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1、 第三章 磁性材料 磁性材料是功能材料的一個重要組成部分。 按化學組成，傳統(tǒng)磁性材料有金屬磁性材料和鐵氧體兩類。近年來，開展了聚合物磁性材料的研究。 按性能用途，分為軟磁、硬磁及一些特殊用途的磁性材料。 3-1 物質磁性概論一、物質磁性 根源：原子內部電荷運動。 原子磁矩包括：核磁矩、電子磁矩（前者小三個量級） 主要是電子磁矩：包括軌道磁矩與自旋磁矩 任何物質都有磁性。但由于不同原子結構上的差異以及原子間相互作用不同，物質磁性的強弱又與物質本身有關。 1、交換作用 磁矩為0的原子具有抗磁性 對磁矩不為 0的原子須考慮近鄰原子共用電子（交換電子）所引起的靜電作用即交換作用。 交換作用用交換能“A

2、”表示，它取決于近鄰原子未滿的電子殼層相互靠近的程度，并決定原子磁矩排列方式和物質基本磁性。理論研究表明： （1）當A0時，交換作用導致相鄰原子磁矩平行排列，產生鐵磁性。 （2）當A0時，交換作用導致相鄰原子磁矩反平行排列，產生反鐵磁性?？偞啪貫?，抵消，宏觀上表現(xiàn)順磁性。 （3）當A很?。ㄔ娱g距大），交換作用不足以克服熱運動干擾，原子磁矩無序排列。在外磁場下取向排列。表現(xiàn)為順磁性。 （4）對鐵氧體，表現(xiàn)為亞鐵磁性。這類材料中，金屬離子不直接發(fā)生交換作用。而通過氧原子間接發(fā)生交換作用。亞鐵磁性和鐵磁性相似，有磁滯，以自發(fā)磁化為基礎。2、抗磁性 抗磁性介質在外磁場中產生與外磁場方向相反的附加磁

3、場的性質。 原因：在外磁場中，電子軌道磁矩將發(fā)生變化引起與外場相反的附加磁矩。 電子（負電荷）在軌道上加速轉動，相當于正電荷反向加速，產生與轉動方向相反的附加電流 附加磁矩總與外磁場相反?？勾判源嬖谟谝磺形镔|之中。分子固有磁矩為0的物質才表現(xiàn)抗磁性，其他物質抗磁性被掩蓋?？勾判晕镔|分類：（1）弱抗磁性：惰性氣體，Cu、Zn、Ag、Au、Hg等（2）反常抗磁性：Bi、Ga、Sb、石墨等。（3）超導抗磁性：超導體表面感應電流產生磁場完全抵消外磁場。3、順磁性 順磁性介質在外磁場中產生與外磁場方向相同的附加磁場的性質。 原子、離子、分子由于具有未填滿的電子殼層，分子固有磁矩不為0。在外磁場中取向排列

4、。弱磁性三類：（1）朗之萬順磁性 O2、NO氣體，許多金屬鹽及居里溫度以上的鐵、亞鐵磁性物質。（2）泡利順磁性 堿金屬Li、Na、K、Rb、Cs（3）超順磁性 常態(tài)下是鐵磁性物質，當為超細或納米顆粒時，矯頑力 幾乎無磁滯。產生朗之萬順磁性，粒子內自發(fā)磁化本身熱振動。4、強磁性 在很小的外磁場下能獲得很大磁性并保留剩磁的物質。 原子間交換作用使原子磁矩有序排列，即自發(fā)磁化。許多自發(fā)磁化小區(qū)域磁疇。（1）鐵磁性 3d或4f電子的交換作用，使相鄰原子平行有序排列。排列混亂自發(fā)磁化消失順磁性Fe、Co、Ni及其合金 釓（Gd）、鋱（Tb）、鏑（Dy）、鈥（Ho）、鉺（Er）、銩（Tm）（2）亞鐵磁性

5、磁性比鐵磁性低一個量級 過渡金屬氧化物，鐵氧體，如Fe3O4 、NiFe2O4等 Fe2+、Fe3+兩種亞點陣，每個亞點陣原子磁矩各自平行排列（通過氧離子間接作用），不同亞點陣原子磁矩反向排列。兩種磁矩大小不等，不能抵消。表現(xiàn)強磁性。不同價態(tài)金屬離子分別占據(jù)氧八面體和四面體間隙。（3）弱鐵磁性在傾斜方向有微弱自發(fā)磁化。5、反鐵磁性 原子磁矩具有完全抵消的有序排列。自發(fā)磁化強度為0，但在外磁場作用下仍然具有強順磁性（弱磁性）。有序排列破壞（反鐵磁居里點，尼爾溫度），完全混亂。轉化為順磁性。幾種類型：（1）正常反鐵磁性 MnO、NiO、FeS等（2）螺旋反鐵磁性 相鄰晶面，原子磁矩轉角20-400

