功能金属材料磁性材料.ppt

磁性材料,磁性功能材料 磁性材料指那些有实际工程意义具有较强磁性的材料。是最古老的功能材料。公元前几世纪人类就发现自然界中存在天然磁体，磁性(Magnetism)一词就因盛产天然磁石的Magnesia地区而得名。早期的磁性材料主要是软铁、硅钢片、铁氧体等。二十世纪六十年代起，非晶态软磁材料、纳米晶软磁材料、稀土永磁材料等一系列的高性能磁性材料相继出现。磁性材料广泛应用于计算机及声像记录用大容量存储装置如磁盘、磁带，电工产品如变压器、电机，以及通讯、无线电、电器和各种电子装置中，是电子和电工工业、机械行业和日常生活中不可缺少的材料之一，,第三章 磁性材料,第一节 材料的磁性,第二节 软磁材料及其应用,基本要求,第三节 硬磁材料及其应用,第四节 磁记录材料及其应用,主要内容,理解磁性的起因及其参量 理解磁性的分类及铁磁物质的特性 掌握软磁材料、硬磁材料磁记录材料的特点及其应用。,第一节 材料的磁性,磁性材料,一、磁性的产生及磁学基本参量,物质磁性的本质：原子的磁矩,原子的磁矩,原子核磁矩：约为电子磁矩1/2000,电子磁矩,轨道磁矩,自旋磁矩,磁介质：在磁场作用下能磁化的物质。,1、磁化强度 M 单位：A/m 或高斯（Gs），矢量，由S极指向N极。,第一节 材料的磁性,磁性材料,磁化强度：衡量物质有无磁性或磁性大小的物理量，定义为物质单位体积中的磁矩大小。,2、磁场强度 H 单位：A/m 或高斯（Gs），矢量，由S极指向N极。,第一节 材料的磁性,磁性材料,磁场强度：是指外界磁场的大小，也是一个矢量。单位同磁化强度M 。磁场强度H一般是由导体中的电流或者永磁体产生的。,3、磁化率 M/H,第一节 材料的磁性,磁性材料,磁化强度M与磁场强度H的比值称为磁化率：即 M/H,表征物质磁性的大小,4、磁感应强度 B 单位：特斯拉（T）或韦/米2 (Wb/m2),B = 0 (H+M),第一节 材料的磁性,磁性材料,0是真空磁导率， 0 =410-7H/m,在真空中（M=0），当磁场强度H为（107/ 4）A/m时，相应的磁感应强度为1T。,5、磁偶极矩pm、磁矩m,第一节 材料的磁性,磁性材料,磁偶极子：通常把尺寸小到原子大小的小磁体称为磁偶极子，等效为环绕回路流动的电荷。,磁偶极矩pm：真空中每单位外加磁场作用在磁偶极子上的最大力矩。单位为Wb m。,磁偶极子的磁矩m和磁偶极矩pm有如下关系： m= pm / 0 磁矩m的单位为Am2 。 磁矩是表征磁性物体磁性大小的物理量。磁矩愈大，磁性愈强，即物体在磁场中所受的力也大。 磁矩只与物体本身有关，与外磁场无关。,第一节 材料的磁性,磁性材料,6、磁通量 单位为韦（Wb）,第一节 材料的磁性,磁性材料,磁通量是磁感应通量的简称，其定义是：将通过磁场中某一微元面积S的磁通量等于该处磁感应强度B在垂直于面积方向上的分量Bn和面积S的乘积，即 =BnS=BcosS 式中为磁感应强度B的方向与面积S的垂线方向之间的夹角。,7、磁导率 ,第一节 材料的磁性,磁性材料,磁导率定义为 =B/0 H,B与H的比值称为绝对磁导率绝对。 绝对=B/H=0,磁导率就等于材料的绝对磁导率绝对与真空磁导率之比，故也称为相对磁导率。,磁性材料,二、磁性的分类,1、抗磁性物质 呈抗磁性，或称逆磁性。,0，M与H方向相反 ； 磁化率 很小，-10-5 -10-6 ，且不随温度变化。 属于这类物质的金属有：Bi、Zn、Cu、Ag、Au、Mg。,物质按磁化率以及在磁场中的行为可以分为五类，即抗磁性物质、顺磁性物质、铁磁性物质、反铁磁性物质、亚铁磁性物质。,第一节 材料的磁性,2、顺磁性物质 呈顺磁性。, 0， M与H方向相同；磁化率在 10-310-5 。,第一节 材料的磁性,磁性材料,其特征是组成这些物质的原子具有恒定的与外磁场无关的磁矩 。,属于这类物质的金属有：La、Pr、MnAl、除Be以外的碱金属和碱土金属以及居里温度以上的铁磁性元素Fe、Ni、Co等。,3、铁磁性物质 呈铁磁性。, 0，磁化率在可达104数量级。,自发磁化：铁磁体的原子磁矩在不加外磁场时，由于一种自身力量的作用而互相平行排列，呈饱和磁化的状态。,磁畴:这种自发磁化不是整体饱和，而是分成许多小区域，在每个小区域内饱和，这种饱和的小区域称为磁畴。