磁性材料論文

摘要磁性材料最開始在中國被發(fā)現(xiàn)并應(yīng)用于中國四大發(fā)明中的指南針上，隨后歷經(jīng)多年的發(fā)展，磁性材料已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在我們的生活之中，也與信息化、自動(dòng)化、機(jī)電一體化、國防、國民經(jīng)濟(jì)的方方面面緊密相關(guān)。本文綜述了對(duì)磁性材料的認(rèn)識(shí)，磁性材料的分類與相關(guān)概況，磁性材料的基本特性，磁性材料的機(jī)理與生產(chǎn)工藝，實(shí)際應(yīng)用以及發(fā)展前景等。Abtract：MagneticmaterialsinthebeginninginChinawasfoundandappliedinthefourgreatinventionsofthecompass,andaftermanyyearsofdevelopment,magneticmaterialshavebeenwidelyusedinourlife,andwiththeinformation,automation,mechanicalandelectricalintegration,nationaldefense,nationaleconomyiscloselyrelatedtoallaspectsof.Thispapersummarizesthemagneticmaterialunderstanding,magneticmaterialsclassificationandrelatedsurvey,thebasiccharacteristicofthemagneticmaterial,themechanismofmagneticmaterialsandproductionprocess,applicationanddevelopmentprospect,etc.Keywords：MagneticmaterialsApplicationsofMagneticmaterialsDevelopmentofMagneticmaterials磁性材料關(guān)鍵詞磁性材料磁性材料的應(yīng)用磁性材料的發(fā)展前景1磁性材料的認(rèn)識(shí)中國是世界上最先發(fā)現(xiàn)物質(zhì)磁性現(xiàn)象和應(yīng)用磁性材料的國家。早在戰(zhàn)國時(shí)期就有關(guān)于天然磁性材料（如磁鐵礦）的記載。11世紀(jì)就發(fā)明了制造人工永磁材料的方法。1086年《夢(mèng)溪筆談》記載了指南針的制作和使用。1099～1102年有指南針用于航海的記述，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)了地磁偏角的現(xiàn)象。近代，電力工業(yè)的發(fā)展促進(jìn)了金屬磁性材料——硅鋼片（Si-Fe合金）的研制。永磁金屬從19世紀(jì)的碳鋼發(fā)展到后來的稀土永磁合金，性能提高二百多倍。20世紀(jì)40年代，荷蘭J.L.斯諾伊克發(fā)明電阻率高、高頻特性好的鐵氧體軟磁材料，接著又出現(xiàn)了價(jià)格低廉的永磁鐵氧體。50年代初，隨著電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，美籍華人王安首先使用矩磁合金元件作為計(jì)算機(jī)的內(nèi)存儲(chǔ)器，不久被矩磁鐵氧體記憶磁芯取代。50年代初人們發(fā)現(xiàn)鐵氧體具有獨(dú)特的微波特性，制成一系列微波鐵氧體器件。后來又出現(xiàn)了強(qiáng)壓磁性的稀土合金，非晶態(tài)（無定形）磁性材料等。現(xiàn)代磁性材料已經(jīng)廣泛的用在我們的生活之中，例如將永磁材料用作馬達(dá)，應(yīng)用于變壓器中的鐵心材料，作為存儲(chǔ)器使用的磁光盤，計(jì)算機(jī)用磁記錄軟盤等。