第三章 磁性材料(共15頁(yè))

1、第三章 磁性材料(c xn ci lio)物質(zhì)磁性的研究是近代物理學(xué)的重要領(lǐng)域之一。磁性現(xiàn)象的范圍很廣泛(gungfn)。從微觀粒子到宏觀物體，以至于宇宙天體，都具有某種程度的磁性。磁性現(xiàn)象很早就被發(fā)現(xiàn)，我國(guó)人民在3000多年(du nin)前就發(fā)現(xiàn)了磁石（Fe3O4）能相互吸引及磁石吸引鐵的現(xiàn)象。我國(guó)古代的四大發(fā)明之一指南針即是例證。隨著近代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，由于金屬和合金磁性材料的電阻率低，損耗大，已不能滿足應(yīng)用的需要，尤其在高頻范圍。磁性無(wú)機(jī)材料科學(xué)技術(shù)除了有高電阻、低損耗的優(yōu)點(diǎn)以外，還具備各種不同的磁學(xué)性能，因此他們?cè)跓o(wú)線電電子學(xué)、自動(dòng)控制、電子計(jì)算機(jī)、信息存儲(chǔ)，激光調(diào)制等方面，都有廣泛

2、的應(yīng)用。磁性無(wú)機(jī)材料一般是含鐵及其他元素的復(fù)雜氧化物，通常稱為鐵氧體（ferrite）,它的電阻率為10106m，屬于半導(dǎo)體范圍。目前，鐵氧體已發(fā)展成為一門(mén)獨(dú)立科學(xué)。磁性(cxng)的廣泛物質(zhì)的磁性(cxng)來(lái)源于原子的磁性。原子的磁性(cxng)包括三個(gè)部分：電子的自旋磁矩、電子的軌道磁矩（由電子繞原子核的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生）和原子核的磁矩。原子核的磁矩一般比電子的磁矩小的多（相差三個(gè)數(shù)量級(jí)），可以忽略不計(jì)。所以原子的總磁矩是電子的自旋磁矩和軌道磁矩的總和。電子繞原子核運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的軌道磁矩和角動(dòng)量的比值r為：r=e/2meC (e為電子的電荷；me為電子的質(zhì)量) 電子的自旋磁矩和角動(dòng)量的比值為：r自旋

3、=e/meC這表明，電子自旋運(yùn)動(dòng)的磁矩比軌道運(yùn)動(dòng)的磁矩大一倍。實(shí)驗(yàn)證明，原子組成分子或宏觀物體后，其平均磁矩往往不等于孤立原子的磁矩，因?yàn)樵又g的相互作用會(huì)引起磁矩的變化。很多磁性材料的電子自旋磁矩要比電子軌道磁矩大。這是因?yàn)樵诰w(jngt)中，電子的軌道磁矩受晶體（格）場(chǎng)的作用，或者說(shuō)軌道磁矩被“猝滅”或“凍結(jié)(dngji)”了， 對(duì)原子總磁矩沒(méi)有(mi yu)貢獻(xiàn)。所以很多固態(tài)物質(zhì)的磁性主要來(lái)源于電子的自旋磁矩。根據(jù)原子核外的電子分布規(guī)則可知，在原子的同一能級(jí)軌道上可以有自旋方向相反的兩個(gè)電子。每個(gè)電子的自旋會(huì)產(chǎn)生一個(gè)沿自旋軸方向的磁場(chǎng)，而兩個(gè)在同一軌道上的自旋相反的電子產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)相

4、互抵消。原則上原子中電子自旋磁矩的總和決定于原子中未成對(duì)的電子數(shù)，未成對(duì)電子數(shù)越多，則原子的磁性越強(qiáng)。凡是原子、離子或分子中電子都已自旋成對(duì)的物質(zhì)，作為一個(gè)整體不表現(xiàn)出磁性。但是并不是所有含未成對(duì)電子的原子都會(huì)顯示出磁性，要看處于不同原子間的未成對(duì)電子是否進(jìn)行有效的相互交換作用，原子間的交換作用是物質(zhì)具有的磁性的根本原因，它指的是近鄰原子的電子相互交換位置所引起的靜電作用。所以原子內(nèi)存在未成對(duì)電子只是物質(zhì)具有磁性的必要條件，原子間電子有效的交換(jiohun)作用才是充分條件。 第二節(jié) 物質(zhì)(wzh)的宏觀磁性為了說(shuō)明宏觀物體(wt)的磁性強(qiáng)弱，以單位體積的磁矩M稱為磁化強(qiáng)度。將物體放在磁場(chǎng)中

