反磁化過程第一節(jié)第一節(jié) 鐵磁學(xué)基礎(chǔ)鐵

16、磁學(xué)基礎(chǔ)l1.1 物質(zhì)的磁性l1.2 磁化過程與技術(shù)磁參量 （一）磁疇結(jié)構(gòu) （二）磁疇移動與磁化過程，反磁化過程 （三）鐵磁體中的磁自由能 （四）磁性材料的技術(shù)磁參量 （五）磁性材料的穩(wěn)定性l1.3 磁性材料分類（三）鐵磁體中的磁自由能（三）鐵磁體中的磁自由能交換能靜磁能退磁場能磁晶各向異性能磁彈性能l 交換能交換能： 交換能屬于近鄰原子間的靜電相互作用能。它比其它各項磁自由能大102-104數(shù)量級。 它使強磁性物質(zhì)相鄰原子磁矩有序排列，即自發(fā)磁化。其他各項磁自由能不改變其自發(fā)磁化的本其他各項磁自由能不改變其自發(fā)磁化的本質(zhì)，而僅改變其磁疇結(jié)構(gòu)。質(zhì)，而僅改變其磁疇結(jié)構(gòu)。 在3d金屬如Fe，Co，

17、Ni，中，當(dāng)3d電子云重疊時，相鄰的3d電子存在交換作用。交換能Eex與兩個電子自旋磁矩的取向有關(guān)，表達為cos22AEex是以普朗克常數(shù)為單位的電子自旋角動量。為相鄰原子3d電子自旋磁矩的夾角，A為交換積分常數(shù)。在平衡狀態(tài)，相鄰原子在平衡狀態(tài)，相鄰原子3d電子自旋磁矩的夾角遵循能量最小原理電子自旋磁矩的夾角遵循能量最小原理。 為什么鐵磁性材料中會出現(xiàn)磁疇呢？ 靜磁能靜磁能：強磁性物質(zhì)的磁化強度與外磁場的相互作用能稱為靜磁能cosMHEHM磁化強度；H外磁場；M 和H 的夾角 （3）磁晶的各向異性能）磁晶的各向異性能EK從晶體的易磁化方向轉(zhuǎn)到難磁化方向所需做的功叫磁晶各向異性能EK對于不同的晶

18、體結(jié)構(gòu)有不同的表達式。立方晶體：)100()(WWEUVWK（4）磁彈性能）磁彈性能E當(dāng)鐵磁體內(nèi)存在內(nèi)應(yīng)力或有外應(yīng)力作用時，磁致伸縮與應(yīng)力發(fā)生相互作用，與此相關(guān)的能量稱為磁彈性能。 在下，一個有限大小的樣品被外磁場磁化時，在它的兩端將產(chǎn)生一個磁場。該磁場的方向與磁體的M方向相反，并使磁體產(chǎn)生退磁傾向，叫做退磁場Hd。退磁場能退磁場能：物質(zhì)的磁化強度和其自身的退磁場的相互作用能稱為退磁場能。NMHd N稱為退磁因子，與鐵磁體的形狀有關(guān) 沿長軸磁化的細(xì)長樣品，N0， 短粗的樣品，N則很大宏觀磁體內(nèi)磁疇？宏觀磁體內(nèi)磁疇？交換能交換能磁晶各向異性能磁晶各向異性能退磁場能退磁場能 第一節(jié)第一節(jié) 鐵磁學(xué)基

19、礎(chǔ)鐵磁學(xué)基礎(chǔ)l1.1 物質(zhì)的磁性l1.2 磁化過程與技術(shù)磁參量 （一）磁疇結(jié)構(gòu) （二）磁疇移動與磁化過程，反磁化過程 （三）鐵磁體中的磁自由能 （四）磁性材料的技術(shù)磁參量 （五）磁性材料的穩(wěn)定性l1.3 磁性材料分類( (四）磁性材料的技術(shù)磁參量四）磁性材料的技術(shù)磁參量技技術(shù)術(shù)磁磁參參量量MS: 飽和磁化強度Tc：居里溫度Hc：矯頑力Mr：剩磁主要取決于材料的化學(xué)成分對材料結(jié)構(gòu)（如晶粒尺寸、晶粒取向、晶體缺陷、摻雜物等）敏感，可以通過適當(dāng)?shù)墓に嚫淖兺夥A磁參量: Hc、Mr，磁導(dǎo)率，磁損耗磁能積等內(nèi)稟磁參量: MS、Tcl飽和磁化強度飽和磁化強度MS 有兩個鐵磁相時2211VMVMVMsssl居

20、里溫度居里溫度Tc: : 鐵磁性或亞鐵磁性轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判缘呐R界溫度21sincos)sin(siniiHBtBBtHHppmmcos1p12粘性磁導(dǎo)率粘性磁導(dǎo)率靜態(tài)磁導(dǎo)率：靜態(tài)磁導(dǎo)率：直流磁場中測得的磁導(dǎo)率 起始磁導(dǎo)率起始磁導(dǎo)率：磁化曲線起始點的斜率（技術(shù)上規(guī)定） 最大磁導(dǎo)率最大磁導(dǎo)率：B-H曲線上B與H比值的最大值?？拷R界場，與材料內(nèi)摻雜物，內(nèi)應(yīng)力等有關(guān)，是組織敏感參量動態(tài)磁導(dǎo)率動態(tài)磁導(dǎo)率：在交流磁場中測得的磁導(dǎo)率 彈性磁導(dǎo)率，與磁性材料存貯的能量成正比。子。稱為軟磁材料的損耗因因素表示，軟磁材料的品質(zhì)用稱為損耗角。Q/1Q/ tan21磁導(dǎo)率：磁導(dǎo)率：B-H曲線上任何一點的B與H的比值都稱

21、為磁導(dǎo)率。決定功能器件的靈敏度l剩磁： 鐵磁體磁化到技術(shù)飽和并去掉外磁場后，在磁化方向保留的Mr或者Br統(tǒng)稱為剩磁。Mr稱為剩余磁化強度，Br稱為剩余磁感應(yīng)強度l矯頑力： 鐵磁體磁化到技術(shù)飽和后，使它的磁化強度或者磁感應(yīng)強度降低到零所需要的反向磁場稱為矯頑力。磁損耗： 軟磁材料在磁化和反磁化過程中所損失的能量。由渦流損耗We，磁滯損耗Wh和剩余損耗Wr三部分組成，通常以每公斤材料損耗的功率表示，即 W=We+Wh+Wr l渦流損耗We：在交變磁化條件下，材料垂直于磁場的平面內(nèi)產(chǎn)生的渦流引起發(fā)熱產(chǎn)生的損耗。循環(huán)磁化一周的渦流損耗與材料的電阻率、厚度D、磁感變化幅度Bm關(guān)系如下:/22meBDW l磁滯損耗Wh：在循環(huán)磁化條件下，