6、（3）自旋密度波（SDW） 原子磁矩密度（自旋密度）具有正弦周期性調制結構。6、物質磁性分類原子磁矩排列典型磁性磁化率磁化行為無序有序抗磁性順磁性反鐵磁性 鐵磁性 亞鐵磁性 弱鐵磁性抗磁弱磁弱磁強磁二、與磁有關的物理效應1、磁致伸縮 磁性材料在磁化過程中，在磁化方向上伸長（縮短），而在與之垂直的方向上縮短（伸長）該現(xiàn)象叫磁致伸縮。 （可逆彈性形變）磁致伸縮率 隨外磁場增加而趨于穩(wěn)定。最大的磁致伸縮率稱為飽和磁致伸縮率 具有高 的材料叫磁致伸縮材料 伸縮原因：磁晶各向異性能與點陣應變狀態(tài)有關引起。與材料特性、磁疇結構、化學成分、熱處理狀態(tài)均有關。 磁致伸縮材料：Fe，Co，Ni，F(xiàn)e3O4， F

7、e2O3 ，CoFe2O4， NiFe2O4， Fe、Co、Ni與稀土元素化合物 用途：磁致伸縮可引起機械振動（交變磁場）。用于超聲發(fā)生器與接收器；力、加速度、速度傳感器；磁聲儲存器；濾波器等。2、法拉第效應 電磁波通過磁介質時，偏振面發(fā)生旋轉的現(xiàn)象。原因：左旋、右旋電磁波以不同相速度傳播所致用途：微波鐵氧體器件3、克爾效應 偏振光投射到磁介質表面反射時，偏振面發(fā)生旋轉。用途：磁光調制器等4、維拉力效應 強磁性材料在力（拉伸、壓縮）作用下，正磁致伸縮材料 拉力使 ，壓力使負磁致伸縮材料 拉力使 ，壓力使用途：壓力測量等5、磁熱效應 在絕熱條件下，鐵磁材料受突然增加的磁場作用，溫度升高。三、磁各

8、向異性 磁性能與方向有關1、磁晶各向異性 由于晶體結構的各向異性所產生的磁各向異性 例如，強磁晶體在不同點陣方向上，磁化難易程度不同易磁化方向易磁化方向 Fe（體心） 100 111 Ni（面心） 111 100 Co（密排六方） 0001 1010 所以，通過定向鑄造方法使晶粒易磁化方向沿磁體磁極方向排列，以提高永磁合金的永磁特性。 2、應力各向異性 應力使材料磁化具有單軸各向異性。即磁致伸縮方向與應力方向一致時，磁化具有最低彈性勢能（易磁化）四、磁性材料的磁化過程 1、磁化與磁滯 磁性材料在外場作用下由宏觀上無磁狀態(tài)轉變?yōu)橛写艩顟B(tài)的過程磁化。（1）磁疇與磁化過程 磁疇強磁性物質包含許多自發(fā)

9、磁化小區(qū)域。 無外場時，磁疇取向任意，磁體磁化強度為0。 有外場時，與磁場同向的磁疇磁化能低，與磁疇反向的磁疇磁化能高。 與磁場同向的磁疇通過疇壁運動，吞并其他磁疇而長大，使磁疇取向一致，達到飽和。（2）磁滯回線起始磁化曲線 起始磁化曲線原點附近斜率初始磁導率 從原點作起始磁化曲線最大斜率最大磁導率 飽和磁場強度 飽和磁感應強度 相對于 ，變化滯后磁滯 剩余磁感應強度矯頑力 磁積能（內部儲存能量大小的尺度）2、損耗問題 交變磁場（電磁波）作用下介質復磁導率 反復磁化要損耗能量，損耗角和損耗因子可以表征損耗大小。損耗角損耗因子損耗機制：a、渦流損耗（交變磁場產生交變電場，形成渦流）b、磁滯損耗（