可以說，磁性材料與信息化、自動(dòng)化、機(jī)電一體化、國防、國民經(jīng)濟(jì)的方方面面緊密相關(guān)。而通常認(rèn)為，磁性材料是指由過度元素鐵、鈷、鎳及其合金等能夠直接或間接產(chǎn)生磁性的物質(zhì)。2磁性材料的分類與概念磁性材料具有磁有序的強(qiáng)磁性物質(zhì)，廣義還包括可應(yīng)用其磁性和磁效應(yīng)的弱磁性及反鐵磁性物質(zhì)。磁性是物質(zhì)的一種基本屬性。物質(zhì)按照其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其在外磁場中的性狀可分為抗磁性、順磁性、鐵磁性、反鐵磁性和亞鐵磁性物質(zhì)。鐵磁性和亞鐵磁性物質(zhì)為強(qiáng)磁性物質(zhì)，抗磁性和順磁性物質(zhì)為弱磁性物質(zhì)。磁性材料按性質(zhì)分為金屬和非金屬兩類，前者主要有電工鋼、鎳基合金和稀土合金等，后者主要是鐵氧體材料。按使用又分為軟磁材料、永磁材料和功能磁性材料。功能磁性材料主要有磁致伸縮材料、磁記錄材料、磁電阻材料、磁泡材料、磁光材料，旋磁材料以及磁性薄膜材料等。2.1永磁材料永磁材料經(jīng)外磁場磁化以后，即使在相當(dāng)大的反向磁場作用下，仍能保持一部或大部原磁化方向的磁性。對(duì)這類材料的要求是剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br高，矯頑力BHC(即磁性材料抗退磁能力)強(qiáng)，磁能積(BH)(即給空間提供的磁場能量)大。相對(duì)于軟磁材料而言，它亦稱為硬磁材料。2.1.1永磁材料的分類永磁材料有合金、鐵氧體和金屬間化合物三類：合金類：包括鑄造、燒結(jié)和可加工合金。鐵氧體類：主要成分為MO?6Fe2O3,M代表Ba、Sr、Pb或SrCa、LaCa等復(fù)合組分。③金屬間化合物類：主要以MnBi為代表。2.1.2永磁材料的應(yīng)用永磁材料有多種用途①基于電磁力作用原理的應(yīng)用主要有：揚(yáng)聲器、話筒、電表、按鍵、電機(jī)、繼電器、傳感器、開關(guān)等。②基于磁電作用原理的應(yīng)用主要有：磁控管和行波管等微波電子管、顯像管、鈦泵、微波鐵氧體器件、磁阻器件、霍爾器件等。③基于磁力作用原理的應(yīng)用主要有：磁軸承、選礦機(jī)、磁力分離器、磁性吸盤、磁密封、磁黑板、玩具、標(biāo)牌、密碼鎖、復(fù)印機(jī)、控溫計(jì)等。其他方面的應(yīng)用還有：磁療、磁化水、磁麻醉等。根據(jù)使用的需要，永磁材料可有不同的結(jié)構(gòu)和形態(tài)。有些材料還有各向同性和各向異性之別。2.2．軟磁材料它的功能主要是導(dǎo)磁、電磁能量的轉(zhuǎn)換與傳輸。因此，對(duì)這類材料要求有較高的磁導(dǎo)率和磁感應(yīng)強(qiáng)度，同時(shí)磁滯回線的面積或磁損耗要小。與永磁材料相反，其Br和BHC越小越好，但飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs則越大越好。2.2.1軟磁材料的分類軟磁材料大體上可分為四類。①合金薄帶或薄片：FeNi(Mo)、FeSi、FeAl等。②非晶態(tài)合金薄3.1.2基本磁化曲線圖2基本磁化曲線圖3退磁曲線對(duì)于同一鐵磁材料，若開始時(shí)不帶磁性，依次選取磁化電流為I1、I2、…Im(I1<I2…<Im)則相應(yīng)的磁場強(qiáng)度為H1、H2、…、Hm。在每一個(gè)選定的磁場值下，使其方向發(fā)生兩次變化（即H1→-H1→H1,…Hm→-Hm→Hm等），則可得到一組逐漸增大的磁滯回線我們把原點(diǎn)o和各個(gè)磁滯回線的頂點(diǎn)a1、a2、…、a所連成的曲線，稱為鐵磁材料的基本磁化曲線（圖2）。在理論上，要消除剩磁Br，只需通一反方向磁化電流，使外加磁場正好等于鐵磁材料的矯頑磁力就行。實(shí)際上，矯頑磁力的大小通常并不知道，因而無法確定退磁電流的大小。