功能材料磁性材料優(yōu)秀課件

功能材料磁性材料第1頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月功能材料

FunctionMaterials主講：克默迪企業(yè)楊子中第2頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月第五章磁性材料

具備強磁性的材料稱為磁性材料。磁性材料具有能量轉(zhuǎn)換、存儲或改變能量狀態(tài)的功能，是重要的功能材料。按矯頑力的大小可將磁性材料分為硬磁、半硬磁、軟磁材料三種。從應用方面考慮，磁性材料可分為軟磁材料、硬磁材料、磁記錄材料及一些特殊用途的磁性材料等等。第3頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月

近年來，磁性材料又有了突飛猛進的發(fā)展，一些新型的磁性材料受到了重硯，并正在走向?qū)嵱?。如稀土永磁材料，室溫磁致冷材料、新型的多層膜磁記錄材料、有機鐵磁材料、準晶、非晶材料；鐵氧體材料、鐵電反鐵磁材料等已成為近幾年來磁性功能材料領(lǐng)域研究的熱點。磁性材料廣泛地應用于計算機、通訊、自動化、音像、電機、儀器儀表、航空航天、農(nóng)業(yè)、生物與醫(yī)療等技術(shù)領(lǐng)域。第4頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月

磁性材料的應用已涉及到工、農(nóng)、醫(yī)、現(xiàn)代科技、國防和人類生活的各個領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計1994年全球磁性材料產(chǎn)量約650一750萬噸。產(chǎn)值100億美元以上。全球每人每年消耗磁性材料價值2美元。全球磁性材料需求量每年以l0％一25%速度增長。新型磁性材料、新技術(shù)和新工藝不斷涌現(xiàn)。是最活躍的材料領(lǐng)域之一。第5頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月5.1軟磁材料

矯頑力低(Hci≤100A／m)、磁導率高的磁性材料稱為軟磁材料。軟磁材料的磁滯回線細長，磁導率高，矯頑力低，鐵芯損耗低，容易磁化，也容易去磁。它主要應用于制造發(fā)電機和電動機的定子和轉(zhuǎn)子；變壓器、電感器、電抗器、繼電器和鎮(zhèn)流器的鐵芯；計算機磁芯；磁記錄的磁頭與磁介質(zhì)；磁屏蔽；電磁鐵的鐵芯、極頭與極靴；磁路的導磁體等。它是電機工程、無線電、通訊、計算機、家用電器和高新技術(shù)領(lǐng)域的重要功能材料。第6頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月

軟磁材料的種類很多，大致可分為金屬軟磁材料及軟磁鐵氧體?，F(xiàn)有軟磁材料若按磁特性可分為高磁感材料、高導磁材料、高矩形比材料、恒導磁材料、溫度補償材料等；若按材料的成分，可分為電工純鐵、Fe-Si合金、Ni-Fe合金、Fe-A1合金(包括Fe-Si-Al合金)和Fe-Co合金等；也可分為晶態(tài)、非晶態(tài)及納米晶軟磁材料等。第7頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月

金屬軟磁(合金)材料是磁性材料中用途最廣，用量最大的一類材料，包括純鐵，電工鋼，合金及非晶態(tài)合金。不同的工作條件，對材料的性能要求亦有不同：在強磁場下工作的磁性部件，如電力工業(yè)中大量使用的電動機、發(fā)電機、大功率變壓器、電磁鐵等，要求所用的磁性材料應具有高的飽和磁感應強度，價格便宜，生產(chǎn)工藝簡單，便于大批生產(chǎn)；在通訊技術(shù)中常用的變壓器、換能器的鐵芯，磁屏蔽材料及有關(guān)磁性元件，基本上是在弱磁場下工作，要求相應的材料具有高的磁導率。第8頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月

軟磁材料的種類很多，大致可分為金屬軟磁材料及軟磁鐵氧體?，F(xiàn)有軟磁材料若按磁特性可分為高磁感材料、高導磁材料、高矩形比材料、恒導磁材料、溫度補償材料等；若按材料的成分，可分為電工純鐵、Fe-Si合金、Ni-Fe合金、Fe-A1合金(包括Fe-Si-Al合金)和Fe-Co合金等；也可分為晶態(tài)、非晶態(tài)及納米晶軟磁材料等。第9頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月5.1.1電工用純鐵

電工用純鐵含碳量極低，其純度在99.95％以上，退火態(tài)起始磁導率μi為300~500μ0，最大磁導率μm為6000~12000μ0，矯頑力Hc為39.8~95.5A／m。電工用純鐵主要用于制造電磁鐵的鐵芯和磁極，繼電器的磁路和各種零件，感應式和電磁式測量儀表的各種零件，楊聲器的磁路，電話中的振動膜，磁屏蔽，電機中用以導引直流磁通的磁極及冶金原料等。我國生產(chǎn)的電工用純鐵的機械性能如下：抗拉強度σb＝27kg／mm2；延伸率δ5＝25％；斷面收縮率ψ＝60％；布氏硬度HB＝131。第10頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月表5-l幾種電工用純鐵的磁性能第11頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月