,第一节 材料的磁性,磁性材料,磁性材料,铁磁物质的原子结构特点：,（1）原子存在未填满的内电子层（例如3d或4f层），在此层中未对消的电子自旋磁矩产生原子磁矩。 （2）原子间距与未满电子层半径之比值要求有一定的大小，这样才能够有足够大的交换力，使物质中原子磁矩同相排列，才能形成铁磁性。,第一节 材料的磁性,磁性材料,第一节 材料的磁性,铁磁性物质是一种磁性很强的物质。是磁性材料的物质基础。,常见的铁磁性金属有：Fe、Ni、Co，某些稀土元素以及由Fe、Ni、Co组成的合金等。,4、反铁磁性物质,0， M与H方向相同；磁化率在10-510-3。,第一节 材料的磁性,磁性材料,反铁磁性物质原子之间的磁矩不同与铁磁性物质是平行的，而是反平行排列的。这种反方向的磁矩相互抵消，结果使总的磁矩为零。,常见的反铁磁性物质有：Mn、Cr,部分铁氧体ZnFe2O4如和某些化合物MnO、NiO、FeF2等。,5、亚铁磁性物质,0,第一节 材料的磁性,磁性材料,亚铁磁性物质的原子磁矩之间也存在反铁磁性相互作用，只是反平行排列的磁矩大小不等，不能完全抵消。从而也引起一定程度的自发磁化。,常见的亚铁磁性物质有：尖晶石型晶体、石榴石型晶体等几种结构类型的铁氧体，稀土钴金属之间的化合物和一些过渡金属。,磁性材料,三、铁磁性物质的特性,1、内禀特性参数,（1）自发磁化强度Ms ：铁磁性物质中的原子磁矩按一定规律排列在晶格中，与相邻近原子发生相互作用，使邻近原子的磁矩方向趋于与某一晶轴方向平行，自发地产生磁化强度。 Ms的大小决定于铁磁性物质的原子结构和邻近原子间的相互作用，并随温度而变化。,第一节 材料的磁性,第一节 材料的磁性,磁性材料,（2）居里温度Tc,当在某温度以下，迫使邻近原子取向一致的相互作用超过原子热运动的破坏作用，则在该温度以下，可以形成一定程度的自发磁化，该温度叫做居里温度（居里点）。 居里温度以上时，原子热运动超过了原子磁矩取向一致的作用，而变为混乱状态，呈顺磁性。,第一节 材料的磁性,磁性材料,（3）磁各向异性参数K1,晶体磁性材料在不同的晶轴方向的磁性能是不一样的，这个性质称为磁各向异性。 易于磁化的晶轴方向称为易磁化方向；难于磁化的晶轴方向称为难磁化方向。 磁各向异性参数K1：表征了某铁磁性物质在外磁场下磁化时的难易程度。,第一节 材料的磁性,磁性材料,（4）饱和磁致伸缩系数s,当铁磁性物质在外磁场作用下被磁化时，铁磁性物质发生尺寸及形状的变化，这种现象称为磁致伸缩现象。 饱和磁致伸缩系数s：表示某一物质在外磁场作用下沿磁场方向测量到最大长度或形状的变化。,第一节 材料的磁性,磁性材料,2、磁化,铁磁物质在外磁场作用下的磁化过程是不可逆的，这就是磁滞现象。,（1）关于磁化的几个重要概念,磁化曲线表征的是铁磁物质在外磁场作用下所具有的磁化规律，又称为技术磁化曲线。,自发磁化：铁磁性物质的自旋磁矩在无外加磁场条件下自发地取向一致的行为。,磁性材料,第一节 材料的磁性,磁滞回线是当磁场在正负两个相同数值之间变化时，磁感应强度的变化回线。这个回线的大小随磁场的正负最大值而不同。从饱和磁化状态开始的磁滞回线叫基本磁滞回线。,磁化曲线和磁滞回线有两种表示法： 一种是磁感应强度B对磁场H的曲线。这是工程技术中常用的表示方法； 另一种是磁化强度M对磁场H的曲线，这是磁学中常用的表示方法。,磁性材料,第一节 材料的磁性,Bs饱和磁感应强度 Hc 矫顽力 Br 剩余磁感应强度 磁导率 m 最大磁导率,（2）与磁化过程有关的特性参数,Bs 饱和磁感应强度，是指用足够大的磁场来磁化磁性物质时，其磁化曲线接近水平不再随外磁场的加大而增加时的相应B值，单位为T或Gs；,Hc 矫顽力，是指当磁性物质磁化到饱和后，由于有磁滞现象，故要使B减为零需有一定的负磁场，单位为安/米（A/m）或（Oe）；,磁性材料,第一节 材料的磁性,磁性材料,第一节 材料的磁性,Br 剩余磁感应强度，是指当以足够大的磁场使磁性物质达到饱和后，又将磁场减小到零时的相应的磁感应强度；,Br/Bm 矩形比，是指剩余磁感Br与规定磁场强度所对应的磁感强度Bm的比值。一般以Br/Bs之比为标准；,磁导率，是B-H曲线上任意一点的B和H的比值， B/H，单位是H/m或Gs/Oe；,0 初始磁导率，是指当H0时的磁导率；,m 最大磁导率，是指以原点作直线与B-H曲线相切，切线的斜率即为m 。