我們從磁滯回線得到啟示：如果使鐵磁材料磁化達(dá)到飽和，然后不斷改變磁化電流的方向，與此同時(shí)逐漸減小磁化電流，以至于零，那么該材料得磁化過程就是一連串逐漸縮小而最終趨于原點(diǎn)的環(huán)狀曲線，如圖3所示。當(dāng)H減小到零時(shí)，B亦同時(shí)降為零，達(dá)到完全退磁。3.2軟磁材料的常用磁性能參數(shù)3.2.1飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm其大小取決于材料的成分，它所對(duì)應(yīng)的物理狀態(tài)是材料內(nèi)部的磁化矢量整齊排列，是永磁材料極為重要的參數(shù)。永磁材料的飽和磁化強(qiáng)度越高，它標(biāo)志著材料的最大磁能積和剩磁可能達(dá)到的上限值越高。3.2.2剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br是磁滯回線上的特征參數(shù)，H回到0時(shí)的B值，即鐵磁體磁化到飽和并去掉外磁場后，在磁化方向保留的剩余磁化強(qiáng)度或剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度稱為剩磁。3.2.3矩形比Br∕Bm，表示磁記錄材料磁滯回線矩形程度的重要參數(shù)，符號(hào)Rs。它是材料最大剩余磁通密度Br與最大磁通密度Bm之比，即Rs=Br/Bm。對(duì)于磁記錄材料而言，矩形比愈大愈好，一般Rs值應(yīng)為0.90～0.97左右。矩形比也稱矩形系數(shù)。3.2.4矯頑力Hc是表示材料磁化難易程度的量，取決于材料的成分及缺陷（雜質(zhì)、應(yīng)力等）。鐵磁體磁化到飽和后，使它的磁化強(qiáng)度或磁感應(yīng)強(qiáng)度降低到零所需要的反向外磁場稱為矯頑力。3.2.5磁導(dǎo)率μ是磁滯回線上任何點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的B與H的比值，與器件工作狀態(tài)密切相關(guān)。初始磁導(dǎo)率μi、最大磁導(dǎo)率μm、微分磁導(dǎo)率μd、振幅磁導(dǎo)率μa、有效磁導(dǎo)率μe、脈沖磁導(dǎo)率μp。3.2.6居里溫度Tc鐵磁物質(zhì)的磁化強(qiáng)度隨溫度升高而下降，達(dá)到某一溫度時(shí)，自發(fā)磁化消失，轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判?，該臨界溫度為居里溫度。它確定了磁性器件工作的上限溫度。3.2.7損耗P磁滯損耗Ph及渦流損耗PeP=Ph+Pe=af+bf2+cPe∝f2t2/，ρ降低，降低磁滯損耗Ph的方法是降低矯頑力Hc；降低渦流損耗Pe的方法是減薄磁性材料的厚度t及提高材料的電阻率ρ。在自由靜止空氣中磁芯的損耗與磁芯的溫升關(guān)系為：總功率耗散（mW）/表面積（cm2）3.2.8最大磁能積最大磁能積是退磁曲線上磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度乘積的最大值。這個(gè)值越大，說明單位體積內(nèi)存儲(chǔ)的磁能越大，材料的性能越好。3.3軟磁材料的磁性參數(shù)與器件的電氣參數(shù)之間的轉(zhuǎn)換在設(shè)計(jì)軟磁器件時(shí)，首先要根據(jù)電路的要求確定器件的電壓～電流性。器件的電壓～電流特性與磁芯的幾何形狀及磁化狀態(tài)密切相關(guān)。設(shè)計(jì)者必須熟悉材料的磁化過程并拿握材料的磁性參數(shù)與器件電氣參數(shù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系。設(shè)計(jì)軟磁器件通常包括三個(gè)步驟：正確選用磁性材料；合理確定磁芯的幾何形狀及尺寸；根據(jù)磁性參數(shù)要求，模擬磁芯的工作狀態(tài)得到相應(yīng)的電氣參數(shù)。