影響純鐵磁性能的因素有多種，包括晶粒的結(jié)晶軸對磁化方向的取向關(guān)系，純鐵中的雜質(zhì)，晶粒大小，金屬的塑性變形，加工過程中的內(nèi)應力等等。為了改善純鐵的磁性能，除嚴格控制冶煉與軋制過程，還可以采用高溫長時間氫氣退火，消除晶格畸變和內(nèi)應力，粗化晶粒。電工用純鐵只能在直流磁場下工作，在交變磁場下工作，渦流損耗大。在純鐵中加入少量硅(0.38％~0.45％)形成固溶體，可以提高合金電阻率，減少材料渦流損耗。隨著純鐵中含硅量的增加，磁滯損耗降低，而在弱磁場和中等磁場下，磁導率增加。但硅含量高于4％，材料變脆。第12頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月

5.1.2電工用硅鋼片電工用硅鋼片按材料生產(chǎn)方法，結(jié)晶織構(gòu)和磁性能可分為以下四類；(1)熱軋非織構(gòu)(無取向)的硅鋼片；(2)冷軋非織構(gòu)(無取向)的硅鋼片；(3)冷軋高斯織構(gòu)(單取向)的硅鋼片；(4)冷軋立方織構(gòu)(雙取向)的硅鋼片。電工用硅鋼片主要用于各種形式的電機、發(fā)電機和變壓器中，在扼流圈、電磁機構(gòu)、繼電器、測量儀表中也大量使用。第13頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月

不同的工作環(huán)境，對硅鋼片的性能提出了不同的要求，一般將實用的硅鋼片按強磁場、中等磁場(5~1000A／m)、弱磁場(0.2~0.8A／m)下工作來分類。硅鋼片的機械性能與硅含量、晶粒大小、結(jié)晶結(jié)構(gòu)、有害雜質(zhì)(碳，氧，氫)含量分布狀況以及鋼板厚度有關(guān)，在很大程度上取決于有害雜質(zhì)含量、冶煉方法、軋制的壓下制度、退火溫度和介質(zhì)以及鋼板表面狀況等。第14頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月

硅鋼片的磁性能同樣與硅含量、冶煉過程、熱處理工藝、晶粒大小有關(guān)。一般認為，硅含量在6％~6.5％的鋼具有高的磁導率(μi，μm)，硅也使鐵的磁各向異性和磁致伸縮降低。考慮到硅鋼的機械性能及加工工藝性能，其中硅的含量不宜超過4％。另外，碳、氫、硫、錳等元素均對合金的磁性能有不利影響；增大晶粒可以改善硅鋼的磁性能，但使磁滯損耗增加。第15頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月

為了進一步提高電工鋼的磁性能，高斯研制了具有取向結(jié)晶結(jié)構(gòu)的硅鋼片—高斯織構(gòu)硅鋼片(冷軋取向硅鋼片)。這種結(jié)構(gòu)中，α鐵晶格的易磁化方向[100]軸與軋制方向吻合，難磁化方向[111]軸與軋制方向成55?角，中等磁化軸[110]與軋制方向成90?角，如圖5-1所示。圖5-1Fe-Si3.8％合金單晶體磁化方向示意圖

第16頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月

這種織構(gòu)以符號(110)[100]表示，(110)面與軋制面吻合，而[100]方向與軋制方向吻合。由于結(jié)構(gòu)上特點，冷軋取向硅鋼片具有磁各向異性，在強磁場內(nèi)，單位鐵損的各向異性最大，在弱磁場中，磁感應強度和磁導率的各向異性最大。因此，用這種硅鋼片制鐵芯時常采用轉(zhuǎn)繞方式。第17頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月

立方織構(gòu)硅鋼片指晶粒按立方體取向，即立方體的(100)面與軋制面相吻合，立方體的棱[100]軸沿軋制方向取向。立方體的棱即易磁化方向是沿著和橫著軋制方向取向的，中等難磁化軸[110]則與軋制方向成45?角，而最難磁化軸[111]則偏離磁化平面。第18頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月

立方織構(gòu)硅鋼在性能上優(yōu)于上述高斯織構(gòu)硅鋼，如果兩種織構(gòu)合金的含硅量相同，立方織構(gòu)極薄帶鋼的磁導率比高斯織構(gòu)帶鋼高；沿軋制和垂直于軋制方向切取的立方織構(gòu)試樣，無論在弱磁場或強磁場內(nèi)，都具有同樣高的磁導率。表5-2為兩種織構(gòu)硅鋼片性能比較。雖然立方織構(gòu)硅鋼片顯示了諸多優(yōu)勢，但限于其制造工藝不過關(guān)，故只用于制造個別試驗用變壓器，電動機和發(fā)電機，難以批量生產(chǎn)。第19頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月表5-2高斯織構(gòu)和立方織構(gòu)硅鋼片性能比較

工業(yè)上使用的硅鋼片一般都在交變磁場下工作，為減小鐵芯的渦流損耗，硅鋼片表面都施以絕緣涂層。如有機漆和有機涂料、陶瓷質(zhì)涂層等。第20頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月5.1.3鐵鎳合金與鐵鋁合金a）鐵鎳合金鐵鎳軟磁合金的主要成分是鐵、鎳、鉻、鉬、銅等元素。在弱磁場及中等磁場下具有高的磁導率，低的飽和磁感應強度，很低的嬌頑力，低的損耗。該合金加工性能良好，可軋成3mm厚的薄帶，可在500kHz的高頻下應用。鐵鎳軟磁合金與電工鋼相比性能優(yōu)越，被廣泛地應用于電訊工業(yè)，儀表，電子計算機，控制系統(tǒng)等領(lǐng)域，只是價格昂貴。此外，工藝參數(shù)變動對其磁性能影響很大，因此，產(chǎn)品性能不夠穩(wěn)定。第21頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖5-2是鐵鎳合金相圖與不同成分合金的性能。常用的鐵鎳軟磁合金的成分大致在含鎳40％~90％范圍內(nèi)，此成分范圍的合金均為單相固溶體。超結(jié)構(gòu)相Ni3Fe的有序-無序轉(zhuǎn)變溫度為506℃，其居里溫度是611℃，有序相對居里溫度有影響。原于有序化對電阻率有影響，同時強烈影響合金磁晶各向異性常數(shù)K1和磁致伸縮系數(shù)λ；磁導率和矯頑力亦對組織結(jié)構(gòu)較敏感。圖5-2鐵鎳系合金的相圖和基本物理性能