,磁性材料,第一节 材料的磁性,磁性材料,四、磁致伸缩和磁弹性能,随着温度的升高，一般磁致伸缩的绝对值会减小，并在自发磁化消失的居里点处变为零。,磁弹性能：因磁致伸缩现象而产生的形变能为磁弹性能。,第一节 材料的磁性,第二节 软磁材料及应用,磁性材料,磁性材料的分类：,按材料组分和结构特点分类,金属磁性材料,铁氧体磁性材料,金属磁性材料,晶态合金磁性材料,非晶态合金磁性材料,第二节 软磁材料及应用,磁性材料,按材料磁性能特点分类,硬磁合金,软磁合金,矩磁合金,压磁合金,矩磁合金和压磁合金都具有很低的矫顽力，接近软磁合金的特点。,Hc0.8kA/m,Hc0.8kA/m,第二节 软磁材料及应用,磁性材料,软磁材料：容易反复磁化，且在外磁场去掉后，容易退磁的材料。 特点：软磁材料磁滞回线细长，磁导率高，矫顽力低，铁芯损耗低，容易磁化，也容易去磁。,图3.2软磁合金的磁化曲线,用途：发电机、电动机、变压器、电磁铁、各类继电器与电感、电抗器的铁心；磁头与磁记录介质；计算机磁心等。 要求：高的饱和磁感应强度、高的最大磁导率、高的居里温度和低的损耗。 分类：高磁饱和材料，中磁饱和中导磁材料，高导磁材料，高硬度、高电阻、高导磁材料，矩磁材料，恒磁导率材料，磁温度补偿材料，磁致伸缩材料。,第二节 软磁材料及应用,磁性材料,第二节 软磁材料及应用,磁性材料,分类：,金属软磁材料,电工用纯铁,电工用硅钢片,合金,非晶态合金,软磁铁氧体,铁镍合金,铁钴合金,铁铝合金,第二节 软磁材料及应用,磁性材料,在强磁场下工作的磁性部件，如电力工业中大量使用的电动机、发电机、大功率变压器、电磁铁等，要求所用的磁性材料应具有高的饱和磁感强度，价格便宜，生产工艺简单，便于大批生产。 在通讯技术中常用的变压器、换能器的铁心、磁屏蔽材料以及开关等磁性元件，绝大部分在弱磁场下工作，它要求材料应具有高的磁导率。,作为金属软磁材料，由于它们工作条件不同，对材料的要求也不一样：,磁性材料,一、电工用纯铁,含碳量极低，其纯度在99.95以上，在退火状态，起始磁导率为3005000，最大磁导率为600012000 0 ，矫顽力Hc为4095A/m。,第二节 软磁材料及应用,影响纯铁磁性能的因素：晶粒和结晶轴对磁化方向的取向关系，纯铁中的杂质，晶粒大小，金属的塑性变形，加工过程中的内应力等.,磁性材料,第二节 软磁材料及应用,主要用途：电磁铁的铁芯和磁极，继电器的磁路和各种零件，感应式和电磁式测量仪表的各种零件，扬声器的磁路，电话中的振动膜，磁屏蔽等。,性能特点： 电工用纯铁具有矫顽力低、磁导率高、导热性和加工性好、易焊接并有一定的耐腐蚀性和价格便宜等优点，被广泛地用于直流应用中。,最常见的是电磁纯铁，名称为电铁(代号DT)，含碳量低于0.04%的Fe-C合金，Bs达2.15T，其供应状态包括锻材、管材、圆棒、薄片或薄带等。,去应力退火：消除加工应力。保护条件下860930，保温4小时后随炉冷却。 去除杂质处理：纯铁中的杂质（ C，Mn，Si，P，S，N等）会显著降低材料的磁导率和矫顽力。通过去杂质退火处理来降低材料中杂质的含量。在纯干燥氢气或真空(10-2帕以下)中，于12001300温度保温510小时。,工业纯铁的热处理：纯铁材在加工成元件后必须经过热处理才能获得好的软磁性能,磁性材料,第二节 软磁材料及应用,人工时效处理：克服纯铁严重的自然磁时效现象，为保持纯铁元件的磁稳定性，须在热处理后进行100，保温100小时的人工时效处理。或选择低时效敏感性的材料。,纯铁的自然磁时效现象：即随着时间的增长，材料的矫顽力上升，磁导率下降。纯铁的时效在130附近特别明显。引起时效的原因是由于在Fe中含有N，逐渐形成铁的氮化物所致。,纯铁的缺点：电阻率低，使用时产生很大的涡流损耗，不适于制作在交变场中工作的铁心。,磁性材料,第二节 软磁材料及应用,磁性材料,第二节 软磁材料及应用,二、电工用硅钢片（Fe-Si合金）,低碳（C0.015wt%) 低硅（(Si+Al) 1wt%),铁中加Si的作用：可提高铁的最大磁导率，增大电阻率，还可显著改善磁性时效。但Si加入量过多时，会降低饱和磁化强度、居里温度、磁晶各向异性常数K1、磁致伸缩系数含Si量的增大会使材料变脆。,硅钢片的机械性能与硅含量、晶粒大小、结晶结构、有害杂质(碳，氧，氢)含量分布状况以及钢板厚度有关；在很大程度上取决于有害杂质含量、冶炼方法、轧制的压下制度、退火温度和介质以及钢板表面状况等。 