5、時(shí)，可使原來(lái)沒(méi)有磁性的物質(zhì)獲得磁性，這種現(xiàn)象叫做物質(zhì)的磁化。物質(zhì)的磁化強(qiáng)度M和磁場(chǎng)強(qiáng)度H有一定的關(guān)系：M=XmH式中常數(shù)Xm稱為物質(zhì)的磁化率，表示在單位磁場(chǎng)下，物質(zhì)所具有的磁化強(qiáng)度，也就是物質(zhì)在磁場(chǎng)作用下磁化強(qiáng)弱的程度。各種物質(zhì)的磁性不同，磁化率Xm是鑒別物質(zhì)的參量。根據(jù)磁化率的大小，可將物質(zhì)分為抗磁性，順磁性和鐵磁性等幾類(lèi)。1、抗磁性物質(zhì)HM抗磁性 0M和H的方向相反的物質(zhì)(wzh)稱為抗磁性物質(zhì)。稀有氣體，許多有機(jī)化合物及某些金屬元素如Zn、Cu、Ag、Au、Bi等和非金屬元素，如Si、P、S、鹵素等都是常見(jiàn)的抗磁性物質(zhì)。有些抗磁性物質(zhì)(wzh)如稀有氣體，其原子的電子層結(jié)構(gòu)(jigu)全

6、充滿，原子的磁性等于零。另一些抗磁性物質(zhì)如有機(jī)化合物及Bi 、P、S、鹵素等非金屬，雖然原子的磁矩不等于零，但是組成的分子總磁矩等于零。一切物質(zhì)在外加磁場(chǎng)作用下，電子的軌道運(yùn)動(dòng)都要產(chǎn)生一個(gè)附加運(yùn)動(dòng)，出現(xiàn)一個(gè)與外加磁場(chǎng)H方向相反，但數(shù)值很小的感應(yīng)磁矩。所以抗磁性來(lái)源于原子中電子軌道狀態(tài)的變化?？勾判晕镔|(zhì)的抗磁性一般很弱，磁化率X一般約為-10-5，為負(fù)值。抗磁性普遍存在于所有的物質(zhì)中?？勾判晕镔|(zhì)的磁化率和磁場(chǎng)的強(qiáng)弱與溫度的關(guān)系無(wú)關(guān)。陶瓷材料的大多數(shù)原子是抗磁性的，周期表中前18個(gè)元素主要表現(xiàn)為抗磁性，這些元素構(gòu)成了陶瓷材料中幾乎所有的陰離子，如O2-、F-、Cl-、S2-、SO42-、CO32-

7、、N3-、OH-等，在這些陰離子中，電子填滿殼層，自旋磁矩平衡。2、順磁性物質(zhì)(wzh)順磁性HOM順磁性物質(zhì)的主要(zhyo)特征是，不論(bln)外加磁場(chǎng)是否存在，原子內(nèi)部存在永久磁矩。但在無(wú)外加磁場(chǎng)時(shí)，由于順磁物質(zhì)的原子作無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，各原子磁矩的方向是混亂的，會(huì)相互抵消，宏觀來(lái)看，沒(méi)有磁性。在外加磁場(chǎng)作用下，大多數(shù)原子磁矩處于順著外磁場(chǎng)的方向，比較規(guī)則的取向宏觀上就顯示出很弱的磁性，或者說(shuō)，物質(zhì)磁化了。磁化強(qiáng)度M與外磁場(chǎng)方向一致，M為正，而且M嚴(yán)格的與外磁場(chǎng)H成正比。除少數(shù)順磁性物質(zhì)，如堿金屬鈉、鉀的磁化率與溫度無(wú)關(guān)外，大多數(shù)順磁性物質(zhì)在溫度升高時(shí)，磁化率下降。X=C/T式中，C稱為