第22頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖5-3示出經(jīng)過不同的熱處理合金磁導率的變化。由圖可以看出含鎳量76％~80％范圍內(nèi)的合金具有較高的磁導率，這是因為此范圍正在超結(jié)構(gòu)相Ni3Fe成分附近，所以冷卻過程中發(fā)生了明顯的有序化轉(zhuǎn)變，使K值及λ值發(fā)生了變化。圖5-3不同的熱處理工藝對鐵鎳合金的起始磁導率的影響

第23頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月

為使K值及λ值均趨于零，需得到適量的有序度，因此，鐵鎳二元合金熱處理時必須急冷，否則影響其磁性能。為了改善鐵鎳合金的磁性能，往往向其中加入鉬、鉻、銅等元素，使合金有序化速度減慢，降低合金的有序化溫度，簡化了熱處理工藝。根據(jù)特性和用途不同，鐵鎳軟磁合金大致可分為五類：1J50、1J51、1J65、1J79、1J85。每一類又有若干不同的牌號，它們的含鎳量不同，具有不同的性能和應用。第24頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月b）鐵鋁合金

鐵鋁合金成本低，應用范圍很廣。含鋁量在16％以下時，便可以熱軋成板材或帶材；含鋁量在5-6％以上時，合金冷軋較困難。鐵鋁合金同其它金屬軟磁合金相比，具有如下特點：(1)電阻率高；(2)高的硬度和耐磨性；(3)比重小，可減輕鐵芯自重；(4)對應力不敏感。一般軟磁合金對應力最為敏感，鐵鋁合金是例外；(5)時效，材料使用時，隨時間及環(huán)境溫度的變化，磁性能發(fā)生變化；(6)溫度穩(wěn)定性，可采用低溫退火后淬火處理，也可以在50-150℃下保溫10-20h—人工時效來改善其溫度穩(wěn)定性。第25頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月5.1.4非晶態(tài)合金前已述及，非晶態(tài)合金結(jié)構(gòu)上的無序性，決定了其具有優(yōu)良的軟磁性能，非晶態(tài)軟磁合金亦成為非常熱門的磁性材料。70年代非晶態(tài)軟磁薄帶的研制成功，使它的實用化成為可能。

1．鐵基非晶態(tài)軟磁合金鐵基合金的特點是飽和磁感應強度高，一般為1.6~1.8T；損耗低，只有硅鋼的1/4~1/5。缺點是磁致伸縮系數(shù)大。其性能見表5-3。第26頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月表5-3鐵基非晶態(tài)合金某些特性2．鈷基非晶態(tài)軟磁合金鈷基合金的飽和磁感應強度較低，磁導率高，矯頑力低，損耗??；磁致伸縮系數(shù)趨近于零，性能見表5-4。第27頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月表5-4鈷基非晶態(tài)軟磁合金的特性

第28頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月3．鐵鎳基非晶態(tài)軟磁合金與上述兩類合金相比，鐵鎳基合金的性能基本上介于兩者之間。飽和磁感應強度為0.7~1.0T；磁致伸縮系數(shù)較鐵基合金低，其性能見表5-5。第29頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月表5-5鐵鎳基非晶態(tài)軟磁合金特性第30頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月

非晶態(tài)合金與常用的其它晶態(tài)軟磁材料(如硅鋼片)相比，磁導率高，電阻大，損耗小，圖5-4為Fe8lB13.5Si3.5C2與硅鋼片磁滯回線的比較。從長遠來看，用非晶態(tài)合金代替硅鋼片制作變壓器鐵芯前景十分可觀；但就目前的情況看，仍存在許多問題，比如非態(tài)合金帶的厚度要比硅鋼片小得多，這將大大影響其使用性能。第31頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月圖5-4非晶態(tài)合金與晶粒取向硅鋼片的磁滯回線第32頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月

據(jù)報導，日本每年由于電器設(shè)備中的鐵芯發(fā)熱損失電量80億度，若用非晶態(tài)合金代替硅鋼片，可節(jié)電3/4。此外，非晶態(tài)合金的生產(chǎn)工藝簡單，生產(chǎn)過程中的能耗比生產(chǎn)等量的硅鋼片少80％左右。由于非晶態(tài)合金電阻率較晶態(tài)材料高、所以適合在高頻下使用。研究表明，比較適作變壓器的非晶態(tài)合金是鐵基合金，如Fe-B系及在此基礎(chǔ)上形成的Fe-B-Si系和Fe-B-Si-C系。美國和日本在這方面做了許多研究工作。第33頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月