硅钢片的磁性能同样与硅含量、冶炼过程、热处理工艺、晶粒大小有关。,磁性材料,第二节 软磁材料及应用,一般认为，硅含量在66.5的钢具有高的磁导率，硅也使铁的磁各向异性和磁致伸缩降低。考虑到硅钢的机械性能及加工工艺性能，其中硅的含量不宜超过4。 另外，碳、氢、硫、锰等元素均对合金的磁性能有不利影响；增大晶粒可以改善硅钢的磁性能，但使磁滞损耗增加。,磁性材料,第二节 软磁材料及应用,磁性材料,主要用途：各种形式的电机、发电机和变压器中；在扼流线圈、继电器和测量仪表中也大量使用,分类： 热轧(无取向硅钢片)(D11、D31)； 冷轧(无取向)硅钢片(DW270、DW310-35)； 冷轧取向(DQ122G-30、DQ133G-30),第二节 软磁材料及应用,中国2002年底停止生产,电讯用冷轧单取向硅钢片（ DG）,与热轧硅钢相比，冷轧硅钢的Bs高，其厚度均匀、尺寸精度高、表面光滑平整，从而提高了填充系数和材料的磁性能。冷轧带材的厚度可低至0.020.05mm。冷轧硅钢的含硅量不超过3.5%，否则的材料冷轧十分困难。近年来，用快速凝固技术可制备出含硅6.5%的硅钢薄带。,磁性材料,第二节 软磁材料及应用,磁性材料,第二节 软磁材料及应用,(1)冷轧高斯织构（单取向）硅钢片,提高磁感应强度,冷轧高斯织构（单取向）硅钢片； 冷轧立方织构（双取向）硅钢片,图3.3 FeSi合金单晶体磁化方向示意图,冷轧单取向硅钢的晶粒取向,单取向硅钢的优点：磁性具有强烈的方向性；在易磁化的轧制方向上具有优越的高导磁与低损耗特性。取向钢带在轧制方向的铁损仅为横向的1/3，磁导率比约为6:1，其铁损约为热轧带的1/2，磁导率为后者的2.5倍。,去应力退火处理：用硅钢片制成的电磁元件成型之后，应消除应力（800850，保温515min），恢复材料磁性,磁性材料,第二节 软磁材料及应用,图3.4 Fe-Si合金冷轧立方织构示意图,(2)冷轧立方织构(双取向)硅钢片,具有较高的磁导率,磁性材料,三、铁镍合金、铁钴合金、铁铝合金,特点：在较弱的磁场下，具有较高的磁导率，高的饱和磁感应强度，低的矫顽力和磁损耗，加工成型性也比较好。,1、铁镍合金(坡莫合金Permalloy),用途：电讯工业、仪表、电子计算机，控制系统等领域,第二节 软磁材料及应用,含镍量为3090%的铁镍合金，主要成分为铁、镍、铬、钼、铜等。,磁性材料,第二节 软磁材料及应用,（1）Ni（3650%）：具有较低磁导率和较高的饱和磁感应强度及矫顽力。在热处理中如能适当提高温度，延长时间，可降低矫顽力，提高磁导率。 主要用在中等磁场，适用于做中小功率变压器、微电机、继电器、扼流圈、电磁离合器的铁心、屏蔽罩、话筒振动片以及力矩马达衔铁和导磁体等，主要牌号有1J46、1J50和1J54等。,主要类型：,磁性材料,第二节 软磁材料及应用,（2）Ni（3450%）：结构上具有晶体结构与磁畴结构，沿易磁化方向磁化，可获得矩形磁滞回线，在中等磁场下，有较高磁导率和磁感应强度；如经纵向磁场热处理，可使材料沿磁路方向的磁导率和矩形比增加，矫顽力降低。 主要用于中小功率高灵敏度的磁放大器和磁调制器、中小功率的脉冲变压器以及计算机中的元件等。 主要牌号有1J51、1J52和1J34等。,磁性材料,第二节 软磁材料及应用,（3）Ni（65%）：可以通过磁场热处理改善磁性能。主要牌号有1J65和1J76等。1J67合金是在1J65成分的基础上加入2的Mo，从而提高了电阻率，改善了合金的直流性能和交流性能。这类合金经磁场处理后获得磁畴取向，具有高的最大磁导率m和矩形磁滞回线。 主要用于中等功率的磁放大器及扼流圈、计算机元件和继电器等。,磁性材料,第二节 软磁材料及应用,（4）Ni（79%）：在弱磁场中，也有极高的磁导率和低的饱和磁感应强度。 主要用于弱磁场下工作的高灵敏度和小型的功率变压器、小型磁放大器、继电器、录音磁头和磁屏蔽等。 主要牌号有1J76、1J79、1J80和lJ83等。,磁性材料,第二节 软磁材料及应用,（5）Ni（85%）：在软磁合金中只有相当高的初始磁导率和最大磁导率以及极低的矫顽力，对微弱信号反应灵敏。 主要用作扼流圈、音频变压器、高精度电桥变压器、互感器、磁调制器、快速磁放大器和录音磁头等的铁心和精密电表中的动片。 主要牌号有1J85、1J86和1J87等。