8、居里常數(shù)，取決于順磁物質(zhì)的磁化強(qiáng)度和磁矩大小。原子磁矩取向混亂大都是由熱運(yùn)動(dòng)引起的，溫度越高原子的熱運(yùn)動(dòng)能量越大，要使原子磁矩轉(zhuǎn)向外磁場(chǎng)(cchng)方向越困難，Xm也越??；反之，溫度越低，Xm就越大。順磁性物質(zhì)的磁化率一般(ybn)也很小，室溫下X約為10-5-10-3數(shù)量級(jí)。一般(ybn)含有奇數(shù)個(gè)電子的原子或分子，電子未填滿殼層的原子或離子，如過(guò)渡金屬，稀土元素，錒系元素，還有鋁、鉑、堿金屬、氧氣等，都屬于順磁性物質(zhì)。3、鐵磁性物質(zhì)鐵磁性HM鐵磁性物質(zhì)Xm0（105-103數(shù)量級(jí)）具有極高的磁化率，磁化容易達(dá)到飽和的物質(zhì)，稱為鐵磁性物質(zhì)。這類(lèi)物質(zhì)包括Fe、Co、Ni及它們的合金和某些化合

9、物，以及Cr、Mn的一些合金。鐵磁性物質(zhì)和順磁性物質(zhì)的主要差異在于：即使在較弱的磁場(chǎng)內(nèi)，前者也可得到極高的磁化強(qiáng)度，而且當(dāng)外磁場(chǎng)移去后，仍可保持極強(qiáng)的磁性。鐵磁性物質(zhì)的原子磁矩和順磁性物質(zhì)的原子磁矩并無(wú)本質(zhì)(bnzh)差別。例如(lr)，表現(xiàn)為鐵磁性的Fe、Co、Ni和表現(xiàn)為順磁性的Cr、Mn原子(yunz)內(nèi)的3d電子都是沒(méi)有充滿的殼層，它們的原子都有一定的磁矩。物質(zhì)是否具有鐵磁性，關(guān)鍵不在于組成物質(zhì)的原子所具有的磁矩的大小，而在于形成宏觀物質(zhì)，原子之間相互作用的強(qiáng)弱不同。鐵磁性物質(zhì)中臨近原子由于相互作用較強(qiáng)，內(nèi)部的原子磁矩在沒(méi)有外磁場(chǎng)作用時(shí)，就形成有序排列的現(xiàn)象，原子磁矩互相平行，達(dá)到一定

10、程度的磁化，這種現(xiàn)象稱自發(fā)磁化。鐵磁性物質(zhì)的自發(fā)磁化是分小區(qū)域的，在每一個(gè)小區(qū)域中，原子磁矩按同一方向平行排列，這些小區(qū)域稱為磁疇。每個(gè)磁疇大約有1015個(gè)原子。這些原子的磁矩沿同一個(gè)方向排列，使每個(gè)磁疇自動(dòng)磁化達(dá)到飽和狀態(tài)，這種自生的磁化強(qiáng)度叫自發(fā)磁化強(qiáng)度。由于它的存在，鐵磁性物質(zhì)能在弱磁場(chǎng)下強(qiáng)烈地磁化。因此自發(fā)磁化是鐵磁性物質(zhì)的基本特征，也是鐵磁性和順磁性物質(zhì)的區(qū)別所在。在物體內(nèi)部，各個(gè)磁疇的自發(fā)磁化取向是各不相同的，對(duì)外效果互相抵消，因而整個(gè)物體對(duì)外不呈現(xiàn)出磁性。當(dāng)加上外磁場(chǎng)時(shí)，各個(gè)磁疇的磁矩都轉(zhuǎn)向外磁場(chǎng)方向，所以只要一個(gè)不太強(qiáng)的磁場(chǎng)，就可以使鐵磁性物質(zhì)得到很高的磁化強(qiáng)度。而且在外磁場(chǎng)移