表5-6為美國試制的15kV變壓器性能與硅鋼片變壓器比較。用非晶態(tài)合金制做電機可使鐵芯損耗降低90％左右。利用某些非晶態(tài)材料磁致伸縮系數(shù)大的特性，可以制造一些電子器件，如用Fe78Si10B12作為超聲振子材料，用Fe-B系或Co-Si-B系非晶態(tài)合金制成傳感器元件、開關(guān)晶體管組合成的應力傳感器、漏電保護裝置等。表5-615kV配電變壓器的性能第34頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月

鈷基非晶態(tài)合金不僅初始導磁率高，電阻率高，而且磁致伸縮極小，接近于零，是理想的磁頭材料，目前在日本、美國已商品化。這部分內(nèi)容將在磁記錄材料中詳述。此外，這類合金還適合作磁屏蔽材料，與通常作為磁屏蔽材料的坡莫合金相比，非晶態(tài)合金價格便宜；可織成布，容易彎曲、裁制、沖孔等，且不需要退火；從效果上看也比坡莫合金好。目前作磁屏蔽材料的非晶態(tài)合金主要是Co66Fe4(Mo,Si,B)30。第35頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月

在單相鈷基非晶軟磁金屬絲和薄帶中，發(fā)現(xiàn)了交流磁阻抗隨外加場增加而極其靈敏變化的現(xiàn)象，非晶絲靈敏度達12％~120％/Oe(奧斯特)，濺射非晶薄膜的靈敏度達10％~20％，有人將此現(xiàn)象稱為巨磁阻抗(GMI)效應。在室溫下大的磁阻抗效應和低外磁場下的高靈敏度，使其在傳感技術(shù)和磁記錄頭技術(shù)中具有巨大的應用潛能，目前這方面的研究在國內(nèi)外都受到重視。此外，非晶態(tài)軟磁合金制成細絲，可作為磁分離介質(zhì)。國內(nèi)有人曾用Fe75Cr5P13C7非晶態(tài)合金細絲凈化高嶺土；還可以凈化污水及醫(yī)院廢水中的細菌。第36頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月

總之，非晶態(tài)合金作為軟磁材料有很廣闊的應用前景，但也不應忽視存在的問題：(1)溫度對磁的不穩(wěn)定性影響比較大，尤其當開始出現(xiàn)結(jié)晶時，矯頑力增加，鐵損及磁導率也隨之變化；(2)非晶態(tài)軟磁合金的高磁導率性能只停留在鐵鎳合金水平上；(3)非晶軟磁合金作為電力設(shè)備鐵芯使用時，不能制出很寬的薄板，批量生產(chǎn)成本高，飽和磁感應強度比硅鋼低。第37頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月5.2硬磁材料硬磁料也稱為永磁材料，是指材料被外磁場磁化以后，去掉外磁場仍然保持著較強剩磁的材料。它也是人類最早發(fā)現(xiàn)和應用的磁性材料。對于永磁材料，人們希望它的剩余磁感應強度Br和矯頑力Hc越大越好，但僅有Br和Hc還不能衡量永磁材料性能好壞。評價永磁材料性能好壞的幾個重要指標是：剩余磁感應強度Br、矯頑力Hc、最大磁能積(BH)max以及凸起系數(shù)η。第38頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月

永磁材料飽和磁滯回線的第二象限部分稱退磁曲線，上述幾個參數(shù)都反映在這條曲線上。同磁滯回線一樣，退磁曲線也可做成B-H曲線和M-H曲線，其相應的矯頑力分別以HCB和HCM表示，如圖5-5。退磁曲線上每點都對應一定的磁能積BH值。圖5-5中P點稱為最大磁能積點，它所對應的磁能積為最大磁能積(BH)max。圖5-5永磁材料的退磁曲線和磁能曲線

第39頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月

由圖5-5可以看出，退磁曲線的最大磁能積(BH)max不僅隨Br和Hc值的增高而增大，而且與退磁曲線的形狀有關(guān)。在Br和Hc值不變的情況下，退磁曲線越接近于直線，則(BH)max值越低；相反，退磁曲線越凸起，(BH)max值就越大。退磁曲線的這種特性可以用凸起系數(shù)η表示：

η＝(BH)max/BrHc

圖5-5永磁材料的退磁曲線和磁能曲線

第40頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月

永磁材料的種類很多，可以按不同的分類方法對其進行分類。目前產(chǎn)量較大，應用較為普遍的永磁材料主要有以下幾個系列：鋁鎳鈷系永磁合金，永磁鐵氧體材料，稀土永磁材料，可加工的永磁合金，復合(粘結(jié))永磁材料，單疇微粉永磁合金及塑料永磁材料。下面分別介紹幾類金屬永磁材料。第41頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月5.2.1鋁鎳鈷永磁合金鋁鎳鈷系永磁合金具有高的磁能積及高的剩余磁感應強度，適中的矯頑力。(BH)max=40~70kJ/m3，Br＝0.7~1.35T，Hc＝40~60kA/m。這類合金屬沉淀硬化型磁體，高溫下呈單相狀態(tài)(α相)，冷卻時從α相中析出磁性相使矯頑力增加。AlNiCo系合金硬而脆，難于加工，成型方法主要有鑄造法和粉末燒結(jié)法兩種。第42頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月

鋁鎳鈷系永磁合金以Fe，Ni，Al為主要成分，通過加入Cu，Co，Ti等元素進一步提高合金性能。從成分角度可以將該系合金劃分為鋁鎳型，鋁鎳鈷型，鋁鎳鈷鈦型三種。其中鋁鎳鈷型合金具有高的剩余磁感應強度；鋁鎳鈷鈦型則以高矯頑力為主要特征。見表5-7，這類合金的性能除與成分有關(guān)外，還與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系。鑄造鋁鎳鈷系合金從織構(gòu)角度可劃分為各向同性合金，磁場取向合金和定向結(jié)晶合金三種。第43頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月表5-7鋁鎳鈷系列化學成分及磁性能

