磁功能材料教材

磁功能材料簡介磁性是物質(zhì)的基本屬性之一。磁性現(xiàn)象是與各種形式的電荷運動相關(guān)聯(lián)的，由于物質(zhì)內(nèi)部的電子運動和自旋會產(chǎn)生一定大小的磁場，因而產(chǎn)生磁性。一切物質(zhì)都具有磁性。但磁性材料通常是指那些在實際工程意義上具有較強磁性的材料。磁性材料是電子工業(yè)的重要基礎(chǔ)功能材料，廣泛應(yīng)用于計算機、電子器件、通訊、汽車和航空航天等工業(yè)領(lǐng)域，隨著世界經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，磁性材料的需求將空前廣闊。當(dāng)前我國磁性材料的發(fā)展居世界之首，已經(jīng)成為世界上永磁材料生產(chǎn)量最大的國家。

基本概念“磁”來源于電。一個環(huán)形電流在其運動中心產(chǎn)生的磁矩為P=is，i為電流強度，s為環(huán)形回路所包圍的面積。原子內(nèi)的電子做循軌運動和自旋運動，這必然產(chǎn)生磁矩，產(chǎn)生的磁矩分別稱為軌道磁矩P1和自旋磁矩Ps。原子核雖然也產(chǎn)生磁矩，但它的值比電子磁矩小三個數(shù)量級，一般情況下可忽略不計。因此，原子磁矩的產(chǎn)生是電子的循軌運動、電子自旋這二者組合的結(jié)果。

基本概念磁場強度（H）：指空間某處磁場的大小，單位：安/米；磁化強度（M）：物質(zhì)的磁性來源于內(nèi)部的磁矩，只有當(dāng)內(nèi)部磁矩同向有序排列時才對外顯示強磁性。單位體積內(nèi)磁矩矢量和稱為M，單位：安/米；磁感應(yīng)強度（B）：物質(zhì)在外磁場作用下，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)部外加磁場與附加磁場的和，稱為磁感應(yīng)強度。B=μ0(H+M)，μ0是一個系數(shù)，叫做真空磁導(dǎo)率。磁感應(yīng)強度又稱為磁通密度，單位是特斯拉（T）；磁導(dǎo)率（μ）：μ=B/H，是磁化曲線上任意一點上B和H的比值。導(dǎo)磁率實際上代表了磁性材料被磁化的容易程度，或者說是材料對外部磁場的靈敏程度；磁化率（χ）：磁化強度與磁場強度的比值，χ

=

M/H。

磁滯回線在外加磁場的作用下磁體會被磁化，磁體內(nèi)部的磁感應(yīng)強度B隨外磁場H的變化是非線性的，當(dāng)H減少為零時，B并未回到零值，出現(xiàn)剩磁Br。磁感應(yīng)強度滯后于磁場強度變化的性質(zhì)稱為磁滯性。圖為磁性物質(zhì)的磁滯曲線；要使剩磁消失，通常需進(jìn)行反向磁化。將B=0時的H

值稱為矯頑磁力Hc；Br稱為剩余磁感應(yīng)強度，Bs稱為最大磁感應(yīng)強度（飽和磁感應(yīng)強度）。BsBrHcBHO

磁性材料的分類根據(jù)滯回曲線和磁化曲線的不同，分成三類：(1)軟磁材料其矯頑磁力較小，磁滯回線較窄。(鐵心)(2)硬磁材料其矯頑磁力較大，磁滯回線較寬。(磁鐵)(3)矩磁材料其剩磁大而矯頑磁力小，磁滯回線為矩形。(記憶元件)HBHBHB

一、軟磁材料定義：指在外磁場作用下，很容易磁化，去掉外磁場時又很容易去磁的磁性材料。軟磁材料的特性高的磁導(dǎo)率和磁感應(yīng)強度；矯頑力和磁滯損耗低；（矯頑力一般小于1kA/m）電阻率較高，反復(fù)磁化和退磁時產(chǎn)生的渦流損耗小。

典型軟磁材料及其應(yīng)用常用的軟磁材料有：電工純鐵、硅鋼片、鐵鋁合金、鎳鐵合金、鐵氧體軟磁材料等。

電工用純鐵電工用純鐵是一種含碳量低，wFe>99.95％的軟鋼。它在平爐中進(jìn)行冶煉時，用氧化渣除去碳、硅、錳等元素，再用還原渣除去磷和硫，出鋼時在鋼包中加入脫氧劑而得。工業(yè)純鐵在退火狀態(tài)，起始磁導(dǎo)率為300-500μ0，最大磁導(dǎo)率為600-1200μ0，矯頑力為39.8-95.5A/m。電工用純鐵具有高的飽和磁感應(yīng)強度、高的磁導(dǎo)率、較小的矯頑力、良好的冷加工性能，且成本低廉。缺點是電阻小，鐵損大，只適用于直流情況。主要用于制造電磁鐵的鐵心和磁極，繼電器的磁路和各種零件，電話中的振動膜等。