,磁性材料,第二节 软磁材料及应用,铁钴合金主要是指含钴量为50的铁钴合金，具有高的饱和磁感应强度、高的初始磁导率和最大磁导率，通常称为坡明德(Permendur)合金。 这种合金存在微量杂质元素(如C、H和N)和出现无序-有序转变时将会变脆，其磁性能对热处理和纯度也很敏感，因此提高合金纯度和抑制有序相的出现十分重要。,2、铁钴合金(坡明德Permendur),在这种合金中加入V、Mo、W和Ti等元素，可以改变其加工件能。特别是加入2V的铁钴合金，也称为2V型坡明德合金。抑制了有序化的进行，从而便性能获得很大改善。 铁钴合金通常用作直流电磁铁铁心和极头材料、航空发电机定子材料以及电话受话器的振动膜片等。此外，由于这种合金具有较高的饱和磁致伸缩系数，因此是一种很好的磁致伸缩合金，在电声换能器中应用前景广阔。,磁性材料,第二节 软磁材料及应用,3、铁铝合金,磁性材料,第二节 软磁材料及应用,铁铝合金是指以铁和铝为主要元素组成的软磁合金系列，研究表明当含铝量在16以下时，便可以热轧成板材或者带材；当含铝量在56以上时，合金冷轧非常困难。 我国铁铝合金系列的主要牌导有1J16、1J13、1J12和1J6等。,特点： （1）随着Al含量的变化，可以获得各种较好的软磁特性，如1J16合金有较高的磁导率；1J13合金具有较高的饱和磁致伸缩系数s；1J12合金既有较高的磁导率又有较高的饱和磁感应强度等。 （2）有较高的电阻率。1J16合金的电阻率是目前所有金属材料中最高的一种，一般为150cm，是1J79铁镍合金的23倍，因此具有较好的高频磁特性。,磁性材料,第二节 软磁材料及应用,（3）有较高的硬度、强度和耐磨性，这对磁头之类的磁性元件来说是很重要的性能，如1J16合金的硬度和耐磨性要比1J79合金高。 （4）密度低，可以减轻磁性元件的铁心质量。这对于铁心质量占相当大比例的现代电器设备来说很有必要。 （5）对应力敏感性小，适于在冲击、振动等环境厂工作。,磁性材料,第二节 软磁材料及应用,（6）合金的时效性好，随着环境温度的变化和使用时间的延长，其磁性变化不大。 （7）具有较好的温度稳定性和抗核辐射性能。 （8）铁铝合金和铁镍合金比较，它在性能上具有独特的优点，不含Ni、Co等贵重元素，成本低，使用范围很广。它可以部分取代铁镍系坡莫合金在电子变压器、磁头以及磁致伸缩换能器等处使用。,磁性材料,第二节 软磁材料及应用,四、非晶态合金,磁性材料,第二节 软磁材料及应用,非晶态软磁合金的主要特性： 磁导率和矫顽力与铁镍合金基本相同，在某些情况下，有些指标还优于铁镍合金； 由于没有晶界和位错等晶体缺陷和易滑移和断裂的晶面，故具有较高的强度和硬度；,晶界等缺陷的不存在，使之没有易发生腐蚀的“源”，因而具有良好的耐腐蚀性能； 元素的混乱排列以及类金属元素的存在，使得非晶态软磁合金的电阻率比一般的软磁合金要大。 总之，由于其特殊的原子结构，使非晶态软磁合金获得了比晶态合金更为优越的机械性能、磁学性能、电学性能和化学性能。,磁性材料,第二节 软磁材料及应用,非晶态软磁材料大致上可分为三大类：（1）过渡金属类金属非晶合金，主要包括铁基非晶合金、铁镍基非晶合金和钴基非晶合金；（2）稀土过渡族非晶合金，如TbFeCo、GaTbFe等；（3）过渡金属过渡金属非晶态合金，如FeZr、CoZr等。,非晶态软磁合金,铁基非晶态软磁合金,钴基非晶态软磁合金,铁镍基非晶态软磁合金,磁性材料,第二节 软磁材料及应用,铁基非晶态软磁合金： 这类合金的特点是饱和磁感应强度Bs较高，损耗值比晶粒取向硅钢的低很多。只有硅钢的1/41/5，所以很适合于做功率变压器等。,磁性材料,第二节 软磁材料及应用,钴基非晶态软磁合金： 这类合金的特点是饱和磁感应强度较低，起始磁导率很高，矫顽力很小，交流损耗低； 适合于做传递小功率能量及传递电压信号的磁性元件； 另外这类合金所具有的零磁致伸缩的特性，使起在磁头应用方面有较好的发展前景；,铁镍基非晶态软磁合金： 这类合金的饱和磁感应强度和起始磁导率等磁性参数基本上介于铁基和钴基非晶态合金之间，相应的用途也介于两者之间，即可用于传递中等功率及中等强度电压信号的变压器中。,磁性材料,第二节 软磁材料及应用,磁性材料,15Kv配电变压器的性能,第二节 软磁材料及应用,五、纳米晶软磁合金,纳米晶软磁合金主要是铁基纳米晶软磁合金：常见的合金系有：Fe-Si-B、Fe-M-B/Fe-M-C、Fe-M-N和Fe-M-O等，其中为Hf、Nb、Ta和等元素。