第44頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月AlNiCo5型合金價格適中，性能良好，故成為這一系列中使用最廣泛的合金。由于采用高溫鑄型定向澆注和區(qū)域熔煉法，使其磁性能獲得很大提高。由于六、七十年代永磁鐵氧體和稀土永磁合金的迅速發(fā)展，鋁鎳鈷合金開始被取代，其產(chǎn)量自70年代以來明顯下降。但在對永磁體穩(wěn)定性具有高要求的許多應用中，鋁鎳鈷系永磁合金往往是最佳的選擇。鋁鎳鈷合金被廣泛用于電機器件上，如發(fā)電機，電動機，繼電器和磁電機；電子行業(yè)中的揚聲器，行波管，電話耳機和受話器等。第45頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月5.2.2稀土永磁材料稀土永磁材料是稀土元素(用R表示)與過渡族金屬Fe，Co，Cu，Zr等或非金屬元素B，C，N等組成的金屬間化合物。自20世紀60年代開始至今，稀土永磁材料的研究與開發(fā)經(jīng)歷了四個階段：第一代是60年代開發(fā)的RCo5型合金(1:5)型。其中起主要作用的金屬間化合物的組成是按1:5的比例。這種類型的合金分單相和多相兩種，單相是指從磁學原理上為單一化合物的RCo5永磁體，如SmCo5，(SmPr)Co5燒結(jié)永磁體；多相是指以1:5相為基體，有少量2:17型沉淀相的1:5型永磁體。第46頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月

第一代稀土永磁合金于70年初投入生產(chǎn)。第二代稀土永磁合金為R2TM17型(2:17型，TM代表過渡族金屬)。其中起主要作用的金屬間化合物的組成比例是2:17(R/TM原子數(shù)比)，亦有單相，多相之分，見圖5-6。第二代產(chǎn)品大約1978年投入生產(chǎn)。第三代為Nd-Fe-B合金。于1983年研制成功，第二年投入生產(chǎn)。目前國內(nèi)外正在進行第四代稀土永磁材料的研究與開發(fā)，主要是R-Fe-C系與R-Fe-N系。第47頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月圖5-6稀土永磁材料分類圖

第48頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月1．稀土鈷永磁材料最初的RCo5型合金為SmCo5，后來發(fā)現(xiàn)用Pr全部或部分地取代Sm，制成PrCo5或(SmPr)Co5合金，可以獲得更高的磁性能。SmCo5金屬間化合物具有CaCu5型六方結(jié)構(gòu)，矯頑力來源于疇的成核和晶界處疇壁釘扎。其飽和磁化強度適中(Ms＝0.97T)；磁晶各向異性極高(K1＝17.2MJ/m3)。采用高場取向和等靜壓技術(shù)，可使SmCo5磁性能達到Br=1.0~1.07T，HCB=0.78~0.85×106A/m，HCJ＝1.27~1.59×106A/m，(BH)max=1.99~2.23×105J/m3。第49頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月

由于Sm、Pr價格昂貴，為降低成本，發(fā)展了一系列以廉價的混合稀土元素全部或部分取代Sm，Pr；用Fe，Cr，Mn，Cu等元素部分取代Co的RCo5型合金。國內(nèi)外已直接采用稀土氧化物被CaH2還原，再使稀土金屬向鈷粉中擴散而形成稀土鈷金屬間化合物。此外，發(fā)展粘接的稀土鈷永磁材料可不經(jīng)燒結(jié)，加工費用低。第50頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月

金屬間化合物Sm2Co17也是六方晶體結(jié)構(gòu)，飽和磁化強度較高(Ms=1.20T)，磁晶各向異性較低(K1＝3.3MJ/m3)。以Sm2Co17為基的磁體是多相沉淀硬化型磁體，矯頑力來源于沉淀粒子在疇壁的釘扎。R2Co17型合金較RCo5型矯頑力低，但剩余磁感應強度及飽和磁化強度均高于后者。在R2Co17的基礎(chǔ)上又研制了R2TM17型永磁合金，其成分為Sm2(Co,Cu,Fe,Zr)17，其磁性能優(yōu)于RCo5型合金，并部分地取代了RCo5型合金。第51頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月2．Nd-Fe-B系合金由于Nd較Sm便宜，且Nd-Fe-B合金不合鈷，所以第三代稀土永磁材料較第一、第二代價格便宜，但磁性能卻優(yōu)越于前者，見表5-8。目前最高的(BH)max可達400kJ/m3以上，Br＝1.48T；該合金不象稀土鈷合金那樣易破碎，具有較好的加工性能；合金密度較稀土鈷低13％，更有利于實現(xiàn)磁性元件的輕量化、薄型化。第52頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月表5-8各類型稀土永磁材料性能比較第53頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月NdFeB合金的缺點主要是耐蝕性差，居里溫度低(312℃)，磁感應強度溫度系數(shù)大，材料使用溫度低(不超過150℃)。另外，從應用角度來看，其價格仍有待于進一步降低。NdFeB合金典型成分為Nd15Fe77B8，硬磁化相為金屬間化合物Nd2Fe14B。為了改善NdFeB合金的性能，國內(nèi)外學者做了許多工作，在合金中加入一定量的鎳或在磁體表面鍍保護層，均可提高其耐蝕性。第54頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月