10、反復磁化，磁疇轉向，“摩擦”）c、剩余損耗（疇壁共振，自然共振，尺寸共振、磁后效） 3-2 軟磁材料一、軟磁材料用途與性能 軟磁材料也叫高導磁材料或磁芯材料。主要用于變壓器、發(fā)電機、電動機、電磁鐵、電感元件、磁記錄中磁頭材料等。 共性要求： （1）磁滯回線細長，高 ，Hc小，Bs大，易磁化、易去磁。 （2）損耗小 （3）電阻率大，飽和磁致伸縮系數(shù) 小 （4）沖壓、焊接性好，燒結后尺寸精度高二、典型軟磁材料1、電工純鐵 純度99.95%以上，起始磁導率 300-500 ， 用于電磁鐵芯和磁極等 主要在直流磁場下工作（直流電機），交變磁場中損耗大。2、電工硅鋼片 鐵中加Si，可用于交流電機磁芯（提

11、高電阻率，減小渦流損耗），但Si4%,變脆。 表面絕緣涂層，以減小渦流。3、Fe-Ni合金 Ni含量30%-90%的Fe-Ni合金，通常稱為坡莫合金。 還有FeAl，F(xiàn)e-Al-Si，F(xiàn)e-Al-Si-Ni 用途：電訊工業(yè)、儀表、計算機、微電機、互感器等4、軟磁鐵氧體 NiZnFeO4、MnZnFeO4等用途：磁頭、變壓器鐵芯等5、非晶磁性合金 Fe基、Co基、Fe-Ni基 特點：結構無序決定了其優(yōu)良的軟磁性能，高磁導率，低矯頑力，損耗小，磁滯伸縮小。 3-3 硬磁材料一、硬磁材料用途與性能 也叫永磁材料。 要求： 高Bs，高Hc。通常強的磁晶各向異性。最大的 用途：各種旋轉機械（電動機、發(fā)電

12、機等），小型音響機械，玩具，保健器材，裝飾品、體育用品等二、典型硬磁材料阿爾尼科磁鐵（Al、Ni、Co，其余Fe）鐵氧體，以Fe3O4為主要成分的復合鐵氧體 稀土類Co系磁鐵（RCo5） 釹鐵硼永磁合金（Nd2Fe14B、 Nd2Fe7B6） 3-4 磁記錄材料一、磁記錄原理 磁記錄系統(tǒng)：換能器（磁頭）+存儲介質（磁帶）+傳送裝置+電子線路磁記錄材料 磁記錄原理： 電信號（由聲音和圖像轉換而得）使磁頭（縫隙）產生與信號一致的磁場（溢出） 磁帶恒速通過磁頭 磁帶被磁化（磁滯、剩磁Br） 磁帶上各處Br變化與信號變化一致（記錄電信號）。 放出：已經記錄了的磁帶通過磁頭，磁帶上磁粉的Br變化引起鐵芯

13、內磁通量變化。進而在線圈內產生同步變化的感應電流。電流經放大，再經電聲或電像轉換得到原紀錄的聲音和圖像。二、磁頭材料1、磁頭工作原理磁頭結構如圖線圈后隙前隙鐵芯原理：磁場寫入（磁記錄）讀出感應讀出（利用感應電流變化讀出信息）磁阻效應讀出（利用電阻變化讀出磁帶上信息）2、性能要求 高 ，高Bs，低Br和Hc，高電阻率（減小磁損耗），耐磨性。3、材料種類 合金：Mo-Ni-Fe，F(xiàn)e-Si-Al，F(xiàn)e-Al等 非晶合金：Fe基、Co基 薄膜磁頭：Ni-Fe薄膜三、磁記錄介質要求： Br高，Hc適當高，磁滯回線矩形，磁層均勻，厚度適當。磁性粒子均勻，單疇狀態(tài)，易分散，磁致伸縮小。磁性對溫度不敏感。兩類介質顆粒（磁粉）涂布型連續(xù)薄膜型（鍍膜） 3-5 磁性液體一、什么是磁性液體活性劑 由磁粉通過界面活性劑高度分散于載液中而均勻構成的穩(wěn)定膠體體系。既有流動性，又有磁性，在重力、電磁力作用下能長期穩(wěn)定地存在，不產生沉淀與分層磁性液體由三部分組成：磁性微粒、界面活性劑、載液載液：水、聚苯基醚等活性劑：不飽和脂肪酸、油酸等二、應用1、利用磁場可以使液體流動到任何位置 磁場加到磁液中，磁場與磁液內每個膠體顆粒形成的磁矩發(fā)生作用，在整個體積內形成一種力（體積力） 用途：磁液陀螺；機器人筋肉；工業(yè)機械手；顯示磁帶磁跡；密封，磁液軸承；磁液研磨