,纳米晶软磁合金兼备了各类传统软磁材料的优点，如高饱和磁感应强度、高磁导率和低损耗等，它适应了各类电子设备向高效节能、小型轻量化方向发展的需求，主要用于制作各类高品质圈绕铁心，可广泛应用于计算机、网络、通讯和自动化控制等电子信息领域。,磁性材料,第二节 软磁材料及应用,将非晶材料在晶化温度之上进行退火处理，可以转变为晶态，如在FeSiB非晶合金组成中再添加Cu，Nb等元素，以细化晶粒并限制退火过程中晶粒的生长，就可以获得纳米晶磁性材料。,坡莫磁性合金（NiFe）纳米颗粒,粉心材料,减少高频下的损耗,涡流损耗还与材料厚度的平方成正比,高频下的损耗,磁致损耗与频率成正比,涡流损耗与频率的平方成正比,主要问题,解决办法,减小铁芯材料（Si钢片）的厚度,有一定限度100KHz。,将磁性材料制成粉末，在粉末颗粒之间加上绝缘物质，用压缩成型的办法制成磁心，使用频率可以提高到几百MHz。,粉心型材料,铁粉心材料包括羰基铁粉、MoNiFe合金粉、FeAlSi粉等。在高温高压下，使Fe和CO发生反应，可以制成羰基铁Fe2(CO)5，然后在350使其分解，可以得到尺寸均匀的球状纯铁颗粒；混以适当的绝缘剂并压制成型，可作相对初始磁导率为520的高频低磁导率的铁心使用。在含钼坡莫合金的基础上加入百分之几的硫，使之脆化，然后用机械粉碎法制成MoNiFe合金粉末，与绝缘剂混合后压制成铁心。 氧化物粉心材料主要有Mn-Zn、Ni-Zn系复合铁氧体。Mn-Zn系使用频率。 粉末尺寸：10 mm量级,粉芯产品示例,变压器,变压器的铁芯处于不断变化的电磁场中，铁芯材料的磁化强度和磁感应强度也是不断改变的。这就自然要求铁芯材料对这种变化的阻力小，变化足够灵敏。所以，几乎对所有的变压器铁芯，都要求导磁率高。,软磁材料的应用,磁性传感器,第三节 硬磁材料及应用,磁性材料,硬磁材料，又称永磁材料。 磁性硬是指磁性材料经过外加磁场磁化以后能长期保留其强磁性（简称磁性），其特征是矫顽力（矫顽磁场）高，一般Hc104A/m，剩余磁感应值大于1T以上。 这里的硬和软主要指磁学性能上的硬和软，但一般情况下和力学性能上的硬和软有一定关系。,一、硬磁材料的概念,硬磁材料的应用,扬声器,用途： 硬磁材料主要用来储藏和供给磁能，作为磁场源。硬磁材料在电子工业中广泛用于各种电声器件、在微波技术的磁控管中亦有应用。,硬（永）磁直流步进电机 用于变速控制系统,第三节 硬磁材料及应用,磁性材料,二、评价永磁材料的几个重要指标：,（1）剩余磁感应强度Br： 高的剩余磁感应强度（或磁通密度，符号为Br）和高的剩余磁化强度（符号为Mr）.,（2）矫顽力Hc： 高的矫顽力，矫顾力（符号为Hc）是永磁材料抵抗磁的和非磁的干扰而保持其永磁性的量度；,第三节 硬磁材料及应用,磁性材料,（3）最大磁能积（BH)max： 高的最大磁能积，最大磁能积符号为(BH) max 是永磁材料单位体积存储和可利用的最大磁能量密度的量度，简单地说就是永久磁铁磁极之间的空隙中所能提供磁能的量度，它在数值上等于退磁曲线上各点所对应的磁感应强度和磁场强度乘积中的最大值，当永久磁铁的工作点位于退磁曲线上具有(BH)max的那一点时，为提供相同的磁能所需的永磁材料体积最小；,第三节 硬磁材料及应用,磁性材料,永磁材料的退磁曲线和磁能积曲线,（4）高的稳定性 即指其有关磁性能在长时间使用过程中或者在受到外加干扰磁场和温度、震动和冲击等外界环境因素影响时保持不变的能力，材料稳定性的好坏直接关系到永久磁铁工作的可靠性。,第三节 硬磁材料及应用,磁性材料,第三节 硬磁材料及应用,磁性材料,三、硬磁材料分类,硬磁材料分类,稀土硬磁材料,铁氧体硬磁材料,金属硬磁材料,其它硬磁材料,微粉硬磁材料,纳米硬磁材料,胶塑硬磁材料,可加工硬磁材料,这类金属材料发展和应用都较早，是以铁和铁族元素(如镍、钴等)为重要组元的合金型硬磁材料。这类永磁合金的磁性与合金的组元、含量及制造工艺等有密切联系。,1、金属硬磁材料,第三节 硬磁材料及应用,磁性材料,第三节 硬磁材料及应用,磁性材料,几种常用的以铁和铁族元素为重要组元的合金硬磁材料：,淬火马氏体型磁钢,沉淀硬化型磁钢,可加工永磁合金,有序硬化型永磁合金,铁族合金硬磁材料,铁基合金,铁锰钛和铁钴钒合金,铜镍铁、铜镍钴合金,铁铬钴合金,第三节 硬磁材料及应用,磁性材料,（1）淬火马氏体型磁钢：,第三节 硬磁材料及应用,磁性材料,（2）沉淀硬化型磁钢：,特点：高温下合金呈单相状态，当冷却到两相区时，在一定的冷却速度下，利用相析出的磁性相使矫顽力增加。