用Co和Al取代部分Fe或用少量重稀土取代部分Nd，可明顯降低合金的磁性溫度系數(shù)，Ndl5Fe62.5B5.5Al的居里溫度可達500℃，剩磁溫度系數(shù)約為Nd15Fe77B8的1/2，其它磁性指標亦很高，Br＝1.32T，HCJ＝880kA/m，(BH)max＝328kJ/m3。研究表明，在Dy和Co的共同作用下，加入Al，Nb，Ga可以提高合金的內(nèi)稟矯頑力；加入一定量Mo也可以提高矯頑力，同時還可改善合金的溫度穩(wěn)定性。一種含非晶相的NdFeB納米結(jié)構(gòu)材料，(BH)max＝146kJ/m3，Br＝1.28T，HCJ＝252kA/m。第55頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月NdFeB永磁材料有著廣泛的市場應用前景，日本90年代初NdFeB的產(chǎn)量達2500t，NdFeB磁體最主要用于電機制造，具有體積小、重量輕、比功率大、效率高的優(yōu)勢。此外，電聲器件中的傳聲器，高額揚聲器和立體聲耳機；磁流體密封器、磁水器、測量儀器、磁力器、磁傳感器等都是NdFeB的主要應用領(lǐng)域。在醫(yī)療方面，核磁共振成像儀中，也要用到NdFeB磁體。第56頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月

目前國內(nèi)外正在研究開發(fā)第四代稀土永磁材料，據(jù)報導，R2Fe17Nx制造工藝及組元N的含量，對其磁性能有重要影響。R一般為Sm或Nd,Y,Er。R2Fe17Nx的磁性轉(zhuǎn)化溫度比R2Fe14B有較大提高，各向異性場可達20T或更高。第57頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月5.2.3可加工的永磁合金這類磁性合金在淬火態(tài)具有可塑性，可以進行各種機械加工。合金的矯頑力是通過塑性變形和時效(回火)硬化后得到的。屬于時效硬化型的磁性合金主要有以下幾個系列。1．α-鐵基合金主要有Co-Mo，F(xiàn)e-Co-Mo，F(xiàn)e-W-Co合金。磁能積大約在8kJ/m3左右，一般用在電話接收機上。第58頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月2．Fe-Mn-Ti及Fe-Co-V合金

Fe-Mn-Ti合金經(jīng)冷軋和回火后可進行切削、彎曲和沖壓等加工，而且由于其不含鈷，所以價格較低廉，性能與低鈷鋼相當。該類合金一般用來制造指南針，儀表零件等。第59頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月Fe-Co-V合金是可加工永磁合金中性能較高的一種，成分為10％V，52％Co，38％Fe，其中若用Cr代替部分V，(BH)max可達6kJ/m3。為提高磁性能，回火前必須經(jīng)冷變形，且冷變形度越大，含V量越高，磁性能越好。表5-9為部分Fe-Co-V永磁合金的性能。由于該合金延性很好，可以壓制成極薄的片，故可用于防盜標記；這類合金還廣泛應用于微型電機和錄音機磁性零件的制備。第60頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月表5-9Fe-Co-V永磁合金的性能

3．銅基合金包括Cu-Ni-Fe合金和Cu-Ni-Co合金兩種，磁能積在6~15kJ/m3，可用于轉(zhuǎn)速表指示器磁滯圓盤。Cu-Ni-Fe合金錠不能熱加工，且直徑限制在3cm以下。第61頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月4．Fe-Cr-Co永磁合金

Fe-Cr-Co永磁合金可以進行冷熱塑性變形，制成片材、棒材、絲材和管材，可以進行冷沖、彎曲、鉆孔和各種切削加工，適于制成細小和形狀復雜的永磁體。磁性能已達到AlNiCo5的水平，而原材料成本比AlNiCo5低20％~30％。目前幾乎可以取代所有AlNiCo永磁合金及其它延性永磁合金。主要用于電話器、轉(zhuǎn)速表、揚聲器、空間濾波器、陀螺儀等方面。表7-10為Fe-Cr-Co合金的成分及性能。第62頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月表5-10Fe-Cr-Co合金的成分及磁性能第63頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月Fe-Cr-Co合金1970年問世，最初對這種合金的研究主要集中在高Co區(qū)，Co含量可高達30％，典型代表為23％Co-28％Cr-1％Si-Fe合金。后來發(fā)現(xiàn)低鈷合金的磁性能更好，因而自70年代以來Fe-Cr-Co合金的發(fā)展重點已轉(zhuǎn)向低鈷合金方面。目前，低鈷的Fe-Cr-Co合金Co的含量在5％~10％。第64頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月Fe-Cr-Co合金不但可以通過磁場熱處理來提高材料的磁性能，而且也可以通過塑性變形及適當?shù)臒崽幚慝@得與磁場熱處理相同的效果。但這種合金的生產(chǎn)工藝，特別是處理工藝復雜而嚴格，因而在價格上并不比AlNiCo合金低。第65頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月