硅鋼片（硅鐵合金）在電工用純鐵中加入0.5～4.5％的硅，使之形成固溶體，可以提高材料電阻率，減少渦流損耗，這種材料稱為硅鐵合金，或者稱電工用硅鋼片。純鐵中加入硅后，材料的物理性能發(fā)生如下變化：1）熱導(dǎo)率的變化。鐵的熱導(dǎo)率在加入硅后劇烈的降低。

2）電阻率的變化隨著硅含量的增加到5％，硅鐵合金的電阻率急劇上升。當(dāng)wSi=0.25～5％，電阻率與含硅量的關(guān)系如下：ρ＝13.25+11.30×wSi3）相對密度d的變化隨著含硅量的增加，比重幾乎是直線的降低。d＝7.8740-0.062×wSi硅鐵合金屬于高飽和材料，主要用于各種形式的發(fā)電機、電動機和變壓器中。wSi＝3％的Si-Fe合金片由于其飽和磁通密度高，是電力變壓器和配電變壓器中大量采用的材料。

電工硅鋼片的應(yīng)用和磁性能

鎳鐵合金鎳鐵合金主要是含鎳量為34-80％的Fi-Ni合金，通常稱坡莫合金。鎳鐵合金有很高的起始磁導(dǎo)率和最大磁導(dǎo)率。鎳鐵合金廣泛應(yīng)用在電訊工業(yè)、儀表、電子計算機、控制系統(tǒng)等領(lǐng)域中。

軟磁鐵氧體鐵氧體是氧離子和金屬離子組成的尖晶石結(jié)構(gòu)的氧化物，是以Fe2O3為主要成分的復(fù)相氧化物。根據(jù)磁滯回線特征，可分為軟磁、硬磁和矩磁鐵氧體。軟磁鐵氧體是鐵氧體材料中的一種，是一種容易磁化和退磁的鐵氧體。其特點是起始的磁導(dǎo)率高，矯頑力小，損耗小，使用頻率可達(dá)高頻、超高頻范圍。常用的軟磁鐵氧體有鎳鋅鐵氧體和錳鋅鐵氧體軟磁鐵氧體廣泛應(yīng)用于錄音、錄像記錄磁頭，變壓器磁心等。利用軟磁鐵氧體的磁導(dǎo)率或飽和磁感應(yīng)強度在居里溫度附件的激烈變化，還可以制成熱敏器件等。

二、硬磁材料硬磁材料是具有很強的抗退磁能力和高的剩余磁感應(yīng)強度的強磁性材料，又稱永磁材料。硬磁材料一旦經(jīng)外加磁場飽和強化后，如果撤去外加磁場，在磁鐵兩個磁極之間的空隙便可產(chǎn)生恒定磁場，對外界提供有用的磁能。硬磁材料的磁滯回線又寬又高，有較大的矯頑力，典型只為104～106A/m。硬磁材料抗干擾性好，對溫度、振動、時間、輻射及其它因素的干擾不敏感。典型的硬磁材料主要包括鋁鎳鈷系永磁、鐵氧體永磁和稀土系永磁。

鋁鎳鈷系永磁鋁鎳鈷系永磁主要有Fe及Al、Ni、Co組成，有良好的磁特性和熱穩(wěn)定性，剩余磁感應(yīng)強度高，磁能積大，矯頑力適中，但硬而脆，難以加工，主要用鑄造和粉末燒結(jié)兩種方法成形。

硬磁鐵氧體硬磁鐵氧體包括鋇鐵氧體BaFe12O19，鍶鐵氧體SrFe12O19。它具有剩余磁通量小，矯頑力大，電阻率大，密度小，重量輕、溫度系數(shù)大，制造工藝簡單等優(yōu)點，是硬磁材料中價格最低、用量最大的一類磁鐵。

稀土硬磁材料稀土硬磁合金包括稀土鈷和稀土鐵系金屬間化合物，為硬磁材料中性能最高的一類。其中最著名的是釹鐵硼永磁合金，號稱磁王，具有其它永磁材料所不及的高矯頑力和最大磁能積，而且體積小、重量輕、效率高、成本較低等特點。不含戰(zhàn)略物質(zhì)Co和Ni，它能吸起相當(dāng)于自重640倍的重物，而鐵氧體只能吸起自重的120倍。如一臺核磁共振成像儀需用鐵氧體永磁材料100t，而改用釹鐵硼永磁后，僅需10t。

三、磁致伸縮材料磁致伸縮效應(yīng)：磁性材料在外磁場作用下，產(chǎn)生伸長或縮短的現(xiàn)象－為磁致伸縮效應(yīng)。λ為磁致伸縮系數(shù)常用磁致伸縮材料室溫下的飽和磁致伸縮系數(shù)為10-8~10-6Fe隨磁場強度的增大而伸長Ni隨磁場強度的增大而縮短常用磁致伸縮材料磁致伸縮材料的應(yīng)用在磁（電）-聲換能器中的應(yīng)用聲納、超聲換能器、揚聲器等。在磁(電)-機械致動器中