,FeCu系 FeCo系 AlNiCo系,铝镍钴系合金硬磁性能和成本属于中等，发展较早，性能随化学成分和制造工艺而变化的范围较宽，故应用范围也较广。 特点：高的磁能积及剩余磁感应强度，适中的矫顽力。,第三节 硬磁材料及应用,磁性材料,第三节 硬磁材料及应用,磁性材料,（3）可加工永磁合金：,-铁基合金,铁锰钛和铁钴钒合金,铜基合金： 包括铜镍铁和铜镍钴2种，成分分别为60Cu-20Ni-Fe和50Cu-20%Ni-2.5Co-Fe。它们的硬磁性能是通过热处理和冷加工获得的，其磁能积在0.060.15105J/m3，可用于测速计和转速计。,铁铬钴系硬磁合金 基本成分为2033Cr。325Co，其余为铁。可以通过改变组分含量、特别是含量或添加其它元素如Ti等，可改变其硬磁性能。 主要的添加元素有Mo、Si、V、Nb、Ti、W和Cu等。FeCrCo系硬磁合金的硬磁性能类似于中等性能的AlNiCo系硬磁合金。但可以进行各种机械技工和冷或热塑性形变，以制成管材、片材或线材供特殊应用。不道其硬磁性能对热处理等较为敏感，难以获得最佳的硬磁性能。,第三节 硬磁材料及应用,磁性材料,铁铬钴系硬磁合金的主要合金系有：Fe-Cr-Co-Mo、Fe-Cr-Co-Si、Fe-Cr-Co-V、Fe-Cr-Co-Nb-Al、Fe-Cr-Co-Ti以及一些低钴的Fe-Cr-Co合金。 铁铬钴系硬磁合金的特点是硬磁性能中等，但其力学性能可进行各种机械加工及冷或热的塑性变形，可以制成管状、片状或线状硬磁材料而供多种特殊应用。 铁铬钴系硬磁合金已部分取代铝镍钴、铁镍铜、铁钴钒等合金，用于电话受话器、电度表、转速表、空气滤波器和陀螺仪等方面。,第三节 硬磁材料及应用,磁性材料,（4）有序硬化型硬磁合金： 这类硬磁合金主要包括银锰铝、钴铂、铁铂、锰铝和锰铝碳合金。这类合金的特点是在高温下处于无序状态，经过适当的淬火和回火后，由无序相中析出弥散状态的有序相，从而提高矫顽力。这类合金常用来制造磁性弹簧、小型仪表元件和小型磁力马达磁系统等。,第三节 硬磁材料及应用,磁性材料,稀土硬磁材料是当前最大磁能积最高的一大类硬磁材料，是稀土族元素和铁族元素为主要成分的金属互化物（又称金属间化合物）。,2、稀土硬磁材料,稀土硬磁材料,第一代的SmCo5系材料,第二代的Sm2Co17系材料,第三代的Nd-Fe-B,第四代的Sm-Fe-N,第三节 硬磁材料及应用,磁性材料,磁性材料,稀土永磁材料分类图,第三节 硬磁材料及应用,在稀土硬磁材料制造工艺上，除较大量使用烧结工艺外，还发展了快淬法、热形变法、热压法和粘接法等新工艺，它们具有其各自的特点和适用的生产条件。,磁性材料,（1）稀土钴硬磁材料,第一代：SmCo5 PrCo5 (SmPr)Co5,第二代：Sm2Co17 Sm2(Co, Cu, F, Zr)17,第三节 硬磁材料及应用,稀土钴硬磁合金是目前磁能积和矫顽力最高的硬磁材料，主要有1:5型Sm-Co硬磁合金、2:7型Sm-Co硬磁合金和粘接型Sm-Co硬磁合金。它普遍应用于电子钟表、微型继电器、微型直流马达和发电机、助听器、行波管、质子直线加速器和微波铁氧器件等。,以Nd-Fe-B系合金使磁材料为代表的稀土铁系硬磁材料是磁性能最高、应用最广、发展速度最快的新一代永磁材料、它的优异的磁性能主要来自于成分为Nd2Fe14B的磁性相。稀土铁系硬磁材料大多是R2Fe14B型，其中R可以是Nd、Pr、Dy和Tb等。,优点：加工性能好，合金密度稀土钴合金低13。缺点：耐蚀性差，居里温度低（312），磁感应强度温度系数大，材料使用温度低（不超过150）,磁性材料,第三节 硬磁材料及应用,（2）稀土铁系硬磁材料,磁性材料,第三节 硬磁材料及应用,用机械合金化方法研制出内禀矫顽力为44.2 kOe，磁能积达14.2 MGOe的Sm-Fe-N永磁粉体，各项指标处于国际同类材料领先地位。并发现其永磁主相为亚稳的SmFe7N相，而不是通常所指的Sm2Fe17N相。还系统地研究了Sm-Fe-N永磁材料的相转变和热稳定性。 