金屬永磁材料除上述介紹的幾大類外，隨單疇理論的發(fā)展研制成的單疇微粉80年代已成為商品，主要有鐵粉，F(xiàn)e-Co粉，Mn-Bi粉。在磁記錄材料中將介紹這部分內(nèi)容。另外，粘結(jié)永磁材料近年來的發(fā)展速度也很快。它是由永磁材料的粉末及作為粘結(jié)劑的塑性物質(zhì)制成的永磁材料，由于材料內(nèi)部含有一定比例的粘結(jié)劑，所以其磁性能較相應的非粘結(jié)永磁材料顯著降低。第66頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月

但粘結(jié)永磁材料也有優(yōu)越于其它非粘結(jié)永磁材料的方面：(1)尺寸精度高，成型后不需要再進行外形加工；(2)機械性能好：(3)磁體各部分性能均勻性好，各磁體間的性能一致性好；(4)成型性好，能制成形狀復雜的，薄的和細的磁體，且容易與其它部件一體成型；(5)易于進行磁體的徑向取向和多極充磁。粘結(jié)稀土永磁材料在各種粘結(jié)永磁材料中具有最高的磁性能。可用于音響器件、儀表、磁療器械、門鎖等許多方面。第67頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月

近年來，微晶永磁體和納米晶稀土永磁體的研制受到較大重視。

①微晶永磁體。其基本原理是在冷卻過程中出現(xiàn)部分晶粒來不及成長就被凝固在金屬液體中，或者把制成的非晶態(tài)通過控制晶化或使之出現(xiàn)新平衡相實現(xiàn)磁硬化。這樣獲得的永磁薄帶，不僅機械性能好，而且熱處理后可得到良好的磁性能；

②納米晶稀土永磁體。即晶粒呈納米量級，常泛指1～100nm范圍，納米級粉料的矯頑力比通常粉末冶金粉料高6～8倍，而且又有較好的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性。5.2.4其他永磁材料第68頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月5.3磁記錄材料隨著科學技術(shù)的發(fā)展，信息的記錄、處理、存貯傳遞越來越受到人們的重視。磁記錄發(fā)展至今，已有百年的歷史，它廣泛應用于錄音、錄像接術(shù)；計算機中的數(shù)據(jù)存貯、處理、科學研究的各個領(lǐng)域，軍事及日常生活中。新的磁記錄技術(shù)，磁記錄材料正在轉(zhuǎn)化為商品。第69頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月5.3.1磁記錄原理簡介目前磁記錄的模式可分為水平(縱向)磁記錄，垂直磁記錄及雜化磁記錄三種。不管哪種模式，磁記錄系統(tǒng)包括以下幾個基本單元：換能器、存貯介質(zhì)、傳送介質(zhì)裝置以及相匹配的電子線路。第70頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月

磁頭是電磁轉(zhuǎn)換器件，即上面所說的換能器。其基本功能是與磁記錄介質(zhì)構(gòu)成磁性回路，對信息進行加工，包括記錄、重放和消磁。信號的磁記錄是以鐵磁物質(zhì)的磁滯現(xiàn)象為基礎(chǔ)，電信號使磁頭的縫隙產(chǎn)生磁場，磁記錄介質(zhì)(如磁帶)以恒定的速度相對磁頭運動，磁頭的縫隙對著介質(zhì)，見圖5-7。第71頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月圖5-7縱向記錄示意圖

第72頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月

記錄信號時，磁頭線圈中通入信號電流，就會在縫隙產(chǎn)生磁場溢出，如果磁帶與磁頭的相對速度保持不變，則剩磁沿著介質(zhì)長度方向上的變化規(guī)律完全反應信號的變化規(guī)律。換句話說，磁頭縫隙的磁場使磁記錄介質(zhì)不同的位置產(chǎn)生不同方向和大小的剩余磁化強度，記錄了被記錄的電信號。如果已記錄信號的磁帶重新接近一重放磁頭，通過拾波線圈感生出磁通，則磁通大小與帶中磁化強度成比例。第73頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月

利用磁記錄方式可記錄不同類型的信號，如音頻信號，見圖5-8中(a)；數(shù)字信號，圖5-8中(b)；調(diào)頻信號．圖5-8中(c)。這三種是最基本的磁記錄信號。磁記錄方式可分為模擬和數(shù)字記錄兩大類。錄音，錄像等可采用模擬磁記錄方式，它不僅要求有足夠大的信噪比，而且要求記錄的信號和輸入信號的線性關(guān)系好，即要求記錄后磁介質(zhì)的剩余磁化強度和輸入信號成正比。為此，在輸入信號的同時加一個交流偏磁場，以便使磁記錄介質(zhì)工作在線性區(qū)。第74頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月圖5-8三種最基本的磁記錄信號

第75頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月

其頻率約等于被記錄信號最高頻率5~10倍，但其振幅是恒定的，比信號電流的振幅大5~10倍。磁盤，磁鼓等用于數(shù)字磁記錄方式，它首先將信號轉(zhuǎn)換成二進制的“0”或“1”，記錄后，磁記錄介質(zhì)只有+Mr或-Mr兩種剩余磁化狀態(tài)，剩磁和輸入信號之間的線性關(guān)系對數(shù)字記錄來說并不重要。從原理上講，所有的記錄都可采用數(shù)字記錄方式。目前數(shù)字錄音已廣泛使用，數(shù)字錄像正在加緊發(fā)展和標準化。第76頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月

水平磁記錄方式記錄后介質(zhì)的剩余磁化強度方向與磁層的平面平行，見圖5-9，記錄信號為矩形波。圖中λ表示磁記錄波長，δ是磁介質(zhì)的厚度。從圖中可以看出，對水平記錄，δ一定時，λ→0，則Hd→4πMr，Hd為鐵磁體被磁化后，磁體內(nèi)部產(chǎn)生的磁場，與磁化強度方向相反，稱為退磁場。第77頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月圖5-9水平和垂直記錄的磁化方式