11、去后，仍可保留很強(qiáng)的磁性，若經(jīng)過(guò)磁中性化過(guò)程，則對(duì)外不呈現(xiàn)磁性。順磁性物質(zhì)(wzh)中原子間的距離(jl)較大，原子間的電子交換作用較弱，因此沒(méi)有外磁場(chǎng)作用時(shí)，原子磁矩不表現(xiàn)出定向排列。當(dāng)溫度升高時(shí)，由于熱運(yùn)動(dòng)加劇，會(huì)破壞原子(yunz)磁矩的整齊排列，使磁性物質(zhì)自發(fā)磁化的程度降低。當(dāng)升高到某一溫度以上時(shí)，不再存在自發(fā)磁化，這時(shí)鐵磁性物質(zhì)的磁性就消失了，轉(zhuǎn)化為順磁性物質(zhì)。使鐵磁性物質(zhì)轉(zhuǎn)化為順磁性物質(zhì)的溫度稱為居里化溫度或居里點(diǎn)Tc。在居里點(diǎn)以上，材料表現(xiàn)為強(qiáng)順磁性，其磁化率與溫度的關(guān)系服從居里-外斯定律： X=C/(T-Tc)式中C為居里常數(shù)。由此可見(jiàn)，物質(zhì)是否(sh fu)具有鐵磁性并非絕對(duì)

12、，矛盾是可以相互轉(zhuǎn)化的。室溫下是鐵磁性物質(zhì)的Fe、Co、Ni加熱(ji r)到居里化溫度時(shí)，就轉(zhuǎn)變成順磁性物質(zhì)(wzh)。金屬M(fèi)n、Sb及As等是順磁性物質(zhì)，但當(dāng)它們組成合金MnAs、MnSb時(shí)卻成為鐵磁性物質(zhì)。 第三節(jié) 鐵氧體鐵氧體是含鐵酸鹽的陶瓷磁性材料。鐵氧體磁性與鐵磁性相同之處在于有自發(fā)磁化強(qiáng)度和磁疇。因此有時(shí)也被統(tǒng)稱為鐵磁性物質(zhì)。其和鐵磁性物質(zhì)不同點(diǎn)在于：鐵氧體一般都是多種金屬的氧化物復(fù)合而成，因此鐵氧體磁性來(lái)自兩種不同的磁矩。一種磁矩在一個(gè)方向相互排列整齊；另一種磁矩在相反的方向排列。這兩種磁矩方向相反，大小不等，兩個(gè)磁矩之差，就產(chǎn)生了自發(fā)磁化現(xiàn)象。因此鐵氧體磁性又稱為亞鐵磁性。鐵

13、氧體磁性材料的用途和品種，隨著生產(chǎn)的發(fā)展已越來(lái)越多。根據(jù)應(yīng)用情況，鐵氧體可分為軟磁、硬磁、旋磁、矩磁和壓磁等幾類(lèi)。一、軟磁材料(cilio)軟磁材料是指在較弱的磁場(chǎng)下，易磁化也易退磁(tu c)的一種鐵氧體材料(cilio)。軟磁鐵氧體的晶體結(jié)構(gòu)一般都是立方晶系尖晶石型。這類(lèi)材料要求磁導(dǎo)率高，飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度大，電阻高，損耗低，穩(wěn)定性好等。這是目前各種鐵氧體中用途較廣、數(shù)量較大、品種較多、產(chǎn)值較高的一種材料，主要用于電感元件（線圈），小型變壓器，中頻變壓器等的磁芯，以及天線棒磁芯、錄音磁頭、錄象磁頭、電視偏轉(zhuǎn)磁軛，磁放大器等。 典型代表有M2+OFe3+2O3，其中M2+是二價(jià)金屬離子，如Fe2

14、+Ni2+Mg2+等,也可混合離子。Mn-ZnFe2O3錳鋅鐵氧體和Ni-ZnFe2O4鎳鋅鐵氧體.二、硬磁材料硬磁材料是指磁化后不易退磁能長(zhǎng)期保留磁性的一種鐵氧體材料，因此也可稱為永磁材料或恒磁材料。這類(lèi)材料主要用于磁路系統(tǒng)中作永磁以產(chǎn)生恒穩(wěn)磁場(chǎng)，如揚(yáng)聲器、微音器、拾音器、助聽(tīng)器、錄音磁頭、磁強(qiáng)計(jì)、示波器以及各種控制設(shè)備。同時(shí)要求對(duì)溫度、時(shí)間、振動(dòng)和其它干擾的穩(wěn)定性要好。硬磁鐵氧體的晶體結(jié)構(gòu)大都是六角(li jio)晶系磁鉛石型，其典型代表是鋇鐵氧體BaFe12O19,它是一種(y zhn)性能較好，成本較低而又適合工業(yè)生產(chǎn)的鐵氧體材料。三、 旋磁材料(cilio)磁性材料的旋磁性是指在兩個(gè)