4市場分析與前景4.1中國磁性產(chǎn)品市場變化產(chǎn)品檔次從低端向高端發(fā)展，高檔產(chǎn)品占全部產(chǎn)量的30%以上。產(chǎn)品向片式化、集約化發(fā)展，器件尺寸越來越小。國際市場競爭，促使磁性材料的價(jià)格下降。磁性產(chǎn)品向新技術(shù)和新應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展。4.1.1中國家電市場的變化平板電視的發(fā)展、變頻空調(diào)、冰箱壓縮機(jī)洗衣機(jī)、微波爐、電磁爐、電剃刀、廚房用品等用磁的發(fā)展。平面顯示器是典型的數(shù)字電子消費(fèi)品。提供的一些重要電子元件，這些元件可以使平面顯示器更薄，質(zhì)量更高，電磁噪音更低。數(shù)字家電產(chǎn)品要求磁性元件抗電磁干擾和電磁兼容材料。隨著電子設(shè)備向高頻、高速、高組裝密度發(fā)展，各類磁芯向高磁導(dǎo)率、高頻化和小型化發(fā)展?，F(xiàn)在國際上綠色環(huán)保對(duì)電磁干擾和電磁兼容提出更高的要求，禁止無上述功能的電子設(shè)備銷售。4.1.2工業(yè)類整機(jī)應(yīng)用發(fā)展汽車工業(yè)、IT行業(yè)、通訊行業(yè)中國成為世界最大生產(chǎn)基地和銷售市場之一，具有良好的發(fā)展前景。WTO后，與世界接軌，電子、電力產(chǎn)品必須達(dá)到抗電磁干擾，市場強(qiáng)勁，世界各大電子元件公司投入開發(fā)，我國起步較晚，EMI對(duì)策元件將迅速發(fā)展，器件片式化、微小型化、高頻化、集成化發(fā)展，磁性薄膜和厚膜是EMI軟磁元件面臨的主題。另外，汽車成為中國經(jīng)濟(jì)的第五柱工業(yè)，2006排名世界第三(1-7月)生產(chǎn)400萬輛，2010年達(dá)1000萬輛，磁性材料最大的受益行業(yè)之一，現(xiàn)在汽車是“行駛的計(jì)算機(jī)”舒適、安全的理念，新一代汽車技術(shù)的開發(fā)碩果頻頻，如混合動(dòng)力和燃料電池汽車和用于無線通訊的遠(yuǎn)程信息處理技術(shù)。同時(shí)，汽車的安全保障是無條件的。汽車導(dǎo)航系統(tǒng)被認(rèn)為是汽車的“大腦”，并且在日益計(jì)算機(jī)化。它們是如此的便利，以至于一旦使用，便難以釋手。功能的進(jìn)化是飛速的，包括數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)從DVD到移動(dòng)硬盤的更新?lián)Q代。4.2磁性材料市場前景中國的磁性材料工業(yè)憑借豐富的資源和勞動(dòng)力的優(yōu)勢(shì)，以及巨大的國內(nèi)外市場的支持，一躍成為世界磁性材料生產(chǎn)大國和制造中心。據(jù)制冷快報(bào)記者了解，我國磁性材料中低檔產(chǎn)品占據(jù)國際市場的60%以上，高檔產(chǎn)品方面也開始形成競爭力。縱觀國際國內(nèi)市場發(fā)展的需求，在通信、計(jì)算機(jī)、汽車和電動(dòng)自行車以及消費(fèi)類電子產(chǎn)品市場的拉動(dòng)下，磁性材料市場前景十分光明。隨著產(chǎn)業(yè)扶持政策的頒布實(shí)施，一大批企業(yè)更是迎著政策的東風(fēng)搶占市場的制高點(diǎn)，競爭態(tài)勢(shì)空前高漲、磁性材料行業(yè)的發(fā)展將迎來黃金機(jī)遇期。可謂是“前途一片光明”。參考文獻(xiàn)：［1］佚名磁性材料［EB/OL］［2］佚名磁化曲線[EB/OL]［3］佚名磁性材料基本知識(shí)[EB/OL]［4］龍毅,張正義.新功能磁性材料及其應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1997.［5］翁興園.磁流體技術(shù)及應(yīng)用的發(fā)