(a)水平記錄方式；(b)垂直記錄方式第78頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月

即記錄波長越短(記錄密度越高)，自退磁效應越大。所以這種方式不適合高密度磁記錄。由于對高密度磁記錄的需要，近年來磁記錄方式有了很大發(fā)展。其特點是記錄后介質(zhì)的剩余磁化強度的方向與磁層的平面垂直，見圖5-9(b)。當λ→0時，Hd→0，即記錄波長越短，自退磁的效應越小，因而可以提高記錄密度。第79頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月

目前使用的磁記錄介質(zhì)有磁帶、磁盤、磁鼓、磁卡片等。從結(jié)構(gòu)上看又可分為磁粉涂布型介質(zhì)和連續(xù)薄膜型介質(zhì)兩大類。一般來說，磁粉涂布型介質(zhì)有利于水平記錄模式，而垂直記錄宜采用薄膜介質(zhì)。第80頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月5.3.2磁記錄材料1．磁頭材料磁頭的基本結(jié)構(gòu)如圖5-10所示，由帶縫隙的鐵芯、線圈、屏蔽殼等部分組成。圖5-10磁頭基本結(jié)構(gòu)

1—后隙；2—線圈；3—鐵芯；4—前隙

第81頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月

磁頭從工作原理上可分為磁場寫入，感應讀出和磁阻效應電壓讀出兩大類。前者能夠在介質(zhì)中感生與饋入結(jié)構(gòu)的電流成比例的磁化強度，即把電流隨時間的變化轉(zhuǎn)化為磁化強度隨距離的變化而記錄在磁帶上；后者則利用電阻的變化讀出磁帶上的信息。按記錄方式，磁頭可分為縱向磁化模式的環(huán)形磁頭及垂直磁化模式的垂直磁頭。第82頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月

總之，磁頭種類繁多，可按不同的分類方法將其分成不同的種類。顯然，磁頭性能的好壞與鐵芯材料的選擇有極大的關(guān)系。必須注意的是，材料的選擇要與使用的記錄介質(zhì)及記錄模式相匹配。隨著記錄密度的不斷提高，薄膜磁頭日益受到人們的重視。對磁頭材料的基本性能要求如下：第83頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月高的磁導率希望鐵芯材料有較大的起始磁導率μi和最大磁導率μm，以便提高寫入和讀出信號的質(zhì)量。高的飽和磁感應強度Bs

為了提高記錄密度，減少錄音失真，要求材料具有高的Bs。低的剩余磁感應強度Br和矯頑力Hc

磁記錄過程中，Br高會使記錄的可靠性降低。高的電阻率和耐磨性提高材料的電阻可以減小磁頭損耗，改善鐵芯頻率響應特性。高的耐磨性可以增加磁頭的壽命和工作的穩(wěn)定性。第84頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月

目前，磁頭鐵芯材料主要有合金、鐵氧體、非晶態(tài)合金、薄膜材料等幾類，下面分別介紹。合金材科

1J79是一種常用的磁頭材料，其成分為4％Mo-79％Ni-17％Fe。為了進一步提高該合金性能，在上述成分的基礎(chǔ)上可加入Nb、Al、Ti等元素。加入Nb可提高磁性能，得到高硬度，Nb的含量一般為3~8％；Al的加入除提高合金磁性能和硬度外，還可增加合金的電阻率，Al含量以不超過5％為宜。第85頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月

常用作磁頭材料的磁性合金還有Fe-Si-Al合金及Fe-Al合金。Fe-Si-Al合金磁晶各向異性常數(shù)K1和磁致伸縮系數(shù)λ都超近于零，具有良好的直流特性；合金電阻率高，在高頻下仍保持較好的磁性和較低的損耗；高的硬度。Fe-Si-Al合金最大的缺點是難以加工。Fe-Al合金硬度介于前兩種磁性合金之間，磁導率在三種合金中最低，見表5-11。第86頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月表5-11磁頭用合金的磁性能

研究表明，可通過各種濺射方法制備FeSiAl合金薄膜，并通過調(diào)整濺射條件和制做多層膜使性能進一步改善。第87頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月非晶態(tài)合金非晶態(tài)合金作為磁頭材料，其頻率特性，硬度和Bs都比晶態(tài)的磁性合金及鐵氧體材料好，更符合高密度磁記錄的要求。主要缺點是溫度穩(wěn)定性差，加工過程中要嚴格控制溫度，防止晶化。鐵基和鈷基非晶態(tài)合金都適合作磁頭材料。薄膜磁頭材料薄膜磁頭音頻響寬，分辨率高，存取速度快，能夠滿足高記錄密度的要求。薄膜磁頭幾乎都是Ni-Fe合金制成的，成分為80％Ni-20％Fe。Ni81Fe19的性能最好。第88頁，課件共101頁，創(chuàng)作于2023年2月2．磁記錄介質(zhì)材料磁記錄介質(zhì)材料的發(fā)展是磁記錄技術(shù)發(fā)展的要求。隨著記錄密度迅速提高，對記錄介質(zhì)的要求也越來越高。對制做記錄介質(zhì)的磁性材料(磁粉及磁性薄膜)提出以下要求：第89頁，課件共101頁