用氢粉碎方法制备了高磁能积Sm-Fe-N永磁材料，对氢爆裂反应和氢歧化反应再合成两种过程进行了系统的对比性研究，研究了各种稳定相和亚稳相之间的相转变过程及其对磁性的影响，制备出磁能积达25 MGOe的Sm-Fe-N永磁粉体，各项指标处于国际先进水平。,稀土系列化学成分及磁性能,磁性材料,第三节 硬磁材料及应用,磁性材料,第三节 硬磁材料及应用,2、稀土硬磁材料的应用,（1）微波通讯技术 在雷达、卫星通讯、遥控遥测、电子跟踪和电子对抗中所用的磁控管、阴极管、行波管等都需要使用永久磁铁，产生一个恒定的磁场，用以控制电子束流的运动，以便实现高频或超高频振荡，达到微波信号的放大，接收与显示的目的。采用稀土永磁材料制造这些器件，不仅体积小、重量轻，而且性能更加。,磁性材料,第三节 硬磁材料及应用,（2）电机 工程,磁性材料,（3）未来 交通运输工具,第三节 硬磁材料及应用,6.磁性材料的应用, 磁悬浮列车,上海磁悬浮列车 平均时速300公里/小时，最高时速430公里/小时,“中华06号”磁悬浮验证车亮相大连 日前，在大连市磁谷科技研究所有限公司的厂房内，中国首个采用永磁技术设计生产的轻型吊轨磁悬浮验证车“中华06号”首度正式亮相。“中华06号”长96米、宽165米、高187米，可载客10人，设计时速可达400公里，弥补了国内高速磁悬浮列车的空白。,传统轮轨技术： 速度低、噪音大,磁悬浮技术： 采用磁力悬浮的方式，使列车悬浮在轨道上方行驶，具有如下优点： 减少摩擦力，大幅度提高车辆的行驶速度； 不会造成噪音或空气污染，并可提高能源的使用效率；,磁悬浮列车是运用磁铁“同性相斥，异性相吸”的性质，使磁铁具有抗拒地心引力的能力，使列车完全脱离轨道而悬浮行驶，成为“无轮”列车。 磁悬浮列车也有两种相应的形式：一种是电磁型，也称吸力型、常导型。另一种是电动型，也称斥力型、超导型。,磁悬浮列车原理,两种磁悬浮列车系统的结构示意图：(a)电磁型；(b)电动型,(4)音响器件,磁性材料,第三节 硬磁材料及应用,磁性材料,第三节 硬磁材料及应用,5、磁疗及健身器械,磁共振是物质磁矩系统在恒定磁场和一定频率的交变磁场的同时作用下，且恒定磁场和交变磁场频率满足一定关系时，磁矩系统从交变磁场中吸收能量的现象。,磁性材料,第三节 硬磁材料及应用,6、军用,第四节 硬记录材料及应用,磁性材料,一、磁记录原理简介,纵向记录示意图,磁记录系统包括的基本单元：换能器，存储介质，传动介质装置以及相匹配的电子线路。,第四节 硬记录材料及应用,磁性材料,巨磁阻硬盘磁头, 磁性液体,1963年，美国国家航空与航天局的SPapell采用油酸为表面活性剂，把它包覆在超细的四氧化三铁微颗粒上(直径约为10nm)，并高度弥散于煤油(基液)中，从而形成一种稳定的胶体体系。在磁场作用下，磁性颗粒带动着被表面活性剂所包裹着的液体一起运动，好象整个液体具有磁性，因此，取名为磁性液体。,生成磁性液体的必要条件是强磁性颗粒要足够地小，以致可以削弱颗粒间的静磁作用，能在基液中作无规则的热运动。例如对铁氧体类型的微颗粒，大致尺寸为10nm；对金属微颗粒，通常小于6nm。 为了防止颗粒聚集成团，产生沉积，每个磁性微颗粒的表面必须化学吸附一层长链的高分子(称为表面活性剂)，高分子的链要足够地长，以致颗粒接近时排斥力应大于吸引力，此外，链的一端应和磁性颗粒产生化学吸附，另一端应和基液亲和。,主要特点： 1.在磁场作用下，可以被磁化； 2.具有液体的流动性，可以运动。 3.在静磁场作用下，磁性颗粒将沿着外磁场方向形成一定有序排列的团链簇，从而使得液体变为各向异性的介质。 当光波、声波在其中传播时会产生光的法拉第旋转、双折射效应、二向色性以及超声波传播速度与衰减的各向异性，此外介电性质也会呈现各向异性。这些都是有别于通常液体的奇异性质。,磁性液体,磁性液体是1965年美国宇航局为解决太空服头盔转动密封问题而率先研究成功的，当时采用球磨法。它的问世引起了国际磁学界的密切关注,各国竞相开展深入研究。现在无论在基础研究还是在实际应用上都取得了令人瞩目的进展。 1977年在意大利举行了第一届国际磁性液体学术研讨会,以后每三年举行一次。国外在七十年代磁性液体材料已商品化,已在航天航空、冶金机械、化工环保、仪器仪表、医疗卫生、国防军工等领域获得广泛应用。 据不完全统计,现在各国每年应用这种功能材料的元器件数量已达数千万件。美国早在1968年就成立了磁性液体公司。日本到2