15、相互垂直的直流磁場(chǎng)和電磁波磁場(chǎng)的作用下，平面偏振的電磁波在材料內(nèi)部按一定方向的傳播過(guò)程中，其偏振面會(huì)不斷繞傳播方向旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。具有旋磁性的鐵氧體材料稱為旋磁材料。旋磁現(xiàn)象實(shí)際應(yīng)用于微波波段，因而旋磁鐵氧體材料又稱為微波鐵氧體。常用的微波鐵氧體有鎂錳鐵氧體Mg-MnFe3O4，鎳銅鐵氧體Ni-CuFe2O4及稀土石榴石型鐵氧體3Me2O3、5Fe2O3（Me為三價(jià)稀土金屬離子，如Y3+、Sm3+、Gd3等）。旋磁材料大都與輸送微波的波導(dǎo)管或傳輸線等組成各種微波器件，主要用于雷達(dá)、通訊、導(dǎo)航、遙測(cè)、遙控等電子設(shè)備中。四、 矩磁材料一些磁性材料的磁滯回線接近于矩形，這種性質(zhì)(xngzh)稱為矩磁性。

16、BH磁滯回線由于這種材料具有近于矩形的磁滯回線，所以經(jīng)過(guò)(jnggu)磁化以后的剩磁狀態(tài)（即外磁場(chǎng)再為零狀態(tài)）仍保留著接近于磁化時(shí)的最大磁化強(qiáng)度，而且根據(jù)磁化場(chǎng)的方向不同，可以得到兩種不同的穩(wěn)定的剩磁狀態(tài)（正或負(fù)），其后者如果再受一定方向和大小的磁場(chǎng)作用時(shí)，便可根據(jù)磁通量的改變所引起的感應(yīng)(gnyng)電壓的大小來(lái)判斷它原來(lái)是處在正或負(fù)的剩磁狀態(tài)。這樣磁矩材料便可以用作需要兩種易于保存和辨別物理狀態(tài)的元件。例如，二進(jìn)位元件計(jì)算機(jī)的“1”和“0”兩種狀態(tài)，以及邏輯系統(tǒng)的“是”和“否”兩種狀態(tài)等。利用矩磁材料做成的元件具有可靠性高、體積小、速度快、壽命長(zhǎng)、維修簡(jiǎn)單和成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，這些是利用電子管

17、、晶體管超導(dǎo)體或其它材料不能兼顧的。因此，各種矩磁材料在50年代后獲得迅速發(fā)展，在電子計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、遙控等尖端科學(xué)技術(shù)中有著非常廣泛和重要的應(yīng)用。除少數(shù)幾種石榴石以外，有矩形磁滯回線的鐵氧體材料(cilio)都是尖晶石結(jié)構(gòu)。矩形(jxng)磁滯回線，一類(lèi)是自發(fā)地出現(xiàn)，另一類(lèi)是需經(jīng)磁場(chǎng)退火后才出現(xiàn)。自發(fā)矩磁鐵(cti)鐵氧體主要是Mg-Mn鐵氧體，在MgO-MnO-Fe2O3三元系統(tǒng)中有一個(gè)形成矩磁鐵氧體材料的寬廣范圍（12-56%MgO,7-46%MnO,28-50%Fe2O3）。為了改善性能，還可適量加入少許其他氧化物，如ZnO、CaO等。經(jīng)磁場(chǎng)退火感生矩形回線的鐵氧體有：Co-Fe、Ni-Zn-Co、Co-Zn-Fe等系統(tǒng)，其組成、磁場(chǎng)退火的溫度、制度等都對(duì)材料的矩磁性有影響。五、 壓磁材料壓磁材料是指磁化時(shí)能在磁場(chǎng)方向作機(jī)械伸長(zhǎng)或縮短（磁致伸縮）的鐵氧體材料。目前應(yīng)用最多的是鎳鋅鐵氧體、鎳銅鐵氧體和鎳鎂鐵氧體等。壓磁材料主要用于電磁能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的超聲和水聲器件、磁聲器件以及電訊器件，水下電視，電子計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制器件等。除了上面按用途分類(lèi)外，根據(jù)(gnj)化學(xué)成分的不同，鐵氧體又可分為鎳鋅、錳鋅、銅鋅等，同一化學(xué)成分的鐵氧體由于配方和工藝上